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title: ECSE 1010 概念验证 - Omega Lab02
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subtitle:
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date: 2024-11-28T12:57:51-05:00
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name: James
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description: This blog post discusses a detailed lab assignment focusing on proving various electrical concepts using resistors, diodes, op-amps, and nodal analysis. The experiments aim to validate Ohm's Law, non-linear IV curves for LEDs, differential resistance in diode IV curves, nodal voltage solving with Kirchhoff’s Laws, the function of an op amp comparator, mathematical op amp functionality, and two-channel audio mixer transfer functions.
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keywords: ["Electrical Engineering","Ohm's Law","IV curve","Nodal Analysis","Op-Amp"]
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- ECSE 1010
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- Lab
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- Electrical Engineering
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- RPI
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- Electrical Engineering
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- ECSE 1010
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summary: This blog post discusses a detailed lab assignment focusing on proving various electrical concepts using resistors, diodes, op-amps, and nodal analysis. The experiments aim to validate Ohm's Law, non-linear IV curves for LEDs, differential resistance in diode IV curves, nodal voltage solving with Kirchhoff’s Laws, the function of an op amp comparator, mathematical op amp functionality, and two-channel audio mixer transfer functions.
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# See details front matter: https/fixit.lruihao.cn/documentation/content-management/introduction/#front-matter
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<!--more-->
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## 0. 参考文档
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<div style="width: 100%; max-width: 600px; margin: 0 auto; display: block;">
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<embed src="Lab02.pdf" type="application/pdf" width="100%" height="500px">
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</div>
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## 1. 证明不同阻值的两个电阻 IV 曲线斜率等于欧姆定律中的电阻值
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### 构建模块
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{{< image src="P1-1-a.avif" caption="P1-1-a" width=600px >}}
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让我们选择两个电阻。第一个是：
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{{< figure src="P1-1-b.avif" caption="P1-1-b" width=600px >}}
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四色环代码：橙、橙、棕、金
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$$
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\begin{align*}
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33 \times (1\times10^1) = 330 \Omega \pm 5\%
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\end{align*}
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$$
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检查一下：
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{{< image src="P1-1-b-2.avif" caption="P1-1-b-2" width=600px >}}
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第二个是：
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{{< image src="P1-1-c.avif" caption="P1-1-c" width=600px >}}
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四色环代码：棕、棕、红、金
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$$
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\begin{align*}
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11 \times (1\times10^2) = 1100 \Omega \pm 5\%
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||
\end{align*}
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||
$$
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||
检查一下：
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{{< image src="P1-1-c-2.avif" caption="P1-1-c-2" width=600px >}}
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### 分析
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我们知道 IV 曲线表示 y 轴为 I，x 轴为 V。因此它必须是线性函数，因为 IV 没有幂次。
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使用线性函数的思想，我们可知斜率是 $\frac{\Delta X}{\Delta Y}$。回到我们的案例中，就变成了 $\frac{\Delta V}{\Delta I}$。另外我们知道欧姆定律，即 $\frac{V}{I} = R$。因此，斜率很可能是电阻 $R$。
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如果我们取 $R_1 = 10 \Omega$，$R_2 = 100 \Omega$（如仿真设置）。我们应得到：
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{{< image src="P1-2-a.avif" caption="P1-2-a" width=600px >}}
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如果我们将它们一起绘制，则得到
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{{< image src="P1-2-b.avif" caption="P1-2-b" width=600px >}}
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这里是数据表：
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|$I$ | $V = IR_1$ | $V = IR_2$ |
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|:----|----------:|----------:|
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| 0 | 0 | 0 |
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| 0.2 | 2 | 20 |
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| 0.4 | 4 | 40 |
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| 0.6 | 6 | 60 |
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| 0.8 | 8 | 80 |
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| 1 | 10 | 100 |
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### 模拟
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{{< image src="P1-3-a.avif" caption="P1-3-a" width=600px >}}
|
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### 测量
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首先我们构建了一个这样的电路：
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{{< image src="P1-4-a.avif" caption="P1-4-a" width=600px >}}
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这是基于实验手册中的图示。
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{{< image src="P1-4-a-2.avif" caption="P1-4-a-2" width=250px >}}
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我们只改变了 $R1, R2$ 的值。另外，很难在面包板上插表。因此我们在前面交叉了 V+ 电路
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{{< image src="P1-4-b.avif" caption="P1-4-b" width=600px >}}
|
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这种方法不是理想的选择，但可以工作。
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***
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让我们开始吧：
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对于 $V+ = 0.5V$，我们得到：
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{{< image src="P1-4-c.avif" caption="P1-4-c" width=600px >}}
|
||
|
||
{{< image src="P1-4-c-2.avif" caption="P1-4-c-2" width=600px >}}
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||
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||
为了节省空间和工作量，我们不会展示每个结果。但这里是数据：
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|$V+$|$V(R1)$|$V(R1)$|$I$|
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|:---|:------|:------|:--|
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|$0V$|$0V$|$0V$|$0mA$|
|
||
|$0.5V$|$0.142V$|$0.396V$|$0.3mA$|
|
||
|$1V$|$0.238V$|$0.724V$|$0.6mA$|
|
||
|$1.5V$|$0.358V$|$1.126V$|$1.0mA$|
|
||
|$2V$|$0.463V$|$1.492V$|$1.3mA$|
|
||
|$2.5V$|$0.572V$|$1.831V$|$1.6mA$|
|
||
|$3V$|$0.632V$|$1.994V$|$1.9mA$|
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使用以下 MATLAB 代码：
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```matlab
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||
% 步骤 1：输入数据
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||
V_plus = [0, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3]; % V+ 值
|
||
V_R1 = [0, 0.142, 0.238, 0.358, 0.463, 0.572, 0.632]; % V(R1) 值
|
||
V_R2 = [0, 0.396, 0.724, 1.126, 1.492, 1.831, 1.994]; % V(R2) 值
|
||
I = [0, 0.3, 0.6, 1.0, 1.3, 1.6, 1.9] * 1e-3; % I 值（A，转换为 mA）
|
||
|
||
% 步骤 2：绘制数据
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figure;
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||
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||
% 绘制电阻 R1 的曲线
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||
subplot(2, 1, 1);
|
||
plot(V_R1, I, '-o');
|
||
xlabel('电压 V(R1) (V)');
|
||
ylabel('电流 I (A)');
|
||
title('电阻 R1: 电流与电压的关系图');
|
||
grid on;
|
||
|
||
% 绘制电阻 R2 的曲线
|
||
subplot(2, 1, 2);
|
||
plot(V_R2, I, '-o');
|
||
xlabel('电压 V(R2) (V)');
|
||
ylabel('电流 I (A)');
|
||
title('电阻 R2: 电流与电压的关系图');
|
||
grid on;
|
||
```
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||
|
||
我们得到了 $R1$ 和 $R2$ 的曲线：
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{{< image src="P1-4-d.svg" caption="P1-4-d" width=600px >}}
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||
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||
现在，让我们为两者创建拟合线。需要找到斜率（$R = V/I$）。为此，我们稍微修改了代码如下：
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```matlab
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||
% 步骤 1：输入数据
|
||
V_plus = [0, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3]; % V+ 值
|
||
V_R1 = [0, 0.142, 0.238, 0.358, 0.463, 0.572, 0.632]; % V(R1) 值
|
||
V_R2 = [0, 0.396, 0.724, 1.126, 1.492, 1.831, 1.994]; % V(R2) 值
|
||
I = [0, 0.3, 0.6, 1.0, 1.3, 1.6, 1.9] * 1e-3; % I 值（A，转换为 mA）
|
||
|
||
% 步骤 2：拟合线性回归曲线
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% 拟合电阻 R1 的曲线
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p_R1 = polyfit(I, V_R1, 1);
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||
slope_R1 = p_R1(1);
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R_R1 = slope_R1; % 电阻 R1
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% 拟合电阻 R2 的曲线
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p_R2 = polyfit(I, V_R2, 1);
|
||
slope_R2 = p_R2(1);
|
||
R_R2 = slope_R2; % 电阻 R2
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||
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||
% 步骤 3：显示电阻值
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fprintf('电阻 R1: %.3f ohms\n', R_R1);
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||
fprintf('电阻 R2: %.3f ohms\n', R_R2);
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||
% 步骤 4：绘制数据和拟合曲线
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figure;
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||
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||
% 绘制电阻 R1 的曲线
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||
subplot(2, 1, 1);
|
||
plot(V_R1, I, 'o');
|
||
hold on;
|
||
plot(polyval(p_R1, I), I, '-');
|
||
xlabel('电压 V(R1) (V)');
|
||
ylabel('电流 I (A)');
|
||
title('电阻 R1: 电流与电压的关系图（带线性拟合）');
|
||
legend('数据', '线性拟合');
|
||
grid on;
|
||
|
||
% 绘制电阻 R2 的曲线
|
||
subplot(2, 1, 2);
|
||
plot(V_R2, I, 'o');
|
||
hold on;
|
||
plot(polyval(p_R2, I), I, '-');
|
||
xlabel('电压 V(R2) (V)');
|
||
ylabel('电流 I (A)');
|
||
title('电阻 R2: 电流与电压的关系图（带线性拟合）');
|
||
legend('数据', '线性拟合');
|
||
grid on;
|
||
```
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||
|
||
我们得到了结果：
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||
|
||
```text
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||
电阻 R1: 331.144 ohms
|
||
电阻 R2: 1069.374 ohms
|
||
```
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|
||
以及曲线图：
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{{< image src="P1-4-e.svg" caption="P1-4-e" width=600px >}}
|
||
|
||
检查这个结果，从万用表的读数来看
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||
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{{< image src="P1-4-d.avif" caption="P1-4-d" width=600px >}}
|
||
|
||
{{< image src="P1-4-d-2.avif" caption="P1-4-d-2" width=600px >}}
|
||
|
||
太好了！实际读数非常接近我们从 IV 测量数据和线性回归得出的电阻值。平均误差小于 1%。
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||
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||
### 讨论
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||
我们在每次会话中进行了大量的讨论，而不是一次完成所有内容，这使得文档更加逻辑化并遵循流程。因此，我们将只总结未出现的内容。
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||
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||
首先，我们使用 LTSpecie 确定了两个电阻 $R_1 = 10\Omega$ 和 $R_2 = 100\Omega$ 的 IV 曲线（这只是为了证明我们的分析）。然后，我们构建了一个串联电路，并知道所有组件的电流相同。只要我们得到一些读数对，就可以绘制曲线图。结果与预期一致，误差小于 1%。
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||
|
||
因此，我们证明了不同阻值的两个电阻 IV 曲线斜率等于欧姆定律中的电阻值。
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## 2. 证明发光二极管的非线性 IV 曲线
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### 构建模块
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{{< image src="P3-1-a.avif" caption="P3-1-a" width=600px >}}
|
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||
### 分析
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|
||
为了绘制一个二极管的 IV 曲线，我们需要找到一些重要的数据。
|
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- 正向电压（$V_F$）
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||
- 反向击穿电压（$V_{BR}$）
|
||
- 反向漏电流（$I_S$）
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||
根据 [QED123](https/www.onsemi.com/pdf/datasheet/qed123-d.pdf) 的数据表：
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- $V_F = 1.7V$
|
||
- $I_F = 100 mA$
|
||
- $V_{BR} = 5V$
|
||
- $I_S = 10 \mu A$
|
||
|
||
我们将其绘制到标准二极管 IV 特性图中，得到
|
||
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||
{{< image src="P2-2-a.avif" caption="P2-2-a" width=600px >}}
|
||
|
||
### 模拟
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||
|
||
{{< image src="P3-3-a.avif" caption="P2-3-a" width=600px >}}
|
||
|
||
1N914 的开启电压约为 $0.7V$
|
||
|
||
### 测量
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||
|
||
{{< image src="P3-4-a.avif" caption="P3-4-a" width=600px >}}
|
||
|
||
我们创建了一个三角波，如图所示：
|
||
|
||
{{< image src="P3-4-b.avif" caption="P3-4-b" width=600px >}}
|
||
|
||
幅度为 5V（10V 峰峰值），频率为 200 Hz，相位为 90 度。
|
||
|
||
然后我们使用通道 1 来测量电流
|
||
|
||
```js
|
||
C1/330*1000
|
||
```
|
||
|
||
{{< image src="P3-4-b-2.avif" caption="P3-4-b-2" width=600px >}}
|
||
|
||
以及 IV 曲线：
|
||
|
||
{{< image src="P3-4-b-3.avif" caption="P3-4-b-3" width=600px >}}
|
||
|
||
使用以下 MATLAB 代码，我们得到
|
||
|
||
```matlab
|
||
% 步骤 1：导入 CSV 文件
|
||
data = readmatrix('P2-4-c.csv');
|
||
|
||
% 步骤 2：提取列
|
||
voltage = data(:, 2); % 第二列为电压（V）
|
||
current = data(:, 1); % 第三列为电流（I）
|
||
|
||
% 步骤 3：绘制 I-V 曲线
|
||
figure;
|
||
plot(voltage, current, 'k-', 'LineWidth', 1.5);
|
||
xlabel('电压 (V)');
|
||
ylabel('电流 (I)');
|
||
title('IV 曲线');
|
||
grid on;
|
||
```
|
||
|
||
我们得到
|
||
|
||
{{< image src="P2-4-c-2.svg" caption="P2-4-c-2" width=600px >}}
|
||
|
||
### 讨论
|
||
|
||
我们的实验结果与数据表一致。考虑到数据表中：
|
||
|
||
- $V_F = 1.7V$
|
||
- $I_F = 100 mA$
|
||
|
||
我们得到的 $1.7V$ 对应于 $10mA$，这符合数据表曲线。
|
||
|
||
## 3. 显示/证明二极管 IV 曲线不同区域中的微分电阻变化
|
||
|
||
### 构建模块
|
||
|
||
{{< image src="P3-1-a.avif" caption="P3-1-a" width=600px >}}
|
||
|
||
### 分析
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||
|
||
为了绘制一个二极管的 IV 曲线，我们需要找到一些重要的数据。
|
||
|
||
- 正向电压（$V_F$）
|
||
- 反向击穿电压（$V_{BR}$）
|
||
- 反向漏电流（$I_S$）
|
||
|
||
根据 [QED123](https/www.onsemi.com/pdf/datasheet/qed123-d.pdf) 的数据表：
|
||
|
||
- $V_F = 1.7V$
|
||
- $I_F = 100 mA$
|
||
- $V_{BR} = 5V$
|
||
- $I_S = 10 \mu A$
|
||
|
||
我们将其绘制到标准二极管 IV 特性图中，得到
|
||
|
||
{{< image src="P2-2-a.avif" caption="P2-2-a" width=600px >}}
|
||
|
||
### 模拟
|
||
|
||
{{< image src="P3-3-a.avif" caption="P3-3-a" width=600px >}}
|
||
|
||
1N914 的开启电压约为 $0.7V$
|
||
|
||
### 测量
|
||
|
||
{{< image src="P3-4-a.avif" caption="P3-4-a" width=600px >}}
|
||
|
||
我们创建了一个三角波，如图所示：
|
||
|
||
{{< image src="P3-4-b.avif" caption="P3-4-b" width=600px >}}
|
||
|
||
幅度为 5V（10V 峰峰值），频率为 200 Hz，相位为 90 度。
|
||
|
||
然后我们使用通道 1 来测量电流
|
||
|
||
```js
|
||
C1/330*1000
|
||
```
|
||
|
||
{{< image src="P3-4-b-2.avif" caption="P3-4-b-2" width=600px >}}
|
||
|
||
以及 IV 曲线：
|
||
|
||
{{< image src="P3-4-b-3.avif" caption="P3-4-b-3" width=600px >}}
|
||
|
||
使用以下 MATLAB 代码，我们得到
|
||
|
||
```matlab
|
||
% 步骤 1：导入 CSV 文件
|
||
data = readmatrix('P2-4-c.csv');
|
||
|
||
% 步骤 2：提取列
|
||
voltage = data(:, 2); % 第二列为电压（V）
|
||
current = data(:, 1); % 第三列为电流（I）
|
||
|
||
% 步骤 3：绘制 I-V 曲线
|
||
figure;
|
||
plot(voltage, current, 'k-', 'LineWidth', 1.5);
|
||
xlabel('电压 (V)');
|
||
ylabel('电流 (I)');
|
||
title('IV 曲线');
|
||
grid on;
|
||
```
|
||
|
||
我们得到
|
||
|
||
{{< image src="P2-4-c-2.svg" caption="P2-4-c-2" width=600px >}}
|
||
|
||
### 讨论
|
||
|
||
为了展示二极管 IV 曲线不同区域中的微分电阻变化，我们将代码稍微修改了一下以计算两个随机点的斜率。
|
||
|
||
```matlab
|
||
% 步骤 1：导入 CSV 文件
|
||
data = readmatrix('P2-4-c.csv');
|
||
|
||
% 步骤 2：提取列
|
||
voltage = data(:, 2); % 第二列为电压（V）
|
||
current = data(:, 1); % 第三列为电流（I）
|
||
|
||
% 步骤 3：选择两个随机点
|
||
num_points = length(current);
|
||
random_indices = randperm(num_points, 2); % 生成两个不同的随机索引
|
||
|
||
% 步骤 4：提取所选点的电压和电流值
|
||
V1 = voltage(random_indices(1));
|
||
V2 = voltage(random_indices(2));
|
||
I1 = current(random_indices(1));
|
||
I2 = current(random_indices(2));
|
||
|
||
% 步骤 5：计算斜率
|
||
slope1 = (V2 - V1) / (I2 - I1);
|
||
slope2 = (V1 - V2) / (I1 - I2); % 这与 slope1 相同，但反向计算
|
||
|
||
% 步骤 6：打印斜率
|
||
fprintf('在随机选择的点（I1 = %.4f, V1 = %.4f）和（I2 = %.4f, V2 = %.4f）之间的斜率为: %.4f\n', I1, V1, I2, V2, slope1);
|
||
fprintf('在随机选择的点（I2 = %.4f, V2 = %.4f）和（I1 = %.4f, V1 = %.4f）之间的斜率为: %.4f\n', I2, V2, I1, V1, slope2);
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||
```
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||
我们得到
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> 在随机选择的点（I1 = 0.0097, V1 = 0.2959）和（I2 = 0.0036, V2 = -2.6254）之间的斜率为: 479.8789
|
||
>
|
||
> 在随机选择的点（I2 = 7.9784, V2 = 1.2568）和（I1 = 2.8170, V1 = 1.1975）之间的斜率为: 0.0115
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||
可以看出它们非常不同。
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## 4. 证明节点分析能确定电路中未知节点的电压
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### 构建模块
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{{< image src="P4-1-a.avif" caption="P4-1-a" width=600px >}}
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### 分析
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{{< image src="P4-2-a.avif" caption="P4-2-a" width=600px >}}
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为了简化我们的生活，我将一些方程重写为 $\LaTeX$。
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电阻中的电流：
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$$
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I_R = \frac{V_A - V_B}{R}
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$$
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节点 B 的基尔霍夫电流定律（KCL）：
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$$
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I_{R_1} + I_{R_2} + I_{R_3} = 0
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$$
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节点 C 的 KCL：
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$$
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I_{R_3} + I_{R_4} = 0
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$$
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用电压表示电流。从第一个方程：
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$$
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\frac{V_B - V_A}{R_1} + \frac{V_B}{R_2} + \frac{V_B - V_C}{R_3} = 0
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$$
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|
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从第二个方程：
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$$
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\frac{V_C - V_B}{R_3} + \frac{V_C - V_D}{R_4} = 0
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$$
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代入已知值。给定 $V_A = 5$ 和 $V_D = 0$，方程变为：
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$$
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2.5V_B - V_C = 5 \\
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2V_C - V_B = 0
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$$
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||
矩阵形式表示为：$\begin{bmatrix} 2.5 & -1 \\ -1 & 2 \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} V_B \\ V_C \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 5 \\ 0 \end{bmatrix}$
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手动求解：
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```matlab
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% 定义矩阵 A 和向量 b
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A = [2.5, -1; -1, 2];
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b = [5; 0];
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% 解线性方程组 A * x = b
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x = A \ b;
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% 显示结果
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disp('解为：');
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disp(x);
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```
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我们得到
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```text
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解为：
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2.5000
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1.2500
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```
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因此，$\begin{bmatrix} V_B \\ V_C \end{bmatrix} =$ $\begin{bmatrix}2.5 \\ 1.25 \end{bmatrix}$
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### 模拟
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{{< image src="P4-3-a.avif" caption="P4-3-a" width=600px >}}
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### 测量
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{{< image src="P4-4-a.avif" caption="P4-4-a" width=600px >}}
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||
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||
对于 $V_C$，我们得到：
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{{< image src="P4-4-b-1.avif" caption="P4-4-b-1" width=600px >}}
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||
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||
对于 $V_B$，我们得到：
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{{< image src="P4-4-b-2.avif" caption="P4-4-b-2" width=600px >}}
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### 讨论
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| 节点 | 分析 | 模拟 | 实验测量 | 差值 | 百分比误差 |
|
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|:---:|:---:|:---:|:---:|:---:|:---:|
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|$V_B$|$2.50V$|$2.50V$|$2.45V$|$5mV$|$2\%$|
|
||
|$V_C$|$1.25V$|$1.25V$|$1.22V$|$3mV$|$2.4\%$|
|
||
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||
我们的分析与模拟一致。实验数据的误差小于 2.5%，这非常小。因此，我们证明了节点分析能确定电路中未知节点的电压。
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## 5. 证明/演示使用节点分析设计电路的方法
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### 构建模块
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{{< image src="P5-3-a.avif" caption="P5-3-a" width=600px >}}
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### 分析
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{{< image src="P5-2-a.avif" caption="P5-2-a" width=600px >}}
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为了简化我们的生活，我将一些方程重写为 $\LaTeX$。
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给定值：
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- $V_A = 3 \, \text{V}$
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- $V_C = 0 \, \text{V}$
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- $V_B$ 是未知的。
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使用节点 B 的基尔霍夫电流定律（KCL）：
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$$
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\frac{V_B - V_A}{R_1} + \frac{V_B - V_C}{R_2} + \frac{V_B - V_C}{R_3} = 0
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$$
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||
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||
代入给定值和电阻：
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$$
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\frac{V_B - 3}{1} + \frac{V_B - 0}{4} + \frac{V_B - 0}{4} = 0
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||
$$
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||
|
||
简化方程：
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$$
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||
(V_B - 3) + \frac{V_B}{4} + \frac{V_B}{4} = 0
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$$
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||
合并项：
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$$
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V_B - 3 + \frac{V_B}{2} = 0
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$$
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乘以 2 清除分数：
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$$
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2V_B - 6 + V_B = 0
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$$
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||
合并项：
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$$
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3V_B = 6
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$$
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解得 $V_B$：
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$$
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V_B = 2
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$$
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### 模拟
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{{< image src="P5-3-a.avif" caption="P5-3-a" width=600px >}}
|
||
|
||
### 测量
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||
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{{< image src="P5-4-a-1.avif" caption="P5-4-a-1" width=600px >}}
|
||
|
||
对于 $V_B$，我们得到：
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||
|
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{{< image src="P5-4-a.avif" caption="P5-4-a" width=600px >}}
|
||
|
||
### 讨论
|
||
|
||
| 节点 | 分析 | 模拟 | 实验测量 | 差值 | 百分比误差 |
|
||
|:---:|:---:|:---:|:---:|:---:|:---:|
|
||
|$V_B$|$2V$|$2V$|$1.979V$|$21mV$|$1.1\%$|
|
||
|
||
我们的分析与模拟一致。实验数据的误差小于 1.2%，这非常小。因此，我们证明了节点分析能确定电路中未知节点的电压。
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## 6. 证明运算放大器比较器的功能
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### 构建模块
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{{< image src="P6-1-a.avif" caption="P6-1-a" width=600px >}}
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### 分析
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一个非反相比较器的传递函数为：
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$$
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\begin{equation*}
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V_{out}=\begin{cases}
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||
\text{如果} \; V_{in} < V_{ref}, V_{out} = -5V \\
|
||
\text{如果} \; V_{in} > V_{ref}, V_{out} = 5V \\
|
||
\end{cases}
|
||
\end{equation*}
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||
$$
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||
|
||
在我们的情况下，我们得到：
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||
$$
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||
\begin{equation*}
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||
V_{out}=\begin{cases}
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||
\text{如果} \; V_{in} < 0V, V_{out} = -5V \\
|
||
\text{如果} \; V_{in} > 0V, V_{out} = 5V \\
|
||
\end{cases}
|
||
\end{equation*}
|
||
$$
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||
|
||
我们的电源电压为 $5V$ 和 $-5V$，输入信号是幅度为 $1V$ 的正弦波，并且参考电压为 GND（即 $0V$）。
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||
### 模拟
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{{< image src="P6-3-b.avif" caption="P6-3-b" width=600px >}}
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||
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{{< image src="P6-3-a.avif" caption="P6-3-a" width=600px >}}
|
||
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||
### 测量
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{{< image src="P6-4-a-b.avif" caption="P6-4-a-b" width=600px >}}
|
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{{< image src="P6-4-a.avif" caption="P6-4-a" width=600px >}}
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||
|
||
### 讨论
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||
将我们的模拟与实验结果进行比较，我们看到两者都是方波，并且具有相同的周期和类似的幅度。它们在 $5V$ 和 $-5V$ 之间波动，这是我们的电源电压。这合乎情理，因为电源电压是运算放大器比较器的输出。
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||
|
||
这证明了运算放大器比较器的功能。
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## 7. 证明数学运算放大器的功能
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### 构建模块
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{{< image src="P8-1-a.avif" caption="P8-1-a" width=600px >}}
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||
### 分析
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{{< image src="P8-2-a.avif" caption="P8-2-a" width=600px >}}
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||
求和放大器电路的传递函数如下：
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$$
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||
V_{out} = - \frac{Rf}{R1} \cdot V1 - \frac{Rf}{R2} \cdot V2
|
||
$$
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||
|
||
在我们的情况下，希望使用 $50K \Omega$ 的电位器作为电阻，以便根据需求进行调整。然后，我们得到：
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||
$$
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||
\begin{align*}
|
||
V_{out} &= - \frac{\cancel{50K}}{\cancel{50K}} \cdot V1 - \frac{\cancel{\cancel{50K}}}{\cancel{50K}} \cdot V2 \\
|
||
V_{out} &= - V1 - V2 \\
|
||
\end{align*}
|
||
$$
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||
|
||
### 模拟
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||
|
||
我们在模拟中使用了两个不同频率（$500 \; \text{Hz}$ 和 $1K \; \text{Hz}$）的正弦波。
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{{< image src="P8-3-a.avif" caption="P8-3-a" width=600px >}}
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||
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{{< image src="P5-3-b.avif" caption="P5-3-b" width=600px >}}
|
||
|
||
### 测量
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||
|
||
然后，我们搭建了电路。我们将示波器通道 1 连接到 $V_{out}$ 来检查是否正常工作。
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{{< image src="P8-4-a-b.avif" caption="P8-4-a-b" width=600px >}}
|
||
|
||
我们的电源电压为 $V_s + = 5V$ 和 $V_s - = -5V$
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||
{{< image src="P8-4-a.avif" caption="P8-4-a" width=600px >}}
|
||
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||
我们使用信号发生器生成两个频率分别为 $500 \; \text{Hz}$ 和 $1K \; \text{Hz}$ 的正弦波。
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||
{{< image src="P8-4-b.avif" caption="P8-4-b" width=600px >}}
|
||
|
||
并使用示波器通道 1+ 检查输出波形
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{{< image src="P8-4-c.avif" caption="P8-4-c" width=600px >}}
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||
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||
### 讨论
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如我们所见，输出波形的形状与我们的模拟完全相同。仿真和测量中的输出波形幅度约为 $1.75V$，周期也相同。
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由于实验波形的所有特征都与模拟一致，我们知道运算放大器在不同电压范围内都能正常工作。
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这证明了求和放大器的概念，即数学运算放大器的功能。
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## 8. 证明双通道音频混音器传输函数的概念
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### 构建模块
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{{< image src="P8-1-a.avif" caption="P8-1-a" width=600px >}}
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### 分析
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{{< image src="P8-2-a.avif" caption="P8-2-a" width=600px >}}
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求和放大器电路的传递函数如下：
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$$
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||
V_{out} = - \frac{Rf}{R1} \cdot V1 - \frac{Rf}{R2} \cdot V2
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$$
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||
在我们的情况下，希望使用 $50K \Omega$ 的电位器作为电阻，以便根据需求进行调整。然后，我们得到：
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||
$$
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||
\begin{align*}
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||
V_{out} &= - \frac{\cancel{50K}}{\cancel{50K}} \cdot V1 - \frac{\cancel{\cancel{50K}}}{\cancel{50K}} \cdot V2 \\
|
||
V_{out} &= - V1 - V2 \\
|
||
\end{align*}
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||
$$
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### 模拟
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我们在模拟中使用了两个不同频率（$500 \; \text{Hz}$ 和 $1K \; \text{Hz}$）的正弦波。
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{{< image src="P8-3-a.avif" caption="P8-3-a" width=600px >}}
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{{< image src="P5-3-b.avif" caption="P5-3-b" width=600px >}}
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### 测量
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然后，我们搭建了电路。我们将示波器通道 1 连接到 $V_{out}$ 来检查是否正常工作。
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{{< image src="P8-4-a-b.avif" caption="P8-4-a-b" width=600px >}}
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我们的电源电压为 $V_s + = 5V$ 和 $V_s - = -5V$
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{{< image src="P8-4-a.avif" caption="P8-4-a" width=600px >}}
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并使用信号发生器生成两个频率分别为 $500 \; \text{Hz}$ 和 $1K \; \text{Hz}$ 的正弦波。
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{{< image src="P8-4-b.avif" caption="P8-4-b" width=600px >}}
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并使用示波器通道 1+ 检查输出波形
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{{< image src="P8-4-c.avif" caption="P8-4-c" width=600px >}}
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### 讨论
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如我们所见，输出波形的形状与我们的模拟完全相同。仿真和测量中的输出波形幅度约为 $1.75V$，周期也相同。
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这证明了求和放大器的概念。
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