1、52实验八 集成运算放大器应用（3）波形发生电路一、实验目的：（一） 掌握运放在波形产生电路中的使用方法；（二） 学习波形产生电路的调试方法；（三）学会各种波形参数的测试方法。二、实验原理：电子电路工作时有各种波形的电压和电流信号，不同的波形有不同的用途，包含不同的信息。最常用的测试信号是正弦波和方波。这两种波形产生电路的工作原理不同：在正弦波发生器中，放大电路工作在线性状态，而在方波发生器中，放大电路工作在非线性状态。（一） 正弦波振荡电路的工作原理：1 产生正弦波自激振荡的条件：所谓自激振荡，是指电路通电后，在没有输入信号的情况下，电路输出端有规则的正弦波信号输出，这种情况称为正弦自激振荡
2、。产生自激振荡的电路必须是闭环电路，其方框图见图 8-1。图中：A 是基本放大器的放大倍数，F 是正反馈反馈网络的反馈系数。满足自激振荡的条件是： ； 相 位 条 件； 幅 值 条 件1FA在上述条件得以满足时，有 ，这时，当 时，也有输出电压 。fiX 0iX AXi02. 正弦波自激振荡电路的组成部分：以图 8-2 中 RC 串并联式正弦波振荡电路为例来介绍：正弦波自激振荡电路由以下四部分组成： 放大电路：由运算放大器组成的同相比例器担任放大电路。由于同相比例器采用了电压串连负反馈，具有高的输入电阻和低的输出电阻，可以减小因为放大器输入电阻并入选频网络而引起的而引起的振荡频率误差，也可以稳
3、定放大电路的电压放大倍数 Auf。放大电路的增益由 RW 10K 可变电阻调节。 RW 阻值调大使 Auf 变大。A uf 的计算公式如下：1RAfuf 图 8-1 自激振荡电路方框图53当二极管 D1、D 2 不导通时，R f = R2+RW+R3。当 RW=10K 时，R f=R2+RW+R3=15K+10K+2.2K=27.2K ， Auf=3.72当 RW=0 时，R f=R2+R3=17.2K，A uf=2.72所以，A uf 的调节范围是 2.723.72。应调节 RW 使 ，满足振荡幅值条件。1Fuf 正反馈：正反馈信号取自 Uo，经选频网络连接至同相比例器的输入端（运放的同相输
4、入端） ，U f=U+。 选频网络：选频网络的频率特性由下式表述：式中：fjFoo031RCfo21根据图 8-2 的数据可计算得 fo： KHzRCfo 59.10.12163对于频率为 fo 的信号，选频网络有最大的反馈量： ，U +与 Uo 的相位差为 0 度。31F 稳幅环节：为得到不失真的正弦波，电路中必须有稳幅环节。稳幅环节的作用是使放大电路的放大倍数在起振前为 Auf 3；起振后，当输出的正弦电压 Uo 达到一定幅值后，A uf = 3，维持等幅振荡。图 8-2 电路中，稳幅环节由 D1、D 2 和 R3 并联组成。其工作原理如下：在电路产生自激振荡前，U o 0，这时 D1、D
5、 2 截止，同相比例器的负反馈电阻由Rf=R2+RW+R3 组成，电压放大倍数略大于 3，使电路产生 增幅振荡；振荡产生后，随着Uo 的增大，D 1、D 2 逐渐导通，由于二极管导通后的内阻极小，设二极管内阻分别为rD2、r D1，则有：，由于 rD2、r D1 的并联，使 Rf 变小，因此使 Auf 逐渐减3212/RrRWDf图 8-2 RC 串并联式正弦波振荡电路RW10K R32.2KR215KR110KUoR1KC0.1UC0.1UR1K+12V-12V234 1 567 +V-VUA741 D2D154小为 3，电路维持等幅振荡，避免了输出限幅失真。当 Uo 改变时，随 Uo 幅值
6、的改变，D1、D 2 自动改变导通电阻，使 Auf=3。（二） 矩形波发生电路：数字电路中的信号波形通常是矩形波。矩形波的各项参数请参看图 8-3。图中各项参数的含义：脉冲幅度 Uom脉冲电压的最大变化幅度；脉冲周期 T周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔，有时也使用频率 来表示；f1脉冲宽度 tw从脉冲前沿 0.5Uom 处到脉冲后沿 0.5Uom 处之间的时间；上升时间 tr脉冲前沿从 0.1Uom 处上升到 0.9Uom 处所需的时间；下降时间 tf脉冲后沿从 0.9Uom 处下降到 0.1Uom 处所需的时间；占空比 q脉冲宽度与脉冲周期的比值，即 。Ttqw方波：正负半
7、周宽度相同，占空比 q50%的矩形波称为方波。1. 方波发生电路：图 8-5 占空比可调的方波发生电路 24 C . 图 8-4 方波发生电路 nK K K 1 2 4 . T 图 8-3 描述矩形波特性的主要参数55方波发生电路见图 8-4、图 8-5。2. 工作原理：在图 8-4 中，由运放组成的滞回比较器起开关作用，由 RC 网络组成反馈和定时电路。电容充电时，输出波形的正半周，电容放电时，输出波形的负半周。因为充、放电时间相同，所以输出的是方波（q50%）在图 8-5 中，电容 C 充电时，充电电流经过 RW 的上半部分和 D1 通路，电容放电时，放电电流经过 D2 和 RW 的下半部
8、分通路，因此，调节 RW，便可得到正副半周不同的充、放电时间常数，从而调节矩形波的占空比。3. 计算公式： 对图 8-4 的方波发生器， UO 端输出方波周期为：按照图中数据计算，可得：321lnRCTmS KuKW6.2 102ln0.12l21 方波频率379HzUC 端输出三角波的峰值为： 32RUomC 对图 8-5 所示占空比可调的矩形波发生器，其振荡周期为：32121lnRrRWTD占空比为： 121rTtqD式中：r D1、r D2是二极管 D1、D 2的正向导通电阻。阻值一般为几十 至几 K，与流过二极管的正向电流的大小有关，锗管比硅管小。具体数值可实测或由公式 计算。DDIm
9、Vr26图 8-5 的电路占空比调节范围大于 10%90%。三、实验设备与元件1 模拟电路实验箱 （型号：THM-1） 2 信号发生器 （型号：XD22）3 双踪示波器 （型号：XJ4241）4 交流毫伏表 （型号：GB-9）5 数字万用表 （型号：DT890） 图 8-6 运算放大器 A741 接脚图（有字的面向上）566. 集成运算放大器 F741（管脚 见图 8-6）7. 电阻器8 电解电容器 四、试验内容：实验在模拟实验箱上进行（一） RC 串并联正弦波发生电路1 按图 8-2 连接电路，双踪示波器 Y1 探头连接 Uf 点（运放 3 脚） ，Y 2 探头连接 Uo端。准备好电子管毫伏
10、计和数字万用表待用。电路检查无误后，接通电源，通电。2 如果示波器上观察不到正弦振荡信号输出，应缓慢调节 RW，使波形出现。如果波形失真，应反向调节 RW 使失真消逝。 （调节 RW 改变了什么？）只要电路连接无误，则通过调节 RW 可以得到失真最小，幅值最高的正弦波形。3 调节电位器 RW，使输出波形从无到有，从正弦波到出现失真。记录 Uo 的波形，记下临界起振，正弦波输出及失真情况下的 RW 值，分析负反馈强弱对起振条件及输出波形的影响。用示波器观察 Uo、U f、U -的波形，用电子管毫伏计测量 Uo、U f、U -的电压。记录波形时注意记准 X 轴的时间坐标。4调节电位器 RW，使输出
11、电压 U0 幅值最大且不失真，用交流毫伏表分别测量输出电压 U0、反馈电压 Uf 和 U-,分析研究振荡的幅值条件。5断开二极管 D1、D 2，重复 3 的内容，将测试结果与 3 进行比较，分析 D1、D 2 的稳幅作用。6用比较法测量正弦波的频率，并将结果与计算值和示波器的测量值比较。比较测量法，是电子测量技术中测量未知信号的一种常用的方法。当使用比较法测量频率时，其测试方法如下：使用仪器：双踪示波器，输出频率准确的信号发生器。测试方法：调节低频信号发生器的输出幅值为 3V，频率暂时为任意值，接入示波器的 Y1 输入端，信号发生器输出的信号以下称为 UR；待测的未知频率的信号以下称为 UX，
12、接入双踪示波器的 Y2 输入端。示波器选择 “双踪”方式，示波器的“Y 1Y 2”（同步选择）按下，以 Y2 的待测信号为同步触发信号。分别调节示波器的 Y1、Y 2 轴增益旋钮和位移旋钮，使 UR 和 UX 的波形在 Y 轴方向都能完整显示，调节示波器的 “扫描时间”和“触发电平” ，使待测信号（从 Y2 输入的 UX 信号）稳定显示。粗测一下待测信号的频率值 fX。这时，由于 UR 和 UX 的频率不相等，因此 UR 显示的波形在水平方向是不稳定的（即波形左右快速移动） 。调节信号发生器的频率等于测得的 fX，然后在 fX 左右仔细调节信号发生器的频率旋钮，当 UR 和 UX 的频率渐趋相
13、等时，U R 波形会逐渐模糊并稳定下来。当信号完全稳定不移动时，读取信号发生器的输出频率值。由于 UR 的频率可以从信号发生器得知，U X 的频率与 UR 相等，因而 UX 的频率也就知道了。这种测试方法简单直观，现在经常使用。早期的示波器 Y 轴只有一个输入端，只能显示单踪 Y 信号，所以不能按上述方法直接进行信号比较，人们使用“李沙育法”间接比较两个信号的频率，下面也简单予以介绍。57单踪示波器有 Y 轴输入和 X 轴输入两个输入端，其输入的信号分别在 Y 轴和 X 轴方向展开。将待测信号 UX 接入 Y 轴输入端，信号发生器的输出 UR 接入 X 轴输入端，由于两个信号的频率不同，所以显
14、示的图形是一团混乱。调节 Y 轴增益和 X 轴增益，并调节Y 轴移位和 X 轴移位，使显示图形完整的显示在屏面中央。在 fX 左右仔细调节信号发生器的频率旋钮，屏面显示的图形会逐渐稳定。当 UR 与 UX 的频率之比成整数倍关系时，会有稳定的显示图形。当显示的图形为一个完整的园形时，U R 的频率与 UX 相同。 （如果 UR与 UX 不但频率相同，初相角也相等时，显示一条 45的直线） 。这时根据 UR 的频率就可以知道 UX 的频率了。在双踪示波器上也可以应用李沙育法来测量频率，信号连接方法略有不同。这时，应将 UX 和 UR 分别与 Y1、Y 2 输入端连接，将示波器功能选择按键“Y 2
15、-X”按下（使用 Y2 输入的信号担任 X 轴扫描） ， “二踪单踪”选单踪。然后按上述单踪示波器的方法来获得李沙育图形，进而得知 UXD 频率。（二）.方波发生器按图 8-4 连接实验电路。1将电位器 RW 调至中心位置，用双踪示波器观察并描绘方波 UC 及三角波 UC 的波形（注意对应关系） ，测量其幅值及频率，记录之。2转动 RW，改变 RW 动点的位置，观察 UC、U C 幅值及频率变化情况。把动点调至最上端和最下端，测出频率范围，记录之。3将 RW 恢复至中心位置，将一只稳压管短接，观察 Uo 波形，分析稳压管 DZ 的限幅作用。五、实验报告1. 正弦波发生器1）列表整理实验数据，画
16、出波形，把实测频率与理论值进行比较2）根据实验 RC 分析振荡器的振幅条件3）讨论二极管 D1、D 2 的稳幅作用2. 方波发生器1）列表整理实验数据，在同一坐标纸上，按比例画出方波和三角波的波形图（标出时间和电压幅值） 。2）分析 RW 变化时，对 U0 波形的幅值及频率的影响。3）讨论 DZ1、DZ 2 的限幅作用。六、预习要求1. 复习有关 RC 正弦波振荡器、三角波及方波发生器的工作原理，并估计图 8-2、8-4电路的振荡频率。2. 设计实验表格3为什么在 RC 正弦波振荡电路中要引入负反馈支路？为什么要增加二极管 D1 和D2？它们是怎样稳幅的？4. 电路参数变化对图 8-4 产生的方波和三角波频率及电压幅值有什么影响？（或者：怎样改变图 8-4 电路中方波及三角波的频率及幅值？）5. 在波形发生器各电路中， “相位补偿”和“调零”是否需要？为什么？576. 怎样测量非正弦波电压的幅值？
