1、实验四 波形发生电路实验报告一、理论计算1.正弦振荡电路实验电路如图 1 所示，电源电压为 12V。分析图 1 电路的工作原理，根据图中的元件参数，计算符合振荡条件的 Rw 值以及振荡频率 f0。该正弦振荡电路采用 RC 串并联选频网络，选频网络的示意图如下：当输入信号的频率足够低时， ， 超前 ，且当频率趋近于零时，相位超前趋近于1 +90；当输入信号的频率足够高时， ， 滞后 ，且当频率趋近于无穷大时，相位滞后趋1 近于-90。因此，当信号频率从零逐渐变化到无穷大时， 的相位将从+90 逐渐变化到-90，故必定存在一个频率 f0，当 f= f0 时， 与 同相。RC 串并联选频网络的反馈系
2、数= /1+1+/1整理可得= 13+( 1)令 ，则0=10= 12代入上式，得出= 13+(00)当 f=f0 时， ，由正弦振荡电路的起振条件知， 。=13 |3对于图 1 的正弦振荡电路，有=3+4+3将 R3、 R4 代入上式，令之大于 3，得 Rw10k。将 R1=R2=16k、C1=C2=0.01F 代入 f0 式，得 f0=994.7Hz。2.多谐振荡电路实验电路如图 2 所示。深入分析图 2 所示电路的工作原理，画出 Vo1、Vo2 的波形，推导Vo1、Vo2 波形的周期（频率）和幅度的计算公式。再按图 2 中给出的元件参数计算Vo1、Vo2 波形的周期（频率） 、幅度，以备
3、与实验实测值进行比较。该电路为三角波发生电路，原理图如下：虚线左边为滞回电路，故 Vo1 为方波。根据叠加原理，集成运放 A1 同相输入端的电位1= 21+20+ 11+21= 21+2 11+2令 ，则阈值电压1=1=0=12对于虚线右边的积分电路，其输入电压不是+U Z，就是-U Z，故积分电路的输出电压的波形为三角波。设输出电压的初始值为-U T，终了值为+U T，则=132可解得=43T 为矩形波、三角波共同的周期。矩形波的幅度的理论值即为 UZ，等于 6V；将实验电路图中的各个参数代入各式，得 UT=0.5*6=3V，故三角波的幅度理论值为 3V，矩形波、三角波的周期 。=44=0.
4、43.锯齿波发生电路锯齿波发生电路的原理图见仿真实验电路图。设二极管导通时的等效电阻可忽略不计，当 uo1=+UZ 时， D3 导通，D4 截止，输出电压的表达式为= 141(10)+0(0)uo 随时间线性下降。当 uo1=-UZ 时，D4 导通，D3 截止，输出电压的表达式为= 1(4+5)1(21)+0(1)uo 随时间线性上升。根据三角波发生电路振荡周期的计算方法，可得出下降时间和上升时间，分别为1=10214122=2121(4+5)12代入实际数值，计算得下降时间 T1=0.2ms，上升时间 T2=1.0ms，振荡周期 T=1.2ms，则矩形波、锯齿波的周期均为 1.2ms。对于波
5、形的峰值，矩形波的峰值应等于+U Z=6V，锯齿波的峰值应等于+UT=3V 。二、实验数据处理1.正弦振荡电路实验电路如图 1 所示，电源电压为 12V。（1 ）缓慢调节电位器 Rw，观察电路输出波形的变化，解释所观察到的现象。缓慢调节电位器 Rw，使其阻值从零缓慢增大，观察波形，可知波形一开始为直线，增大到一定值时波形变为正弦波，再增大 Rw，波形幅值逐渐增大，至 Rw 为一定值时波形失真。这是因为电位器接入电路的阻值小于起振要求的最小值时，基本电路放大倍数与反馈系数乘积的模小于 1，电路不起振；当 Rw 大于这个最小值时，电路起振，波形为正弦波，且当 Rw 达到一定值时，由于集成运放供电电
6、源的限制，其输出电压的幅值有上限，故波形出现顶部、底部失真。（2 ）仔细调节电位器 Rw，使电路输出较好的正弦波形，测出振荡频率和幅度以及相对应的 Rw 之值，分析电路的振荡条件。数据整理如下：Rw/k 振荡频率 f0/Hz 幅度 Uom/V18.97 922.3 20.6（3 ）将两个二极管断开，观察输出波形有什么变化。缓慢调节电位器 Rw，使其阻值缓慢增大，观察知波形一开始为直线，增大到某一小范围内，波形从直线突变为正弦波，在稍微增大 Rw 则波形开始失真。这说明两个二极管的作用是稳定输出电压。2.多谐振荡电路（1 ）按图 2 安装实验电路（电源电压为12V） 。观测 Vo1、Vo2 波形
7、的幅度、周期（频率）以及 Vo1 的上升时间和下降时间等参数。Vo1 幅度 Vo1 周期 Vo1 上升时间 Vo1 下降时间 Vo2 幅度 Vo2 周期11.4V 430.0s 840ns 820ns 6.11V 430.7s（2 ）对图 2 电路略加修改，使之变成矩形波和锯齿波振荡电路，即 Vo1 为矩形波，Vo2 为锯齿波。要求锯齿波的逆程（电压下降段）时间大约是正程（电压上升段）时间的 20左右。观测 Vo1、Vo2 的波形，记录它们的幅度、周期（频率）等参数。电路图如下：Vo1 幅度 Vo1 周期 Vo2 幅度11.5V 1.392ms 6.0VVo2 上升时间 Vo2 下降时间 Vo
8、2 周期1.152ms 0.239ms 1.391ms3.滞回比较器的电压传输特性测量滞回比较器的电压传输特性。电路图如下：阈值电压 UT 输出电压幅值 UZ2.00V 5.813V三、实验数据分析1.正弦振荡电路（1 ）电路恰好起振时，Rw 的阻值、振荡频率的各组数据如下：数据类型 Rw/k 振荡频率/Hz理论估算 10.0 994.7仿真结果 10.1 992.1实验测量结果 10.3 990.0可见实验与仿真结果和理论估算的结果均较为接近。电路恰好起振的 Rw 较大的原因可能是实际电路的电阻阻值比标称值小，或者是示波器纵轴的刻度不合适，导致电路开始振荡时因波形幅值较小而观察不到波形。（2
9、 ）电路输出电压波形不失真且幅度最大时，Rw 的阻值、振荡频率及峰值如下：数据类型 Rw/ k 振荡频率/Hz 峰值/V仿真结果 17.8 985.1 10.4实验测量结果 19.0 922.3 10.3相对误差计算如下表：Rw 振荡频率 峰值相对误差/% 6.7 -6.8 -1.0可见输出电压波形不失真且幅度最大时的电位器阻值、振荡频率误差较大。电位器阻值的误差的原因可能是电阻阻值比标称值小，或者用万用表测量带来的误差较大等；振荡频率的误差可能源自于集成运放及其它元件带来的结电容、杂散电容等，这使得 RC 串并联电路中的电容的实际值比原来的大（结电容、杂散电容等相当于并联到此电容上） ，则
10、RC 增大，振荡频率减小。2.多谐振荡电路（1 ）矩形波、三角波的周期、峰值等的各组数据如下：数据类型 Vo1 峰值/V Vo1 周期/s Vo1 上升时间/s Vo1 下降时间/s Vo2 峰值/V Vo2 周期/s理论估算 6.000 400 0 0 3.000 400仿真结果 5.548 421 1.515 1.705 2.907 422实验结果 5.700 430 0.840 0.820 3.055 431可见，实际实验中矩形波的上升时间、下降时间均接近 0，说明矩形波较为理想。实测结果与理论计算、仿真实验得到的结果的相对误差如下表：相对误差/% Vo1 峰值 Vo1 周期 Vo2 峰
11、值 Vo2 周期理论计算 -5.3 7.0 1.8 7.2仿真结果 2.7 2.1 4.8 2.1可见，输出电压波形的峰值的误差较小，误差的来源可能为仿真实验和实际实验中的稳压管的稳压值各不相同，尤其是仿真实验中，稳压值明显比 6V 小，而实际实验中稳压管的稳压值标为 5.1V，加上稳压管的开启电压 0.60.8V，实际的 UZ 应在 5.75.9V 范围内，即不到 6V。对于周期的误差，由理论分析知三角波的幅值与矩形波的幅值之比应约为 0.5，而实际实验中其幅值之比稍大于 0.5，这导致矩形波、三角波的周期比理论值大，将实际比值代到理论计算公式中，得周期 T=0.429ms，与实验结果十分相
12、近。产生误差的原因可能为电阻的实际值与标称值相差较大，或集成运放的不理想、稳压管的翻转速度不够大，导致矩形波变化的延迟（因为实际运放的特性曲线在差模输入电压约为 0 时的斜率不是无穷大，这导致其输出电压从正值到负值或从负值到正值变化需要时间，即转换速率不为无穷大） ，最终时周期变大。（2 ）锯齿波发生电路的数据整理如下表：数据类型 Vo1 峰值/V Vo1 周期/ms Vo2 峰值/V Vo2 上升时间/s Vo2 下降时间/s Vo2 周期/ms理论估算 6.000 1.200 3.000 1.000 0.200 1.200仿真结果 5.549 1.386 2.896 1.152 0.235
13、 1.387实验结果 5.750 1.392 3.000 1.142 0.249 1.391各组数据的相对误差如下：相对误差/% Vo1 峰值 Vo1 周期 Vo2 峰值Vo2 上升时间Vo2 下降时间 Vo2 周期理论计算 -4.3 13.8 0 12.4 19.7 13.7仿真结果 3.5 0.4 3.5 -0.9 5.6 0.3可见，实测结果与仿真实验的结果相差较小，而与理论估算的结果相差很大，且相差较大的数据为周期、上升下降时间，误差产生原因除（1）中讨论的外，还有理论估算中忽略了的二极管的导通电阻，若把导通电阻计算在内，波形的上升时间、下降时间及周期都会增大，加上实际运放、稳压管的延
14、迟、电阻的误差等，使得这三组数据的误差较大。3.滞回比较器的电压传输特性数据整理如下表：数据类型 阈值电压 UT/V 输出电压高低电平 UZ/V理论估算 3.000 6.000仿真结果 1.856 5.551实验结果 2.000 5.813实验结果与理论计算结果、仿真结果的误差原因在之前已讨论过，应为稳压管的稳压值差异。4.矩形波上升、下降时间分析实验结果中，矩形波的上升时间、下降时间均不为 0，约为 1s，而理论上，上升、下降时间应为 0，原因可能是实际运放的不理想。实际运放的特性曲线在差模输入电压约为 0 时的斜率不是无穷大，这导致其输出电压从正值到负值或从负值到正值变化需要时间，所以矩形
15、波的上升、下降时间均不为 0。四、思考题1.图 1 中的电位器调到什么位置时最好（电路既容易起振，又能输出较好的正弦波）？答：调到接入电路的阻值为 13k到 15k之间的位置最好，此时电路容易起振，幅值易测，且与正弦波较为近似。6.由运放组成的多谐振荡器电路，其输出波形（方波或矩形波）的跳变沿主要决定于什么？如果要缩短其上升时间和下降时间（使波形变陡） ，您认为可采取哪些办法？答：跳变主要取决于集成运放的转换和稳压管的翻转速度；选择性能更好的运放或稳压管可缩短其上升、下降时间。五、实验收获（1 ）加深了对波形产生电路的原理的理解，掌握了波形产生电路的设计方法；（2 ）通过误差分析，加深了对实际实验结果与理论计算、仿真实验结果误差的产生原因的理解；（3 ）增强了设计、搭建含有集成运放的电路的能力，掌握了调试电路的技巧。
