波形产生电路

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实验一 波形产生电路

一、实验目的

通过实验，学会用集成运放组成各种波形发生电路，并掌握电路的调整及测量。

二、实验原理

根据自激振荡原理，采用正、负反馈相结合，将一些线性的和非线性的元件与集成运放进行不同组合，就能产生各种波形。本实验仅限于对最基本的波形发生电路进行研究。

1. 正弦波发生器

文氏电桥正弦波发生器是一种常用的RC振荡器，它的电路如图3.1.1所示。图中，具有选频特性的串、并联网络构成了正反馈支路。负反馈支路中的电位器Rw是用来调节负反馈深度以保证起振条件和改善波形。根据起振条件，反馈系数应满足 kf+≥kf−= = （3-1-1）

则RF＝2R4。由于实际运放的开环增益是有限值，因此必须略大于R4的两倍。同样，考虑到实际运放输入电阻Ri（这里是同相端的）和输出电阻的影响，正弦波的频率为

f0 = （3-1-2）

当取C1=C2=C， R1＝R2＝R，且满足Ri >> R >> Ro时

通常，电路元件值的确定，可按下列步骤进行：

（1）根据所需要的振荡频率计算RC值。

（2）由Ri >>R>> Ro，选取合适的R，然后再确定C。

（3）为了减小偏置电流影响，尽量满足RF∥R4＝R，同时由反馈系数要求，即可确定RF和R4的大小。

（4）当需要振荡频率较高时，必须选用G·BW较高的集成运放。

实验电路中采用了匹配对接的两只二极管作为稳幅电路，其上并接R3是用于适当削弱二极管的非线性影响，以改善波形失真。

2. 方波发生器

电路如图3.1.2所示。由图可见，由R1、R2组成了正反馈网络。当有输出电压vo时，则反馈同相端的电压v+ =

。而负反馈网络是由R、C组成的充、放电回路，运放在此仅起着比较器的作用。它利用电容两

端电压vC和v+比较，决定着vo的极性是正或是负，vo的极性又决定着通过电容的电流是充电（使vC增加）还是放电（使vC减小），而vC的

图3.1.2 方波发生器

高低，再次和v+ 比较决定vo的极性，如此不断反复，就在输出端产生周期性的方波。可以证明方波的频率为

（3-1-3）

由此可知，方波频率不仅与RC有关，还与正反馈网络的R1、R2比值有关，调节电位器Rw以改变R值，从而改变方波信号的频率。图3.1.3示出了电容两端电压vC和输出电压vo的波形图。

实验电路中使用两个稳压二极管，以保证方波的正负对称性。R3是稳压管的限流电阻。

在考虑正反馈支路R1和R2的取值时，必须注意，不能使vo反馈到同相端v+的峰峰值超过运放的共模输入电压范围VICR，否则将会使运放损坏。

3. 宽度可调的矩形波发生器

图3.1.4 宽度可调的矩形波发生器 由方波发生器电路可以看出，如果设法改变充、放电时间常数，即可实现矩形波宽度可调。其电路如图3.1.4所示。当Rw动臂上移时，充电时间常数将大于放电时间常数，则波形变宽。反之则变窄。图3.1.4所示输出电压vo的波形正属于这种情况。因此通过调节Rw，即可连续地改变其占空比D＝t/T的大小。 必须指出：运放的转换速率将影响脉冲前、后沿的陡度，欲要得到窄脉冲输出，必须选用SR高的运放。 4. 阶梯波信号发生器

图3.1.5 阶梯波电压发生器

电路如图3.1.5所示。它实际上是将方波序列转变为阶梯波的电路。由于D1、D2的单向导电性，保证了电荷单方向传递到反馈电容C3上去。当方波发生器输出的方波电压vo1为—Vz时，D1导通（导通电压为VD），D2截止。C2通过D1放电直到vC2＝−(VZ−VD)；当vo1为+Vz时，D2导通，D1 截止，则C2上的电压将被充到vC2＝+(VZ−VD)。因此，在一个周期中，C2上的电荷变化量为ΔQ=2C2(Vz−VD)。这也是一个周期中传递给C3上的电荷量。这样，在一个周期中，两端的电压增量为

ΔvC3 = = （Vz−VD ） （3-1-4）

由于二极管保证了电荷只能单向传输，所以每一个阶梯的电压幅度均为ΔvC3，保持时间与方波的周期相等。这样，每当方波经过一个周期，输出波形就变化一个阶梯ΔvC3。设经过n个周期后，vC3达到单结晶体管BT33的峰点电压Vp(即nΔvC3＝Vp)时，单结晶体管e−b1之间导通，vC3经e−b1向10Ω电阻放电，使vC3复位为零，又开始下一个循环。在忽略复位时间时，阶梯波电压的周期可近似为：

Tz = nT ≈ T （3-1-5）

式中，T为方波周期。由此可知，在Vp和VZ被确定后，阶梯波的级数n将由C2 和C3的大小决定。为了得到一定的级数，一般取C＝(5~10)C2。 三、实验仪器

双踪示波器 1台

直流稳压电源 1台

万用表 1块 四、实验内容

1. 正弦波信号发生器 检查装接电路无误后，开启电源，用示波器观察并记录输出波形。调节Rw，在输出为不失真的正弦波的情况下，测量几组数据。 （1）用示波器分别测量vo和v+，看其比值是否符合理论值。 （2）用示波器测量信号的频率。 第一组(对应最大输出) 第二组（调节电位器） v+ vo vo / v+ 频率f *（3）若在R1、R2 上并联同值电阻，观察频率变化情况。 2. 方波信号发生器 （1）接通电源，将电位器置中间位置，用示波器同时观察并记录vC和vo的波形，画出vC和vo的波形，并在波形上标出相应的数值。 （2）调节Rw，观察方波频率变化情况。将Rw调至最大和最小时，分别测量出fmin和fmax，并与理论值比较。

（3）将C替换为0.01μF、0.001μF，观察并记录vC和vo的波形及数值。 数 值 波 形 0.01μF vC vo fmax (kHz) fmin (kHz) 0.001μF 3. 宽度可调的矩形波信号发生器 Rwmax Rwmin vC波形 vo波形 占空比 （l）接通电源，用示波器同时观察并记录vC和vo的波形，内容同上。 （2）调节Rw，观察矩形波宽度变化情况，当Rw置于最大和最小值时，用示波器测量两种情况下的占空比。 4. 阶梯波信号发生器 （1）接好电路，接通电源，将电位器置中间位置。用示波器同时观察方波信号和阶梯波信号波形，画出波

形，测量电压峰-峰值及其阶梯数n；

(2) C3换为0.02μF时测量其阶梯数n。 五、实验预习

1. 认真预习本实验内容，弄清各电路工作原理及各元件作用。 2. 根据电路元件，计算好各电路的参数值，以便和实测值比较。 具体包括： 正弦波振荡器 f0

方波发生器 fmin和fmax、Vc。电路中VZ1=VZ2 =2V。 3. 完成预习报告，写出实验步骤。

步骤中应对各种参数的改变而产生的影响进行分析。 4. 完成自测题。 六、实验报告要求

1. 整理实验数据，与理论值比较，并进行分析讨论。

2. 用坐标纸描绘观察到的信号波形，在波形上标注出其幅度值和周期值。

七、思考题

1.在波形发生器各电路中，是否需要考虑运放的调零，为什么？

2.在《方波发生器》实验中，若在运放的输出端不加R3会产生什么影响？试分析之。 八、自测题

1. 单结晶体管应有____只管脚。

A. 2 B. 3 C. 4

2. 正弦波发生器不加负反馈可以吗？

A. 可以 B. 不可以

3. 现有三种集成运放LM741、LM747、NE5532，根据书后元件参数表判断_____运放最适合做高频正弦波发生器。

A. LM741 B. LM747 C. NE5532

4. 正弦波发生器电路中是否可用一个稳压二极管代替D1、D2？

A. 可以 B. 不可以

附：

单 结 晶 体 管（UJT）

单结晶体管UJT (Unijunction Transistor)，又称单结管，原来叫做双基极二极管。它是由一个PN结和两只内电阻构成的三端元器件，其工作原理不同于双极性晶体管及场效应管。UJT具有负阻特性，可广泛用于定时、振荡、双稳及调光、调温等电路。国产UJT典型产品有BT31~ BT37，国外典型产品有2N4646、2N4648等。

(a) 内部结构 (b) 符号表示 (c) 等效电路 (d) 外形及引脚排列

图3.1.6 单结管的内部结构、符号表示、等效电路以及引脚排列

单结管的内部结构、符号表示、等效电路以及引脚排列，如图3.1.6(a)、（b）、（c）、(d)所示。引脚b1、b2分别为第一基极和第二基极（双基极），e为发射极。e极和N型硅片间构成一个PN结。PN结A点至两基极间的等效电阻分别用rb1和rb2表示。两基极间的电阻用rBB表示，rBB= rb1 + rb2 。

单结管的伏安特性曲线示于图3.1.7。共分三个区——截止区、负阻区、饱和区。

图3.1.8为单结管的工作原理图。在电路中让基极2（b2）比基极l（b1）电位较正，图中电源电压VBB的正极接b2、负极接b1；发射极接触发电压VE。

即使UJT处于截止区，从B1到B2仍有少量电流。沿着N型硅片存在着一个电压梯度VA。发射极电压VE等于启动或峰值电压VP(VP =VA+VD，VD为eb1之间的正向压降，一般约为0.6~0.7V。)，PN结是正偏置，单结晶体管导通。启动时，b1和E之间的电阻很快的降低，从b1到b2的电流增加，同时从E也有一个相当大的电流流出，使rb1为低阻态，管子也进入负阻区。VE低于低谷电压（VV）后，管子进入饱和区，使单结晶体管截止。发射极启动电压VP是由分压比η= rb1/rBB确定的。

图3.1.7 UJT典型伏安特性 图3.1.8 UJT工作原理图