波形发生电路

题目1：波形发生电路（P440~442）
要求：设计并制作用分立元件和集成运算放大器组成的能产生方波和三角波波形发生器。

基本指标：输出频率分别为：102H Z、103H Z；输出电压峰峰值V PP≥20V
整体电路设计
(1)方案比较
信号发生器又称信号源或振荡器，能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。

由方波-三角波的发生器产生相应的信号，通过相互转换实现多种波形的输出。

由振荡电路产生的信号经比较运放产生方波，积分可得到三角波。

方案一：
此方案由RC振荡电路，滞回比较器和积分电路，比例放大电路组成，输出频率可调方波，三角波。

RC回路即作为延迟环节,又作为反馈网络,通过RC充,放电实现输出状态的自动转换.振荡信号通过滞回比较器可以输出方波；方波经过比例积分器就变成所需的三角波。

方案二：
该方案由迟滞比较器，带通滤波器和积分器组成。

通过正反馈环路使电路产生振荡并将信号输入迟滞比较器输出方波，过比例积分器在其输出端产生三角波。

由于方案一简单易懂，且大都是实验实现过，或较常计算的电路，可行度更高。

方案一是依次经过文氏电桥振荡电路，过零比较器，积分电路而产生方波和三角波，用调节电阻的大小实现调频，比例放大实现幅值的改变，实现程度比较高，据有一定的实际意义，可操作性强，且原理简单明了故选做方案一。

二实验方案二中由矩形波过带通滤波器产生振荡信号的过程复杂，计算参数不易，故选方案一。

(2)整体电路框图
为实现三角波输出,先要得到一个方波信号,这时要用到滞回比较器,而为了得到方波,应有一个振荡信号的输入,则需要一个振荡电路作为反馈电路.此外,为使集成运放正常工作,还要在电路中引入直流电压.所以,设计的波形发生电路,
图1
（3）单元电路设计及元器件选择 1) 通用型集成单运放LM741。

电路所用的运放选用LM741,LM741的管脚图如图所示，其特点是电压适应范围较宽，可在±5～±18V 范围内选用；具有很高的输入共模、差模电压，电压范围分别为±15V 和±30V；内含频率补偿和过载、短路保护电路；可通过外接电位器进行调零.
图2 LM741管脚分布
2) 方波产生电路
根据本实验的设计当输入正弦波通过滞回比较器LM741时将产生幅值约为12V 的方波.电压比较电路用于比较模拟输入电压与设定参考电压的大小关系，比较的结果决定输出是高电平还是低电平。

滞回比较器主要用来将信号与零电位进行比较，以决定输出电压。

图3为一种滞回电压比较器电路，双稳压管用于输出电压限幅，R 3起限流作用，R 2和R 1构成正反馈，运算放大器当u p >u n 时工作在正饱和区，而当u n >u p 时工作在负饱和区。

从电路结构可知，当输入电压u in 小于某一负值电压时，输出电压u o = -U Z ；当输入电压u in 大于某一电压时，u o = +U Z 。

运算放大器在两个饱和区翻转时u p =u n =0，由此可确定出翻转时的输入电压。

u p 用u in 和u o 表示，有
2
1o 1in
22
1o
2
in 1p 1111R R u R u R R R u R u R u ++=++=
根据翻转条件，令上式右方为零，得此时的输入电压
th Z 2
1o 21in U U R R
u R R u ==-
= U th 称为阈值电压。

滞回电压比较器的直流传递特性如图4所示。

设输入电压初始
值小于-U th ，此时u o = -U Z ；增大u in ，当u in =U th 时，运放输出状态翻转，进入正饱和区。

如果初始时刻运放工作在正饱和区，减小u in ，当u in = -U th 时，运放则开始进入负饱和区。

图3 滞回电压比较器图4 滞回电压比较器的直
流传递特性如果给图10-1所示电路输入三角波电压，其幅值大于U th ，设t = 0时，u o= -U Z ，其输出波形如图5所示。

可见，输出为方波。

图5 输入为三角波时滞回电压比较器的输出波形
3)．方波——三角波发生器
给图3所示的滞回电压比较器级联一积分器，再将积分器的输出作为比较器的输入，如图6所示。

由于积分器可将方波变为三角波，而比较器的输入又正好为三角波，因此可定性判断出，图6电路的输出电压u o1为方波，u o2为三角波，如图7所示。

下面分析其振荡周期。

图6 方波——三角波发生器
积分器输出电压从-U th 增加到+U th 所需的时间为振荡周期T 的一半，由积分器关系式
⎰+
---=2
Z th
th 00
d )(1T t t
t U RC
U U
或
2
12Z th T U RC U =
注意到Z 2
1
th U R R U =
，故 2
1
4R RCR T =
振荡频率则为
1
241
RCR R T f =
=
图7方波——三角波发生器的输出波形
A. 双稳压二极管的稳定电压根据方波幅值选取，由设计要求可取12伏特的稳
压二极管,1ZB12符合要求.电阻R 3根据双稳压二极管的最大电流确定,此处可取9.1 k Ω
B. 电容C 根据振荡频率要求确定，若太小,如选用10NF(理论上可以出来波形),
但在实际操作过程中出不来波形,其不容易在实际电路中实现.故可选为100NF 的瓷介电容,以减小积分误差。

C. 由1
241
RCR R T f =
=
式,令R 1=25 k Ω,为达到所要求的频率,可求得三组值: 当频率为100HZ 时,R= 275 k Ω 当频率为1000HZ 时,R=27.5 k Ω
(4)系统的电路总图:
序号名称型号规格数量
1 集成运放LM741H 2
2 稳压管1ZB12 2
3 电阻1 kΩ 3
4 电阻9.1 kΩ 1
5 电阻220 kΩ 1
6 电阻270 kΩ 1
7 电阻20 kΩ 1
8 电阻 5.1 kΩ 1
9 电阻27 kΩ 1
10 电阻100Ω 3
11 电阻300Ω 1
12 电阻500Ω 1
13 电容100NF 1
14 排针若干
4、仿真及仿真结果
仿真电路测试过程：
5.电路调试过程与结果：
1)方波-三角波发生电路的安装与调试
a.安装方波-三角波产生电路
把两块741集成块插入面包板,注意布局;
分别把各电阻放入适当位置,尤其注意开关的接法;
按图接线,注意直流源的正负及接地端.
b.调试方波-三角波产生电路
接入电源后,用示波器进行双踪观察;
通过闭合开关选择合适的电阻使三角波幅值和方波的频率满足指标要求;
观察示波器,各指标达到要求后记录数据.
误差分析：
误差的来源主要有系统误差（固有误差）和偶然误差（随机误差）。

而产生系统误差的原因有：仪器本身的缺陷、理论公式和测量方法的近似性、环境的改变和个人存在的不良测量习惯等。

系统误差来源有工具误差、装置误差、人身误差、外界误差、方法误差等。

偶然误差主要是某种未知的偶然因素对实验者、仪器、被测物理量的影响而产生的。

本设计中，器件实际测量参数跟理论参数不吻合是引起误差的最大原因。

如电路中的电阻R,它影响了输出电压的大小,如果R取合适值,三角波和方波输出波形不失真,而R出现少许改变的时候,会使输出电压和输出频率出现很大的误差.
6.总结
本设计作品的优点有如下几点：
一.电路只有一个延迟环节,延迟时间短.
二.由于积分电路引入了深度电压负反馈,所以在负载电阻相当大的变化范围里,三角波电压几乎不变.
本设计作品的不足之处主要是：
一.方波输出电压小于2Vcc是因为运放输出极有PNP型两种晶体组成复合互补对称电路输出方波时,两管轮流截止或饮和导通,由于导通时输出电阻的影响,使方波输出度小于电源电压值.
二.受运放影响,三角波传输特性区线性度差容易引起失真.
以后可能改进的方案：在电路上加上保护电路,在三角波输出端加上滤波网络改
善输出波形.。