波形产生电路实验报告

波形产生电路实验报告
一、实验目的
1. 通过实验掌握由集成运放构成的正弦波振荡电路的原理与设计方法；
2. 通过实验掌握由集成运放构成的方波（矩形波）和三角波（锯齿波）振荡电路的原理与设计方法。

二、实验内容
1. 正弦振荡电路
实验电路图如下图所示，电源电压为±12V。

（1）缓慢调节电位器R W，观察电路输出波形的变化，解释所观察到的现象。

（2）仔细调节电位器R W，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R W之值，分析电路的振荡条件。

（3）将两个二极管断开，观察输出波形有什么变化。

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V O1、V O2波形的幅度、周期（频率）以及V O1的上升时间和下降时间等参数。

（2）对电路略加修改，使之变成矩形波和锯齿波振荡电路，即V O1为矩形波，V O2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V O1、V O2的波形，记录它们的幅度、周期（频率）等参数。

3. 设计电路测量滞回比较器的电压传输特性。

三、预习计算与仿真 1. 预习计算 （1）正弦振荡电路 由正反馈的反馈系数为：
f 1
12
0o
013V Z F Z Z V j ωωωω•
•
•
=
=
=
+⎛⎫+- ⎪
⎝⎭
由此可得RC 串并联选频网络的幅频特性与相频特性分别为
2
00231⎪
⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=
ωωωωF
0F arctan
3
ωωωω
φ-=-
易知当RC
1
0==ωω时，•f V 和•o V 同相，满足自激振荡的相位条件。

若此时f 3v A >，则可以满足f 1v A F >，电路起振，振荡频率为
000
111
994.7Hz 1.005ms 2216k 10nF f T RC f ππ=
====⨯Ω⨯，。

若要满足自激振荡，需要满足f v A F 在起振前略大于1，而max 1
3
F =，令f 3v A =，即满足条件的R w 应略大于10k Ω。

（2）多谐振荡电路
对电路的滞回部分，输出电压U O =±U Z =±6V ，U P =U O ×R 2
R
2+R 1
+U O2×R 1
R
2+R 1
，当
U P =U N =0V 时，可以得到U O2=±R
2R 1
×U O =±3V 。

由U T =
1R 3C
×0.5T ×U O −U T ，所以得到：T =4R 2R 4C R 1⁄=400us 。

2. 仿真分析 （1）正弦振荡电路 仿真电路图：
仿真得到的测量数据总结如下（具体见仿真报告）： （1）R W 为0时，无波形产生
（2）调节R W 恰好起振时
（3）调节R W 使输出电压幅值最大
（2）多谐振荡电路
仿真电路图：
得到的数据整理如下：
（3）矩形波和锯齿波发生电路仿真电路图：
仿真结果整理如下：
（
4）滞回比较器电压传输特性的测量 仿真电路图：
仿真结果整理如下：
四、实验数据记录与处理 1. 正弦振荡电路
（1）R W 为0时，无波形产生 （2）调节R W 恰好起振时
XSC1
此时的波形：
（3）调节R W使输出电压幅值最大
此时的波形：
（4）将两个二极管断开观察R W从小打大变化时的波形是如何变化的调节电阻使得恰好起振时的波形和继续调大电阻后的输出电压波形依次为：
由波形变化可以看出，当调节电阻使得电路刚好出现振荡时输出电压幅值就已经到达最大值，并且有一点的失真现象，当继续调大电阻时，输出电压波形失真更加严重。

2. 多谐振荡电路
输出电压波形为：
实验数据整理如下：
3. 矩形波和锯齿波发生电路
实验测得的数据整理如下：
4. 滞回比较器电压传输特性的测量
实验数据整理如下：
误差分析：
1. 正弦振荡电路中峰值的测量误差较大，可能由于在仿真过程中由于Multisim中在用示波器测量输出电压时，即使调节电阻已经达到理论值，但示波器上还是没有波形出现，所以会与实际测量形成一定的误差。

2. 多处的输出电压测量的误差较大。

因为实际实验使用的稳压管为5.1V的，而老师要求的仿真中采用的稳压管为6V的，即使仿真中采用的是虚拟的稳压管，但是经过测量发现稳压管还是会存在正向导通电压，所以仿真中采用稳压管的稳压值较大，产生了误差。

五、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：由正弦波发生电路的起振条件，R w应该略大于10kΩ，电路才能输出正弦波。

在实
验中测得R w=10.33kΩ时电路恰能产生稳定的正弦波，而在R w=18.52kΩ时电路输出的不失真正弦波幅值最大。

因此，为了既使电路容易起振，又能输出较好的正弦波，应该将电位器调节到10.33kΩ与18.52kΩ之间的位置。

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：由于电路中使用的运放不是理想的运放，所以转换速率有限，因此输出方波或矩形波时会出现跳变沿。

如果要缩短其上升和下降时间，应该提高运放的转换速率。

六、实验结论
1. 正弦振荡电路的起振条件为R w应该略大于10kΩ，实验中测得当R w=10.33kΩ时电路恰好起振；
2. 在正弦振荡电路中加入二极管的非线性环节可以在一定范围内避免波形发生失真，实验测得输出最大不失真正弦波时R w=18.52kΩ，若去掉二极管环节则电路一起振就失真。

3. 多谐振荡电路第一级电路输出方波，第二级电路输出三角波，若在电路中加入占空比可调环节可以调节积分电路的充电和放电的时间常数，当其时间常数不一样时，则充电和放电所需要的时间就不同，进而使电路输出锯齿波；
4. 滞回比较器电路有两个阈值电压，其输出特性如上面仿真图示。

七、实验收获与体会
1. 实验中通过仿真分析和亲手搭建电路加深了对于波形产生电路的理解；
2. 正弦振荡电路中通过观察去掉二极管后的产生的波形，深刻理解了非线性环节对于正弦振荡电路的重要性；
3. 通过测量滞回比较器的电压传输特性初步掌握了示波器X-Y输出通道的基本操作方法，对于示波器的使用有了更深的体会。