7.波形产生和变换电路
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波形产生和变换电路
一、实 验 目 的 二、实验原理 三、实验电路和线路板 四、实验内容与要 求 五、预习要求及思考题 六、实验报告及思考题
一 实验目的
1．掌握运放在开环、正反馈下的工作特点
2．掌握比较器电路的工作原理 3．掌握方波、三角波和正弦波发生器的电路构成及
其工作原理
二 实验原理
1．函数信号产生方案 •对于函数信号产生电路，有多种实现方案， 如模拟电路实现方案、数字电路实现方案(如 DDS方式)、模数结合的实现方案等。
R1 V1 VZ R2
R1 V2 VZ R2
图5 电压传输特性
3．方波发生器
•用施密特触发器的构成多谐振荡器产生方波
•输出方波的周期为
VC的波形
R1 T 2RC ln(1 2 ) R2
4．方波和三角波发生器
构成：由正向施密特触发器和集成运放组成的积分电路组成
正向施密 特触发器
（2）观察、测量传输特性曲线。 将示波器置于X-Y显示方式，vi、vO分别从X、Y通 道输入。观察传输特性曲线，测出传输特性曲线输出 电压的上、下限幅值，输入电压的两个门限电压值。
注意：数字示波器DS5000 X-Y显示方式的 使用方法
2、方波信号发生器 观察vO、vC的波形，分别在R = 10K、R = 20K 的情况下测量vO、vC的峰峰值VOPP、VCPP，振荡周 期T，频率 f ，且和理论值相比较。 注意：Rp逆时针旋到底(R = 10K), Rp顺时针旋到 底(R = 20K), 3、三角波信号发生器 用示波器观察vO1、vO2的波形，测量三角波的 峰峰值VO2m，周期T，且和理论值相比较。
五、预习要求
1、理解运放在开环，正反馈下的基本特点。 2、理解滞回比较器、方波、三角波和正弦波信号 发生器的基本电路及其工原理。 3、对方波、三角波和正弦波信号发生器的实验电 路，理论计算它们的振荡周期，频率，输出电压的 峰峰值，以便和测量值相比较。理论计算正弦波振 荡器实验电路的振荡频率。 4、对方波、三角波和正弦波信号发生器的实验电 路，用Pspise对设计进行仿真，并与理论计算进行比 较，如有必要修改电路参数。 5、复习示波器的X-Y显示、测量方法。
4．正弦波信号发生器 （1）适当调节电位器RP，使电路产生振荡，用示 波器观察输出波形，应为稳定的最大不失真正弦波， 测量输出电压的大小VOm（峰值），周期T，计算 出振荡频率f， 且与理论值相比较。 （2）验证幅度平衡条件 在输出为稳定的最大不失真正弦波情况下，测量 v+（vf）、v-、vO，验证同相比例放大器放大倍数 是否等于3（v+、v-、vO均为有效值，用交流毫伏表 测量）。
图1 迟滞比较器
图2 波形变换
图3 电压传输特性
R1 VZ 正负向触发电平分别为： V1 R1 R f
R1 V2 VZ R1 R f
（2）正向施密特触发器
R1 R2 V VO Vi R1 R2 R1 R2
因为电路翻转时：V+≈ V- =0
图4 正向迟滞比较器
所以正负向触发电平分别为：
(4) R C桥式正弦振荡电路实用电路
在放大电路的负反馈回路里 加入非线性元件D1，D2来自动 调整负反馈放大电路的增益，从 而维持输出电压幅度的稳定。 当输出电压的幅度较小时， 电阻R2两端的电压低，二极管 D1、D2截止，负反馈系数由R2、 RP及R1决定；当输出电压的幅 度增加到一定程度时，二极管 D1、D2在正负半周轮流工作， 其动态电阻与R4并联，使负反 馈系数加大，电压增益下降。输 出电压的幅度越大，二极管的动 态电阻越小，电压增益也越小， 输出电压的幅度保持基本稳定。
RC积分器
图6 方波和三角波发生器电路
方波和三角波发生器的工作原理
A1构成正滞回比较器，正负向触发电平分别为：
R1 V1 VZ R2
V2 R1 VZ R2
当 V+＞0时 A1输出为正，即VO1 = +Vz；当 V+＜0 时， A1输出为负 即 VO1 = -Vz
A2构成反相积分器
VO1 为正时， VO2 负向线性变化，当VO2负向变化略低 R1 于 VZ ，滞回比较器翻转， VO1变为负， VO2 正向线性 R2 R1 线性变化，当VO2正向变化略高于 R VZ ，滞回比较器再次 2 翻转使VO1变为正，周而复始，产生方波VO1和三角波VO2 。
4. 正弦波发生器 （1）列出理论计算过程。 （2）列表整理实验数据，画出波形，把实测频率与理论值进行比较。 （3）根据实验，分析RC振荡器的起振振幅条件和稳定振幅条件。 5. 回答下面思考题： （1）反相输入滞回比较器与同相输入滞回比较器的传输特性曲 线有何不同？ （2）正弦波发生器中，集成运放的两个输入端是否应等电位， 运放工作在线性区还是非线性区？ （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）在波形发生器各电路中，“相位补偿”和“调零”是否需 要？为什么？ （5）能否用毫伏表测量非正弦波信号的有效值？
R C桥式正弦振荡电路
三、实验电路和线路板
1、线路板
2、原理线路图 （1）滞回比较器
（2）方波发生器
（3）方波发生器和三角发生器
（4）正弦波发生器
四、实验内容与要求
1、滞回比较器 （1）观察输入、输出波形。 输入加正弦信号，频率f = 1kHZ，大小vi = 2V（有 效值），用双踪示波器同时观察vi，vO的波形。
R C桥式正弦振荡电路
为了维持振荡输出，必须让
1 Rf R3 3
为了保证电路起振，
1 Rf R3 3
R f RW ( R4 // rD )
1 2RC
电路的振荡频率
：f
Rf R3
R C桥式正弦振荡电路
起振的幅值条件 ：
2
调整电阻RP （即改变 了反馈R f ），使电路起振， 且波形失真最小。如不能 起振，则说明负反馈太强， 应适当加大R f ，如波形失 真严重，则应适当减少R f。 改变选频网络的参数C 或R，即可调节振荡频率。 一般采用改变电容C 作频 率量程切换（粗调），而 调节R作量程内的频率细调。
六、实验报告及思考题
1. 滞回比较器 （1）列表整理实验数据，画出输入、输出波形和电压传输特性， 把实测门限电压与理论值进行比较，分析误差原因。 2． 方波发生器 （1）列出理论计算过程。 （2）整理实验数据，画出方波的波形，并标明时间和电压幅值。 把实测频率与理论值进行比较，分析误差原因。 3． 三角波方波发生器 （1）列出理论计算过程。 （2）整理实验数据，观察vO、vC的波形，将实验测量vO、vC的 峰峰值VOPP、VCPP，振荡周期T，频率 f ，理论值相比较， 分析误差原因。
wenku.baidu.com
滞回比较器再次翻转使VO1变为正，周而复始， 产生方波和三角波
三角波的峰值 三角波周期
VO 2 m
R1 VZ R2
R1 T4 R C R2
5．R C桥式正弦振荡电路 (1)RC选频振荡器由以下两部分电路组成： •RC 选频网络 •由运算放大器构成的同相放大器
(2)RC 选频网络
RC 选频网络的转移电压比及其频率特性如下所示：
U jRC 2 H ( j ) U 1 1 2 R 2C 2 j3RC
该网络具有带通滤波特性，其中心频率0=1/RC 。 当=0时|H(j0)|=1/3,(0)=0。
(3)RC选频振荡器 将RC 选频网络和同 相放大器按照右图连接 起来，调节电位器使得 放大器的放大倍数等于 3时，可以得到一个等 幅的正弦振荡。振荡的 频率由RC选频网络确 定。 1 fo 2πRC
•本实验的函数信号产生电路采用全模拟电路 的实现方案。本实验选用最常用的，线路比较 简单的电路加以分析。如采用文氏电桥电路构 成正弦波发生器、采用施密特触发器构成多谐 振荡产生方波、采用积分电路产生三角波。
2．滞回比较器（施密特触发器 ） （1）负向施密特触发器
滞回比较器的电路图如图1所示，由于正反馈作用，这种比较器的门 限电压是随输出电压VO的变化而变化。
一、实 验 目 的 二、实验原理 三、实验电路和线路板 四、实验内容与要 求 五、预习要求及思考题 六、实验报告及思考题
一 实验目的
1．掌握运放在开环、正反馈下的工作特点
2．掌握比较器电路的工作原理 3．掌握方波、三角波和正弦波发生器的电路构成及
其工作原理
二 实验原理
1．函数信号产生方案 •对于函数信号产生电路，有多种实现方案， 如模拟电路实现方案、数字电路实现方案(如 DDS方式)、模数结合的实现方案等。
R1 V1 VZ R2
R1 V2 VZ R2
图5 电压传输特性
3．方波发生器
•用施密特触发器的构成多谐振荡器产生方波
•输出方波的周期为
VC的波形
R1 T 2RC ln(1 2 ) R2
4．方波和三角波发生器
构成：由正向施密特触发器和集成运放组成的积分电路组成
正向施密 特触发器
（2）观察、测量传输特性曲线。 将示波器置于X-Y显示方式，vi、vO分别从X、Y通 道输入。观察传输特性曲线，测出传输特性曲线输出 电压的上、下限幅值，输入电压的两个门限电压值。
注意：数字示波器DS5000 X-Y显示方式的 使用方法
2、方波信号发生器 观察vO、vC的波形，分别在R = 10K、R = 20K 的情况下测量vO、vC的峰峰值VOPP、VCPP，振荡周 期T，频率 f ，且和理论值相比较。 注意：Rp逆时针旋到底(R = 10K), Rp顺时针旋到 底(R = 20K), 3、三角波信号发生器 用示波器观察vO1、vO2的波形，测量三角波的 峰峰值VO2m，周期T，且和理论值相比较。
五、预习要求
1、理解运放在开环，正反馈下的基本特点。 2、理解滞回比较器、方波、三角波和正弦波信号 发生器的基本电路及其工原理。 3、对方波、三角波和正弦波信号发生器的实验电 路，理论计算它们的振荡周期，频率，输出电压的 峰峰值，以便和测量值相比较。理论计算正弦波振 荡器实验电路的振荡频率。 4、对方波、三角波和正弦波信号发生器的实验电 路，用Pspise对设计进行仿真，并与理论计算进行比 较，如有必要修改电路参数。 5、复习示波器的X-Y显示、测量方法。
4．正弦波信号发生器 （1）适当调节电位器RP，使电路产生振荡，用示 波器观察输出波形，应为稳定的最大不失真正弦波， 测量输出电压的大小VOm（峰值），周期T，计算 出振荡频率f， 且与理论值相比较。 （2）验证幅度平衡条件 在输出为稳定的最大不失真正弦波情况下，测量 v+（vf）、v-、vO，验证同相比例放大器放大倍数 是否等于3（v+、v-、vO均为有效值，用交流毫伏表 测量）。
图1 迟滞比较器
图2 波形变换
图3 电压传输特性
R1 VZ 正负向触发电平分别为： V1 R1 R f
R1 V2 VZ R1 R f
（2）正向施密特触发器
R1 R2 V VO Vi R1 R2 R1 R2
因为电路翻转时：V+≈ V- =0
图4 正向迟滞比较器
所以正负向触发电平分别为：
(4) R C桥式正弦振荡电路实用电路
在放大电路的负反馈回路里 加入非线性元件D1，D2来自动 调整负反馈放大电路的增益，从 而维持输出电压幅度的稳定。 当输出电压的幅度较小时， 电阻R2两端的电压低，二极管 D1、D2截止，负反馈系数由R2、 RP及R1决定；当输出电压的幅 度增加到一定程度时，二极管 D1、D2在正负半周轮流工作， 其动态电阻与R4并联，使负反 馈系数加大，电压增益下降。输 出电压的幅度越大，二极管的动 态电阻越小，电压增益也越小， 输出电压的幅度保持基本稳定。
RC积分器
图6 方波和三角波发生器电路
方波和三角波发生器的工作原理
A1构成正滞回比较器，正负向触发电平分别为：
R1 V1 VZ R2
V2 R1 VZ R2
当 V+＞0时 A1输出为正，即VO1 = +Vz；当 V+＜0 时， A1输出为负 即 VO1 = -Vz
A2构成反相积分器
VO1 为正时， VO2 负向线性变化，当VO2负向变化略低 R1 于 VZ ，滞回比较器翻转， VO1变为负， VO2 正向线性 R2 R1 线性变化，当VO2正向变化略高于 R VZ ，滞回比较器再次 2 翻转使VO1变为正，周而复始，产生方波VO1和三角波VO2 。
4. 正弦波发生器 （1）列出理论计算过程。 （2）列表整理实验数据，画出波形，把实测频率与理论值进行比较。 （3）根据实验，分析RC振荡器的起振振幅条件和稳定振幅条件。 5. 回答下面思考题： （1）反相输入滞回比较器与同相输入滞回比较器的传输特性曲 线有何不同？ （2）正弦波发生器中，集成运放的两个输入端是否应等电位， 运放工作在线性区还是非线性区？ （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）在波形发生器各电路中，“相位补偿”和“调零”是否需 要？为什么？ （5）能否用毫伏表测量非正弦波信号的有效值？
R C桥式正弦振荡电路
三、实验电路和线路板
1、线路板
2、原理线路图 （1）滞回比较器
（2）方波发生器
（3）方波发生器和三角发生器
（4）正弦波发生器
四、实验内容与要求
1、滞回比较器 （1）观察输入、输出波形。 输入加正弦信号，频率f = 1kHZ，大小vi = 2V（有 效值），用双踪示波器同时观察vi，vO的波形。
R C桥式正弦振荡电路
为了维持振荡输出，必须让
1 Rf R3 3
为了保证电路起振，
1 Rf R3 3
R f RW ( R4 // rD )
1 2RC
电路的振荡频率
：f
Rf R3
R C桥式正弦振荡电路
起振的幅值条件 ：
2
调整电阻RP （即改变 了反馈R f ），使电路起振， 且波形失真最小。如不能 起振，则说明负反馈太强， 应适当加大R f ，如波形失 真严重，则应适当减少R f。 改变选频网络的参数C 或R，即可调节振荡频率。 一般采用改变电容C 作频 率量程切换（粗调），而 调节R作量程内的频率细调。
六、实验报告及思考题
1. 滞回比较器 （1）列表整理实验数据，画出输入、输出波形和电压传输特性， 把实测门限电压与理论值进行比较，分析误差原因。 2． 方波发生器 （1）列出理论计算过程。 （2）整理实验数据，画出方波的波形，并标明时间和电压幅值。 把实测频率与理论值进行比较，分析误差原因。 3． 三角波方波发生器 （1）列出理论计算过程。 （2）整理实验数据，观察vO、vC的波形，将实验测量vO、vC的 峰峰值VOPP、VCPP，振荡周期T，频率 f ，理论值相比较， 分析误差原因。
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滞回比较器再次翻转使VO1变为正，周而复始， 产生方波和三角波
三角波的峰值 三角波周期
VO 2 m
R1 VZ R2
R1 T4 R C R2
5．R C桥式正弦振荡电路 (1)RC选频振荡器由以下两部分电路组成： •RC 选频网络 •由运算放大器构成的同相放大器
(2)RC 选频网络
RC 选频网络的转移电压比及其频率特性如下所示：
U jRC 2 H ( j ) U 1 1 2 R 2C 2 j3RC
该网络具有带通滤波特性，其中心频率0=1/RC 。 当=0时|H(j0)|=1/3,(0)=0。
(3)RC选频振荡器 将RC 选频网络和同 相放大器按照右图连接 起来，调节电位器使得 放大器的放大倍数等于 3时，可以得到一个等 幅的正弦振荡。振荡的 频率由RC选频网络确 定。 1 fo 2πRC
•本实验的函数信号产生电路采用全模拟电路 的实现方案。本实验选用最常用的，线路比较 简单的电路加以分析。如采用文氏电桥电路构 成正弦波发生器、采用施密特触发器构成多谐 振荡产生方波、采用积分电路产生三角波。
2．滞回比较器（施密特触发器 ） （1）负向施密特触发器
滞回比较器的电路图如图1所示，由于正反馈作用，这种比较器的门 限电压是随输出电压VO的变化而变化。