运放组成的波形发生器电路设计说明

运放组成的波形发生器电路设计、装配与调试

1．运放组成的波形发生器的单元电路

运放的二个应用：⑴线性应用-RC正弦波振荡器⑵非线性应用-滞回比较器

⑴RC正弦波振荡器

RC桥式振荡电路如图3-9所示。

图3-9 RC桥式振荡电路

RC桥式振荡电路由二部分组成：

①同相放大器，如图3-9（a）所示。

②RC串并联网络，如图3-9（b）所示。

或图3-9（c）所示，RC串并联网络与同相放大器反馈支路组成桥式电路。

同相放大器的输出电压uo作为RC串并联网络的输入电压，而将RC串并

联网络的输出电压作为放大器的输入电压，当f=f 0时, RC 串并联网络的相位移为零，放大器是同相放大器，电路的总相位移是零，满足相位平衡条件，而对于其他频率的信号，RC 串并联网络的相位移不为零，不满足相位平衡条件。由于RC 串并联网络在 f=f 0 时的传输系数F ＝1/3，因此要求放大器的总电压增益Au 应大于3，这对于集成运放组成的同相放大器来说是很容易满足的。由R 1、R f 、V 1、V 2及R 2构成负反馈支路，它与集成运放形成了同相输入比例运算放大器。

只要适当选择R f 与R 1的比值， 就能实现Au>3的要求。其中，Ｖ1、Ｖ2

和R 2是实现自动稳幅的限幅电路。

① 振荡原理

RC 桥式振荡电路如图3-9所示。根据自激振荡的条件，φ=φa+Φf=2πn ，其中RC 串并联网络作为反馈电路，当f=fo 时，φf=0°，所以放大器的相移应为φa=0°，即可用一个同相输入的运算放大器组成。又因为当f=fo 时，F=1/3，所以放大电路的放大倍数A ≥3。起振时A>3，起振后若只依靠晶体管的非线性来稳幅，波形顶部容易失真。为了改善输出波形，通常引入负反馈电路。其振荡频率由RC 串并联网络决定，图3-9（c ）为RC 桥式振荡电路的桥式画法。RC

串并联网络及负反馈电路中的Rf+'2

R 、R1正好构成电桥四臂，这就是桥式振荡器名称的由来。在RC 串并联网络中，

11R R A f u +=RC

f π210=

取C C C R R R ====2121， )1(31RC RC j U U F o f ωω-+==⋅⋅⋅

当虚部为零，即)/(11221C R C R ωω=时，3/1=F

RC o 1=

ω ② 稳幅原理

V 1、V 2和R 2是实现自动稳幅的限幅电路。V 1、V 2仅一只导通，导通的二极

管和R 2并联等效电阻为'2R 。根据同相放大器的放大倍数计算公式：1'21R R R A f ++=可知输出电压幅度与'2

R 有关。 Ⅰ. 振荡小时，'2

R 大，放大倍数大，补偿输出电压幅度。如图3-10所示A 、B 点。 Ⅱ. 振荡时大，'2

R 小，放大倍数大，补偿输出电压幅度。如图3-10所示C 、D 点。

图3-10 自动稳幅原理

2．运放组成的波形发生器电路设计

)1()1(111111//

12

12121122

2211222

212222222111C R C R j R R C C C R j R C j R C R j R Z Z Z U U F C R j R C j R Z C j R Z o f ωωωωωωωω-+++=

++++=+==+==+

=⋅⋅⋅RC

f π210=

⑴ 运放组成的波形发生器电路设计要求

使用集成运算放大器组成的RC 正弦波振荡器和滞回比较器，连接成一个波形发生器，要求：能产生正弦波、方波两种波形。其信号频率为2KHz ，正弦波的峰值U om 约为7V ，方波幅值U opp 约为-6～6V 。

参考电路如图3-11所示，电路由二部分组成：RC 桥式正弦波振荡电路，滞回比较器。图中各元器件参数值应根据要求对有关参数作设计计算,进而正确选择元器件以达到设计要求。

图3-11 正弦波-方波发生器原理图

⑵ RC 桥式正弦波振荡电路设计：

图3-11中A 1是具有稳幅环节的RC 桥式正弦波振荡器，电路要求信号频率为2KHz ，可作设计计算以确定各元件的取值。电路的振荡频率公式为：

可先将RC 串、并联选频网络中的电容C 取值为0.01μF ，再求得电阻R 的值，此处可取8.2K Ω(标准值)。

RC

f π21

正弦波的输出幅度Uom 要求约为7V ，根据电路幅值估算公式：

式中,R 3′是指动态时R 3(取3K Ω左右时)与两个二极管并联后的等效电阻，工程估算值约为1.1K Ω。当R1也取3K Ω时求得R 2的值约为8.73K Ω，考虑设置一个调节范围，此处取10K Ω的电位器。当然更理想的是可用一个6.2K Ω的固定电阻和一个5K Ω的电位器串联来代替10K Ω的电位器。

⑶ 滞回比较器设计：

A 2是根据电路要求(电路的抗干扰能力强)而选用的滞回电压比较器。用两个稳定电压为6V 的稳压二极管作为电路输出的限幅电路。在保证该电路上、下限阈值电压在A1正弦波的输出幅值7V 之内，确定R 4、R 5的大小。正弦波振荡变换为方波如图3-12所示。

根据A1正弦波的输出1o u =-7～7V 和方波幅值Uopp 约为-6～6V 可知，6±=om U V 。上、下限阈值电压差：

若R 4=4.7K ，u 1=4V ，则由

得R 5=9.4K ，

3. 运放组成的波形发生器电路装配与调试

⑴ 组装与调试目的

① 学会使用单运放集成电路LM741； 14125

442＜u R R R om U TH U =+=∆8125

7.47.462==+⨯⨯=∆u R TH U '3

'321om )

(6.0R R R R U ++=