波形产生电路.docx
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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。
v+
vo
vo/v+
频率f
第一组(对应最大输出)
第二组(调节电位器)
*(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。
vC
vo
fmax(kHz)
fmin(kHz)
数 值
波
形
0.01μF
0.001μF
3.宽度可调的矩形波信号发生器
vC波形
vo波形
占空比
Rwmax
Rwmin
(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(UnijunctionTransistor),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
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