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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