模电实验11

模拟电子技术实验 第十一次实验 波形发生电路 实验报告 2016.12.22 一、 实验目的 1、 学习用集成运放构成正弦波、方波和三角波。 2、 学会波形发生电路的调整和主要性能指标的测试方法。 二、 实验原理 由集成运放构成的正弦波、方波和三角波发生电路有多种形式，本实验采用 最常用且比较简单的几种电路来做。 1、 RC桥式正弦波振荡电路 下图所示为RC桥式正弦波振荡电路。其中RC串并联电路构成正反馈支路， 同时起到选频网络的作用。R1、R2、Rw及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器Rw，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。利用两个反向并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。D1、D2采用硅管（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保持输出波形正、负半周对称。R3的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。 电路的振荡频率： 起振的幅值条件： （具体推导见书第406页） 其中 ， 是二极管正向导通电阻 调整反馈电阻Rf（调Rw），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，应当适当加大Rw；如波形失真严重，则应当适当减小Rw。 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，而调节R作量程内的频率细调。 2、 方波发生电路 由集成运放构成的方波发生电路和三角波发生电路，一般均包括比较电路和 RC积分电路两大部分。下图所示为由迟滞比较器及简单RC积分电路组成的方波-三角波发生电路。它的特点是线路简单，但三角波的线性度较差。主要用于产生方波，或对三角波要求不高的场合。 电路振荡频率： 式中 ， 方波输出幅值： 三角波输出幅值： 调节电位器Rw（即改变R2/R1,），可以改变振荡频率，但三角波的幅值也随之变化。如要互不影响，则可以通过改变Rf或Cf来实现振荡频率的调节。 3、 三角波和方波发生电路 如把迟滞比较电路和积分电路首尾相接形成正反馈闭环系统，如下图所示， 则比较电路A1输出的方波经积分电路A2积分可以得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样既可构成三角波、方波发生电路。 电路振荡频率： 方波幅值： 三角波幅值： 调节Rw可以改变振荡频率，改变比值R1/R2可以调节三角波的幅值。 三、 实验设备与器件 1、±12V直流电源 2、交流毫伏 3、双踪示波器 4、运算放大器μA741×2 5、稳压管2CW231×1 6、二极管    IN4148×2 7、电阻器等 8、频率计 四、 实验内容 1、 RC桥式正弦波振荡电路 按图连接实验电路 （1）接通±12V电源，调节电位器Rw，使输出波形从无到有，从正弦波到出现失真。描绘Vo的波形，记下临界起振、正弦波输出及失真情况下的Rw值，分析负反馈强弱对起振条件及输出波形的影响。 （2）调节电位器Rw，使输出电压Vo幅值最大且不失真，用交流毫伏表分别测量输出电压Vo、反馈电压V+和V-，分析研究振荡的幅值条件。 （3）用示波器或频率计测量振荡频率fo，然后在选频网络的两个电阻上并联同一阻值电阻，观察振荡频率的变化情况，并与理论值进行比较。 （4）断开二极管D2、D2，重复（2）的内容，将测试结果与（2）进行比较，分析D1、D2的稳幅作用。 （5）RC串并联网络幅频特性观察： 将RC串并联网络与运放断开，由函数信号发生器输入3V左右的正弦信号，并用双踪示波器同时观察RC串并联网络输入、输出波形。保持输入幅值不变，从低到高改变频率，当信号源达到某一频率时，RC串并联网络输出将达到最大值（约1V），且输入输出同相位。此时的信号源频率： 2、 方波发生电路 按图连接实验电路。 （1） 将电位器Rw调至中心位置，用双踪示波器观察并描绘方波Vo及三角波 Vc的波形（注意对应关系），测量其幅值及频率，记录之。 （2）改变Rw滑动点的位置，观察Vo、Vc幅值及频率变化情况。把滑动点调至最上端和最下端，测出频率范围，记录之。 （3）将Rw恢复至中心位置，将一只稳压管短接，观察Vo波形，分析Dz的限幅作用。 3、 三角波和方波发生电路 按图连接实验电路。 （1）将电位器Rw调至合适位置，用双踪示波器观察并描绘三角波输出Vo及方波输出Vo’，测其幅值、频率及Rw值，记录之。 （2）改变Rw的位置，观察对Vo、Vo’幅值及频率的影响。 （3）改变R1（或R2），观察对Vo、Vo’幅值及频率的影响。 五、 实验结果与 1、 RC桥式正弦波振荡电路 （1） 实验数据： 临界起振 临界失真 Rw（kΩ） 2.763 4.483       Vo的波形： 正弦波 出现失真 分析： Rw越大，则反馈电阻Rf越大，负反馈越弱。当Rf过小时，负反馈太强，使得电路无法起振。当增大Rf时，负反馈减弱，电路开始满足起振条件，输出正弦波。当Rf继续增大时，负反馈过弱，使得不再满足稳幅要求，输出波形发生失真。 实验中临界起振时的Rw为2.763kΩ，此时Rf=Rw+R2+R3=19.963kΩ， ，与 的起振幅值条件相符。引起偏差的原因可能是负反馈回路的电阻或正反馈回路的电阻电容的实际值与理论值不同。 （2） 实验数据： 输出电压Vo（V） 反馈电压V+（V） 反馈电压V-（V） 6.305 1.833 2.110       分析：振荡的幅值条件 由实验数据可以看出，V+与V-之间有微小差别，V-比V+大0.277V。 电路中，若要能够发生振荡，则必须满足AF>1的幅值条件。另外，发生振荡时，F=1/3（具体证明见后面），所以要求A>1/3。 （3） 实验数据： 并联前 并联后 测量值 计算值 测量值 计算值 振荡频率fo(kHz) 1.29 1.59 2.58 3.18 相对误差 18.90% 18.90%           其中计算值由 计算得到 由实验数据可以看到，并联前和并联后的计算值都比测量值略高，可能的原因是实际的R或C值比理论值偏大。同时，并联后的fo的测量值和计算值都是并联前的两倍，与公式 相符。 （4） 实验数据： 输出电压Vo（V） 反馈电压V+（V） 反馈电压V-（V） 有D1、D2 6.305 1.833 2.110 断开D1、D2 6.350 1.683 2.106         分析： 由实验数据可以看出，断开D1、D2后，输出电压Vo增大，反馈电压V+减小，反馈电压V-有很微小的下降。从实验数据可以体现出D1、D2的稳幅作用。 D1、D2的稳幅作用：D1、D2通过改变运放的放大倍数来实现稳幅。运放的输出电压超过一定幅度时，负半周D1导通，正半周D2导通，二极管正向导通电压小，相当于减小反馈电阻，从而增强负反馈，减小放大倍数，实现稳幅。 （5） 当频率为1.275kHz时，输出电压达到最大值0.953V，约为1V。且此时输入输出波形同相位，如下图所示： 理论上： 令 ，有 代入上式，有 幅频特性为 相频特性为 当f=fo时，F=1/3，输入与输出相位差为0。 的理论计算值在前面已经提到过，是1.59kHz，而测量值为1.275kHz，与之前的测量值基本相等。造成与计算值不同的可能的原因是实际的R或C值比理论值偏大。 同时，输出电压的实际值为0.953V，约等于3*（1/3）=1V，与理论相符。 2、 方波发生电路 （1） 实验数据： Rw位置 方波幅值Vo（V） 三角波幅值Vc（V） 方波频率（kHz) 三角波频率（kHz) 测量值 测量值 理论值 测量值 理论值 测量值 中间（21.5kΩ) 7.510 4.460 4.51 1.404 4.51 1.404 最上端（42.5kΩ） 8.000 7.180 1.023 0.665 1.023 0.665 最下端（0.5Ω） 7.330 2.005 15.524 2.645 15.524 2.645               频率的理论值通过 计算得到。 可以看出，波的频率的测量值与理论值相差很大，可能的原因是实际电路中的Cf、Rf、R1、R2值与理论电路图中不符。 波形图： Rw在中间位置 Rw最大 Rw最小 （2） Rw变大时，方波和三角波的频率减小，幅值增大； Rw变小时，方波和三角波的频率增大，幅值减小。 频率的变化范围为：0.665kHz-2.645kHz 分析： 易知当Rw变大时，R1变小，R2变大，R2/R1变大；Rw变小时，R1变大，R2变小，R2/R1变小。 所以，当Rw变小（变大）时，根据 可以得到，振荡频率fo增大（减小），三角波幅值减小（增大），方波幅值也有微小的减小（增大），但由于Vz的限制，变化很小。 （3） 讨论二极管Dz的限幅作用： 短接一只稳压管后的波形: Rw位置 Dz情况 方波幅值Vo（V） 三角波幅值Vc（V） 方波频率（kHz) 三角波频率（kHz) 中间（21.5kΩ) 正常 7.510 4.460 1.404 1.404 短接一只 3.994 2.625 0.973 0.973             当输出电压（即方波）的幅值过大时，由于二极管的稳压作用，幅值会被限制在Vz。当Vo为正时，Dz1发挥稳压作用；当Vo为负时，Dz2发挥稳压作用。所以它们可以保证较好地限幅效果。 3、 三角波和方波发生电路 （1） 实验数据 Rw（kΩ) 方波幅值Vo（V） 三角波幅值Vc（V） 方波频率（kHz) 三角波频率（kHz) 测量值 测量值 理论值 测量值 理论值 测量值 46.27 4.120 2.180 0.464 0.254 0.464 0.253 22.109 4.099 2.243 0.916 0.481 0.916 0.481 0 3.790 2.973 8.417 3.164 8.417 3.164               由数据可以看到，对于三组数据，频率的理论计算值都是是测量值的两倍左右，误差接近50%，可能的原因是R1或R2的对应电阻接错。同时这印证了理论计算公式的合理性。 （2）波形图： Rw最大 Rw最小 Rw适中 （3） a. Rw变化时： 由数据可以看出，Rw变大时，频率减小，方波与三角波幅值变化不大；Rw变小时，频率增大，方波与三角波幅值变化不大。 这与理论计算公式相符： 电路振荡频率： 式中 ， 方波输出幅值： 三角波输出幅值： b．R1、R2变化时： 实验数据： R1、R2情况 方波幅值Vo（V） 三角波幅值Vc（V） 方波频率（kHz) 三角波频率（kHz) 初始 4.099 2.243 0.481 0.481 R1从10kΩ变到20kΩ 4.096 4.283 0.254 0.254 R2从20kΩ变到10kΩ 4.093 4.283 0.257 0.257           波形图： 初始 R1从10kΩ变到20kΩ R2从20kΩ变到10kΩ 由实验数据发现，“R1从10kΩ变到20kΩ”与“R2从20kΩ变到10kΩ”两种情况下，方波的幅值、三角波幅值与波的频率都基本相等，这通过理论计算式可以解释： 电路振荡频率： 方波幅值： 三角波幅值： 当R1、R2变化时，只要R1/R2增大，就会造成电路振荡频率减小，三角波幅值增大，方波幅值基本不变。反之同理。 六、 预习要求 1、 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？ 答：因为振荡电路本身有正反馈，如果没有输出振幅稳定回路起到负反馈的作用，那么输出电压幅值就会不断增大，直至运放最大输出电压，发生非线性失真。 增加D1和D2是为了通过改变运放的放大倍数来实现稳幅。运放的输出电压超过一定幅度时，负半周D1导通，正半周D2导通，二极管正向导通电压小，相当于减小反馈电阻，从而增强负反馈，减小放大倍数，实现稳幅。 2、 在波形发生的各电路里，“相位补偿”和“调零”是否需要？为什么？ 答：不需要。因为波形发生电路中集成运放工作在非线性区。而“相位补偿”和“调零”是在线性工作时才需要考虑的。 3、 怎样测量非正弦波电压的幅值？ 答：通过示波器直接读取，或数示波器显示的波形在垂直轴上所占的格子数，乘以每格代表的电压大小（V/div灵敏度），即得到幅值。