1.设计题目:波形发生电路
2.设计任务和要求:
要求：设计并用分立元件和集成运算放大器制作能产生方波和三角波波形的波形发生器。
基本指标：输出频率分别为：102H
Z 、103H
Z
；输出电压峰峰值V
PP
≥20V
3.整体电路设计
1）信号发生器:
信号发生器又称信号源或振荡器。按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波。通过模拟电子技术设计的波形发生器是一个不需要外加输入信号，靠自身振荡产生信号的电路。2）电路设计：
整体电路由RC振荡电路，反相输入的滞回比较器和积分电路组成。
理由：a）矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；
b）产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；
c）输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。
RC振荡电路：即作为延迟环节，又作为反馈电路，通过RC充放电实现输出状态的自动转换。
反相输入的滞回比较器：矩形波产生的重要组成部分。
积分电路：将方波变为三角波。
3）整体电路框图：
为实现方波，三角波的输出,先通过 RC振荡电路，反相输入的滞回比较器得到方波，方波的输出，是三角波的输入信号。三角波进入积分电路，得出的波形为所求的三角波。其电路的整体电路框图如图1所示：
图1
4）单元电路设计及元器件选择 a ） 方波产生电路
根据本实验的设计电路产生振荡，通过RC 电路和滞回比较器时将产生幅值约为12V 的方波，因为稳压管选择1N4742A （约12V ）。电压比较电路用于比较模拟输入电压与设定参考电压的大小关系，比较的结果决定输出是高电平还是低电平。滞回比较器主要用来将信号与零电位进行比较，以决定输出电压。图3为一种滞回电压比较器电路，双稳压管用于输出电压限幅，R 3起限流作用，R 2和R 1构成正反馈，运算放大器当u p >u n 时工作在正饱和区，而当u n >u p 时工作在负饱和区。从电路结构可知，当输入电压u in 小于某一负值电压时，输出电压u o = -U Z ；当输入电压u in 大于某一电压时，u o = +U Z 。运算放大器在两个饱和区翻转时u p =u n =0，由此可确定出翻转时的输入电压。u p 用u in 和u o 表示，有
2
1o 1in 22
1o
2
in 1p 111
1R R u R u R R R u R u R u ++=
++=
根据翻转条件，令上式右方为零，得此时的输入电压
th Z 2
1
o 21in U U R R u R R u ==-=
U th 称为阈值电压。滞回电压比较器的直流传递特性如图4所示。设输入电压初始值小于-U th ，此时u o = -U Z ；增大u in ，当u in =U th 时，运放输出状态翻转，进入正饱和区。如果初始时刻运放工作在正饱和区，减小u in ，当u in = -U th 时，运放则开始进入负饱和区。
图3 滞回电压比较器
图4 滞回电压比较器的直流传递特性
如果给图3所示电路输入三角波电压，其幅值大于U th ，设t = 0时，u o= -U Z ，其输出波形如图5所示。可见，输出为方波。
图5 输入为三角波时滞回电压比较器的输出波形
b ）．方波—三角波发生电路
给图3所示的滞回电压比较器级联一积分电路，再将积分器的输出作为比较器的输入，如图6所示。由于积分电路可将方波变为三角波，而比较器的输入又正好为三角波，因此可定性判断出，图6电路的输出电压u o1为方波，u o2为三角波，如图7所示。
图6 方波—三角波发生电路
下面分析其振荡周期。积分器输出电压从-U th 增加到+U th 所需的时间为振荡周期T 的一半，由积分器关系式
⎰+
---=2
Z th
th 00
d )(1
T t t
t U RC
U U
或
2
12Z th T U RC U =
注意到Z 2
1
th U R R U =
，故 2
1
4R RCR T =
振荡频率则为
1
241RCR R T f ==
U Z -U Z
U th -U th t
u o1
u o2
图7方波—三角波发生电路的输出波形
c ）元器件选择
1））通用型集成单运放LM741CN
电路所用的运放选用LM741CN,LM741CN 的管脚图如图所示，其特点是电压适应范围较宽，可在±5～±18V 范围内选用；具有很高的输入共模、差模电压，电压范围分别为±15V 和±30V；内含频率补偿和过载、短路保护电路；可通过外接电位器进行调零.
波形发生器用到得脚位为2.3.4.6.7 脚位2：INV.INPUT 脚位3：NON-INV.INPUT 脚位4: V- 脚位6：OUTPUT 脚位7：V+
图2 LM741管脚分布
2））稳压二极管
双稳压二极管的稳定电压根据方波幅值选取，由设计要求可取12伏特的稳压二极管,本次试验采用的1N4742A 稳压二极管。 3））电阻
电阻R4根据双稳压二极管的最大电流确定,此处可取10 k ，其他电阻分别有10K 电阻，120K 电阻和25K 电阻。 4））电容
电容C 根据振荡频率要求确定，本次实验采用的100nF 和10nF 两种电容。
