波形发生电路

波形发⽣电路

实验⼗ 波形发⽣电路

⼀、实验⽬的：1、掌握波形发⽣电路的结构特点和分析、计算、测试⽅法。

2、熟悉波形发⽣器的设计⽅法。

⼆、实验仪器：1、双踪⽰波器

2、信号发⽣器

3、数字万⽤表

4、交流毫伏表

5、直流电源

三、实验原理及测量⽅法：

⾮正弦波产⽣电路，⼀般由电⼦开关（电压⽐较强），外加反馈⽹络构成闭环电路形成。常⽤的波形发⽣电路有⽅波、三⾓波、锯齿波发⽣器等。 1、⽅波发⽣器

电路如图1所⽰，集成运放和电阻R 2、R 3、R 4构成滞回电压⽐较器，作为电⼦开关使⽤，R 1、C 相串联作为具有延迟作⽤的反馈⽹络，整个电路是⼀个闭环电路。设电路刚加电时，Uc =0，且滞回⽐较器的输出电压为Uz ，则集成运放同相输⼊端此时的电位为2

23

()Z R U U R R +=

+

⽽同时Uz 通过R 1向C 充电，Uc 由零逐渐上升，当Uc>U +时，Uo 从Uz 跳变为-Uz ，则2

23

()Z R U U R R +=

-+

同时，电容C 通过R 1放电，使Uc 逐渐下降，⼩于U +时，Uo ⼜跳变为Uz ，回到初始状态，如此周⽽复始，产⽣振荡，输出⽅波。

图1 ⽅波发⽣器该⽅波发⽣器输出的⽅波振荡周期2

13

22ln(1)R T R C R =+

2、 占空⽐可调的矩形波发⽣电路

通常将矩形波⾼电平的时间与周期时间之⽐称为占空⽐。⽅波的占空⽐为50%。如果需要产⽣占空⽐⼩于或⼤于50%的矩形波，则应设法使⽅波发⽣电路中电容的充电时间常数与放电时间常数不相等。图2电路中利⽤⼆极管的单向导电性可以构成占空⽐可调的矩形波发⽣电路。

C1100nF

图2 占空⽐可调的矩形波发⽣电路

该电路发⽣的矩形波振荡周期2

13

2(2)ln(1)w R T R R C R =++

占空⽐'1

11

2w w R R T T R R +=

+ 调节电位器Rw 可使输出矩形波的占空⽐变化。 3、 三⾓波发⽣电路

上述⽅波发⽣器中Uc 的波形近似三⾓形，但其线性度⽐较差。图3电路可以产⽣线性度⽐较⾼的三⾓波，它包含两部分电路，前⼀部分为滞回电压⽐较器，后⼀部分为积分电路。图3 三⾓波发⽣电路

设电路刚加电时，电容两端的电压等于0。

若Uo 1=Uz ，则积分电路中的电容充电，Uo 按线性规律下降，当Uo 下降到零以后再下降到⼀定程度，使A 1的U+略低于(0)U-时，则Uo 1从+Uz 跳变为-Uz ，同时U+也跳变到更低的值（⽐零低很多）。在Uo 1变为-Uz 后，电容放电，Uo 按线性规律逐渐上升，当Uo 上升到⼀定程度，使A 1的U +略⼤于0时，Uo 1⼜从-Uz 变回Uz ，使电路回到初始状态。如此周⽽复始，产⽣振荡，电路产⽣三⾓波。 周期1424R R C

T R =

振荡幅度1

2

o m Z

R U U R =

4、 锯齿波发⽣电路

锯齿波与三⾓波的区别是，后者上升和下降的斜率相等，⽽前者上升和下降的斜率不相等（通常相差很多）。因此，只要使三⾓波产⽣电路中的电容的充电与放电回路不同，便可以得到锯齿波发⽣电路。参照实验电路图4。

四、实验内容1、⽅波发⽣电路

①按图连接电路，检查⽆误后，连接电源。

②调整电位器Rp，输出波形从⽆到有，⽤⽰波器观察Uc、Uo波形，测量频率。

③分别测出

110

R k

=Ω，

1110

R k

=Ω时，输出波形的频率，输出幅值。

④调节电位器Rp，使输出电压Uo的输出幅值最⼤且不失真，⽤毫伏表测量电压

Uo反馈电压U

+和U-

，分别研究振荡的幅值条件。2、占空⽐可调的矩形波发⽣电路

①按图连接电路，检查⽆误后，连接电源。

②调整电位器Rp，使电路产⽣的波形从⽆到有，并⽤⽰波器观察Uc、Uo波形的幅度及频率变化情况。把Rw的动点调节到最上、最下位置，测出频率范围，记录之。③将电位器Rp调节⾄中⼼位置，将⼀只稳压管短接，观察Uo的波形，分析⼆极管的限幅作⽤。

④若要使占空⽐更⼤，应如何选择电路参数并⽤实验验证。

3、三⾓波发⽣电路

①按图连接电路，检查⽆误后，连接电源。

②改变Rp，⽤⽰波器观察频率如何变化？按预习⽅案分别实验并记录。

4、锯齿波发⽣电路

①按图连接电路，检查⽆误后，连接电源。

②将电位器Rp调⾄最上、最下（要求有波形输出）位置，测量频率变化范围。

五、实验结果及分析1、⽅波发⽣电路

①电路连接如图1所⽰

②调整电位器Rp，⽤⽰波器观察Uc、Uo波形如下所⽰：

测量Uc、Uo的频率：f=47.57Hz

图1所⽰电路由反向输⼊的滞回⽐较器和RC电路组成，RC回路既作为延迟环节，⼜作为反馈⽹络，通过RC充放电实现状态的⾃动转换。在电路中电容正向充电和反向充电的时间常数均为R1C，⽽且充电的总幅值也相等，因⽽在⼀个周期内Uo=+Uz的时间与Uo=-Uz的时间相等，Uo为对称的⽅波。③当110R k =Ω时，其输出波形如下：

实验结果：频率f =360.5Hz ，输出幅值Uo=6.22V 仿真结果：频率f =418.8Hz ，输出幅值Uo=6.024V 当1110R k =Ω时，实验结果：频率f =36.06Hz ，输出幅值Uo=6.81V 仿真结果：频率f =41.13Hz ，输出幅值Uo=6.526V 由以上波形和数据可知：在110R k =Ω到1110R k =Ω变化时，输出波形的输出幅值有微⼩的变化，其频率明显减⼩。因为输出电压0z U U =±，⽽2

1

3

22l n (1)R T R C R =+，在R 1变化时，输出电压不受其影响，其周期随R 1变⼤⽽变⼤，则频率随R 1变⼤⽽减⼩。

④调节电位器Rp ，使输出电压Uo 的输出幅值最⼤且不失真，其输出波形如下：

实验结果：电压Uo =7.39V ，反馈电压U +=3.7V ，U -=1.94V 仿真结果：电压Uo =6.532V ，反馈电压U +=3.249V ，U -=1.974V

振荡的幅值条件：电路刚加电时，U -=0，滞回⽐较器的输出电压为Uz ，则

集成运放同相输⼊端此时的电位为223

Z R U U R R +=+，⽽同时Uz 通过R 1向C 充电，U -由零逐渐上升，当U ->U +时，Uo 从Uz 跳变为-Uz ，则2

23

Z R U U R R +=-

+，同

时，电容C 通过R 1放电，使U -逐渐下降，⼩于U +时，Uo ⼜跳变为Uz ，回到初始状态，如此周⽽复始，产⽣振荡。 2、 占空⽐可调的矩形波发⽣电路 ①电路连接如图2所⽰②调整电位器Rp ，⽤⽰波器观察Uc 、Uo 波形的幅度及频率变化情况如下：

测量结果：Uc =1.277V ，Uo =5.563V ，fo=213.83Hz

测量结果：Uc =2.156V ，Uo =5.62V ，fo=126.37Hz

测量结果：Uc =12.798V ，Uo =5.655V ，fo=95.47Hz

在电路中，电容正向充电和反向充电的时间分别为(R 1+Rw ’)C 和[R 1+(Rw- Rw ’)]C ，充电的总幅值相等，因⽽在⼀个周期内Uo=+Uz 的时间与Uo=-Uz 的时间不相等，Uo 为矩形波。

由上图及测量数据可知：在Rp 接⼊百分⽐增⼤的过程中，Uc 、Uo 波形的幅度有微⼩的增加，频率有所减⼩。因为输出电压0z U U =±，⽽

2

1

3

2(2)l n (1)w R T R R C R =++，在Rp 即R 2变化时，输出电压不受其影响，其周期随Rp 变⼤⽽变⼤，则频率随Rp 变⼤⽽减⼩。

输出频率 (Hz) 实验 124.6 110.589.4 83.8 92.3 109.5 122.7 仿真 109.72 95.61 95.45 95.33 95.56 95.80 109.93

由上表观察可知频率变化范围：实验结果83.8 Hz ~124.6 Hz 仿真结果95.33 Hz ~109.72 Hz③将电位器Rp 调节⾄中⼼位置，将⼀只稳压管短接，观察Uo 的波形如下：实验结果：Uo=-6.02V 仿真结果：Uo=-5.63V

⼆极管的限幅作⽤：稳压⼆极管将电路的输出Uo 稳定在±Uz 。若将⼀只稳压管短路，则在振荡中⽆法实现Uo 从+Uz 到-Uz 或者从-Uz 到+Uz 的跃变，从⽽导致输出电压上半部分或下半部分的缺失，得到如上图所⽰的输出波形。 ④若要使占空⽐更⼤，应如何选择电路参数并⽤实验验证。

通过对⽅波及矩形波发⽣电路的分析，想要使输出电压的占空⽐增⼤，就必须是使电容正向的时间常数与反向充电的时间常数的⽐值增⼤，即增⼤正向充电充电回路的参数。所以，通过给正向充电回路增⼤电阻，可以实现增⼤占空⽐。实验原理图如下所⽰：

C1100nF

通过分析可知此电路图的占空⽐为161

'(')w w w R R R q R R R ++=

-+，⽽原电路占空⽐为

16

'(')

w w w R R R q R R ++=

-，⽐较两式可明显看出占空⽐有所增⼤。

在同等的条件下，观测到原电路和改进电路的输出波形如下：原电路

改进电路

T1T q= T1/ T

原电路7.992ms 5.653ms 0.707

改进电路9.552ms 7.018ms 0.7353、三⾓波发⽣电路

①电路连接如图3所⽰

②改变Rp，在接⼊百分⽐增⼤过程中，⽤⽰波器观察波形变化如下所⽰：

由于积分电路两个⽅向的积分通路相同，即积分电路的正向积分时间常数等于反向积分的时间常数，那么输出电压上升和下降的的斜率相同，于是得到了上图所⽰的锯三⾓波。仿真结果261.7 Hz ~1115.2 Hz

由上图及测量数据可知：在Rp 接⼊百分⽐增⼤的过程中，输出波形频率随

之减⼩。因为输出电压频率为2144R f R R C

，在Rp 即R 1增⼤时，输出电压频率f

随Rp 变⼤⽽减⼩。 4、 锯齿波发⽣电路 ①电路连接如图4所⽰②将电位器Rp 调⾄最上、最下（要求有波形输出）位置，波形如下所⽰：

利⽤⼆极管的单向导电性使积分电路两个⽅向的积分通路不同，即使积分电路的正向积分时间常数⼤于反向积分的时间常数，那么输出电压上升和下降的的斜率不同，于是得到了上图所⽰的锯齿波。

仿真结果46.6Hz ~78.9 Hz

误差分析：1、仪器⾃⾝误差2、读数误差

3、操作带来的误差