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實(shí)驗(yàn)7RC波形發(fā)生電路實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)使用運(yùn)放組成方波發(fā)生器、三角波發(fā)生器和鋸齒波發(fā)生器。實(shí)驗(yàn)儀器示波器、信號(hào)發(fā)生器、交流毫伏表、數(shù)字萬用表。預(yù)習(xí)內(nèi)容復(fù)習(xí)關(guān)于用運(yùn)放組成的方波發(fā)生器、三角波發(fā)生器、鋸齒波發(fā)生器和正弦波發(fā)生器的基礎(chǔ)知識(shí)。定性繪制本實(shí)驗(yàn)所用電路的輸出波形,估算輸出波形的周期。4.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1)方波發(fā)生器方波發(fā)生器電路如圖7.1,其工作原理可試述如下。設(shè)電路通電瞬時(shí),電容上的電壓為零,電路輸出為vz,這時(shí)運(yùn)放正向輸入端電壓為RV€ 1v€FV(I)piR+Rzz12運(yùn)放輸出電流經(jīng)R3、Rp、R4向電容C充電。運(yùn)放反向輸入端VN隨時(shí)間延續(xù)電壓升高,當(dāng)vN=vP1時(shí),電路輸出翻轉(zhuǎn),V。由Vz變?yōu)?vz,Vp由Vp1=FVz變?yōu)閂p2=-FVz。這時(shí)由“地”向電容反向充電,VN隨時(shí)間延續(xù)電壓下降,當(dāng)VN=Vp2時(shí),電路輸出翻轉(zhuǎn),V。由-vz變?yōu)関z,Vp由Vp2=-FVz變?yōu)閂p1=FVz。周而復(fù)始,電路輸出方波。在穩(wěn)態(tài),輸出為V的時(shí)間可用以下方法推導(dǎo)。在起始時(shí)刻,電容上的電壓為VC〔0〕=-FV,電容充電z C z的終了電壓為vz,這里“電容充電的終了電壓”指“假設(shè)輸出電壓V。不翻轉(zhuǎn),電容充電的終了電壓”,所以電容上的電壓為v(t)€V+(—FV—V)e-rcC z z z其中,R=RP+R4。當(dāng)電容上的電壓到達(dá)FVz時(shí),電路翻轉(zhuǎn),記電容充電的時(shí)間為T,則FV€V+(-FV-V)e-RCz z z z1+FT=RCln——1—F輸出方波的周期為2t。所以,輸出方波
的周期為2R
T=2(R€R)Cln(l€ 1) ⑶p4 R2所以,在實(shí)驗(yàn)中通過改變RP就可以該變電路輸出方波的周期。通常,由于運(yùn)放最大輸出電流小于穩(wěn)壓二極管的最大穩(wěn)壓電流I,為使運(yùn)放能正常工zmax作,必須有限流電阻R3。假設(shè)電路不起振,可適當(dāng)減小R3的阻值。觀察Vc、Vo的波形,并與理論分析的結(jié)果相比較。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分別測(cè)量R4+Rp=20kQ、40kQ、60kQ、80kQ、100k時(shí)電路輸出波形的幅值和周期,并與理論分析的結(jié)果相比較。2〕占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器電路如圖7.3。與方波發(fā)生器相比,給C正向充電和反向充電使用了不同的路徑,從而使得高電平持續(xù)時(shí)間和低電平持續(xù)時(shí)間不同。TOC\o"1-5"\h\z當(dāng)輸出為高電平V時(shí),運(yùn)放輸出的電流經(jīng)RPP、DqR4向電容充電,類同于對(duì)方波z PP1 4發(fā)生器的分析,忽略二極管的開啟電壓,容易得到輸出高電平持續(xù)的時(shí)間2R,=(R€R)Cln(1+ 1) 〔4〕PP 4 R2類似地可以求得輸出低電平持續(xù)的時(shí)間2R,=(R€R)Cln(1+ 1) 〔5〕PN4 R2輸出的周期為2RT=,+,=(R€2R)Cln(1€ 1) ⑹12 P 4 R2占空比R+R—BP 4R+RPN 4
實(shí)驗(yàn)內(nèi)容調(diào)整Rp,別測(cè)量R4+Rpp=20kQ、40kQ、60kQ、80kQ、100k時(shí)電路輸出波形的幅值、周期和占空比,并與理論分析的結(jié)果相比較。測(cè)量二極管導(dǎo)通時(shí)的電壓降,計(jì)及二極管導(dǎo)通時(shí)的電壓降,推導(dǎo)圖7.3所示電路周期和占空比,并與測(cè)量結(jié)果相比較。三角波發(fā)生器cr22uFVoVoAAA<iukOhmiukOhm電路如圖7.4。它由一個(gè)過零比較器和一個(gè)積分器組成。其工作原理可試述如下。TOC\o"1-5"\h\z設(shè)電路通電瞬時(shí),t=0,電容上的電壓為零,積分器輸出v°=o,過零比較器輸出為vo1=vz,這時(shí)運(yùn)放A1正向輸入端電壓為 ° °ZR R RV,P(V-V)+V,PV+ 1V€0piR+Rz° °R+RzR+Ro\o"CurrentDocument"ip ip ip運(yùn)放A1輸出保持為高電平。積分器輸出線性地下降。轉(zhuǎn),vo1=-vz,記此時(shí)刻的積分器輸出電壓值為v°N,^運(yùn)放A1輸出保持為高電平。積分器輸出線性地下降。轉(zhuǎn),vo1=-vz,記此時(shí)刻的積分器輸出電壓值為v°N,^PV,-R+Rz1當(dāng)Vp1等于零時(shí)刻J過零比較器翻由上式可解得V°NBpVRzi里VR+Ronip(9)如圖7.5,不難得到三角波的周期4t。V,-^—J?Vdt,°N RC0z3〔10〕將〔9〕式代入〔10〕式可得到三角波的周期TT4RRCT, 3—p—R1〔11〕RV=—〔12〕omRz1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容取Rp=1OkQ,觀察電路輸出波形V0、Vo1,測(cè)量輸出波形的周期和幅值。要求改變?nèi)遣ǖ闹芷?,可調(diào)整哪個(gè)元件,實(shí)驗(yàn)并測(cè)量記錄之。鋸齒波發(fā)生器電路如圖7.6。與圖7.4三角波發(fā)生器相比,不同之處是:給C正向充電和反向充電使用了不同的路徑,從而使得輸出vo1上升持續(xù)時(shí)間和下降持續(xù)時(shí)間不同。電容反向充電電流經(jīng)過C、R4、RpN、D2,類似于對(duì)三角波周期的推導(dǎo),忽略二極管的開啟電壓,容易得到鋸齒波的下降時(shí)間為2(R +R)RC,€PN4 1 仃3)2 R2電容正向充電電流經(jīng)過C、R4、Rpp、D],忽略二極管的開啟電壓,容易得到鋸齒波的上升時(shí)間為(14)2(R +R)RC(14)= PP 4 1-1鋸齒波的周期為2(R+2R)RC= 2(R+2R)RC= P 4 1—類似于對(duì)三角波幅值的推導(dǎo),R2容易得到鋸齒波的幅值為(15)(16)V=EvomRz(16)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容⑴觀察電路的輸出波形,測(cè)量輸出波形的上升時(shí)間S和下降時(shí)間J(2)取Rpp分別為10kQ、3OkQ、50kQ、70kQ、90kQ,測(cè)量輸出波形V。的j、t?的變化,并與理論估算值比較.(3) 假設(shè)將D]、D2反接輸出波形V。將發(fā)生什么變化?(4) 假設(shè)要求改變輸出波形的周期,宜改變哪一個(gè)元件的元件值?測(cè)量記錄之。5)正弦波發(fā)生器電路如圖7.7。該電路有一條正反饋支路,R4、C]、R3、C2。反饋系數(shù)為TOC\o"1-5"\h\z「V RCsF=—F= 3_1 〔17〕VRRCCs2€(RC€RC€RC)s€1o 3 4 1 1 3 2 4 1 3 1假設(shè)取R3=R4=R,C1=C2=C,則對(duì)于?o=1/RC,有F=1/3。還有一條負(fù)反饋支路,D]、D2、R2、Rp、比。該支路與運(yùn)放組成了同相輸入放大器,放大倍數(shù)為R€RA二1€—p eq 〔⑻VF R1其中,Req為D2、R2的等效電阻。振蕩器起振的條件是:幅值條件:AF>1;相位條件:Sp=2kn,k=0,±1,±2…。VF對(duì)于?正反饋支路的相移為0,所以只要Avf>3,電路就能起振。O VF對(duì)于正弦波振蕩器,起振后的平衡條件是:幅值條件:AF二1;相位條件:Sp=2kn,VFk=0,±1,±2…。因此,電路一定要有自動(dòng)調(diào)節(jié)的能力。在本電路中,在起振的瞬間,輸出正弦波的幅值較小,其在電阻r2上的分壓vR2小于二極管的開啟電壓vDth,二極管不起作用,Req=R2,假設(shè)Rp=15kQ,由〔18〕式可知,這時(shí)同相放大器的放大倍數(shù)為3.5倍,大于3倍,輸出電壓波形的幅值不斷增大。隨著輸出電壓波形的幅值不斷增大,當(dāng)VR2=VDth時(shí),二極管導(dǎo)通,Req減小,最終平衡于Avf=3,電路輸出穩(wěn)定的正弦波。正弦波的幅值的估算。在穩(wěn)態(tài),負(fù)反饋支路的電流在R1上的壓降為輸出電壓的三分之
€3voV—€3vo—o Dt^RR+RiP1從中可解出輸出正弦波的幅值VDth3RVDth 1 2R—R1p由于二極管在一個(gè)周期內(nèi),在導(dǎo)通、截止之間不斷變化,所以輸出的“正弦波”的質(zhì)量并不好,電路非線性造成的諧波失真較大。有多種實(shí)現(xiàn)從|A并不好,電路非線性造成的諧波失真較大。有多種實(shí)現(xiàn)從|AvfF>1到AF€1的電路,VF有的電路可使輸出正弦波的諧波失真較小。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1) 調(diào)整Rp,使電路起振,且使輸出波形的幅值為5V,這時(shí)的Rp的阻值為多少?(2) 測(cè)量輸出波形的頻率,以及二次諧波失真和三次諧波失真。(3) 試分析Rp與輸出波形的幅值和諧波失
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