實驗7-RC波形發(fā)生電路

實驗7RC波形發(fā)生電路實驗目的學習使用運放組成方波發(fā)生器、三角波發(fā)生器和鋸齒波發(fā)生器。實驗儀器示波器、信號發(fā)生器、交流毫伏表、數(shù)字萬用表。預習內(nèi)容復習關(guān)于用運放組成的方波發(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。定性繪制本實驗所用電路的輸出波形，估算輸出波形的周期。4.實驗內(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。設電路通電瞬時，電容上的電壓為零，電路輸出為vz,這時運放正向輸入端電壓為RV€ 1v€FV(I)piR+Rzz12運放輸出電流經(jīng)R3、Rp、R4向電容C充電。運放反向輸入端VN隨時間延續(xù)電壓升高，當vN=vP1時，電路輸出翻轉(zhuǎn)，V。由Vz變?yōu)?vz，Vp由Vp1=FVz變?yōu)閂p2=-FVz。這時由“地”向電容反向充電，VN隨時間延續(xù)電壓下降，當VN=Vp2時，電路輸出翻轉(zhuǎn)，V。由-vz變?yōu)関z，Vp由Vp2=-FVz變?yōu)閂p1=FVz。周而復始，電路輸出方波。在穩(wěn)態(tài)，輸出為V的時間可用以下方法推導。在起始時刻，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。當電容上的電壓到達FVz時，電路翻轉(zhuǎn)，記電容充電的時間為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，在實驗中通過改變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,為使運放能正常工zmax作，必須有限流電阻R3。假設電路不起振，可適當減小R3的阻值。觀察Vc、Vo的波形，并與理論分析的結(jié)果相比較。實驗內(nèi)容分別測量R4+Rp=20kQ、40kQ、60kQ、80kQ、100k時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)時間和低電平持續(xù)時間不同。TOC\o"1-5"\h\z當輸出為高電平V時，運放輸出的電流經(jīng)RPP、DqR4向電容充電，類同于對方波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

實驗內(nèi)容調(diào)整Rp,別測量R4+Rpp=20kQ、40kQ、60kQ、80kQ、100k時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。測量二極管導通時的電壓降，計及二極管導通時的電壓降，推導圖7.3所示電路周期和占空比，并與測量結(jié)果相比較。三角波發(fā)生器cr22uFVoVoAAA<iukOhmiukOhm電路如圖7.4。它由一個過零比較器和一個積分器組成。其工作原理可試述如下。TOC\o"1-5"\h\z設電路通電瞬時，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,這時運放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，記此時刻的積分器輸出電壓值為v°N,^運放A1輸出保持為高電平。積分器輸出線性地下降。轉(zhuǎn)，vo1=-vz，記此時刻的積分器輸出電壓值為v°N,^PV，-R+Rz1當Vp1等于零時刻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實驗內(nèi)容取Rp=1OkQ，觀察電路輸出波形V0、Vo1，測量輸出波形的周期和幅值。要求改變?nèi)遣ǖ闹芷?，可調(diào)整哪個元件，實驗并測量記錄之。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)時間和下降持續(xù)時間不同。電容反向充電電流經(jīng)過C、R4、RpN、D2，類似于對三角波周期的推導，忽略二極管的開啟電壓，容易得到鋸齒波的下降時間為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—類似于對三角波幅值的推導,R2容易得到鋸齒波的幅值為(15)(16)V=EvomRz(16)實驗內(nèi)容⑴觀察電路的輸出波形，測量輸出波形的上升時間S和下降時間J（2）取Rpp分別為10kQ、3OkQ、50kQ、70kQ、90kQ，測量輸出波形V。的j、t?的變化，并與理論估算值比較.（3） 假設將D］、D2反接輸出波形V。將發(fā)生什么變化？（4） 假設要求改變輸出波形的周期，宜改變哪一個元件的元件值？測量記錄之。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假設取R3=R4=R，C1=C2=C，則對于?o=1/RC，有F=1/3。還有一條負反饋支路，D］、D2、R2、Rp、比。該支路與運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Rp=15kQ,由〔18〕式可知，這時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VR2=VDth時，二極管導通，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由于二極管在一個周期內(nèi)，在導通、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。實驗內(nèi)容（1） 調(diào)整Rp,使電路起振，且使輸出波形的幅值為5V,這時的Rp的阻值為多少?（2） 測量輸出波形的頻率，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