实验七：波形发生电路

实验七：波形发生电路东南大学电工电子实验中心实验报告课程名称：电子线路实践第七次实验实验名称：波形发生电路院（系）：信息科学与工程学院专业：信息工程姓名：学号：实验室:实验组别：同组人员：实验时间：2021/5/17评定成绩：审阅教师：实验七波形发生电路一、实验目的1、掌握正弦信号和非正弦信号产生的基本原理和基本分析方法，电路参数的计算方法，各参数对电路性能的影响。2、了解各种波形之间变换方法，重点是正弦波、方波、三角波之间的变换。3、掌握多级电路的安装调试技巧，掌握常用的频率测量方法。二、设计原理1、正弦波信号发生电路分析计算（图8-1）：(I)放大器为同相放大器，其增益为1FfRR+(II)对于RC串并联电路1//1111()(//)3()oRVjCVRRjRCjCjCRCωωωωω+==+++-(III)为了保证正反馈，该RC串并联网络在振荡频率f0时的相移必须为0，即上式中分母的虚部系数在f0时为0，即RCfRCf00212ππ=，由此推出RCfπ210=(IV)由于振荡频率f0时31=+VVO，所以为了保证满足环路增益大于1的起振条件，放大器的增益必须略大于3，即FfRR略大于2，当振荡器稳定是环路增益为1，放大器的增益为3，2FfRR=2、矩形波信号发生电路分析计算（图8-4，RD1、RD2是二极管D1、D2的导通电阻）：(I)当U0为正值的时候，二极管D1导通，D2截止，电容C充电的时间常数为：1111()WDRRRCτ=++(II)当U0为负值的时候，二极管D2导通，D1截止，电容C放电的时间常数为：1221()WDRRRCτ=++，(III)RC电路总的充放电时间常数12121(2)wDDRRRRCτττ=+=+++，2113ln(12)RTRτ=+2223ln(12)RTRτ=+周期22121212133()()ln(12)(2)ln(12)wDDRRTTTRRRRCRRττ=+=++=++++占空比22121111wDwDRRRTTRRR++=++对于图8-2的方波信号发生器2123()2ln(12)FRTTTRCR=+=+3、三角波信号发生电路分析计算(图8-5)(I)幅度：同相端电位由U01和U02共同决定即：011022211()WWVURURRR+=++当V+0，U01=UZ;当V+012021211()0mwWURURRR+=+其中负向峰值122WOmZRUUR=-同理可求得输出电压得正向峰值为12WZRUR(II)周期由于积分电路输出电压从负向峰值上升到正向峰值所需的时间是振荡周期的一半，即U02在T/2时间内的变化量是2U02m，由积分电路的输入输出关系得：2022012TZmWUdtUCR=?―——02122244m==三、预习思考1、正弦波发生电路(I)简述正弦波发生电路的振荡条件和主要组成部分并在图8-1的电路上标出主要组成部分名称。答：正弦波发生电路振荡必须要同时满足起振条件||1AF；幅度平衡条件||1AF=和相位平衡条件2(0,1,2...)AFnn??π+=±=。电路组成：基本放大电路、选频网络、反馈网络、稳幅环节。(II)电路中的两个二极管是如何起到稳幅作用的，为什么要在二极管两端并联一个电阻。答：利用二极管导通电阻的非线性可控制负反馈的强弱，从而控制放大器的电压放大倍数以达到稳幅的目的。振荡刚建立时，振幅较小，流过二极管的电流也小，其正向电阻大，负反馈减弱，保证起振时振幅增大；但当振幅过大时，其正向电阻变小，负反馈加深，保证了振幅的稳定。二极管两端并联电阻用于适当减小二极管的非线性影响，从而改善波形的失真。(III)根据图8-1中各元件的参数，计算输出正弦波的频率。是否R1、R2、C1、C2调到无穷小，输出信号频率就能无穷大，为什么。（提示：从运放的转换速率和增益带宽积来考虑）答：输出正弦波的频率：111.5922100.01fKRCKuππ===??R1、R2、C1、C2调到无穷小，输出信号频率也不能无穷大。因为运放的增益带宽积近似为一常数，频率增大增益将减小，将会不再满足电路的起振条件。且因受运放的转换速率限制，当输出信号的频率过高时，运放来不及反应，输出波形会失真。(IV)如果RW=18k，二极管的正向导通压降为0.6V，试估算输出正弦波的幅度和电路的最大可能输出频率，影响输出信号频率精度的主要因素有哪些。答：已知，Rf=10K,Rw=18K,Vd=0.6V,根据0.61,3offwOVVVRRRV---==+,可得输出正弦波的峰值9OVV=.该电路的最大输出频率主要受运放转换速率的影响，计算可得00.58.84229RMAXSfKVππ≤==?影响输出信号频率精度的主要因素有:RC器件本身的精度，运放输入失调电压，失调电流和噪声的影响(V)如果图8-1中RW调到最小值时输出波形是什么，如果调到最大值时输出波形又是什么（定性说明即可）。答：RW调到最小值时：输出波形将变为一条水平线，这是由于2FfRRRW调到最大值时：放大器的增益过大，此时输出波形的幅值将会非常大，使二极管无法实现稳幅的作用，使放大电路进入非线性工作区。输出波形的顶部和底部被削平了，波形将近似是一个方波。(VI)简单总结一下在设计该振荡器时必须要考虑运算放大器的哪些参数。答：在设计振荡器时必须要考虑运算放大器的转换速率和增益带宽积,电路的频率是由RC决定的，元件R的阻值与运放的输入，输出电阻应满足.为减小运放输入偏置电流的影响，应尽量满足R=RF//Rf。(VII)阅读课程网站上介绍频率计测量原理的相关资料。2、方波和矩形波发生电路(I)简述矩形波发生电路的主要组成部分，并在图8-4中标出主要部分名称。答：矩形波发生电路是在迟滞比较器的基础上加上一条由RC充放电负反馈支路构成的，通过电位器Rw来调节波形的占空比，输出幅度由双向稳压管来限幅。(II)图8-2中RW调到最小值时输出信号频率是多少，调到最大值时输出信号频率又是多少。答：1222ln(1)FRTRCR=+，R1=10kΩ，R2=10kΩ，C=0.1uF当Rw调到最大值时，110FRk=Ω输出信号频率最小，即min41.37fHz=；当Rw调到最小值时，10FRk=Ω输出信号频率最大，即max455.12fHz=。(III)稳压管为6V，要求输出方波的前后沿的上升、下降时间不大于半个周期的10％，试估算图8-2电路的最大输出频率。答：由6OZVVV±=±=±，要求上升时间10%2rTt=?由上升沿时间的定义可得：80%rtt=V由运放转换速率的定义得：0.5/ORVSVust?==?所以，电路的最大输出频率max2.6fkHz=(IV)如果两个稳压管中间有一个开路，定量画出输出波形图，如果两个稳压管中间有一个短路呢？答：如果稳压管中间有一个开路，输出波形仍是方波，只是幅度变了，此时输出的是运放的输出电压值，而非稳压管的电压了。而且波形也没有加稳压管时好了，输出电压值不稳定。输出信号受运放最大输出摆幅限制。如果有一稳压管短路则输出波形将只有上面的或下面的一半。(V)简单总结一下，在设计该振荡器时必须要考虑运算放大器的哪些参数。答：转移速率、偏置电流和噪声等。3、三角波发生电路(I)根据图8-5中的电路参数，计算该电路最大可能输出频率是多少，最大可能输出幅度为多少？答：根据参数，21220,20,10,22,6wwZRKRKRKCnFVV=====由公式知该电路的最小可能输出频率为2min121201.136********WWRKfKHZTRRCKKnF===≈?????三角波的最大可能输出峰值为122206620WomZRKVVVVRK?=?==四、实验内容1、正弦信号发生器（1）按图8—1所示电路装接电路，检查无误后接通电源，取±Vcc=±10V（2）测量（2）用示波器观察输出电压ov，适当调整电位器Rw使电路产生振荡，输出为稳定的最大不失真的正弦波幅度OMAXV。正弦波信号发生器的最大输出波形图最大不失真输出为15.8V。（3）验证平衡条件。在输出波形最大、稳定且不失真的正弦波情况下，用交流电压表测量ov和v+的值，计算反馈系数vf。()OMAXVv15.8V()Vv+1.8V()oVv5.9Vvovfv+=0.305（4）正弦波信号发生器的振荡频率测量测量方法振荡频率()ofKHz数字示波器1.54李沙育图形法1.50信号源外测F05数字1.536EE1642模拟实验数据分析：李萨茹图形：信号源外测：F05数字示波器理论值f0=1.59kHz，实测结果与理论值误差为3.35%。2、方波信号发生器（1）用示波器观察ov、v的波形，并测量其电压峰-峰值，画出波形。（1）调节Rw（FR），观察波形频率变化规律，分别测量Rw调至最大和最小时的方波频率minf和maxf，并与理论值比较。见下图分别为最小频率和最大频率时的波形图：电压()v频率()HzOPPV16.2VWR→最大，minf42.8HzPPV-16.0VWR→最小，maxf439.4Hz实验数据分析：理论值：min41.37fHz=；max455.12fHz=与测量值相差不大。但如图，可见此方波非常难看，原因是因为电位器的接触不良，其中含电容，则会有充放电的过程，导致其上升沿、高低电平、下降沿都非常难看。3、三角波信号发生器全部内容。（1）设计①设计原理图见书上图8-5②设计步骤其它参数不变。Rw1可取47kΩ的滑动变阻器，Rw2可取100kΩ的滑动变阻器（2）测量①Vo1、Vo2波形图Vo1：方波Vo2：三角波②调整Rw1观察幅值变化：③调整Rw2观察频率变化：实验结果分析：取47kΩ，Rw2取100kΩ的滑动变阻器时，即能满足设计的指标要求。当Rw1五、思考题1、在波形产生各电路中，相位补偿和失调量调零是否要考虑？答：不需要考虑。由于波形产生电路是不需要外加输入信号而自行产生信号输出电路。采用正、负反馈结合的方法，依照自激振荡原理产生输出波形，此时运放工作在非线性区。相位补偿和失调调零则是在线性放大中要考虑的。2、试推导方波发生器振荡频率公式。答：见实验原理2除以上实验，我还多做了占空比可变的矩形波信号发生器。实验内容：（1）同方波发生器的（1）（2）调节Rw，观察波形宽度变化，分别测量Rw最大和最小时矩形波的占空比。答：如图，随着Rw的增加，频率减小。由于Rw的接法，无法确定合时Rw最大或最小，所以我测了两个极值的极端情况：此时，占空比为27%。此时，占空比为55%。