高分模电实验7.1 7.2——非正弦波发生电路的验证与设计

  • 实验目的
  • 了解由集成运放组成的非正弦波发生器的电路结构;
  • 掌握非正弦波发生电路的基本设计、分析和调试方法;
  • 进一步理解非正弦发生器的基本性能及特点;
  • 全面掌握波形发生电路理论设计与实验调整相结合的设计方法。

 

  • 实验仪器

数字示波器;数字万用表;交流毫伏表。

 

  • 实验原理
  • 方波发生器:

矩形波只有高电平和低电平两种状态,所以电压比较器为他的核心器件。由于电路要求输出在高低电平之间不断转换,所以所以输出要以一定方式引回输入。

对于振荡周期的设定,要用到电容的延时作用,因此电路以电压比较器为基础,引入带有电容的负反馈回路。

 

  设在某一时刻输出电压为uo=+Uz,此时Up=+UT。因此Uo要对电容C进行正向充电,使得UN电压升高直到高于UT,再增大就大于正相输入电压,导致输出电压反相,对电容进行反向充电(电容放电),直到UN再次低于-UT,输出会回到+Uz,完成一次循环。

  由电容充放电的过程可以看出,方波的幅值取决于电压比较器的输出幅值,而震荡的周期取决于电容充放电的过程,可以用三要素法进行求解:

由于电容在充放电过程中时间常数相同,所以充放电时间一样,在充电阶段:

带入公式:

可以得到:

由此可见,电路的振荡频率与电阻阻值和电容大小有关。

 

  • 占空比可调方波

在方波发生器的基础上,对充放电电路用二极管进行分离,得到充放电时长不一样的占空比可调的矩形波发生器。

 

当电容进行充电时,D3导通,D4截至,此时:

可以得到充电时间即为高电平保持时间;

当电容进行放电时,D4导通,D3截至,此时:

可以得到放电时间即为低电平保持时间

所以,整个的周期

占空比

 

 

  • 方波、三角波发生器

三角波可以通过方波积分得到,所以三角波发生器是将方波发生器输出的方波进行积分运算得来。

下图为典型的三角波发生器:

 

由叠加定理可得:

输出电压Uo对电容C充电,使得输出电压下降直到U1+为0时,再下降会导致Uo1反相,电容被反相充电,如此循环往复。

当输出电压下降到U1+=0时,,为三角波的最大值;

当输出电压上升到U1+=0时,,为三角波的最小值;

通过改变R1、R2的大小可以调整输出电压的幅值。

                    

输出电压uo与uo1的关系为:

Uo(0)为t=0使的输出电压值,为,将其带入计算公式得

通过图像可以得到

一个完整的周期即为

 

  1. 锯齿波发生器

锯齿波得设置原理即为在三角波发生器中将充放电电路分离开,使其时间充电常数不同。通过二极管得单向导电性以及阻值不同的电阻可以实现。

 

当Uo1为高电平时,D4被导通,Uo从高电平下降,Rb控制电容的充电时间常数;

当Uo2为低电平时,D3被导通,Uo从低电平上升,Ra控制电容的放电时间常数;

 

周期T=T1+T2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

四.实验内容

  • 验证性实验:
  1. 方波发生器实验:

搭建如下电路图,测试输出波形,记录测试结果。

 

实验结果:

 

UOH/V

UOL/V

T/ms

计算

6

-6

2.19

仿真

5.06

-5.06

2.31

实验

6.02

-6.02

2.24

 

 

 

2.占空比可调的矩形波发生器:

搭建如下电路图,测试输出波形,记录变阻器在50%、25%、75%处的测试结果。

 

实验结果:

 

50%

UOH/V

UOL/V

T/ms

TH/ms

D

计算

6

-6

3.73

1.86

50%

仿真

5.06

-5.06

4.37

2.12

49%

实验

6.08

-6.08

4.21

2.06

49%

 

 

 

 

 

25%

UOH/V

UOL/V

T/ms

TH/ms

D

计算

6

-6

3.73

2.81

75%

仿真

5.06

-5.06

4.37

3.11

71%

实验

6.01

-6.01

4.21

3.05

72%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

75%

UOH/V

UOL/V

T/ms

TH/ms

D

计算

6

-6

3.73

0.93

25%

仿真

5.06

-5.06

4.37

1.21

27%

实验

6.02

-6.02

4.21

1.14

27%

 

 

 

 

 

 

3.三角波方波发生器:

搭建如下电路图,测试输出波形,记录测试结果。

 

 

实验结果:

 

 

UOH/V

UOL/V

T/ms

计算

6

-6

3.73

仿真

5.06

-5.06

4.37

实验

5.89

-5.89

4.25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.锯齿波发生器:

如图连接电路,调节滑动变阻器的阻值,观察输出波形。

实验结果:

 

 

 

 

 

 

 

 

(二)设计性实验:

  1. 设计方波发生器:

输出电压幅值为6V,频率在500H到1kHz可调。

  • 设计原理:

对于输出电压幅值的设定,可以用两个相同的击穿电压为6V的稳压管对接实现;

对于频率的调节,通过理论分析,可以得到频率与电阻和电容的大小有关,为了方便调节,设计成通过调节R1与R2的比例调节频率。

 

(2)电路图:

 

通过调节R1的大小即可调节方波的频率。

根据电路中的参数计算可得,要使得1ms<T<2ms,则0.32R2<R1<0.85R2.

设定R2=20KΩ,R1在6.5kΩ与17kΩ内调节即可。

 

(3)实验结果

 仿真结果:

                                       

实验结果:

 

 

R1=17kΩ

UoH/V

UOL/V

T/ms

估算

6.00

-6.00

2.00

仿真

5.02

-5.01

2.10

测量

6.08

-6.08

2.05

       

仿真结果:                          

 

 

实验结果:

 

 

R1=6.5kΩ

UoH/V

UOL/V

T/ms

估算

6.00

-6.00

1.00

仿真

5.05

-5.05

1.12

测量

6.02

-6.02

1.03

 

  1. 设计占空比可调的矩形波发生器

输出电压幅值为6V;振荡频率在500Hz到1kHz可调;占空比在40%到80%之间可调。

  • 设计原理:

此电路由两部分组成:一部分为周期控制电路,与上一个电路相同;还有一个为占空比控制电路,通过改变电容充放电时流经的指路组成。

对于频率控制电路,使2R+Rw与上一电路的R相同,其他元件保持不变;

对于占空比控制电路,经计算可知,调节3kΩ<Ra<7kΩ即可得到占空比为40%-80%。

(2)电路图:

 

(3)实验结果:

Ra=3kΩ

UoH/V

UOL/V

T/ms

TOH/ms

D

估算

6.00

-6.00

2.00

0.80

40%

仿真

5.05

-5.05

1.30

0.55

42%

测量

6.02

-6.02

1.98

0.75

37%

仿真波形:

 

 

实验波形:

 

 

Ra=7kΩ

UoH/V

UOL/V

T/ms

TOH/ms

D

估算

6.00

-6.00

2.00

1.6

80%

仿真

5.05

-5.05

1.32

0.98

75%

测量

6.02

-6.02

1.86

1.4

75%

 

仿真波形:

 

 

 

实验波形:

 

  1. 设计方波三角发生器

振荡频率范围从500Hz到1KHz可调,输出电压幅值为6V。

  • 设计原理:

根据公式,设定Uz=6V,R1=R2=10KΩ;

根据公式,根据要求1ms<T<2ms,根据试验箱的实际情况,设定C=1uF,调节电阻250Ω<R<500Ω。

  • 电路图:

 

  • 实验结果

 

R=500Ω

UoH/V

UOL/V

T/ms

估算

6.00

-6.00

2.00

仿真

5.08

-5.08

2.08

测量

6.01

-6.01

1.98

仿真波形:

 

实验波形:

 

 

 

R=250Ω

UoH/V

UOL/V

T/ms

估算

6.00

-6.00

1.00

仿真

6.08

-6.08

1.13

测量

 

 

 

仿真波形:

 

 

实验波形:

 

 

  1. 设计锯齿波发生器

振荡频率从500Hz到1KHz可调,占空比从40%到80%可调,输出锯齿波幅值调节为2-4V。

  • 设计原理:

振荡频率的设计与上一电路相同;

幅值大小通过R1与R2的比值调节,设定R2为3KΩ,1kΩ<R1<2kΩ,可以得到2-4V的输出电压;

上升时间与下降时间的调节通过调节Ra来实现,调节0Ω<Ra<200Ω,可以实现40%-80%的占空比。

  • 实验电路:

 

实验结果:

仿真波形:

 

 

 

 

 

 

 

 

实验波形:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

五.实验思考与总结:

 

实验总结:

对于振荡电路,要在开始时给一个初始信号使其发生振荡,否则就会稳定在一个状态保持不变;在实验室中,噪声是存在的,不需要可以加,但是在仿真过程中要加一个初始激励。

 

实验思考:

  1. 非正弦发生器由哪些部分组成?各部分的作用是什么?

非正弦发生器的基本电路是方波发生器:由集成运放,反馈电阻,电容构成。其中电容用来控制回路输出电平的时间,反馈电阻调节输出电平的大小。

三角波发生电路是在方波发生器的基础上加积分回路构成,将方波进行积分运算得到三角波。

在电容充电回路上用二极管将充放电回路分隔开,就可以调节高低电平的持续时间,改变占空比。

  1. 节点4的波形是不是三角波?

不是三角波,该节点电压为反相输入端电压,由电容充电决定。该点波形为电容充放电的电压时间关系。

  1. 为什么改变周期是通过调节R、C而不是调节R1、R2?

电阻R1、R2不仅控制周期,还控制输出电压的幅值,改变R1、R2会使多个输出量发生改变;而R、C只控制振荡周期,改变周期的同时不会改变其他输出量。

  1. 在占空比可调的矩形波发生器中,改变滑动变阻器会改变占空比和周期?

   调节滑动变阻器只能改变占空比而不能改变周期。由实验原理的推导可知:

周期与变阻器的总阻值有关,占空比与部分电阻有关。

  1. 在锯齿波发生器中,改变电位器触点位置能否改变锯齿波的周期和振幅值?

不能。与4类似,周期与电位器总阻值有关,振幅值与R1、R2的比值有关。

© 版权声明
THE END
喜欢就支持以下吧
点赞0 分享
评论 抢沙发

请登录后发表评论