- 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
- 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：
- 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：
- 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 |
- 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：
- 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：
- 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：
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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