一、实 验 目 的一、实 验 目 的

二、实验原理二、实验原理

三、实验设备和器件三、实验设备和器件

五、实验内容与要求五、实验内容与要求

四、实 验 题目四、实 验 题目

六、预习要求及思考题六、预习要求及思考题

波形产生电路的设计实验

一 实验目的

1 ．通过实验掌握由运算放大器构成正弦波振荡电路的原理与设计方法。

2 ．通过实验掌握由运算放大器构成方波和三角波振荡电路的原理与设计方法。

3 ．通过实验了解函数信号发生器的调整和主要性能指标的测试方法。

二 实验原理1 ．函数信号产生方案

对于函数信号产生电路，有多种实现方案，如模拟电路实现方案、数字电路实现方案 (如 DDS 方式 ) 、模数结合的实现方案等。 模拟电路的实现方案： 是指全部采用模拟电路的方式，以实现信号产生电路的所有功能，本实验的函数信号产生电路采用全模拟电路的实现方案。对于波形产生电路的模拟电路的实现方案，也有几种电路方式可供选择。本实验选用最常用的，线路比较简单的电路加以分析。如用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波，其电路框图如图 1 所示。

正弦波发生器

方波 三角波正弦波

过零比较器 积分器

图 1 模拟电路实现方案框图

2． R C 桥式正弦振荡电路 RC 桥式正弦振荡电路如图 2 所示。其中 R1、 C1和 R2、 C2 为串、并联选频网络，接于运算放大器的输出与同相输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。

R3、 RW及 R4 组成负反馈网络，调节 RW 可改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路的电压增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。

＋

－

C1

C2

R4

R1

R2

R3

10K

0.01 F

0.01 F

2.2K50KWR

1D2D

A0V

15K

15K

图 2 R C 桥式正弦振荡电路

＋

－

C1

C2

R4

R1

R2

R3

10K

0.01 F

0.01 F

2.2K50KWR

1D2D

A0V

15K

15K

为了使振荡幅度稳定，通常在放大电路的负反馈回路里加入非线性元件来自动调整负反馈放大电路的增益，从而维持输出电压幅度的稳定。图中的两个二极管 D1， D2 便是稳幅元件。当输出电压的幅度较小时，电阻 R4 两端的电压低，二极管 D1、 D2 截止，负反馈系数由R3、 RW及 R4 决定；当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管D1、 D2 在正负半周轮流工作，其动态电阻与 R4 并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。输出电压的幅度越大，二极管的动态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。

图 2 R C 桥式正弦振荡电路

313

R

R f

313

R

R f

)//( 4 DWf rRRR

RCf

2

1

23

R

R f

＋

－

C1

C2

R4

R1

R2

R3

10K

0.01 F

0.01 F

2.2K50KWR

1D2D

A0V

15K

15K

图 2 R C 桥式正弦振荡电路

当： R1=R2=R， C1=C2=C时

电路的振荡频率 ：

起振的幅值条件 ：

为了维持振荡输出，必须让

为了保证电路起振，

调整电阻 RW （即改变了反馈 R f ），使电路起振，且波形失真最小。如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大 R f ，如波形失真严重，则应适当减少 R f 。

改变选频网络的参数 C 或 R ，即可调节振荡频率。一般采用改变电容 C 作频率量程切换（粗调），而调节 R 作量程内的频率细调。

＋

－

C1

C2

R4

R1

R2

R3

10K

0.01 F

0.01 F

2.2K50KWR

1D2D

A0V

15K

15K

图 2 R C 桥式正弦振荡电路

由图 3 可知 ： 电路翻转时： 即得：

＋

－ A

NV

PV

R1 R2

R3

ZV

0V

iV

ZD

图 3 迟滞比较器1 2

02 1 2 1

P i

R RV V V

R R R R

0 PN VV 02

1V

R

RVV thi

TV TV

0V

iV

0HV

0LV

图 4 迟滞比较器电压传输特性

3 ．比较器 迟滞比较器的电路图如图 3 所示。该比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。由于正反馈作用，这种比较器的门限电压是随输出电压 V0 的变化而变化。在实际电路中为了满足负载的需要，通常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的 和 。OHV OLV

4 ．方波和三角波发生器 由集成运算放大器构成的方波和三角波发生器，一

般均包括比较器和 RC 积分器两大部分。如图 5 所示为由迟滞比较器和集成运放组成的积分电路所构成的方波和三角波发生器。

＋

－

＋

－

R1

R2

R3

WR

10K

20K

1K

0.022 FC

PV

01V

02V

ZD ZV

50K

A1A2

NV

图 5 方波和三角波发生器电路

4.1 方波和三角波发生器的工作原理 A1 构成迟滞比较器，同相端电位 Vp由 VO1和 VO2 决

定。利用叠加定理可得：

当 Vp＞ 0 时 A1 输出为正，即 VO1 = +Vz ；当 Vp＜ 0 时， A1 输出为负 即 VO1 = -Vz

0212

201

12

1 VRR

RV

RR

RVP

＋

－

＋

－

R1

R2

R3

WR

10K

20K

1K

0.022 FC

PV

01V

02V

ZD ZV

50K

A1A2

NV

A2 构成反相积分器 VO1 为负时， VO2 向正向变化， VO1 为正时， VO2 向

负向变化。假设电源接通时 VO1 = -Vz ，线性增加。当： 时，可得：

当 VO2上升到使 Vp略高于 0v 时， A1 的输出翻转到 VO1 = +Vz 。

ZVR

RV

2

102 0)()(

2

1

12

2

12

1

ZZP VR

R

RR

RV

RR

RV

＋

－

＋

－

R1

R2

R3

WR

10K

20K

1K

0.022 FC

PV

01V

02V

ZD ZV

50K

A1A2

NV

同样 时

当 VO2 下降到使 Vp略低于 0 时， VO1 = - Vz 。这样不断的重复，就可以得到方波 VO1 和三角波 VO2 。其输出波形如图

6.6所示。输出方波的幅值由稳压管 DZ 决定 ，被限制在稳压值±Vz 之间。电路的振荡频率： 方波幅值 ： =±三角波幅值： = 调节 可改变振荡频率，但三角波的幅值也随之而变化。

ZVR

RV

2

102

02V01V

ZV

ZV

1

2Z

RV

R

1

2Z

RV

R

t

0V

20

14 W

Rf

R R C

ZV

2

1

R

RZV

WR

三 实验设备与器件

1.直流电源： ±12V ； 2.双踪示波器； 3.交流毫伏表； 4. 频率计； 5. 集成运算放大器： LM324或自选 ； 6. ； 7. 电阻器、电容器若干只。

1 2,D D 4148 2IN

四 . 实验题目

（ 1 ）设计一个振荡频率为 500Hz 的RC 正弦波振荡电路，自选集成运算放大器。

（ 2 ）设计一个用集成运算放大器构成的方波——三角波发生器，已知条件和设计要求如下：

振荡频率范围 500Hz~1 kHz 三角波幅值调节范围 2~4V

五 . 实验内容和要求

① 写出设计报告，提出元器件清单。 ② 组装、调整 RC 正弦波振荡电路，

使电路产生振荡输出。 ③ 当输出波形稳定且不失真时，测量

输出电压的频率和幅值。检验电路是否满足设计指标，若不满足，需调整设计参数，直至达到设计要求为止。

④ 改变有关元件，使振荡频率发生变化。记录改变后的元件值，测量输出电压的频率。

（ 1） RC 正弦波振荡电路

① 同（ 1 ）中①。 ② 组装调试所设计的电路，使其正常工作。 ③ 测量方波的幅值和频率，测量三角波的频率、

幅值及调节范围，检验电路是否满足设计指标。在调整三角波幅值时，注意波形有什么变化，并简单说明变化的原因。

④ 用双踪示波器观察并测绘方波和三角波形。

（ 2 ）方波——三角波发生器

六 预习要求及思考题

1 ．复习有关 RC 正弦波振荡器、三角波及方波发生器的工作原理。

2 ．设计实验表格

3 ．理解电路振荡的条件？

思考题 1. 振荡电路中还有哪些稳幅方法？

2. 如果要分别改变三角波的幅度和频率应怎样修改电路？

3. 分析负反馈强弱对起振条件及输出波形的影响。