集成运放构成三角波方波发生器

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1、集成运放构成的三角波方波发生器一、实验目的　　1．理解三角波方波发生器的设计思路，搭接出最简单的电路，获得固定频率、幅度的三角波、方波输出。　　2．理解独立可调的设计思路，搭接出频率、占空比、三角波幅度、三角波直流偏移、方波幅度、方波直流偏移均独立可调的电路，调整范围不限。　　3．理解分块调试的方法，进一步增强故障排查能力。二、实验思路　　利用集成运放构成的比较器和电容的充放电，可以实现集成运放的周期性翻转，进而在输出端产生一个方波。这个电路如图2.3.1所示，它的工作原理请参阅相关教科书。注意在这个电路中，给电容的充电是恒压充电，随着

2、电容电压的升高，其充电电流越来越小，电容电压上升也越来越缓慢。理论分析可知，电容上电压的变化，是一个负指数曲线。因此，这个电路只能实现方波发生。但是，我们注意到，这个负指数曲线在工作过程中是不停地正向充电、反向放电，已经和三角波有些类似。如果能够使得电容上充电电流固定，则其电压的上升或者下降将是线性的，就可以在电容端获得一个三角波。　　我们可以立即联想到这样一个事实：当积分器的输入是固定电压，则其输出是线性上升或者下降的。因此，将图2.3.1中的RC充电电路去掉，用一个积分器替代，并考虑到极性，再增加一级反相电路，就可以实现三角波的产生

3、，如图2.3.2所示。　　图2.3.2电路使用了3个集成运放。电路设计者认为，A3并不是必须的，因为它仅仅完成了1倍的反相放大，这个功能完全可以利用A1的输入端极性进行巧妙设计来实现。为了节省1个运放，设计者给出了新的电路，如图2.3.3所示，它仅使用2个运放。　　图2.3.3所示电路的工作原理，请参阅相关教科书。图中稳压管DZ和电阻R3组成稳压电路，目的是克服运放输出的不对称。　　本实验在实现上述基本电路的基础上，还提出了新的要求。有下列6个量：三角波和方波共有的频率、共有的占空比、三角波的幅度、方波的幅度、三角波的直流偏移、方波的直

4、流偏移，其中每个量都由一个独立的电位器控制，当调节某个量时，其它5个量不能发生变化。这就是独立可调的要求。　　本实验将给出一个独立可调的三角波方波发生器电路，要求学生在认真分析的基础上，用运放、电阻、电容、稳压管等元器件，自己实现搭接。然后在搭接好的电路上，观察、调节、记录，体会其中的设计思想。三、实验原理　　图2.3.4是可以满足设计要求的最终电路。其中A1、A2、A3及其附属电路，完成三角波、方波的发生，并且实现频率和占空比的可调。A4、A5及其附属电路，实现三角波和方波的幅度、直流偏移可调。　　图2.3.4电路与图2.3.3电路有

5、3点主要的区别。第一、用R13、RW2、DZ1、DZ2组成一个双向电阻值不同的电路，取代图2.3.3中的积分器电阻R，使得积分器工作过程中，正向充电和反向放电的时间常数不一致，三角波上升斜率和下降斜率大小不同，造成方波的占空比不同。需要注意的是，由于用一个电位器调节，无论在什么位置，积分器的正向时间常数和反向时间常数的和，是一个常数，就造成单纯调节RW2，只改变占空比而不会改变频率。第二、在稳压管输出和积分器之间，加入A3构成的反相放大器，可以通过RW1调节积分器输入电压大小，进而改变积分器输出电压变化斜率，造成波形发生的频率变化。这样

6、，uo1产生方波，uo2产生三角波。这两个波形的频率相同，占空比相同。第三、由于中间引入反向放大，在A1的输入端接法上，又回归到图2.3.2所示的结构。图中，R3是限流电阻，主要作用是防止运放A1的输出电流过大。当电源电压为±15V，运放输出电压最大值一般为＋14V，此时，运放的输出电流为(14-6.2)/1.3k=6mA，小于其最大输出电流。　　图2.3.4下方有两套相同的电路A4、A5，分别完成对两种波形的幅度和直流偏移的调整。以A4电路为例，其输入信号是方波（其频率和占空比已经由上部分电路中的RW1、RW2调整），通过调节RW3，

7、可以改变输出三角波uO4的直流偏移，通过调节RW4，可以改变输出方波uO4的幅度。　　请读者可以根据图2.3.4电路参数，结合教科书内容，对其输出频率、占空比、幅度、直流偏移量的变化范围进行分析，并在实验中加以验证。 四、实验步骤1．方波发生器　　按照图2.3.1电路，自行设计电路参数，估算振荡频率和负指数曲线的幅值，并在面包板上完成搭接。用双踪示波器观察电容器电压和运放输出电压的波形，并记录，分析估算值和实测值的一致性，认真体会这个电路为什么能够振荡。　　实验中的难点和经常出现的问题、故障　　1）胡同学用示波器观察电容器上电压波形，发

8、现是三角波，而不是负指数曲线，这是为什么？　　在图2.3.1中，如果R1和R2形成的分压电路，分压比很小，将使得给电容充电时间很短，就达到了比较点，造成负指数曲线还没有显示出其“弯曲”的特点，就开始反向充电