运放组成的波形发生器电路设计

运放组成的波形发生器电路设计、装配与调试

1. 运放组成的波形发生器的单元电路

运放的二个应用:⑴ 线性应用-RC正弦波振荡器 ⑵ 非线性应用-滞回比较器

⑴ RC正弦波振荡器

RC桥式振荡电路如图3-9所示。

图3-9 RC桥式振荡电路

RC桥式振荡电路由二部分组成:

① 同相放大器,如图3-9(a)所示。

② RC串并联网络,如图3-9(b)所示。

或图3-9(c)所示,RC串并联网络与同相放大器反馈支路组成桥式电路。 同相放大器的输出电压uo作为RC串并联网络的输入电压,而将RC串并联网络的输出电压作为放大器的输入电压,当f=f0时, RC串并联网络的相位移为零,放大器是同相放大器,电路的总相位移是零,满足相位平衡条件,而对于其他频率的信号,RC串并联网络的相位移不为零,不满足相位平衡条件。由于RC

串并联网络在 f=f0 时的传输系数F=1/3,因此要求放大器的总电压增益Au应大于3,这对于集成运放组成的同相放大器来说是很容易满足的。由R1、Rf、V1、V2及R2构成负反馈支路,它与集成运放形成了同相输入比例运算放大器。

只要适当选择Rf与R1的比值, 就能实现Au>3的要求。其中,V1、V2和R2是实现自动稳幅的限幅电路。

① 振荡原理

RC桥式振荡电路如图3-9所示。根据自激振荡的条件,φ=φa+Φf=2πn,其中RC串并联网络作为反馈电路,当f=fo时,φf=0°,所以放大器的相移应为φa=0°,即可用一个同相输入的运算放大器组成。又因为当f=fo时,F=1/3,所以放大电路的放大倍数A≥3。起振时A>3,起振后若只依靠晶体管的非线性来稳幅,波形顶部容易失真。为了改善输出波形,通常引入负反馈电路。其振荡频率由RC串并联网络决定,图3-9(c)为RC桥式振荡电路的桥式画法。RC串并

'、R1正好构成电桥四臂,这就是桥式振荡器名联网络及负反馈电路中的Rf+R2Au1RfR1f012RC

称的由来。在RC串并联网络中,

Z1R1

Z2R2//

1jC11R2jC21jR2C2R2

UfZ21jRCFR2Z1Z2R1Uo1jC11jR2C2

(1121)j(R1C2)C1R2R1C2

取R1R2R,C1C2C

FUf

Uo113j(RC)RC

1/3 当虚部为零,即R1C21/(R2C1)时,F

o1 RCf01

2RC

② 稳幅原理

V1、V2和R2是实现自动稳幅的限幅电路。V1、V2仅一只导通,导通的二极

'。管和R2并联等效电阻为R2根据同相放大器的放大倍数计算公式:A1

'有关。 可知输出电压幅度与R2

'大,放大倍数大,补偿输出电压幅度。如图3-10所示A、Ⅰ. 振荡小时,R2'RfR2R1

B点。

'小,放大倍数大,补偿输出电压幅度。如图3-10所示C、Ⅱ. 振荡时大,R2

D点。

图3-10 自动稳幅原理

2.运放组成的波形发生器电路设计

⑴ 运放组成的波形发生器电路设计要求

使用集成运算放大器组成的RC正弦波振荡器和滞回比较器,连接成一个波形发生器,要求:能产生正弦波、方波两种波形。其信号频率为2KHz,正弦波的峰值Uom约为7V,方波幅值Uopp约为-6~6V。

参考电路如图3-11所示,电路由二部分组成:RC桥式正弦波振荡电路,滞回比较器。图中各元器件参数值应根据要求对有关参数作设计计算,进而正确选择元器件以达到设计要求。

图3-11 正弦波-方波发生器原理图

⑵ RC桥式正弦波振荡电路设计:

图3-11中A1是具有稳幅环节的RC桥式正弦波振荡器,电路要求信号频率为2KHz,可作设计计算以确定各元件的取值。电路的振荡频率公式为:

f12πRC

可先将RC串、并联选频网络中的电容C取值为0.01μF,再求得电阻R的值,此处可取8.2KΩ(标准值)。

正弦波的输出幅度Uom要求约为7V,根据电路幅值估算公式:

Uom'0.6(R1R2R3)

'R3

式中,R3′是指动态时R3(取3KΩ左右时)与两个二极管并联后的等效电阻,工程估算值约为1.1KΩ。当R1也取3KΩ时求得R2的值约为8.73KΩ,考虑设置一个调节范围,此处取10KΩ的电位器。当然更理想的是可用一个6.2KΩ的固定电阻和一个5KΩ的电位器串联来代替10KΩ的电位器。

⑶ 滞回比较器设计:

A2是根据电路要求(电路的抗干扰能力强)而选用的滞回电压比较器。用两个稳定电压为6V的稳压二极管作为电路输出的限幅电路。在保证该电路上、下限阈值电压在A1正弦波的输出幅值7V之内,确定R4、R5的大小。正弦波振荡变换为方波如图3-12所示。

根据A1正弦波的输出uo1=-7~7V和方波幅值Uopp约为-6~6V可知,Uom6V。上、下限阈值电压差:

UTH2UomR2u1<14R4R5

若R4=4.7K,u1=4V,则由

UTH264.72u184.7R5

得R5=9.4K,

3. 运放组成的波形发生器电路装配与调试

⑴ 组装与调试目的

① 学会使用单运放集成电路LM741; ② 学会用基本电路组成实用电路的方法; ③ 学会系统的测量与调试。

⑵ 组装与调试的设备与器材

通用印制板或通用实验板,LM741两片,稳压管20W7

一只,电阻、电容、电位器若干,±12V直流稳压电源1台,

万用表1块,双踪示波器1台及焊接或插接工具。

⑶ 组装与调试步骤

计算出电路设计值后,即可着手装接和调试。不论是插接还是焊接均应保证元器件排列合理、接线正确、接触可靠。检查电路连接无误后才能通电调试。本电路可先进行分级调,在二者均能正常工作后再联调。大致步骤如下:

① 调试正弦波振荡器电路,为满足起振条件,注意应使负反馈放大器的电压放大倍数大于3。用示波器检测该电路的输出波形,调节R2的值,直至示波器显示正常而稳定的正弦波。注意:R2太小电路无法起振,而太大则会失真。 Av1R2R3

R1

② 用示波器测量该电路的振荡频率与输出幅值的大小。适当修改R、C的数值,以满足频率为2KHz的要求。微调R2电位器的大小,在保证输出正常波形的

条件下获得所需的7V的输出幅值。

③ 调试滞回比较器电路。用信号发生器产生一个2KHz正弦波作为该电路的

输入信号,用示波器测量输出波形。适当调节R4、R5的比例直到输出一个方波为止。需注意的是正弦波的幅值应在7V左右,由R4、R5分压获得的上、下限阈值电压一定要小于该幅值。

④ 联调。在各级单元电路调试完毕后,则可将两者相连,做总调直到工作正常为止,进而测量各有关参数。

运放组成的波形发生器电路设计、装配与调试

1. 运放组成的波形发生器的单元电路

运放的二个应用:⑴ 线性应用-RC正弦波振荡器 ⑵ 非线性应用-滞回比较器

⑴ RC正弦波振荡器

RC桥式振荡电路如图3-9所示。

图3-9 RC桥式振荡电路

RC桥式振荡电路由二部分组成:

① 同相放大器,如图3-9(a)所示。

② RC串并联网络,如图3-9(b)所示。

或图3-9(c)所示,RC串并联网络与同相放大器反馈支路组成桥式电路。 同相放大器的输出电压uo作为RC串并联网络的输入电压,而将RC串并联网络的输出电压作为放大器的输入电压,当f=f0时, RC串并联网络的相位移为零,放大器是同相放大器,电路的总相位移是零,满足相位平衡条件,而对于其他频率的信号,RC串并联网络的相位移不为零,不满足相位平衡条件。由于RC

串并联网络在 f=f0 时的传输系数F=1/3,因此要求放大器的总电压增益Au应大于3,这对于集成运放组成的同相放大器来说是很容易满足的。由R1、Rf、V1、V2及R2构成负反馈支路,它与集成运放形成了同相输入比例运算放大器。

只要适当选择Rf与R1的比值, 就能实现Au>3的要求。其中,V1、V2和R2是实现自动稳幅的限幅电路。

① 振荡原理

RC桥式振荡电路如图3-9所示。根据自激振荡的条件,φ=φa+Φf=2πn,其中RC串并联网络作为反馈电路,当f=fo时,φf=0°,所以放大器的相移应为φa=0°,即可用一个同相输入的运算放大器组成。又因为当f=fo时,F=1/3,所以放大电路的放大倍数A≥3。起振时A>3,起振后若只依靠晶体管的非线性来稳幅,波形顶部容易失真。为了改善输出波形,通常引入负反馈电路。其振荡频率由RC串并联网络决定,图3-9(c)为RC桥式振荡电路的桥式画法。RC串并

'、R1正好构成电桥四臂,这就是桥式振荡器名联网络及负反馈电路中的Rf+R2Au1RfR1f012RC

称的由来。在RC串并联网络中,

Z1R1

Z2R2//

1jC11R2jC21jR2C2R2

UfZ21jRCFR2Z1Z2R1Uo1jC11jR2C2

(1121)j(R1C2)C1R2R1C2

取R1R2R,C1C2C

FUf

Uo113j(RC)RC

1/3 当虚部为零,即R1C21/(R2C1)时,F

o1 RCf01

2RC

② 稳幅原理

V1、V2和R2是实现自动稳幅的限幅电路。V1、V2仅一只导通,导通的二极

'。管和R2并联等效电阻为R2根据同相放大器的放大倍数计算公式:A1

'有关。 可知输出电压幅度与R2

'大,放大倍数大,补偿输出电压幅度。如图3-10所示A、Ⅰ. 振荡小时,R2'RfR2R1

B点。

'小,放大倍数大,补偿输出电压幅度。如图3-10所示C、Ⅱ. 振荡时大,R2

D点。

图3-10 自动稳幅原理

2.运放组成的波形发生器电路设计

⑴ 运放组成的波形发生器电路设计要求

使用集成运算放大器组成的RC正弦波振荡器和滞回比较器,连接成一个波形发生器,要求:能产生正弦波、方波两种波形。其信号频率为2KHz,正弦波的峰值Uom约为7V,方波幅值Uopp约为-6~6V。

参考电路如图3-11所示,电路由二部分组成:RC桥式正弦波振荡电路,滞回比较器。图中各元器件参数值应根据要求对有关参数作设计计算,进而正确选择元器件以达到设计要求。

图3-11 正弦波-方波发生器原理图

⑵ RC桥式正弦波振荡电路设计:

图3-11中A1是具有稳幅环节的RC桥式正弦波振荡器,电路要求信号频率为2KHz,可作设计计算以确定各元件的取值。电路的振荡频率公式为:

f12πRC

可先将RC串、并联选频网络中的电容C取值为0.01μF,再求得电阻R的值,此处可取8.2KΩ(标准值)。

正弦波的输出幅度Uom要求约为7V,根据电路幅值估算公式:

Uom'0.6(R1R2R3)

'R3

式中,R3′是指动态时R3(取3KΩ左右时)与两个二极管并联后的等效电阻,工程估算值约为1.1KΩ。当R1也取3KΩ时求得R2的值约为8.73KΩ,考虑设置一个调节范围,此处取10KΩ的电位器。当然更理想的是可用一个6.2KΩ的固定电阻和一个5KΩ的电位器串联来代替10KΩ的电位器。

⑶ 滞回比较器设计:

A2是根据电路要求(电路的抗干扰能力强)而选用的滞回电压比较器。用两个稳定电压为6V的稳压二极管作为电路输出的限幅电路。在保证该电路上、下限阈值电压在A1正弦波的输出幅值7V之内,确定R4、R5的大小。正弦波振荡变换为方波如图3-12所示。

根据A1正弦波的输出uo1=-7~7V和方波幅值Uopp约为-6~6V可知,Uom6V。上、下限阈值电压差:

UTH2UomR2u1<14R4R5

若R4=4.7K,u1=4V,则由

UTH264.72u184.7R5

得R5=9.4K,

3. 运放组成的波形发生器电路装配与调试

⑴ 组装与调试目的

① 学会使用单运放集成电路LM741; ② 学会用基本电路组成实用电路的方法; ③ 学会系统的测量与调试。

⑵ 组装与调试的设备与器材

通用印制板或通用实验板,LM741两片,稳压管20W7

一只,电阻、电容、电位器若干,±12V直流稳压电源1台,

万用表1块,双踪示波器1台及焊接或插接工具。

⑶ 组装与调试步骤

计算出电路设计值后,即可着手装接和调试。不论是插接还是焊接均应保证元器件排列合理、接线正确、接触可靠。检查电路连接无误后才能通电调试。本电路可先进行分级调,在二者均能正常工作后再联调。大致步骤如下:

① 调试正弦波振荡器电路,为满足起振条件,注意应使负反馈放大器的电压放大倍数大于3。用示波器检测该电路的输出波形,调节R2的值,直至示波器显示正常而稳定的正弦波。注意:R2太小电路无法起振,而太大则会失真。 Av1R2R3

R1

② 用示波器测量该电路的振荡频率与输出幅值的大小。适当修改R、C的数值,以满足频率为2KHz的要求。微调R2电位器的大小,在保证输出正常波形的

条件下获得所需的7V的输出幅值。

③ 调试滞回比较器电路。用信号发生器产生一个2KHz正弦波作为该电路的

输入信号,用示波器测量输出波形。适当调节R4、R5的比例直到输出一个方波为止。需注意的是正弦波的幅值应在7V左右,由R4、R5分压获得的上、下限阈值电压一定要小于该幅值。

④ 联调。在各级单元电路调试完毕后,则可将两者相连,做总调直到工作正常为止,进而测量各有关参数。


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