波形产生电路标准实验报告

东南大学电工电子实验中心

实 验 报 告

课程名称：第 5 次实验

实验名称：院 （系）姓

专 实 验 室:  2007年 5月15 日

一、实验目的和要求：

1.

掌握主要正弦信号和非正弦信号产生的基本原理和基本分析方法，电路参数的计算方法，各参数对电 路性能的影响。 2. 3.

了解各种波形之间变换方法，重点是正弦波、方波、三角波之间的变换

掌握 555 定时器的内部电路、基本功能和主要参数的计算，掌握 555 实现多谐振荡器、单稳态触发器、 施密特触发器等的电路原理、参数计算以及 555电路的基本调试方法 4.

掌握多级电路的安装调试技巧，掌握常用的频率测量方法。

二、实验原理：

A. 正弦波信号发生电路分析计算（图 8­1）：

² 放大器为同相放大器，其增益为 A vf =1

R F

R f

R 1

jw C

² 对于 RC 串联和 RC 并联电路

V 1 +

==

V o (R++(R//)3+j(w RC ) jwCjwCw RC

² 为了保证正反馈，该串并联网络在振荡频率 f0 时的相移必须为 0，即上式中分母的虚部系数在 f0

时为 0，即 2p f 0 RC =

1 1

，由此推出 f 0 =

2 p RC 2 p f 0 RC

² 由于振荡频率 f0 时

V 1 O

= ，所以为了保证满足环路增益大于 1 的起振条件，放大器的增益必须 V 3 +

略大于 3，即R R F

略大于 2，当振荡器稳定是环路增益为 1，放大器的增益为 3，F = 2 R R f f

B. 矩形波信号发生电路计算（图8­4，RD1、RD2是二极管 D1、D2 的导通电阻）：

² 当U0 为正值的时候， 二极管D1导通，D2 截止， 电容C充电的时间常数为：t  1=(RW1+RD 1+ R1 )C  ² 当 U0 为负值的时候，二极管 D2 导通，D1 截止，电容 C 放电的时间常数为：

t 1=(RW2+RD 2+ R1 )C  ，

² RC 电路总的充放电时间常数 t=t1+t 2=(Rw+RD1+RD 2+ 2R1 )C  ，设 t= t1  时，UC 的初始值为

R R 2

t 1 时间内电容充电到 UC 的值为2 U Z ，根据电容器电压随时间变化规律U Z ，在

R2+ R3  R2+ R3

R 2

UC(t)=UZ (1-(1)e t 1 )

R2+ R3

t

当 t＝T1（负脉冲宽度）时， UC=

R 2

U Z 时，上式为

R2+ R3

t

1

R2R 2

UZ=UZ (1-(1e t 1 ) R2+R3R2+ R3

解上式可得： T 1=t 1 ln(1+ 2

R R 2 2

) ，同理正脉冲宽度 T =t ln(1+ 2 22 R3  R3

R2R

)=(Rw+RD1+RD 2+2R1 )C ln(1+ 22  R3R3

周期 T=(T1+T2)=(t1+t 2)ln(1+2

占空比T R+RD 2+ R 2 1

= w2

T1Rw1+RD 1+ R1

R 2

R3

对于图 8­2 的方波信号发生器 T=(T1+T2 )=2RF C ln(1+

2

C. 三角波信号发生电路计算(图 8­5)

² 幅度计算：

同相端电位由 U01 和 U02 共同决定即 v+ =

1

(U01RW 1+ U02R 2 ) 当 V+ > 0，U01=UZ，当 V+

R2+ RW  1

，

1

(U01R2+U02mR w 1 )= 0 其中负向

R2+ RW  1

峰值 UO2 m=² 周期

R R W 1

U Z ，同理可求得输出电压得正向峰值为W 1U Z

R R2  2

由于积分电路输出电压从负向峰值上升到正向峰值所需的时间是振荡周期的一半，即 U02 在 T/2 时间内的变化量是 2U02m，由积分电路的输入输出关系得：

1 U Z U02m4 RW1RW 2 C

―——> dt= 2U  T=4 R= 02 m W 2 CòR UZ R2  0 W 2

D.

输出正弦波、方波和三角波的函数发生器设计：

T

2

三、预习思考题：

1. 正弦波发生电路

① 简述正弦波发生电路的振荡条件和主要组成部分并在图 8­1 的电路上标出主要组成部分名称 答：正弦波发生电路振荡必须要同时满足起振条件 AF> 1 ，幅度平衡条件 AF= 1 和相位平衡条件

··

··

jA+jF =±2np （n=0,1,2, ××× ) 。

正弦波发生电路主要由基本放大电路、选频网络、反馈网络和稳幅环节这几部分组成。如下图所示：

V0

② 电路中两个的二极管是如何起到稳幅作用的，为什么要在二极管两端并联一个电阻。

答：利用二极管导通电阻的非线性可控制负反馈的强弱，从而控制放大器的电压放大倍数以达到稳幅 的目的。当振荡刚建立时，振幅较小，流过二极管的电流也小，其正向电阻大，负反馈减弱，保证了起振 时振幅增大；但当振幅过大时，其正向电阻变小，负反馈加深，保证了振幅的稳定。

二极管两端并联一个电阻的目的是适当削弱二极管的非线性影响以改善波形的失真。

③ 根据图 8­1 中各元件的参数，计算输出正弦波的频率。是否 R1、R2、C1、C2 调到无穷小，输出信号频

率就能无穷大，为什么。（提示：从运放的转换速率和增益带宽积来考虑） 答：输出正弦波的频率： f =

1 1

= = 1 . 59 K 2 pRC 2 ´ p ´ 10 K ´ 0 . 01 m

当 R1、R2、C1、C2 调到无穷小，输出信号频率不会无穷大。因受运放的转换速率限制，输出波形会 失真，且运放的增益与带宽乘积是一个常数，频率增大则其增益将减小，满足不了电路起振的条件。 ④ 如果 RW=18k，二极管的正向导通压降为 0.6V，试估算输出正弦波的幅度和电路的最大可能输出频率，

影响输出信号频率精度的主要因素有哪些。 答：已知:Rf=10k,Rw=18k,Vd=0.6V，根据Vo＝9V。

该电路的最大输出频率主要受运放转换速率的影响，计算可得

V - 0 . 6 V V - 1 -

= o = I ，且= ，可得输出正弦波的峰值 R f R f + R Vo 3 w

f

max

£

S R 0 . 5

= = 8.84K 2 pV  O 2 p ´ 9

影响输出信号频率精度的主要因素有：RC 器件本身的精度，运放输入失调电压、失调电流和噪声的影 响。

⑤ 如果图 8­1 中 RW 调到最小值时输出波形是什么，如果调到最大值时输出波形又是什么（定性说明即

可）

答：RW 调到最小值时，由于R F

小于 2，放大器的增益小于 3，无法满足震荡器的起振条件，因此电 R f

路停振，输出为 0V的一条直线。RW 调到最大值时放大器的增益过大，使二极管无法实现稳幅的作用，使 放大电路进入非线性工作区，输出波形为近似方波的失真波形。 ⑥ 简单总结一下在设计该振荡器时必须要考虑运算放大器的哪些参数

答：在设计该振荡器时必须要考虑运算放大器的转换速率和增益带宽积，电路的频率是由 RC 决定的， 元件 R 的阻值与运放的输入、输出电阻应满足 Ri>>R>>Ro；为减小运放输入偏置电流的影响，应尽量满 足 R=RF//Rf 。

2. 方波和矩形波发生电路

① 简述矩形波发生电路的主要组成部分，并在图 8­4 中标出主要部分名称

答：矩形波发生电路是在迟滞比较器构成方波振荡电路的基础上加上一条由 RC 充放电电路组成的负反 馈支路，通过电位器 Rw来调节波形的占空比，输出幅度由双向稳压管来限幅。其主要部分如下图所示：

② 图 8­2 中 RW 调到最小值时输出信号频率是多少，调到最大值时输出信号频率又是多少

答：已知：R1＝10K, R2=10K,C=0.1uF, Rw为 100K 的电位器， 根据公式： T = 2

R 1 ö æ 2

C ln 1 ç RF è R 2 ÷

ø

当 RW 调到最小值时,

R

F

=10K,输出信号频率最大，即

f

max

=

1 = T

1 1

=＝455.12Hz R 1 ö k ö æ 2 æ 2 ´ 10

2 R C ln ç 1 + . 1 m f ´ ln ç 1 + ÷ 2 ´ 10 K ´ 0 ÷ F

R 2 10 k è ø è ø

当 RW 调到最大值时,

R

F

=110K,输出信号频率最小，即

f

min

=

1

= T

1 1

=＝41.37Hz 1 ö k ö æ 2 R æ 2 ´ 10

2 R C ln ç 1 + . 1 m f ´ ln ç 1 + ÷ 2 ´ 110 K ´ 0 ÷ F

R 2 10 k è ø è ø

③ 稳压管为 6V，要求输出方波的前后沿的上升、下降时间不大于半个周期的 10％，试估算图 8­2 电路

的最大输出频率

答：根据题意可知：± Vo=± Vz=± 6V,要求上升沿时间

T

£10%  tr

2

由上升沿时间的定义可得：

t

r

= 80 % D t

由运放转换速率的定义可得：

S R =

=

- 6 V - 6 D Vo

= = 0 . 5 T D t ´ 10 % % 2

所以，电路的最大输出频率

f

max

1

= 2.6KHz T

④ 如果两个稳压管中间有一个开路，定量画出输出波形图，如果两个稳压管中间有一个短路呢 答：如果两个稳压管中间有一个开路，则稳压电路全部不起左右，输出信号受运放最大输出摆幅限制，如

下图所示：

如果两个稳压管中间有一个短路，等效於只有一个稳压管，当该稳压管反相截止的时候，输出为稳压 管的稳压值，正向导通时，输出为稳压管的正向导通压降，输出波形图如下图所示

:

⑤ 简单总结一下，在设计该振荡器时必须要考虑运算放大器的哪些参数。

答：在设计该振荡器时，频率选取范围必须要考虑运算放大器的转换速率、偏置电流和噪声。由于运放 共模输入电压范围 Vicmax 的限制，在确定正反馈支路 R1、R2 取值时，应保证 输出端要接保护稳压管的限流电阻 Ro。

V £ V

+

ICMAX

。运放的

3. 三角波发生电路

① 根据图 8­5 中的电路参数，计算该电路最小可能输出频率是多少，最大可能输出幅度为多少 答：根据参数：R2=20K,Rw1=20k,Rw2=10k,C=0.022uf,VZ=6V 可得，该电路最小可能输出频率

f

min

=

1 R 2 20 K = = = 1 . 136 KHz T 4 Rw 1 ´ Rw 2 ´ C 4 ´ 20 K ´ 10 K ´ 0 . 022 uf

三角波的最大可能输出峰值为

V o 2 m =

4. 555 应用电路

Rw 1 ´ Vz 20 K ´ 6 V

= = 6 V R 2 20 K

① 查询 555

器件的器件手册，记录主要参数指标并简单解释

从表中可知，555 定时器的工作电压可在 4.5～18V范围,驱动电流大,输出能驱动 TTL电路。

5. 函数发生电路

设计一个能产生正弦波、方波、三角波的波形发生器，性能指标要求： 输出频率 输出电压

波形特性 方波上升时间 三角波非线性系数 正弦波非线性失

tr

提示：

计算参数时先根据实验箱上的元件情况确定电容值，再确定电阻值 特殊电阻值可通过串并联实现。 过零比较电路可采用 LM311 实现

方波和积分电路之间应该接入耦合电容，以去除前级直流电压对积分电路的影响。 具体设计过程在实验内容中。

四、实验内容 1.正弦波信号发生器

（1）计算

∵取 Vcc=±10v ∴VomMAX=9v~8v ∵R1=R2=10K,C1=C2=0.01uf

11

== 1.59 KHz - 8

2pRC 2p ´104´ 10

1

在 f 处的 f = o V

3

∴ fo =（2）测量

①用示波器观察输出电压 v o ，适当调整电位器 Rw使电路产生振荡，输出为稳定的最大不失真的正弦波幅 度 V

OMAX 。

表 1 正弦波信号发生器的最大输出测量

②验证平衡条件。在输出波形最大、稳定且不失真的正弦波情况下，用交流电压表测量 v  的值，计算 o 和v+ 反馈系数 f v 。

测量数据如表 1 中所示。可知， f v 与理论分析相吻合。 ③ 测量振荡频率

可见，用 F05 数字信号源外测正弦波频率不太准确。

④ 在 R1、R2 或 C1、C2 上并接同值电阻或电容，用示波器观察输出电压波形并测出相应频率，了解振荡

频率调整方法。 计算： fo' =

11

==2fo =

3.18 KHz

1 2 p R' C 2 p ´RC 2

111

fo

2pRC

测量:

表 3 并接同值电阻或电容的振荡频率测量

可见， R 减小为R， f f o 增大为2 f o ; C 增大为2C， f o

⑤ 调整 Rw，观察振荡器停振，或波形振幅逐渐增大，直至波形失真的变化情况，并用交流电压表测量波

形失真时的 v+ 、v- 电压值。

表

4 振荡器停振和失真的测量 '

1

2

'

1 2

可见，振荡输出波形失真，“虚短”不成立，即运放工作在非线性区。

2.

方波信号发生器

（1）用示波器观察 v  的波形，并测量其电压峰­

峰值，画出波形。 o 、v-

表 5 方波信号发生器的测量

（2）调节 Rw（ R ，观察波形频率变化规律，分别测量 Rw调至最大和最小时的方波频率 f F ）min 和 f max ， 并与理论值比较。

测量数据如表格5 中。可知，与理论分析相吻合。

3.三角波信号发生器

（1）设计一个由运放构成的方波­三角波发生器，技术指标如下：

振荡频率范围为 1~2KHz 三角波振幅调节范围为 2~4v 采用 uA741 运放

①∵ Vo2 m=∴

R W 1

× V Z R2

取 VZ = 7 v , R2 = 20 K

RW1

R 20 K

=2 ×Vo2m=×V o2 m =

VZ 7V

Vo2 m = 2v

Vo2 m = 4v

∴ RW 1 =5.7K+ 10 K 电位器 ②∵ T=4R W 1

×RW 2 × C R2

取 C=22nf

Vo2 m =

2v

R W 2 =

R 2

=

RW 1×C×

f 4 0

f0 = 1K

f0 = 2 K

Vo2 m = 4v

R 2

R == W 2

RW 1×C×

f 4 0

f0 = 1K

f0 = 2 K

∴取 RW 2 =10K+ 47 K 电位器

③取 R1 = 10 K ， R3 = 10 K ， Rf = 1M  （2

）测量

表 6 三角波信号发生器的测量

由表中分析，所设计的电路满足指标要求。

4.用555定时器设计并实现一个间歇单音发生器

（1）单音的频率约 360Hz，其间歇周期约0.7s。

①设计

IC1：∵ T=0.7(R1+2R2) × C1  取 R2 = 10 K ， C1 = 47 uF

∴ RT1=

0.7C-2R0.7 S 4

2 =- 6

-2´10= 1.3 KHz 1  0.7´47´ 10

∴取 R1 =1K+ 1K  电位器 IC2：∵ f =

1.43

(R3+ 2R4)C  取 R4 = 10 K ， C2 = 0.1uF

2

∴ R3=

1.43f×C -2R1.43 4 4 =- 7

-2´10= 19.7 KHz 2

360´ 10 ∴取 R3 =10K+ 10 K 电位器

②测量

表 7  555 定时器的测量

IC1：调节 R 使间隙周期为 0.7s。有二个方法：①用数字示波器 1 电位器，­嘟­”的次数为n及所用的时间为t时，其间隙周期 T 。

IC2：调节 R Hz 。 3 电位器，使 f= 360

②用喇叭，当喇叭发出“嘟

t

n

（2）若要求间歇单音发生器的发音时间远大于休止时间，且保持间歇周期不变。

①设计

IC1 可以改为下面电路

RRDC设 R V ，则 R1=R2 = R W 抽头置于中间位置时，输出 o 1 为方波（ D = 50% ） ∵ T= 0.7 S

∴ 0.7(2R+RW+2RD )C1 = 0.7 S

∴ R= 4.7 K

- 6

取 RW = 10 K ， C1 = 47uF  ， RD = 1K

当 R tPH=0.7(R1+RD )C1 =0.7(4.7K+1K)´47´10W 抽头置于上端时， 当 R tPH=0.7(R1+W 抽头置于中间时，

= 187.5(ms )

R W

+RD )C1 =0.7(4.7K+5K+1K)´47´10- 6 = 352(ms ) 2

- 6

当 R tPH=0.7(R1+RW+RD )C1 =0.7(4.7K+10K+

1K)´47´10W 抽头置于下端时， 当 T不变， R tPH? t W 抽头往下调节时， PL ,可以达到指标要求。 IC2：仍要求 f= 360 Hz ，设计不变。

= 516.5(ms )

②测量

表 8 IC

的测量 IC1：调节 R W 使喇叭发出的“嘟­嘟­”间隙时间由慢变快，即 R W 抽头向上调节时，喇叭为“嘟____嘟 ____”； R tPH= 515(ms) ? t W 抽头向下调节时，其为“嘟_嘟_”。当 R W 抽头置于最下端时， PL ，满足设计 要求。

采用二个二极管构成的 555 多谐振荡器，其输出可以做到占空比小于 50%的脉冲信号（一般只能大于 50%）。

5.搭试完成预习思考要求⑤中的正弦波、方波、三角波函数信号发生器，测量并记录全部输

出波形、输出信号的幅度、频率

（1）设计

① 芯片选择

A 1 、 A 3 ：uA741， A 2 ：LM311

② A 1 ：∵ f=

1

取 C= 0.01uF

11

== 15.9 K

2pC×1K 2p ´10- 8´ 103

11

∴取 R= 51K== 312.2 Hz   ,则 f=- 8

2pRC 2p ´51´103´ 10

∴ R>

取 Rf = 10 K ,∵ A 1 =1+∴取 RW = 47 K 电位器

R W

³ 3 ∴ RW³2Rf = 20 K R f

A V VL = 0v  )，又∵ Vo2 pp

∴取 VCC =± 15v  ， Vo 2 pp =15V-( 1~2V) = 13~14V

A 3 ：∵当 f>> f C ， f C =

1

2p  f× C '

1

时， V O 为积分输出电压 ''

2p  Rf C

∴ R f >> ∴ Rf >>∵ V opp =

'

'

取 C' = 0.1uF

1 ' = 5.1 K 取 R=1M  W f - 7

2p ´312.2´ 10

V o2 pp 4 R'C' f V o2 pp

= 6V

13~14V

= 17.3K~18.7K - 7

24v ´10´ 312.2

∴ R =

'

6v´4C'f

=

∴取 R=10K+ 10 K 电位器， R¢¢= 20 K （2

）测量

'

表 9 函数发生器（正弦波、方波、三角波）的测量

由表中数据可知，所设计的电路符合技术指标要求。

五、选做实验

（1）占空比可变的矩形波信号发生器

①用双踪示波器观察v+ 、v- 的波形，并测量其电压峰­峰值，画出波形。

表 10 占空比可变的矩形波的测量

②调节 R W ，观察波形宽度变化情况，分别测量 R W 调至最大和最小时的矩形波的占空比。

测量数据如表 10 所示。 （2）滑音电路

①分析

VC

V O 2

f

由于脚 5 由原来的V V CC 变为外接 IC1 的积分输出，故 O 2 输出频率是在如上图所示变化的。 ② 测量

2

3

（3）测量必做内容①中输出正弦波的失真度

正弦波的失真度为1.5%

六、思考题

1． 不需要考虑。由于波形产生电路是不需要外加输入信号而自行产生信号输出的电路。采用正、负反馈 结合的方法，依照自激振荡原理产生输出波形，此时运放工作在非线性区。相位补偿和失调调零则是在线 性放大中要考虑的。

2． 请参考书上图 8­3

波形图

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课程名称：第 5 次实验

实验名称：院 （系）姓

专 实 验 室:  2007年 5月15 日

一、实验目的和要求：

1.

掌握主要正弦信号和非正弦信号产生的基本原理和基本分析方法，电路参数的计算方法，各参数对电 路性能的影响。 2. 3.

了解各种波形之间变换方法，重点是正弦波、方波、三角波之间的变换

掌握 555 定时器的内部电路、基本功能和主要参数的计算，掌握 555 实现多谐振荡器、单稳态触发器、 施密特触发器等的电路原理、参数计算以及 555电路的基本调试方法 4.

掌握多级电路的安装调试技巧，掌握常用的频率测量方法。

二、实验原理：

A. 正弦波信号发生电路分析计算（图 8­1）：

² 放大器为同相放大器，其增益为 A vf =1

R F

R f

R 1

jw C

² 对于 RC 串联和 RC 并联电路

V 1 +

==

V o (R++(R//)3+j(w RC ) jwCjwCw RC

² 为了保证正反馈，该串并联网络在振荡频率 f0 时的相移必须为 0，即上式中分母的虚部系数在 f0

时为 0，即 2p f 0 RC =

1 1

，由此推出 f 0 =

2 p RC 2 p f 0 RC

² 由于振荡频率 f0 时

V 1 O

= ，所以为了保证满足环路增益大于 1 的起振条件，放大器的增益必须 V 3 +

略大于 3，即R R F

略大于 2，当振荡器稳定是环路增益为 1，放大器的增益为 3，F = 2 R R f f

B. 矩形波信号发生电路计算（图8­4，RD1、RD2是二极管 D1、D2 的导通电阻）：

² 当U0 为正值的时候， 二极管D1导通，D2 截止， 电容C充电的时间常数为：t  1=(RW1+RD 1+ R1 )C  ² 当 U0 为负值的时候，二极管 D2 导通，D1 截止，电容 C 放电的时间常数为：

t 1=(RW2+RD 2+ R1 )C  ，

² RC 电路总的充放电时间常数 t=t1+t 2=(Rw+RD1+RD 2+ 2R1 )C  ，设 t= t1  时，UC 的初始值为

R R 2

t 1 时间内电容充电到 UC 的值为2 U Z ，根据电容器电压随时间变化规律U Z ，在

R2+ R3  R2+ R3

R 2

UC(t)=UZ (1-(1)e t 1 )

R2+ R3

t

当 t＝T1（负脉冲宽度）时， UC=

R 2

U Z 时，上式为

R2+ R3

t

1

R2R 2

UZ=UZ (1-(1e t 1 ) R2+R3R2+ R3

解上式可得： T 1=t 1 ln(1+ 2

R R 2 2

) ，同理正脉冲宽度 T =t ln(1+ 2 22 R3  R3

R2R

)=(Rw+RD1+RD 2+2R1 )C ln(1+ 22  R3R3

周期 T=(T1+T2)=(t1+t 2)ln(1+2

占空比T R+RD 2+ R 2 1

= w2

T1Rw1+RD 1+ R1

R 2

R3

对于图 8­2 的方波信号发生器 T=(T1+T2 )=2RF C ln(1+

2

C. 三角波信号发生电路计算(图 8­5)

² 幅度计算：

同相端电位由 U01 和 U02 共同决定即 v+ =

1

(U01RW 1+ U02R 2 ) 当 V+ > 0，U01=UZ，当 V+

R2+ RW  1

，

1

(U01R2+U02mR w 1 )= 0 其中负向

R2+ RW  1

峰值 UO2 m=² 周期

R R W 1

U Z ，同理可求得输出电压得正向峰值为W 1U Z

R R2  2

由于积分电路输出电压从负向峰值上升到正向峰值所需的时间是振荡周期的一半，即 U02 在 T/2 时间内的变化量是 2U02m，由积分电路的输入输出关系得：

1 U Z U02m4 RW1RW 2 C

―——> dt= 2U  T=4 R= 02 m W 2 CòR UZ R2  0 W 2

D.

输出正弦波、方波和三角波的函数发生器设计：

T

2

三、预习思考题：

1. 正弦波发生电路

① 简述正弦波发生电路的振荡条件和主要组成部分并在图 8­1 的电路上标出主要组成部分名称 答：正弦波发生电路振荡必须要同时满足起振条件 AF> 1 ，幅度平衡条件 AF= 1 和相位平衡条件

··

··

jA+jF =±2np （n=0,1,2, ××× ) 。

正弦波发生电路主要由基本放大电路、选频网络、反馈网络和稳幅环节这几部分组成。如下图所示：

V0

② 电路中两个的二极管是如何起到稳幅作用的，为什么要在二极管两端并联一个电阻。

答：利用二极管导通电阻的非线性可控制负反馈的强弱，从而控制放大器的电压放大倍数以达到稳幅 的目的。当振荡刚建立时，振幅较小，流过二极管的电流也小，其正向电阻大，负反馈减弱，保证了起振 时振幅增大；但当振幅过大时，其正向电阻变小，负反馈加深，保证了振幅的稳定。

二极管两端并联一个电阻的目的是适当削弱二极管的非线性影响以改善波形的失真。

③ 根据图 8­1 中各元件的参数，计算输出正弦波的频率。是否 R1、R2、C1、C2 调到无穷小，输出信号频

率就能无穷大，为什么。（提示：从运放的转换速率和增益带宽积来考虑） 答：输出正弦波的频率： f =

1 1

= = 1 . 59 K 2 pRC 2 ´ p ´ 10 K ´ 0 . 01 m

当 R1、R2、C1、C2 调到无穷小，输出信号频率不会无穷大。因受运放的转换速率限制，输出波形会 失真，且运放的增益与带宽乘积是一个常数，频率增大则其增益将减小，满足不了电路起振的条件。 ④ 如果 RW=18k，二极管的正向导通压降为 0.6V，试估算输出正弦波的幅度和电路的最大可能输出频率，

影响输出信号频率精度的主要因素有哪些。 答：已知:Rf=10k,Rw=18k,Vd=0.6V，根据Vo＝9V。

该电路的最大输出频率主要受运放转换速率的影响，计算可得

V - 0 . 6 V V - 1 -

= o = I ，且= ，可得输出正弦波的峰值 R f R f + R Vo 3 w

f

max

£

S R 0 . 5

= = 8.84K 2 pV  O 2 p ´ 9

影响输出信号频率精度的主要因素有：RC 器件本身的精度，运放输入失调电压、失调电流和噪声的影 响。

⑤ 如果图 8­1 中 RW 调到最小值时输出波形是什么，如果调到最大值时输出波形又是什么（定性说明即

可）

答：RW 调到最小值时，由于R F

小于 2，放大器的增益小于 3，无法满足震荡器的起振条件，因此电 R f

路停振，输出为 0V的一条直线。RW 调到最大值时放大器的增益过大，使二极管无法实现稳幅的作用，使 放大电路进入非线性工作区，输出波形为近似方波的失真波形。 ⑥ 简单总结一下在设计该振荡器时必须要考虑运算放大器的哪些参数

答：在设计该振荡器时必须要考虑运算放大器的转换速率和增益带宽积，电路的频率是由 RC 决定的， 元件 R 的阻值与运放的输入、输出电阻应满足 Ri>>R>>Ro；为减小运放输入偏置电流的影响，应尽量满 足 R=RF//Rf 。

2. 方波和矩形波发生电路

① 简述矩形波发生电路的主要组成部分，并在图 8­4 中标出主要部分名称

答：矩形波发生电路是在迟滞比较器构成方波振荡电路的基础上加上一条由 RC 充放电电路组成的负反 馈支路，通过电位器 Rw来调节波形的占空比，输出幅度由双向稳压管来限幅。其主要部分如下图所示：

② 图 8­2 中 RW 调到最小值时输出信号频率是多少，调到最大值时输出信号频率又是多少

答：已知：R1＝10K, R2=10K,C=0.1uF, Rw为 100K 的电位器， 根据公式： T = 2

R 1 ö æ 2

C ln 1 ç RF è R 2 ÷

ø

当 RW 调到最小值时,

R

F

=10K,输出信号频率最大，即

f

max

=

1 = T

1 1

=＝455.12Hz R 1 ö k ö æ 2 æ 2 ´ 10

2 R C ln ç 1 + . 1 m f ´ ln ç 1 + ÷ 2 ´ 10 K ´ 0 ÷ F

R 2 10 k è ø è ø

当 RW 调到最大值时,

R

F

=110K,输出信号频率最小，即

f

min

=

1

= T

1 1

=＝41.37Hz 1 ö k ö æ 2 R æ 2 ´ 10

2 R C ln ç 1 + . 1 m f ´ ln ç 1 + ÷ 2 ´ 110 K ´ 0 ÷ F

R 2 10 k è ø è ø

③ 稳压管为 6V，要求输出方波的前后沿的上升、下降时间不大于半个周期的 10％，试估算图 8­2 电路

的最大输出频率

答：根据题意可知：± Vo=± Vz=± 6V,要求上升沿时间

T

£10%  tr

2

由上升沿时间的定义可得：

t

r

= 80 % D t

由运放转换速率的定义可得：

S R =

=

- 6 V - 6 D Vo

= = 0 . 5 T D t ´ 10 % % 2

所以，电路的最大输出频率

f

max

1

= 2.6KHz T

④ 如果两个稳压管中间有一个开路，定量画出输出波形图，如果两个稳压管中间有一个短路呢 答：如果两个稳压管中间有一个开路，则稳压电路全部不起左右，输出信号受运放最大输出摆幅限制，如

下图所示：

如果两个稳压管中间有一个短路，等效於只有一个稳压管，当该稳压管反相截止的时候，输出为稳压 管的稳压值，正向导通时，输出为稳压管的正向导通压降，输出波形图如下图所示

:

⑤ 简单总结一下，在设计该振荡器时必须要考虑运算放大器的哪些参数。

答：在设计该振荡器时，频率选取范围必须要考虑运算放大器的转换速率、偏置电流和噪声。由于运放 共模输入电压范围 Vicmax 的限制，在确定正反馈支路 R1、R2 取值时，应保证 输出端要接保护稳压管的限流电阻 Ro。

V £ V

+

ICMAX

。运放的

3. 三角波发生电路

① 根据图 8­5 中的电路参数，计算该电路最小可能输出频率是多少，最大可能输出幅度为多少 答：根据参数：R2=20K,Rw1=20k,Rw2=10k,C=0.022uf,VZ=6V 可得，该电路最小可能输出频率

f

min

=

1 R 2 20 K = = = 1 . 136 KHz T 4 Rw 1 ´ Rw 2 ´ C 4 ´ 20 K ´ 10 K ´ 0 . 022 uf

三角波的最大可能输出峰值为

V o 2 m =

4. 555 应用电路

Rw 1 ´ Vz 20 K ´ 6 V

= = 6 V R 2 20 K

① 查询 555

器件的器件手册，记录主要参数指标并简单解释

从表中可知，555 定时器的工作电压可在 4.5～18V范围,驱动电流大,输出能驱动 TTL电路。

5. 函数发生电路

设计一个能产生正弦波、方波、三角波的波形发生器，性能指标要求： 输出频率 输出电压

波形特性 方波上升时间 三角波非线性系数 正弦波非线性失

tr

提示：

计算参数时先根据实验箱上的元件情况确定电容值，再确定电阻值 特殊电阻值可通过串并联实现。 过零比较电路可采用 LM311 实现

方波和积分电路之间应该接入耦合电容，以去除前级直流电压对积分电路的影响。 具体设计过程在实验内容中。

四、实验内容 1.正弦波信号发生器

（1）计算

∵取 Vcc=±10v ∴VomMAX=9v~8v ∵R1=R2=10K,C1=C2=0.01uf

11

== 1.59 KHz - 8

2pRC 2p ´104´ 10

1

在 f 处的 f = o V

3

∴ fo =（2）测量

①用示波器观察输出电压 v o ，适当调整电位器 Rw使电路产生振荡，输出为稳定的最大不失真的正弦波幅 度 V

OMAX 。

表 1 正弦波信号发生器的最大输出测量

②验证平衡条件。在输出波形最大、稳定且不失真的正弦波情况下，用交流电压表测量 v  的值，计算 o 和v+ 反馈系数 f v 。

测量数据如表 1 中所示。可知， f v 与理论分析相吻合。 ③ 测量振荡频率

可见，用 F05 数字信号源外测正弦波频率不太准确。

④ 在 R1、R2 或 C1、C2 上并接同值电阻或电容，用示波器观察输出电压波形并测出相应频率，了解振荡

频率调整方法。 计算： fo' =

11

==2fo =

3.18 KHz

1 2 p R' C 2 p ´RC 2

111

fo

2pRC

测量:

表 3 并接同值电阻或电容的振荡频率测量

可见， R 减小为R， f f o 增大为2 f o ; C 增大为2C， f o

⑤ 调整 Rw，观察振荡器停振，或波形振幅逐渐增大，直至波形失真的变化情况，并用交流电压表测量波

形失真时的 v+ 、v- 电压值。

表

4 振荡器停振和失真的测量 '

1

2

'

1 2

可见，振荡输出波形失真，“虚短”不成立，即运放工作在非线性区。

2.

方波信号发生器

（1）用示波器观察 v  的波形，并测量其电压峰­

峰值，画出波形。 o 、v-

表 5 方波信号发生器的测量

（2）调节 Rw（ R ，观察波形频率变化规律，分别测量 Rw调至最大和最小时的方波频率 f F ）min 和 f max ， 并与理论值比较。

测量数据如表格5 中。可知，与理论分析相吻合。

3.三角波信号发生器

（1）设计一个由运放构成的方波­三角波发生器，技术指标如下：

振荡频率范围为 1~2KHz 三角波振幅调节范围为 2~4v 采用 uA741 运放

①∵ Vo2 m=∴

R W 1

× V Z R2

取 VZ = 7 v , R2 = 20 K

RW1

R 20 K

=2 ×Vo2m=×V o2 m =

VZ 7V

Vo2 m = 2v

Vo2 m = 4v

∴ RW 1 =5.7K+ 10 K 电位器 ②∵ T=4R W 1

×RW 2 × C R2

取 C=22nf

Vo2 m =

2v

R W 2 =

R 2

=

RW 1×C×

f 4 0

f0 = 1K

f0 = 2 K

Vo2 m = 4v

R 2

R == W 2

RW 1×C×

f 4 0

f0 = 1K

f0 = 2 K

∴取 RW 2 =10K+ 47 K 电位器

③取 R1 = 10 K ， R3 = 10 K ， Rf = 1M  （2

）测量

表 6 三角波信号发生器的测量

由表中分析，所设计的电路满足指标要求。

4.用555定时器设计并实现一个间歇单音发生器

（1）单音的频率约 360Hz，其间歇周期约0.7s。

①设计

IC1：∵ T=0.7(R1+2R2) × C1  取 R2 = 10 K ， C1 = 47 uF

∴ RT1=

0.7C-2R0.7 S 4

2 =- 6

-2´10= 1.3 KHz 1  0.7´47´ 10

∴取 R1 =1K+ 1K  电位器 IC2：∵ f =

1.43

(R3+ 2R4)C  取 R4 = 10 K ， C2 = 0.1uF

2

∴ R3=

1.43f×C -2R1.43 4 4 =- 7

-2´10= 19.7 KHz 2

360´ 10 ∴取 R3 =10K+ 10 K 电位器

②测量

表 7  555 定时器的测量

IC1：调节 R 使间隙周期为 0.7s。有二个方法：①用数字示波器 1 电位器，­嘟­”的次数为n及所用的时间为t时，其间隙周期 T 。

IC2：调节 R Hz 。 3 电位器，使 f= 360

②用喇叭，当喇叭发出“嘟

t

n

（2）若要求间歇单音发生器的发音时间远大于休止时间，且保持间歇周期不变。

①设计

IC1 可以改为下面电路

RRDC设 R V ，则 R1=R2 = R W 抽头置于中间位置时，输出 o 1 为方波（ D = 50% ） ∵ T= 0.7 S

∴ 0.7(2R+RW+2RD )C1 = 0.7 S

∴ R= 4.7 K

- 6

取 RW = 10 K ， C1 = 47uF  ， RD = 1K

当 R tPH=0.7(R1+RD )C1 =0.7(4.7K+1K)´47´10W 抽头置于上端时， 当 R tPH=0.7(R1+W 抽头置于中间时，

= 187.5(ms )

R W

+RD )C1 =0.7(4.7K+5K+1K)´47´10- 6 = 352(ms ) 2

- 6

当 R tPH=0.7(R1+RW+RD )C1 =0.7(4.7K+10K+

1K)´47´10W 抽头置于下端时， 当 T不变， R tPH? t W 抽头往下调节时， PL ,可以达到指标要求。 IC2：仍要求 f= 360 Hz ，设计不变。

= 516.5(ms )

②测量

表 8 IC

的测量 IC1：调节 R W 使喇叭发出的“嘟­嘟­”间隙时间由慢变快，即 R W 抽头向上调节时，喇叭为“嘟____嘟 ____”； R tPH= 515(ms) ? t W 抽头向下调节时，其为“嘟_嘟_”。当 R W 抽头置于最下端时， PL ，满足设计 要求。

采用二个二极管构成的 555 多谐振荡器，其输出可以做到占空比小于 50%的脉冲信号（一般只能大于 50%）。

5.搭试完成预习思考要求⑤中的正弦波、方波、三角波函数信号发生器，测量并记录全部输

出波形、输出信号的幅度、频率

（1）设计

① 芯片选择

A 1 、 A 3 ：uA741， A 2 ：LM311

② A 1 ：∵ f=

1

取 C= 0.01uF

11

== 15.9 K

2pC×1K 2p ´10- 8´ 103

11

∴取 R= 51K== 312.2 Hz   ,则 f=- 8

2pRC 2p ´51´103´ 10

∴ R>

取 Rf = 10 K ,∵ A 1 =1+∴取 RW = 47 K 电位器

R W

³ 3 ∴ RW³2Rf = 20 K R f

A V VL = 0v  )，又∵ Vo2 pp

∴取 VCC =± 15v  ， Vo 2 pp =15V-( 1~2V) = 13~14V

A 3 ：∵当 f>> f C ， f C =

1

2p  f× C '

1

时， V O 为积分输出电压 ''

2p  Rf C

∴ R f >> ∴ Rf >>∵ V opp =

'

'

取 C' = 0.1uF

1 ' = 5.1 K 取 R=1M  W f - 7

2p ´312.2´ 10

V o2 pp 4 R'C' f V o2 pp

= 6V

13~14V

= 17.3K~18.7K - 7

24v ´10´ 312.2

∴ R =

'

6v´4C'f

=

∴取 R=10K+ 10 K 电位器， R¢¢= 20 K （2

）测量

'

表 9 函数发生器（正弦波、方波、三角波）的测量

由表中数据可知，所设计的电路符合技术指标要求。

五、选做实验

（1）占空比可变的矩形波信号发生器

①用双踪示波器观察v+ 、v- 的波形，并测量其电压峰­峰值，画出波形。

表 10 占空比可变的矩形波的测量

②调节 R W ，观察波形宽度变化情况，分别测量 R W 调至最大和最小时的矩形波的占空比。

测量数据如表 10 所示。 （2）滑音电路

①分析

VC

V O 2

f

由于脚 5 由原来的V V CC 变为外接 IC1 的积分输出，故 O 2 输出频率是在如上图所示变化的。 ② 测量

2

3

（3）测量必做内容①中输出正弦波的失真度

正弦波的失真度为1.5%

六、思考题

1． 不需要考虑。由于波形产生电路是不需要外加输入信号而自行产生信号输出的电路。采用正、负反馈 结合的方法，依照自激振荡原理产生输出波形，此时运放工作在非线性区。相位补偿和失调调零则是在线 性放大中要考虑的。

2． 请参考书上图 8­3

波形图