清华大学模拟电路实验报告3_波形产生电路

实验日期 2010年5月24日 实验室 229 实验台 21

清华大学电子工程系

电子技术实验报告

模拟电路实验三 波形产生电路

系别 班级 学号 姓名

电子系 无87班 2008011222 高鸣宇

一、实验目的

（1）通过实验掌握由集成运放构成的正弦波振荡电路的原理与设计方法。

（2）通过实验掌握由集成运放构成的方波（矩形波）和三角波（锯齿波）振荡电路的原理

与设计方法。

（3）了解运放摆率对振荡波形跳变沿的影响。

二、实验任务

正弦波、三角波及脉冲方波的产生。 基本内容：

正弦波振荡电路的内容； 提高内容1：

在基本内容的基础上加做多谐振荡电路的方波及三角波的产生； 提高内容2：

在提高内容1的基础上另作多谐振荡电路的矩形波及锯齿波的产生。 研究内容：

改善多谐振荡器输出波形的跳变沿。

三、实验电路与实验原理

1．RC桥式正弦振荡电路

RC桥式正弦振荡电路如图3.1所示。其中R1、C1、R2、C2为串并联选频网络，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。运放构成负反馈同相放大电路，其中R3、RW及R4为负反馈网络，调节RW即可改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路的电压增益，使之满足自激振荡的幅度条件。二极管D1、D2的作用是输出限幅，改善输出波形。

对RC桥式正弦振荡电路，正反馈系数为

F



VfVo







Z11



Z1Z23j(0)

0



当0

11

时，反馈系数幅值极大，F，而相角F0。

3RC

1

由自激振荡条件分析可知，只有当0时，F0，满足振荡的相位平衡条

RC

f0

1

2RC

件，因此振荡频率为

电路的起振条件为Avf3。调节RW即可使Avf略大于3。

另外，图中两个二极管D1、D2为稳幅元件。当输出电压增大到一定幅度时，二极管导通，其动态电阻与R4并联，使反馈系数加大，电压增益下降，维持输出电压的幅度基本稳定。

2．多谐振荡电路

电路如图3.2所示。运放A1和电阻R1、R2等组成同相输入的滞回比较器，电阻R3和稳压管DZ构成输出限幅电路。运放A1和电阻R4、C构成积分电路。其输出电压vO2反馈至滞回比较器的输入端，形成闭环，使电路产生自激振荡。滞回比较器的输出vO1为方波，积分电路的输出vO2为三角波。

不难推导出，电路的振荡频率，输出电压vO1、vO2的幅度分别为

f0

R1

4R2R4C

Vom12VZ Vom2

2R2

VZ R1

四、电路设计

对图3.2电路略加修改，使之变成矩形波和锯齿波振荡电路，即vO1为矩形波，vO2为锯齿波。要求锯齿波的逆程（电压下降段）时间大约是正程（电压上升段）时间的20%。观测vO1、vO2的波形。

设计电路如图3.3所示。

其中主要的改进在于积分电路部分。将

同时增加一正一反R4换成一个滑动变阻器，

两个二极管，使得在上升和下降阶段输入电压降在不同阻值的电阻上，产生不同大小的积分电流，以使锯齿波上升和下降的斜率不同。调节滑动变阻器的滑动头，即可改变上升下降时间比。

图3.4是仿真结果。

五、实验数据处理

1．正弦振荡电路

1. 不同RW下的波形特点对比

RW/k

Ω

V

p-p

/V

f

/Hz

波形特点

不稳定正弦波（噪声）正弦波 略有失真的正弦波 有切顶的正弦波 四种波形如下：

2. 不失真最大幅值

波形参数：Vp-p=21.65V，f=993.8Hz。 此时测得RW=18.96kΩ。 此时，电路的闭环增益为

R3R3R4RW

Avf3.8963 

RRRR4W33

因此有AvfF3.896/31，满足起振条件。电路最后将由于非线性器件的限制，由

1

AvfF1过渡到AvfF1，达到幅度平衡。

3. 断开二极管的影响

波形参数：Vp-p=21.65V，f=993.8Hz。 此时测得RW=10.60kΩ。

可见，断开二极管后，波形的幅度和频率并没有明显改变。但从实验中可看到，此时略微改变RW的阻值，正弦波即消失或出现切顶。

由此可见，两个二极管D1、D2为稳幅元件。当输出电压增大到一定幅度时，二极管导通，其动态电阻与R4并联，使反馈系数加大，电压增益下降。输出电压的幅度越大，二极管的电流越大，其动态电阻越小，反馈系数越大，电压增益也越小，从而维持输出电压的幅度基本稳定。因此，在有二极管时可以在较大的范围内维持正弦波形，而没有二极管时正弦波只能在一个很小的范围内出现。

2．多谐振荡电路 1. 方波

Vom=10.8V，f=2.065kHz，tr=28.5μs，tf=29.0μs。

2. 三角波

Vom=6.46V，f=2.065kHz。

3. 矩形波和锯齿波振荡电路

锯齿波参数：

Vom=11.95V，f=3.853kHz，t上升段=217.5μs，t下降段=42.0μs。

六、思考题

（1）图3.1中的电位器调到什么位置时最好（电路既容易起振，又能输出较好的正弦波）？

解：起振要求AvfF1，由于F=1/3，因此要求Avf3。又由于如果Avf3，随振荡幅度的增大，放大电路会进入非线性严重的区域，输出波形会产生较明显的失真。因此，要求Avf略大于3，使电路能够起振，能获得幅度较大、波形较好的正弦波。

（2）设图3.1中的两个并联二极管的导通电压约为0.7V，其他元件参数如图中所示，请估算在刚进入稳定振荡时输出电压的幅度。如果欲增大输出电压幅度，应采取什么办法？

解：

(a)刚进入稳定振荡时，应有

AvfF1

而

1

R3R3R4RW

Avf

R3R3R4RW

1

F

3

因此

R3R4RW

3

R3

可解得

RW10

由R1、C1、R2、C2选频网络构成的正反馈的反馈系数为F

1

，因此有 3

vNvPFvO

对R3、RW及二极管构成的回路，有

vO

3

解得

(b)在幅度最大时，测得

vN

(R3RW)VDvO R3

vO3VD2.1V

RW18.96

代入

vN

(R3RW)VDvO式，解得 R3

vO28.8VD20.2V

测量结果Vp-p=21.65V与理论值十分接近。

（3）在图3.2所示电路中，如将运放A2的输出改接至运放A1的反相输入端（电阻R2下端

接地），电路能否正常工作？为什么？

解：不能。多谐振荡器要求电路中有正反馈产生自激振荡。而将运放A2的输出改接至运放A1的反相输入端时，输出接于反相输入端构成的是负反馈。当有噪声干扰产生输出波

形时，不能反馈回输入端增大输入，因此无法实现自激振荡，因此不能正常工作。

（4）在图3.2所示电路中，vO2的幅度由哪些参数决定？如果要求提高vO2的幅度，应采用

什么办法？

解：从电路可推知

Vom2

2R2

VZ R1

即由电阻R1、R2及稳压管稳压值VZ决定。这是因为R1、R2和VZ决定了滞回比较器的阈值电压，只有当输出电压反馈回输入端的值变化到阈值电压时，输出才会改变。

由此公式知，要增大vO2的幅度，可以提高比值R1/R2或增大稳压管稳压值VZ。

（5）修改图3.2所示电路，使之变成矩形波和锯齿波振荡电路，可以采取哪些办法？

解：要使多谐振荡器的上升段和下降段的时间不同，应使积分电路的RC值在正反向时不同，使积分的倍数不同，从而在上升和下降时有不同的斜率，导致不同的上升下降时间。因此，可采用一正一反两个二极管使充放电电流流经不同的支路，如下图1。或者只用一只二极管，使充电（或放电）电流可流经额外的回路，如下图2。

总之，要使充放电电流流经的RC值不同，以使充放电有不同的斜率，导致不同的上升下降时间。

（6）由运放组成的多谐振荡器电路，其输出波形（方波或矩形波）的跳变沿主要决定于什

么？如果要缩短其上升时间和下降时间（使波形变陡），可采取哪些方法？

解：方波（或矩形波）的跳变沿的产生是运放从VOH（或VOL）跳转到VOL（或VOH）的过程。由于在两个饱和电压间的切换需要经过线性区，即三极管需要从饱和区回到放大区或从放大区到达饱和区，这会减慢运放的工作速度。运放在大信号下工作速度主要受限于其转换速率（摆率）。

由上分析可知，缩短上升和下降时间（使波形变陡）主要可以有三种方法：一是更换摆率参数更大的运放。二是构造正反馈回路，使输出端的跳变反馈回输入端，加快跳变速度。三是在输出端连接一个单稳态触发器，将波形整形，输出成为边沿陡峭的同频率矩形波。

附、原始记录