集成运算放大器组成的波形变换与产生电路

一．实验目的

1．掌握运放在开环，正反馈下的特点 2．熟悉比较器电路，搞清其工作原理

3．掌握正弦波发生器，方波发生器，三角波发生器的电路及其工作原理

二．实验原理

1．运放在开环，正反馈下的特点

运放在开环或引入正反馈下，它工作在限幅区（非线性工作区），这时运放有两个重要特点：

1）运放的两个输入端不取电流。

2）运放的两个输入端不一定是等电位（是否等电位与输入信号大小有关），而当两个输234入端等电位时，运放的输出状态发生翻转。即当V-由小于V+变至等于（稍大于）V+时，运放由正向限幅状态变为负向限幅状态；当V-由大于V+变至等于（稍小于）V+时，运放由负123向限幅状态变至正向限幅状态。运放只是在正向限幅和负向限幅两种状态转换瞬间经过线性工作区。 2．比较器 图6—1（a）是将运算放大器在开环下应用构成一个电压比较器，输入电压Vi与参考电D压VRef相比较，其传输特性如图6—1(b) 所示。当VRef0时，即输入电压与零电平相比较，则称之为过零比较器。 ViVRefVotVOMViCAVRefVoVRefViVOVOMt-VOM-VOMB （a）开环比较器 （b）传输特性 （c）波形变换 图6—1 开环比较器及其传输特性 如果引入正反馈，可以构成具有回线形状传输特性的滞回比较器。图6—2 (a) 所示为一反相输入的滞回比较器，该电路 当VOVOM时 A上门限电压V1R1VOM

R1Rf当VOVOM时

12342下门限电压V2R1(VOM) 3R1Rf3442D回差电压VV1V2 因此当Vi 由小增大到等于V1时，运放由正向限幅状态翻转为负向限幅状态，而当Vi由大减小到等于V2时，运放由负向限幅状态翻转为正向限幅状态，电路的电压传输特性如 图6—2 (b)所示。 ViVOViCVOMVoR1Rf-VOMV2V1ViV1V2tVOVOMt-VOMB （a）滞回比较器 （b）滞回比较器传输特性 （c）波形变换 图6—2 滞回比较器及其传输特性 如果图6—1 (a)和6—2 (a)中Vi为正弦波，则VO为方波如图6—1 (c)和图6—2 (c)所示，由此，比较器可以实现波形的变换。 若为了使输出电压的幅度被在VZ，可采用双向稳压管DZ，电路如图6—3所示，图中R是稳压管的限流电阻。 R1KVi VoA + Rf ±VzR147K Dz20K±6V 123 图6—3 具有限幅的滞回比较器 3．方波发生器 方波发生器是一种能产生方波的信号发生电路，由于方波包含各次谐波分量，因此方波A41234发生器又称为多谐振荡电路。 方波发生器的基本电路如图6—4所示，它是由一个反相输入的滞回比较器（其传输特性见图6—2 (b)）和一个RC积分电路组成。 10KC0.1uF-Vc+R120K+RRP10K+VZ+R31KV'o2VR1R1+R2VOVZVCARVo±Vz±6V-R1R1+R2tVZT47KDz-VZ （a）方波发生器 （b）波形图 图6—4 方波发生器及其波形图 电路接通电源瞬时，电路的输出为正向限幅还是负向限幅纯属偶然，设输出处于正向限3幅，即VO=VZ时，则电容C充电，其上电压VC按指数规律上升，当45VC上升到等于R1VZ 6R1R2时，运放的输出翻转为负向限幅，VO=-VZ。若输出处于负向限幅，即VO=-VZ时，则电容C放电，其上电压VC按指数规律下降，当VC下降到等于-R1VZ时，运放的输出又翻R1R2转为正向限幅，如此循环不已，形成方波输出电压，波形图见图6—4（b）所示。 由分析可知，输出方波的周期为 T2RCln(12R1) R24．三角形发生器 三角波发生器电路如图6—5（a）所示，它由一个同相输入滞回比较器（其传输特性请读者自己分析）和一个积分器构成。滞回比较器的输出作为积分器的输入，积分器的输出（即三角形发生器的输出）作为滞回比较器的输入。 12C0.1uFVVZR1VR2Z34VO1VO2R310KA1R2R4VO12KR10KR510KA2VO2R110K20KVZ6Vt-R1R2VZDZ-VZ （a）三角波发生器电路图 ( b) 波形图 图6—5 三角波发生器 设电源接通时，VO1VZ，则VO2线性下降，当VO2下降到23R14VZ时，运放A1输R2R1VZ时，R2出翻转，变为VO1VZ；当VO1VZ，则VO2线性增长，当VO2增长到运放A1再次输出翻转，变为VO1 = VZ。这样反复不已，便可得到方波VO1和三角波VO2，波形图如6-5（b）所示。 三角波的峰值VO2m周期T4R1RC R2R1VZ R25．正弦波信号发生器 图6—6所示电路是由运放构成的RC桥式振荡电路，它是由选频网络（为RC串并联网络，它兼作正反馈网络）和同相输入比例放大器组成。 R 10K C 0.01uFVf VOARf D1RC 10K0.01uFR2 10KRP47KR1 10KD2 图6—6 正弦波信号发生器 振荡频率为ff01 2RCVf1，只有同相放大器的放大倍数 V03在频率f0 下，正反馈网络的反馈系数FA1Rf3时，才能满足振荡的振幅平衡条件AF1，因此应Rf2R1。为了使电R1路起振应使AF略大于1，即应Rf 略大于2R1，这可由调节RP来实现。 电路中采用二极管来实现稳幅作用，由于起振时输出电压幅度较小，尚不足以使二极管导通，而后随着输出幅度增加，正向二极管导通，其正向电阻逐渐减小，2此时R34f2R1，直至Rf2R1时振荡稳定。二极管两端并联电阻R2用于适当削弱二极管的非线性影响，以改善输出波形。

三．实验内容

1． 滞回比较器

1）按图6—3接好电路。 2）观察输入、输出波形。

输入加正弦信号，频率f = 150HZ，大小Vi = 2V（有效值），用示波器观察Vi，VO的波形（注意将Vi接CH1，VO接CH2）。

3） 观察、测量传输特性曲线。

将示波器置于X—Y显示方式，观察传输特性曲线，测出传输特性曲线上输出电压的限幅值，输入电压的两个门限电压值。

2．方波信号发生器

1）按图6—4（a）接好电路。 2）观察VO、VC的波形，分别在R = 10K、R = 20K的情况下测量VO、VC的峰峰值VOPP、VCPP，振荡周期T，频率 f ，且和理论值相比较。

3．三角波信号发生器

1）按图6—5 ( a ) 接好电路。

2）用示波器观察VO1、VO2的波形，测量三角波的峰峰值VO2m，周期T，且和理论值相比较。

4．正弦波信号发生器 1）按图6—6接好电路。

2）调整电路使之振荡，观察输出电压波形，测量振荡频率。

适当调节电位器RP，使电路产生振荡，用示波器观察输出波形，应为稳定的最大不失真正弦波，测量输出电压的大小VOm（峰值），周期T，计算出振荡频率f1，且与理论T值相比较。

3）验证幅度平衡条件

在输出为稳定的最大不失真正弦波情况下，测量V+（Vf）、V-、VO，验证同相比例放大器放大倍数AVO是否等于3（V+、V-、VO均为有效值，用交流毫伏表测量）。 Vf5．设计一个方波信号发生电路，要求方波的频率为2KHZ。

四．预习要求

1．搞清运放在开环，正反馈下的基本特点。

2．搞清滞回比较器的基本电路及其工原理。对图6—5（a）中同相输入滞回比较器，分析其电压传输特性VO1f(VO2) 。

3．对方波、三角波信号发生器实验电路，理论计算它们的振荡周期，频率，输出电压的峰峰值，以便和测量值相比较。理论计算正弦波振荡器实验电路的振荡频率。

4．复习示波器的X—Y显示、测量方法。

五．思考题

1．反相输入滞回比较器与同相输入滞回比较器的传输特性曲线有何不同？ 2．试推导方波发生器，三角波发生器振荡周期公式。

3．正弦波发生器中，集成运放的两个输入端是否应等电位，运放工作在线性区还是非

线性区？ 实验测得v_、vo是否相等，这是为什么？

六．实验仪器及器材

1．电子技术实验箱 MS-ⅢA型 1台 2．直流稳压电源（±12V）DS-2B-11 1台 3．双踪示波器 502B型 1台 4．函数发生器 EE11B型 1台 5．交流毫伏表 1台 6．集成运放 OP07 2只