实验十一   集成运算放大器的基本应用（Ⅳ）

   ─ 波形发生器 ─

　　一、实验目的

　　1、 学习用集成运放构成正弦波、方波和三角波发生器。

　　2、 学习波形发生器的调整和主要性能指标的测试方法。

　　二、实验原理

　　由集成运放构成的正弦波、方波和三角波发生器有多种形式，本实验选用最常用的，线路比较简单的几种电路加以分析。

　　1、 RC桥式正弦波振荡器（文氏电桥振荡器）

图11－1为R_­­C桥式正弦波振荡器。其中RC串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，R₁、R₂、R_W及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器R_W，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。利用两个反向并联二极管D₁、D₂正向电阻的非线性特性来实现稳幅。D₁、D₂采用硅管（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。R₃的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。

电路的振荡频率

 　　

起振的幅值条件

≥2　

   式中R_f＝R_W＋R₂＋（R₃ // r_D），r_D — 二极管正向导通电阻。

　　调整反馈电阻R_f（调R_W），使电路起振，且波形失真最小。如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大R_f。如波形失真严重，则应适当减小R_f。

改变选频网络的参数C或 R，即可调节振荡频率。一般采用改变电容C作频率量程切换，而调节R作量程内的频率细调。

图11－1  RC桥式正弦波振荡器

　　2、方波发生器

由集成运放构成的方波发生器和三角波发生器，一般均包括比较器和RC积分器两大部分。图11-2所示为由滞回比较器及简单RC 积分电路组成的方波—三角波发生器。它的特点是线路简单，但三角波的线性度较差。主要用于产生方波，或对三角波要求不高的场合。

电路振荡频率

 　　　　　　　　　

　　式中　R₁＝R₁'＋R_W'    R₂＝R₂'＋R_W"

方波输出幅值　　 　U_om＝±U_Z

三角波输出幅值　

调节电位器R_W（即改变R₂／R₁），可以改变振荡频率，但三角波的幅值也随之变化。如要互不影响，则可通过改变R_f（或C_f）来实现振荡频率的调节。

图11－2  方波发生器

　　3、　三角波和方波发生器

如把滞回比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统，如图11－3 所示，则比较器A₁输出的方波经积分器A₂积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波、方波发生器。图11－4为方波、三角波发生器输出波形图。由于采用运放组成的积分电路，因此可实现恒流充电，使三角波线性大大改善。

                  

图11-3  三角波、方波发生器

　　电路振荡频率 　　

　  方波幅值　     　U′_om＝±U_Z

　　三角波幅值　   　

调节R_W可以改变振荡频率，改变比值可调节三角波的幅值。

图11－4　方波、三角波发生器输出波形图

　　三、实验设备与器件

　　1、±12V直流电源　　   　　     　2、双踪示波器

　　3、交流毫伏表　　   　　 　　      4、频率计

　　5、集成运算放大器 μA741×2        6、二极管 IN4148×2

    7、 稳压管 2CW231×1        电阻器、电容器若干。

　　四、实验内容

　　1、 RC桥式正弦波振荡器

　　按图11－1连接实验电路。

　　1)　接通±12V电源，调节电位器R_W，使输出波形从无到有，从正弦波到出现失真。描绘u_O的波形，记下临界起振、正弦波输出及失真情况下的R_W值，分析负反馈强弱对起振条件及输出波形的影响。

　　2)　调节电位器R_W，使输出电压u_O幅值最大且不失真，用交流毫伏表分别测量输出电压U_O、反馈电压U+和U-，分析研究振荡的幅值条件。

3)   用示波器或频率计测量振荡频率f_O，然后在选频网络的两个电阻

R上并联同一阻值电阻，观察记录振荡频率的变化情况， 并与理论值进行比较。

4)  断开二极管D₁、D₂，重复2)的内容，将测试结果与2)进行比较，

分析D₁、D₂的稳幅作用。

*5) RC串并联网络幅频特性观察

将RC串并联网络与运放断开，由函数信号发生器注入3V左右正弦信号，

并用双踪示波器同时观察RC串并联网络输入、输出波形。保持输入幅值（3V）不变，从低到高改变频率，当信号源达某一频率时，RC串并联网络输出将达最大值（约1V），且输入、输出同相位。此时的信号源频率

       　

　　2、方波发生器

　　按图11－2连接实验电路。

　　1)　将电位器R_W调至中心位置，用双踪示波器观察并描绘方波u_O及三角波u_C的波形（注意对应关系），测量其幅值及频率，记录之。

　　2)　改变R_W动点的位置，观察u_O、u_C幅值及频率变化情况。把动点调至最上端和最下端，测出频率范围，记录之。

　　3)　将R_W恢复至中心位置，将一只稳压管短接，观察u_O波形，分析D_Z的限幅作用。

　　3、三角波和方波发生器

　　按图11－3连接实验电路。

　　1)　将电位器R_W调至合适位置，用双踪示波器观察并描绘三角波输出u₀及方波输出u_O′，测其幅值、频率及R_W值，记录之。

　　2)　改变R_W的位置，观察对u_O、u_O′幅值及频率的影响。

　　3)　改变R₁(或R₂)， 观察对u_O、u_O′幅值及频率的影响。

　　五、实验总结

　　1、 正弦波发生器

　　1)　列表整理实验数据，画出波形，把实测频率与理论值进行比较

　　2)　根据实验分析RC振荡器的振幅条件

　　3)　讨论二极管D₁、D₂的稳幅作用。

　　2、 方波发生器

　　1)　列表整理实验数据，在同一座标纸上，按比例画出方波和三角波的波形图（标出时间和电压幅值）。

　　2)　分析R_W变化时，对u_O波形的幅值及频率的影响。

    3)　讨论D_Z的限幅作用。

　　3、 三角波和方波发生器

　　1)　整理实验数据，把实测频率与理论值进行比较。

　　2)　在同一坐标纸上，按比例画出三角波及方波的波形，并标明时间和电压幅值。

　　3)　分析电路参数变化（R₁，R₂和R_W）对输出波形频率及幅值的影响。

　　六、预习要求

　　1、 复习有关RC正弦波振荡器、三角波及方波发生器的工作原理，并估算图11－1、11－2、11－3电路的振荡频率。

　　2、 设计实验表格

　　3、 为什么在RC正弦波振荡电路中要引入负反馈支路？为什么要增加二极管D₁和D₂？它们是怎样稳幅的？

　　4、 电路参数变化对图11－2、11－3产生的方波和三角波频率及电压幅值有什么影响？（或者：怎样改变图11－2、11－3电路中方波及三角波的频率及幅值？）

　　5、 在波形发生器各电路中，“相位补偿”和“调零”是否需要？为什么？

　　6、 怎样测量非正弦波电压的幅值？

实验十二　RC正弦波振荡器

 

    一、实验目的

  　1、 进一步学习RC正弦波振荡器的组成及其振荡条件

  　2、 学会测量、调试振荡器

    二、实验原理

　　从结构上看，正弦波振荡器是没有输入信号的，带选频网络的正反馈放大器。若用R、C元件组成选频网络，就称为RC 振荡器， 一般用来产生1Hz～1MHz的低频信号。

    1、 RC移相振荡器

    电路型式如图12－1所示,选择R＞＞R_i。

图12－1  RC移相振荡器原理图

    振荡频率 　

    起振条件    放大器A的电压放大倍数｜｜＞29

    电路特点   简便，但选频作用差，振幅不稳，频率调节不便，一般                用于频率固定且稳定性要求不高的场合。

    频率范围    几赫～数十千赫。

    2、 RC串并联网络（文氏桥）振荡器

    电路型式如图12－2所示。

    振荡频率    

  起振条件   ||＞3

电路特点   可方便地连续改变振荡频率，便于加负反馈稳幅，容易得到良好的振荡波形。

图12－2  RC串并联网络振荡器原理图

    3、 双T选频网络振荡器

电路型式如图12－3所示。

图12－3  双T选频网络振荡器原理图

振荡频率     

起振条件      ||＞1

电路特点   选频特性好，调频困难，适于产生单一频率的振荡。

    注：本实验采用两级共射极分立元件放大器组成RC正弦波振荡器。  

 三、实验设备与器件

  　1、 ＋12V 直流电源    2、 函数信号发生器

    3、 双踪示波器        4、 频率计

    5、 直流电压表        6、 3DG12×2 或 9013×2

                              电阻、电容、电位器等

    四、实验内容

  　1、 RC串并联选频网络振荡器

(1)  按图12－4组接线路

图12－4  RC串并联选频网络振荡器

    (2) 断开RC串并联网络，测量放大器静态工作点及电压放大倍数。

    (3) 接通RC串并联网络，并使电路起振，用示波器观测输出电压u_O波形，调节R_f使获得满意的正弦信号，记录波形及其参数。

    (4) 测量振荡频率，并与计算值进行比较。

(5) 改变R或C值，观察振荡频率变化情况。

(6) RC串并联网络幅频特性的观察

将RC串并联网络与放大器断开，用函数信号发生器的正弦信号注入RC串并联网络，保持输入信号的幅度不变（约3V），频率由低到高变化，RC串并联网络输出幅值将随之变化，当信号源达某一频率时，RC串并联网络的输出将达最大值（约1V左右）。且输入、输出同相位，此时信号源频率为

  

    2、 双T选频网络振荡器

    (1) 按图12－5组接线路

    (2) 断开双T网络，调试T₁管静态工作点，使U_C1为6～7V。

    (3) 接入双T网络，用示波器观察输出波形。若不起振，调节R_W1，使电路起振。

    (4) 测量电路振荡频率，并与计算值比较。

图12－5  双T网络RC正弦波振荡器

    * 3、 RC移相式振荡器的组装与调试

(1)  按图12－6组接线路

    (2) 断开RC移相电路，调整放大器的静态工作点，测量放大器电压放大倍数。

    (3) 接通RC移相电路，调节R_B2使电路起振，并使输出波形幅度最大，用示波器观测输出电压u_O波形，同时用频率计和示波器测量振荡频率，并与理论值比较。

* 参数自选，时间不够可不作。

图12－6  RC移相式振荡器

    五、实验总结

  　1、 由给定电路参数计算振荡频率，并与实测值比较， 分析误差产生的原因。

    2、 总结三类RC振荡器的特点。

    六、预习要求

  　1、 复习教材有关三种类型RC振荡器的结构与工作原理。

  　2、 计算三种实验电路的振荡频率。

  　3、 如何用示波器来测量振荡电路的振荡频率。

第二篇：简易正弦波三角波方波发生器

/*****************************************************************简易正弦波\三角波\方波发生器使用keil C51,12MHZ晶振,AT89C20512005.03.25通过测试******************************************************************/#include "reg51.h"#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define key P3 //键盘口#define dataout P1 //正弦波等数据输出口///*************************正弦波数据表*****************************/uchar code sin_tab[256]={0x80,0x83,0x85,0x88,0x8A,0x8D,0x8F,0x92,0x94,0x97,0x99,0x9B,0x9E,0xA0,0xA3,0xA5,0xA7,0xAA,0xAC,0xAE,0xB1,0xB3,0xB5,0xB7,0xB9,0xBB,0xBD,0xBF,0xC1,0xC3,0xC5,0xC7,0xC9,0xCB,0xCC,0xCE,0xD0,0xD1,0xD3,0xD4,0xD6,0xD7,0xD8,0xDA,0xDB,0xDC,0xDD,0xDE,0xDF,0xE0,0xE1,0xE2,0xE3,0xE3,0xE4,0xE4,0xE5,0xE5,0xE6,0xE6,0xE7,0xE7,0xE7,0xE7,0xE7,0xE7,0xE7,0xE7,0xE6,0xE6,0xE5,0xE5,0xE4,0xE4,0xE3,0xE3,0xE2,0xE1,0xE0,0xDF,0xDE,0xDD,0xDC,0xDB,0xDA,0xD8,0xD7,0xD6,0xD4,0xD3,0xD1,0xD0,0xCE,0xCC,0xCB,0xC9,0xC7,0xC5,0xC3,0xC1,0xBF,0xBD,0xBB,0xB9,0xB7,0xB5,0xB3,0xB1,0xAE,0xAC,0xAA,0xA7,0xA5,0xA3,0xA0,0x9E,0x9B,0x99,0x97,0x94,0x92,0x8F,0x8D,0x8A,0x88,0x85,0x83,0x80,0x7D,0x7B,0x78,0x76,0x73,0x71,0x6E,0x6C,0x69,0x67,0x65,0x62,0x60,0x5D,0x5B,0x59,0x56,0x54,0x52,0x4F,0x4D,0x4B,0x49,0x47,0x45,0x43,0x41,0x3F,0x3D,0x3B,0x39,0x37,0x35,0x34,0x32,0x30,0x2F,0x2D,0x2C,0x2A,0x29,0x28,0x26,0x25,0x24,0x23,0x22,0x21,0x20,0x1F,0x1E,0x1D,0x1D,0x1C,0x1C,0x1B,0x1B,0x1A,0x1A,0x1A,0x19,0x19,0x19,0x19,0x19,0x19,0x19,0x19,0x1A,0x1A,0x1A,0x1B,0x1B,0x1C,0x1C,0x1D,0x1D,0x1E,0x1F,0x20,0x21,0x22,0x23,0x24,0x25,0x26,0x28,0x29,0x2A,0x2C,0x2D,0x2F,0x30,0x32,0x34,0x35,0x37,0x39,0x3B,0x3D,0x3F,0x41,0x43,0x45,0x47,0x49,0x4B,0x4D,0x4F,0x52,0x54,0x56,0x59,0x5B,0x5D,0x60,0x62,0x65,0x67,0x69,0x6C,0x6E,0x71,0x73,0x76,0x78,0x7B,0x7D};///***************************三角波数据表**************************/uchar code thr_tab[256]={0x80,0x81,0x82,0x83,0x84,0x85,0x86,0x87,0x88,0x89,0x8A,0x8B,0x8C,0x8D,0x8E,0x8F,0x90,0x91,0x92,0x93,0x94,0x95,0x96,0x97,0x98,0x99,0x9A,0x9B,0x9C,0x9D,0x9E,0x9F,0xA0,0xA1,0xA2,0xA3,0xA4,0xA5,0xA6,0xA7,0xA8,0xA9,0xAA,0xAB,0xAC,0xAD,0xAE,0xAF,0xB0,0xB1,0xB2,0xB3,0xB4,0xB5,0xB6,0xB7,0xB8,0xB9,0xBA,0xBB,0xBC,0xBD,0xBE,0xBF,0xBF,0xBE,0xBD,0xBC,0xBB,0xBA,0xB9,0xB8,0xB7,0xB6,0xB5,0xB4,0xB3,0xB2,0xB1,0xB0,0xAF,0xAE,0xAD,0xAC,0xAB,0xAA,0xA9,0xA8,0xA7,0xA6,0xA5,0xA4,0xA3,0xA2,0xA1,0xA0,0x9F,0x9E,0x9D,0x9C,0x9B,0x9A,0x99,0x98,0x97,0x96,0x95,0x94,0x93,0x92,0x91,0x90,0x8F,0x8E,0x8D,0x8C,0x8B,0x8A,0x89,0x88,0x87,0x86,

0x85,0x84,0x83,0x82,0x81,0x80,0x7F,0x7E,0x7D,0x7C,0x7B,0x7A,0x79,0x78,0x77,0x76,0x75,0x74,0x73,0x72,0x71,0x70,0x6F,0x6E,0x6D,0x6C,0x6B,0x6A,0x69,0x68,0x66,0x66,0x65,0x64,0x63,0x62,0x61,0x60,0x5F,0x5E,0x5D,0x5C,0x5B,0x5A,0x59,0x58,0x55,0x55,0x55,0x54,0x53,0x52,0x51,0x50,0x4F,0x4E,0x4D,0x4C,0x4B,0x4A,0x49,0x48,0x44,0x44,0x45,0x44,0x43,0x42,0x41,0x40,0x40,0x41,0x42,0x43,0x44,0x45,0x46,0x47,0x48,0x49,0x4A,0x4B,0x4C,0x4D,0x4E,0x4F,0x50,0x51,0x52,0x53,0x55,0x55,0x56,0x57,0x58,0x59,0x5A,0x5B,0x5C,0x5D,0x5E,0x5F,0x60,0x61,0x62,0x63,0x66,0x65,0x66,0x67,0x68,0x69,0x6A,0x6B,0x6C,0x6D,0x6E,0x6F,0x70,0x71,0x72,0x73,0x77,0x75,0x76,0x77,0x78,0x79,0x7A,0x7B,0x7C,0x7D,0x7E,0x7F};///******************************************************************************/uint data THHL=65535; //T1的16位定时器初值uchar data keyword,n=0; //键值存放,查表指针bdata sinthr;sbit sin_thr=sinthr^0; //正弦波\三角波标志(1为正弦波)sbit ww=key^7; // 方波输出口///*******************************键扫描子函数***********************************/keyscan(){keyword=key&0x07;if(keyword!=0x07){while((key&0x07)!=0x07);//等待键释放switch(keyword){case 6:{if(THHL>=65235)THHL=65535;else{THHL=THHL+255;}break;}//case 5:{if(THHL<=500)THHL=0;else{THHL=THHL-255;}break;}//case 3:{sin_thr=~sin_thr;break;}//default:{break;}//}}}///***************************初始化函数****************************************/clearmen(){key=0xff,dataout=0x00;THHL=65535;//按键输入状态,波形输出为0TH1=THHL/256;TL1=THHL%256;//装定时初值（T1用）TMOD=0X11;ET1=1;TR1=1;EA=1;//16 位定时模式,T1中断允许,开定时器,开总中断}///*********************************主函数***************************************/main(){clearmen();while(1){keyscan();}}///***********************************T1中断函数**********************************/void time_intt1(void) interrupt 3 {EA=0;TR1=0;TH1=THHL/256;TL1=THHL%256;TR1=1;if(sin_thr){dataout=sin_tab[n];}else {dataout=thr_tab[n];}if(n>=255){n=0;}else{ n++;}ww=~ww;EA=1;}////***********************************结束****************************************//