RC波形发生电路实验.doc

1、 实验目的 学习使用运放组成方波发生器、三角波发生器、锯齿波发生器和正弦波发生器2、 实验仪器 示波器、信号发生器、交流毫伏表、数字多用表3、 实验原理（1） 方波发生器方波发生器设电路通电瞬时，电容上的电压为0，电路输出为Vz，这时运放正相输入端为VP1=VzR1/(R1+R2)=FVz运放输出电流经R3，RP,R4向电容C充电。运放反相输入端Vn随时间延续电压升高，当vn=VP1时，电路输出翻转，vo由Vz变为-Vz，vp由VP1=FVz变为VP2=-FVz。这时由“地”向电容反相充电，vn随时间延续电压下降，当vn=VP2，电路输出翻转，vo由-VZ变为Vz，vp由VP2=-FVz变为FVz，周而复始，电路输出方波。在稳态，输出为Vz的时间可用以下方法推导：在起始时刻，电容上的电压为Vc(0)=-FVz,电容充电的终了电压为Vz，所以电容上的电压为Vc（t）=Vz+（-FVz-Vz）e（-t/RC）当电容上的电压达到FVz时，电路翻转，记电容充电时间为FVz=Vz+（-FVz-Vz）e（-t/RC）=RCln（1+F）/（1-F）输出方波的周期为2，所以输出方波的周期为T=2（Rp+R4）Cln（1+2R1/R2）+RPNRPP（2） 占空比可调的矩形波发生器与方波发生器相比，非C正向充电和反向充电使用的不同的路径，从而使得高电平持续时间和低电平持续时间不同。当输出为高电平Vz时，运放输出的电流经Rpp，D1,R4向电容充电，类同于对方波发生器的分析，忽略二极管的开启电压，容易得到输出高电平的持续时间为1=（Rpp+R4）Cln（1+2R1/R2）类似地可求得输出低电平的持续时间为 2=（Rpn+R4）Cln（1+2R1/R2） 输出的周期为T=1+2=（Rp+2R4）Cln（1+2R1/R2）占空比为=1/2=（Rpp+R4）/（Rpn+R4）（3） 三角波发生器设电路通电瞬间，即t=0时，电容上的电压为0，积分器输出vo=0，过0比较器输出为vo1=Vz，这时运放AR1正相输入端电压为Vp1=（Vz-vo）Rp/（R1+Rp）+vo=RpVz/（R1+Rp）+voR1/（R1+Rp）0 运放AR1输出保持为高电平。积分器输出线性地下降。当Vp1等于0时，对应于时刻，这时过0比较器翻转，vo1=-Vz，记此刻的积分器输出电压值为VoN，有RpVz/（R1+Rp）=-R1VoN/（R1+Rp） 解得 VoN= -RpVz/R1VoN=-1/R3C=-Vz/R3C三角波周期为 T=4=4R3RpC/R1幅值为 Vom=|von|=RpVz/R1（4） 锯齿波发生器RPNRPP图7.6 锯齿波发生器与三角波发生器相比，不同之处是：给C正向充电和反相充电使用了不同的路径，从而使得输出Vo1高电平持续时间和低电平持续时间不同。电容反相充电电流经过C,R4,Rpn，D2，类似于对三角波周期的推导，忽略二极管的开启电压，容易得到锯齿波的下降时间为2=2（Rpn+R4）R1C/R2电容正向充电电流经过C,R4,Rpp，D1，忽略二极管的开启电压，容易得到锯齿波的上升时间为1=2（Rpp+R4）R1C/R2锯齿波的周期为T=1+2=2（Rp+2R4）R1C/R2类似于对三角波幅值的推导，容易得到锯齿波的幅值为 Vom=R1Vz/R24、 实验项目1. 仿真（1） 方波发生器仿真值R4+Rp/k20406080100幅值/v3.363.373.383.373.36周期/ms6.418.3410.3712.4414.21分析：随着Rp阻值的改变，幅值几乎不发生变化，但是周期随着Rp的增大而增大结论：符合预期。（2） 占空比可调的矩形波发生器R4+Rpp/k20406080100R4+Rpn/k10080604020周期/ms10.610.911.110.910.7幅值/V3.373.373.373.373.37占空比0.20.5125分析：无论Rpp和Rpn怎么变，矩形波的幅值不变，当占空比为1的时候周期最长，而当占空比越偏离1的时候，周期越小，但是这个差距并不明显。结论：符合预期。（3） 三角波发生器Rp=10kVoVo1幅值/V3.7563.35周期/ms9.39.4Rp=15kVoVo1幅值/V5.1343.35周期/ms14.114.1分析：通过改变Rp的阻值可以改变三角波的周期结论：Rp变大，三角波的周期变大（4） 斜率可调锯齿波发生器Rp/k1030507090幅值/V3.363.383.563.323.40周期/ms64.3463.2164.4862.2363.211/ms10.418.230.840.948.72/ms49.841.331.420.29.9分析：随着Rp的改变，当Rp处于滑动变阻器的中间值时幅值最大，从中间向两边递减。周期几乎没什么变化。结论：符合预期。2. 实物实验（1） 方波发生器实验值：R4+Rp/k20406080100幅值/v5.85.95.95.95.9周期/ms3.45.67.69.611.6理论分析值：R4+Rp/k20406080100T/ms4.49.613.217.622分析：同仿真结论：周期数据比仿真值和理论计算值要小很多，周期实验数据可能出错，幅值数据大约是仿真的2倍（2）占空比可调的矩形波发生器R4+Rpp/k20406080100R4+Rpn/k10080604020周期/ms8.28.48.58.48.1幅值/V5.95.95.95.95.9占空比0.20.5125理论分析值R4+Rpp/k20406080100T/ms13.213.213.213.213.2分析：同仿真。结论：幅值数据大约是仿真的2倍，周期数据比仿真数据小一些而理论值小更多，实验有误差（3）三角波发生器Rp=10kVoVo1幅值/V5.455.65周期/ms8.888.9Rp=15kVoVo1幅值/V8.25.9周期/ms13.213.2分析：改变Rp的值，即可改变三角波的周期，且Rp的值越大，三角波的周期越大结论：周期数据大致相等，幅值数据大约是仿真的2倍（4）斜率可调锯齿波发生器Rp/k1030507090幅值/V6.055.95.95.96.05周期/ms62.561.661.461.662.71/ms8.919.329.334.242.12/ms41.433.427.419.78.9理论估算值Rp/k10305070901/ms8.817.626.435.2442/ms4435.226.417.68.8分析：1和2数据与理论计算值差不多，周期数据大致相等，幅值数据大约是仿真的2倍，1和2数据和仿真相差很大结论：仿真数据不精确，实验和理论相符。五、实验小结和思考题1. 实验小结本次实验比较顺利，在老师的两次帮助下提前完成了。这次实验我认识到了电路板上电源出的保险丝的重要性，由于电路中有短路线路，保险丝熔断保护了电路，证明老师以前一直强调的电源接法对安全的重要性。本次实验最大的失误在于把书上电路图中的“+”号误以为是电源接入点，把电源正相输入端