用运放构成波形产生器电路

【实验目的】

(1)了解掌握矩形波和三角波产生电路的工作原理。

(2)加深对运放线性和非线性应用的认识和理解。

(3)掌握波形产生电路的设计和调测方法。

【设计任务】

(1)使用集成运放设计一个频率可调的方波发生器电路。

给定条件:

◆±12 V供电;

◆集成运放μA741。

指标要求:

◆振荡频率20 Hz～2 k Hz;

◆方波输出幅度Uop=±6 V左右。

(2)将任务(1)所得电路改造成一个占空比可调的矩形波发生器。

(3)使用集成运放设计一个频率可调的方波、三角波发生器电路。

给定条件:

◆±12 V供电;

◆集成运放自选。

指标要求:

◆振荡频率100 Hz～10 k Hz可调;

◆方波输出峰峰值12 V±15%;

◆三角波输出峰峰值为8 V±10%;

◆方波输出信号的上升和下降时间小于10μs。

(4)利用图8.7.7电压-频率电路,设计一个高温报警装置。

给定条件:

◆±12 V供电;

◆环境温度变化范围10～50℃;

◆温度传感采用NTC10k热敏电阻,其他元器件自选;

◆NTC10k温度—阻值对应如表8.7.1所示。

功能要求:

◆环境温度不超过25℃,绿色LED亮,红色LED灭,扬声器静音。

◆环境温度超过25℃,绿色LED灭,红色LED亮,扬声器响起报警声,警报声音调随温度的升高而升高。

表8.7.1　NTC10k温度—阻值对照表

【测试任务】

1.频率可调的方波发生器的调测

(1)静态检测

断掉负反馈使电路停振,检测运放μA741的2、3、4、6、7的直流电压正常。

(2)动态测试

①调整电路起振,观察振荡输出的幅度是否符合要求;

②调测振荡输出的频率范围;

③分别记录频率为100 Hz和2 k Hz的振荡波形,对比二者的不同;

④测输出方波的上升时间tr和下降时间tf,分析运放的压摆率SR与输出方波上升、下降时间的关系。

⑤同时观察输出方波和反相输入端的负反馈波形,比较其相位和幅度关系,理解电路的工作过程。

2.占空比可调的矩形波发生器的测量

测试任务(1)完成后。将电路改装成占空比可调的矩形波发生器,用示波器观测输出波形,记录输出信号的频率和占空比调节情况。

3.方波、三角波发生器电路的调测

(1)静态检测

断开前后级之间的连接使电路停振,检测运放的各引脚的直流电压正常。

(2)观测振荡波形

①调整电路起振,示波器同时观察振荡输出的方波和三角波幅度以及频率调节范围是否符合要求,测量方波的上升和下降时间。

②记录f=1 k Hz时的方波和三角波的波形。

4.实际调整测试高温报警电路的功能

(1)静态检测

电压控制端接地使电路停振,检测运放的各引脚的直流电压正常。

(2)观测振荡波形

①电压控制端接低频三角波信号,调整电路起振,示波器观察振荡电路两级输出波形。

②接入温度检测电路,大致在10～50℃范围内改变环境温度,调测高温报警的实际功能。

【提高要求】

从以上已经调测完毕的电路中任选一个,焊接到PCB上并保障其工作正常。

【实验预习】

(1)查阅相关集成电路芯片的相关资料和数据手册,了解器件相关特性和使用注意事项。

(2)阅读本实验【相关知识】,掌握相关电路的分析、设计和调测方法。

(3)设计相关电路,列出详细设计过程,画出完整详细的电路图,并对电路进行仿真和分析。

(4)拟定详细的调测操作步骤,设计相关数据表格,列出实验注意事项。

(5)在面包板上搭建实验电路。

(6)预习思考题:

①图8.7.4电路中,运放A1的同相输入端所接电阻Rf1和Rf起到什么作用?应该如何取值?反相输入端电阻R1和输出端电阻RO的作用是什么,如何取值?

②如果将图8.7.4电路中A1的反相输入端接一个不为零的参考电压,是否可以使uo1的占空比不再是50%?

③如果使用分向电路,使图8.7.4电路中A1的反馈电阻Rf1在不同的输出状态下有不同的取值,是否可以使uo1的占空比不再是50%?

【报告撰写】

实验之前

◆参考本书附录“实验报告格式”,结合实验预习过程完成报告1～5项。

实验之后

◆结合实验过程继续完成报告6～9项。

【相关知识】

1.关于张弛振荡

张弛振荡电路中的器件工作于强非线性区,并在某些时刻器件的工作状态发生急剧变化,由一种强非线性区转换至另一种强非线性区,即工作状态发生反转,如此周而复始,电路连续输出包含两种状态的信号。

张弛振荡电路输出的信号,既有变化缓慢的部分,也有变化剧烈的部分。信号除基波外还包含丰富的谐波,故张弛振荡器又称为多谐振荡器。

2.集成运放构成的方波发生器

图8.7.1是方波发生器的基本电路,电路中的集成运放与同相输入端的R1和Rf构成滞回电压比较器,输出信号uo通过R1和Rf分压后,在运放同相输入端形成比较电压。同时uo通过负反馈电阻R,为运放反相输入端提供输入信号。

电路具体工作过程如下:

电路上电瞬间,由于运放输入失调电压的存在,电路将有或正或负的输出uo,数值接近电源电压。若uo为正,通过R1和Rf分压运放同相输入端的电压也为正,即正比较电压Uth+;同时uo通过R向电容C充电,运放反相输入端电压即电容上的电压uc上升,当上升到大于Uth+后uo从正值反转为负值,同时运放同相端的电压同样反转为负,即负比较电压Uth-,同时电容C经过电阻R放电,电容上的电压uc下降,当下降到小于Uth-后uo从负值又反转为正值,电路继续重复以上过程。电路持续振荡,uo为幅度接近电源电压的方波。

若一开始uo为负,同样道理电路振荡持续输出方波。(www.xing528.com)

而uo的频率与比较电压的大小、电容C的充放电速度有关,具体为:

实际应用中,往往需要特定幅度的方波信号。实用的方波发生器可以在图8.7.1基本电路的基础上,加入稳压二极管用于限幅,具体如图8.7.2所示。图8.7.2中,RO用于限流以防止输出电流过大,2DW为双稳压管,可以限定输出方波正负两个方向上的幅度。选用不同稳压值的稳压管,可以得到不同输出幅度的方波。

图8.7.1　方波发生器基本电路

图8.7.2　实用的方波发生器电路

带有限幅措施的方波发生器振荡频率同样由式(8.7.1)计算。

3.方波三角波发生器

方波积分可以得到三角波,如果在上述方波发生器后面接一级积分电路,就可以得到三角波出输uo2,如图8.7.3所示。

图8.7.3　方波发生器和积分器级联

图8.7.3中可以看出积分电路同样要用到RC电路,因此可以考虑将前面方波发生器中的RC省略,直接将积分输出的三角波作为前级滞回电压比较器的输入信号,以简化电路结构。

需要注意,由于积分电路为反相接法,积分输出uo2与方波输出uo1反相,所以积分输出uo2应反馈接入第一级运放A1的同相端,才能满足振荡的相位关系。具体电路如图8.7.4所示。

图8.7.4　方波三角波发生器

图8.7.4所示电路中,前级运放A1构成一个同相输入的过零电压比较器,其输出方波uo1的幅度由双稳压管2DW决定。

通过电位器RW的分压,方波uo1的一部分送入第二级A2构成的反相积分器,积分结果为三角波uo2。uo2通过电阻Rf反馈到第一级A1的同相输入端。

运放A1的同相端电压uA1+由uo1和uo2通过Rf1和Rf的串联叠加共同决定。当uo2的变化使uA1+过零时,引起A1反转,uo1跳变,同时uA1+也发生跳变,而相应地uo2也向反方向变化;uo2变化一段时间后使uA1+再次过零,uo2又一次反转,uA1+再次跳变,uo2又一次转换变化方向……如此往复,电路持续振荡输出方波和三角波。

通过仿真得到uo1、uo2和uA1+的对应波形如图8.7.5所示。

图8.7.5　uo1、uo2和uA1+的对应波形

图8.7.5中,uo1、uo2和uA1+波形各自的零电平位置分别由相应左侧箭头标出。

(1)关于输出信号幅度关系的分析

根据上面分析,uA1+由uo1、uo2和Rf1和Rf决定,根据图8.7.4电路,有:

uo2输出为最大值时,uA1+为零,而uo1为方波,其幅度记为uo1m,式(8.7.2)变为:

化简后,有:

可以看出,uo1m和uo2m符号相反,大小比例由电阻Rf1和Rf的取值决定。习惯上常用信号的峰峰值表示信号幅度的大小,uo1、uo2都是幅度正负对称的波形,所以它们的峰峰值uopp1、uopp2分别是uo1m、uo2m绝对值的两倍,所以有:

即:

因此,图8.7.4所示电路中,方波和三角波的输出幅度uopp1、uopp2的比例由两个反馈电阻Rf1和Rf决定,因此在电路设计时应考虑到uopp1的大小由限幅器件2DW决定,而uopp2的大小受电路电源电压的限制,如果Rf1和Rf取值不当使式(8.7.6)无法满足,则电路无法起振工作。

(2)关于输出信号频率的分析

图8.7.4中,运放A 2构成的反相积分电路输入、输出信号的峰峰值和周期的关系可对照本章实验四中的式(8.4.14)给出:

假设图8.7.4中电位器RW的分压比为x,有:

式(8.7.7)转化为:

联系式(8.7.6),得:

所以,振荡的周期T:

振荡频率:

可以看出,图8.7.4电路输出信号的频率与电位器RW的分压比x、方波三角波的幅度之比、积分时间常数R2Cf三者有关,在和积分时间常数R2Cf确定的情况下,改变x即可改变输出信号的频率,且不影响输出信号幅度。

所以,图8.7.4中电位器RW可用于调节电路的输出信号频率。

4.占空比可调矩形波和锯齿波发生器

图8.7.4中,后级积分电路中电容Cf的充、放电速度相等,充、放电时间相同,积分输出信号uo2的上升沿和下降沿对称;对应的前级电压比较器输出高电平持续时间和低电平持续时间相等的方波。

如果使电容Cf的充电和放电的速度不等,则可以使积分输出uo2的上升沿和下降沿不对称,uo2为锯齿波;同时第一级输出uo1的高、低电平持续时间也不再相同,不再是占空比50%的方波,只能称为矩形波。

改变电容的充、放电速度,大致有以下思路:

①使前级比较器输出的uo1正、负幅度不对称,电容Cf的充、放电电流大小不同,充、放电速度不同。

②使后级积分电路的充电时间常数和放电时间常数不同。

如果需要连续调节uo1和uo2的上升沿和下降沿,可以采用第②种思路,将图8.7.4中的R2替换为图8.7.6所示的分向电路,将积分电路中的充、放电回路分开。

图8.7.6　分向电路

图8.7.6的分向电路在电位左高右低,电流由左向右时VD1导通VD2截止,电流流过VD1和Rw2的上半部分;在电位右高左低,电流由右向左时VD2导通VD1截止,电流流过VD2和Rw2的下半部分。所以用这个电路替代图8.7.4中的R2后,调节Rw2即可调节充、放电回路具有不同的时间常数,从而调节uo2的上升沿和下降沿时间和uo1的高电平和低电平持续时间。

电路工作时,分向电路的等效电阻约等于Rw2的上、下两半部分的并联,所以在Rw2调节的过程中,也会使输出信号的频率发生一定范围的变化。

5.电压-频率转换电路

前面分析了频率可调的方波、三角波发生器的工作原理,可以看到,改变后级积分电路的输入电压,可以改变振荡器的振荡频率。设想一下,如果积分电路的输入由外接电压提供,就可以实现电压-频率转换。按照这一思路,将图8.7.4所示电路进行改进,得到如图8.7.7所示电路。

与图8.7.4电路类似,图8.7.7所示电路中,运放A1构成一个同相输入的过零电压比较器,当其输出uo1为高电平时,uo1H电压值由2DW的稳压值决定;但与图8.7.4电路不同的是,而当uo1为低电平时,二极管VD导通,uo1L的电压值由A2的反相端电压和VD的导通压降决定,VD为硅管时则uo1L大约为-0.6 V。

所以图8.7.7中,uo1的峰峰值为

图8.7.7　简单的电压-频率转换电路

其中,UW为2DW的稳压值,UD为二极管VD的导通压降。

输出uo1为高电平时,二极管VD截止,Ui通过R向电容C充电,uo2电压下降,当降到使uA1+为负时,A1反转使uo1为负,VD导通使uo1约为-0.6 V,C通过VD快速放电,uo2电压急剧升高,但升高到使uA1+为正时,A1又一次反转使uo1为正,VD截止,Ui通过R向电容C充电……如此循环,电路持续振荡。uo1和uo2仿真波形如图8.7.8所示。

图8.7.8　电压—频率转换电路的输出波形

图8.7.8中,uo1、uo2波形各自的零电平位置分别由相应左侧箭头标出。

由图8.7.8可以看出,uo2的一个周期分别由下降沿和上升沿组成,假设下降沿时间为t1上升沿时间为t2,t1远大于t2。下降沿为输入电压Ui通过R对Cf充电过程,上升沿则为电容通过二极管VD放电过程。Ui通过R对Cf充电的过程中,输入电压和输出电压的关系如下:

参考图8.7.8中的波形,将uo2(0)定为uo2的最大值,则uo2(t1)为uo2的最小值。式(8.7.14)化为:

在t1远大于t2情况下,可以认为T≈t1,所以

其中,uopp2由式(8.7.6)决定。在选取Rf和Rf1的阻值时,应注意uo2的最小值应高于积分电路负电源电压1～2 V。

所以,图8.7.7所示电路在元器件确定情况下,Ui为正电压时,电路振荡输出且输出信号的周期T近似与Ui电压值成反比,频率f与Ui的电压值近似成正比,实现了电压-频率的转换。

如果改变图8.7.7中VD的方向,则Ui为负电压可以使电路振荡,振荡输出信号的周期T近似与Ui电压的绝对值成反比,频率f近似与Ui电压的绝对值成正比。