集成运算放大器的基本应用：波形发生器实验

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方法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（文氏桥振荡器）

图1.15.1所示为RC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，Rp及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器RP，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。

图1.15.1 RC桥式正弦波振荡器

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：

起振条件：

式中，Rf=RP+R2+(R3//r D)，r D是二极管的正向导通电阻值。

调整反馈电阻Rf（调RP），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Rf。如波形失真严重，则应适当减小Rf。

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。

（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1.15.2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，但三角波的线性较差，主要用于产生方波，或对三角波要求不高的场合。

图1.15.2 方波发生器

该电路的振荡频率：

式中，R1=R1′+RP′, R2=R2′+RP′′。

方波的输出幅值：uomax=±UZ

三角波的幅值：

调节电位器RP（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。如果互不影响，则可通过改变Rf（或Cf）来实现振荡频率的调节。

（3）三角波和方波发生器

如果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1.15.3所示，则比较器输出的方波经积分器积分可得到三角波，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和方波发生器。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1.15.3 三角波和方波发生器

电路的振荡频率：

方波的幅值：uo′max=±UZ

三角波的幅值：

调节RP，可以改变振荡频率；改变比值，可调节三角波的幅值。

三、实验设备与器件

±12 V直流电源；双踪示波器；交流毫伏表；频率计；集成运算放大器μ741×2，电阻、电容若干。

四、实验内容

1．RC桥式正弦波振荡器

按图1.15.1连接实验电路，输出端接示波器。

① 接通±12 V电源，调节电位器RP，使输出波形从无到有，从正弦波到出现失真。描绘uo的波形，记下临界起振、正弦波输出及失真情况下的RP值，分析负反馈强弱对起振条件及输出波形的影响。(www.xing528.com)

② 调节电位器RP，使输出电压uo幅值最大且不失真，用交流毫伏表分别测量输出电压uo、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f0，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，重复步骤②，将测试结果与步骤②的进行比较，分析D1、D2的稳幅作用。

2．方波发生器

按图1.15.2连接实验电路。

① 将电位器RP调至中心位置，用双踪示波器观察并描绘方波uo及三角波uc的波形（注意对应关系），测量幅值和频率，并作记录。

②改变RP动点的位置，观察uo，uc幅值及频率变化情况。把动点调至最上端和最下端，测出频率茫围，并作记录。

③将RP恢复至中心位置，将一只稳压管短接，观察uo波形，分析D2的限幅作用。

3．三角波和方波发生器

按图1.15.3连接实验电路。

① 将电位器Rp调至合适位置，用双踪示波器观察并描绘三角波输出uo及方波输出uo′，测量幅值，频率及Rp值，并作记录。

② 改变RP的位置，观察其对uo，uo′幅值及频率的影响。

③ 改变R1（或R2），观察其对uo， uo′幅值及频率的影响。

五、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1.15.1～1.15.3所示。电路的振荡频率。

② 设计实验表格。

六、思考题

① 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？

② 电路参数变化对图1.15.2、图1.15.3产生的方波和三角波频率及电压幅值有什么影响？

③ 在波形发生器各电路中，“相位补偿”和“调零”是否需要？为什么？

④ 怎样测量非正弦波电压的幅值？

七、实验报告要求

（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振荡器的振荡条件。

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，在同一坐标纸上，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RP变化对uo波形的幅值及频率的影响。

③ 讨论DZ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RP）对输出波形频率及幅值的影响。