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1、实验六实验六 简易函数信号发生器电路的研究简易函数信号发生器电路的研究一、一、实实 验验 目目 的的二、二、实验原理实验原理三、三、实验设备和器件实验设备和器件五、五、实验报告实验报告四、四、实实 验验 仪仪 器器六、六、预习要求及思考题预习要求及思考题一一 实验目的实验目的 1通过实验掌握由运算放大器构成正弦波振荡通过实验掌握由运算放大器构成正弦波振荡电路的原理与设计方法。电路的原理与设计方法。 2通过实验掌握由运算放大器构成方波和三角通过实验掌握由运算放大器构成方波和三角波振荡电路的原理与设计方法。波振荡电路的原理与设计方法。 3通过实验了解函数信号发生器的调整和主要通过实验了解函数信号发
2、生器的调整和主要性能指标的测试方法。性能指标的测试方法。二二 实验原理实验原理1函数信号产生方案 对于函数信号产生电路，一般有多种实现方案，对于函数信号产生电路，一般有多种实现方案，如如模拟电路实现方案、数字电路实现方案模拟电路实现方案、数字电路实现方案(如如DDS方方式式)、模数结合的实现方案、模数结合的实现方案等。等。 数字电路的实现方案：数字电路的实现方案：一般可事先在存储器里一般可事先在存储器里存储好函数信号波形，再用存储好函数信号波形，再用D/AD/A转换器进行逐点恢复。转换器进行逐点恢复。这种方案的波形精度主要取决于函数信号波形的存这种方案的波形精度主要取决于函数信号波形的存储点数
3、、储点数、D/AD/A转换器的转换速度、以及整个电路的时转换器的转换速度、以及整个电路的时序处理等。其信号频率的高低，是通过改变序处理等。其信号频率的高低，是通过改变D/AD/A转换转换器输入数字量的速率来实现的。器输入数字量的速率来实现的。 模拟电路的实现方案：模拟电路的实现方案：是指全部采用模拟电路的方式，是指全部采用模拟电路的方式，以实现信号产生电路的所有功能，本实验的函数信号产生电以实现信号产生电路的所有功能，本实验的函数信号产生电路采用全模拟电路的实现方案。路采用全模拟电路的实现方案。 对于波形产生电路的模拟电路的实现方案，也有几种电对于波形产生电路的模拟电路的实现方案，也有几种电路
4、方式可供选择。本实验选用最常用的，线路比较简单的电路方式可供选择。本实验选用最常用的，线路比较简单的电路加以分析。如用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过路加以分析。如用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波，其电路框零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波，其电路框图如图图如图6.1所示。所示。图6.1模拟电路实现方案框图 2R C桥式正弦振荡电路桥式正弦振荡电路 RC桥式正弦振荡电路如图桥式正弦振荡电路如图6.2所示。其中所示。其中R1、C1和和R2、C2为串、并联选频网络，接为串、并联选频网络，接于运算放大器的输出与同相于运算放大器的输出与同相输
5、入端之间，构成正反馈，输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。以产生正弦自激振荡。 R3、RW及及R4组成负反馈组成负反馈网络，调节网络，调节RW可改变负反馈可改变负反馈的反馈系数，从而调节放大的反馈系数，从而调节放大电路的电压增益，使电压增电路的电压增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。益满足振荡的幅度条件。图6.2 R C桥式正弦振荡电路 为了使振荡幅度稳定，通常在放为了使振荡幅度稳定，通常在放大电路的负反馈回路里加入非线性大电路的负反馈回路里加入非线性元件来自动调整负反馈放大电路的元件来自动调整负反馈放大电路的增益，从而维持输出电压幅度的稳增益，从而维持输出电压幅度的稳定。图中的两个二
6、极管定。图中的两个二极管D1，D2便是便是稳幅元件。当输出电压的幅度较小稳幅元件。当输出电压的幅度较小时，电阻时，电阻R4两端的电压低，二极管两端的电压低，二极管D1、D2截止，负反馈系数由截止，负反馈系数由R3、RW及及R4决定；当输出电压的幅度决定；当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管增加到一定程度时，二极管D1、D2在正负半周轮流工作，其动态电阻在正负半周轮流工作，其动态电阻与与R4并联，使负反馈系数加大，电并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。输出电压的幅度越大，压增益下降。输出电压的幅度越大，二极管的动态电阻越小，电压增益二极管的动态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基
7、本也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。稳定。313RRf313RRf)/(4DWfrRRRRCf2123RRf图6.2 R C桥式正弦振荡电路 当：当：R1=R2=R，C1=C2=C时时电路的振荡频率电路的振荡频率 ：起振的幅值条件起振的幅值条件 ： 为了维持振荡输出，必须让为了维持振荡输出，必须让 为了保证电路起振，为了保证电路起振， 调整电阻调整电阻RW （即改变（即改变了反馈了反馈R f ），使电路起振，），使电路起振，且波形失真最小。如不能起且波形失真最小。如不能起振，则说明负反馈太强，应振，则说明负反馈太强，应适当加大适当加大R f ，如波形失真，如波形失真严重，则应适当减少严重，则
8、应适当减少R f。 改变选频网络的参数改变选频网络的参数C 或或R，即可调节振荡频率。，即可调节振荡频率。一般采用改变电容一般采用改变电容C 作频率作频率量程切换（粗调），而调节量程切换（粗调），而调节R作量程内的频率细调。作量程内的频率细调。图6.2 R C桥式正弦振荡电路 由图6.3可知 ： 电路翻转时： 即得： 图6.3 迟滞比较器1202121PiRRVVVRRRR0PNVV021VRRVVthi图6.4 迟滞比较器电压传输特性3比较器比较器 迟滞比较器的电路图如图迟滞比较器的电路图如图6.3所示。该比较器是一个具有迟滞回所示。该比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。由于正反馈作用
9、，这种比较器的门限电压是随输环传输特性的比较器。由于正反馈作用，这种比较器的门限电压是随输出电压出电压V0的变化而变化。在实际电路中为了满足负载的需要，通常在的变化而变化。在实际电路中为了满足负载的需要，通常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的 和和 。OHVOLV4方波和三角波发生器方波和三角波发生器 由集成运算放大器构成的方波和三角波发生器，由集成运算放大器构成的方波和三角波发生器，一般均包括比较器和一般均包括比较器和RC积分器两大部分。如图积分器两大部分。如图6.5所示所示为由迟滞比较器和集成运放组成的积分电路所构成的方为由迟
10、滞比较器和集成运放组成的积分电路所构成的方波和三角波发生器。波和三角波发生器。图6.5 方波和三角波发生器电路4.1方波和三角波发生器的工作原理方波和三角波发生器的工作原理 A1构成迟滞比较器，同相端电位构成迟滞比较器，同相端电位Vp由由VO1和和VO2决定。决定。利用叠加定理可得：利用叠加定理可得： 当当 Vp0时时 A1输出为正，即输出为正，即VO1 = +Vz；当；当 Vp0时，时， A1输出为负输出为负 即即 VO1 = -Vz0212201121VRRRVRRRVPA2构成反相积分器构成反相积分器 VO1为负时，为负时， VO2 向正向变化，向正向变化， VO1 为正时，为正时， V
11、O2 向负向负向变化。假设电源接通时向变化。假设电源接通时VO1 = -Vz，线性增加。，线性增加。当：当： 时，可得：时，可得：当当VO2上升到使上升到使Vp略高于略高于0v时，时，A1的输出翻转到的输出翻转到VO1 = +Vz 。 ZVRRV21020)()(21122121ZZPVRRRRRVRRRV 同样同样 时时当当VO2下降到使下降到使Vp略低于略低于0时，时， VO1 = - Vz 。这样不断的重。这样不断的重复，就可以得到方波复，就可以得到方波VO1 和三角波和三角波VO2 。其输出波形如图。其输出波形如图6.6所示。输出方波的幅值由稳压所示。输出方波的幅值由稳压管管DZ决定决
12、定 ，被限制在稳压值，被限制在稳压值Vz之间。之间。电路的振荡频率：电路的振荡频率： 方波幅值方波幅值 ： =三角波幅值：三角波幅值： = 调节调节 可改变振荡频率，可改变振荡频率，但三角波的幅值也随之而变化。但三角波的幅值也随之而变化。ZVRRV210202V01V2014WRfRRCZV21RRZVWR 三三 实验设备与器件实验设备与器件 1.直流电源：直流电源：12V； 2.双踪示波器；双踪示波器； 3.交流毫伏表；交流毫伏表； 4.频率计；频率计； 5.集成运算放大器：集成运算放大器：LM324 ； 6. ； 7.电阻器、电容器若干只。电阻器、电容器若干只。 12,D D4148 2I
13、N四四 实验内容实验内容 按照图6.7所示连接电路，首先将K1断开、K2闭合分别进行RC桥式正弦波振荡器和方波、三角波发生器的调试。然后将K1闭合、K2断开进行函数信号发生器电路的联调。 图6.7 函数信号发生器实验电路1.RC桥式正弦波振荡器桥式正弦波振荡器 （1）通）通12V电源，缓慢调节电位器电源，缓慢调节电位器RW1使电路起振，使电路起振， 输出波形从无输出波形从无 到有，从有正弦波输出到波形出到有，从有正弦波输出到波形出现失现失 真。并定性描绘出真。并定性描绘出V01的波形。的波形。 （2）仔细调节电位器）仔细调节电位器RW1，使电路输出较好的正弦波形，使电路输出较好的正弦波形， 测
14、出振荡频率和幅度以及相对应的测出振荡频率和幅度以及相对应的RW1值，并分析负值，并分析负 反馈强弱对起振条件及输出波形的影响。反馈强弱对起振条件及输出波形的影响。 （3）在）在R1、R2或或C1、C2上并接同值电阻或电容，用示波上并接同值电阻或电容，用示波 器观察输出电压波形，并测出相应频率，了解振荡频器观察输出电压波形，并测出相应频率，了解振荡频 率的调整方法。率的调整方法。 （4）将两个二极管断开，观察输出波形有什么变化，并分）将两个二极管断开，观察输出波形有什么变化，并分 析析D1、D2的稳幅作用。的稳幅作用。2.方波和三角波发生器方波和三角波发生器（1）将）将RW2调到合适的位置上，用
15、双踪示波器观察调到合适的位置上，用双踪示波器观察V02、 V03波形，并计录此时输出波形的幅值、频率及波形，并计录此时输出波形的幅值、频率及RW2 的值。的值。（2）调整）调整RW2的位置，观察对的位置，观察对V02、V03波形频率和幅值波形频率和幅值 的影响。的影响。（3）改变）改变R1（或（或R2）的值，观察对）的值，观察对V02、V03波形、频率和波形、频率和幅值的影响。幅值的影响。3. 联调联调 用双踪示波器观察用双踪示波器观察V01、V02、V03的波形，开记录相关数据的波形，开记录相关数据五五 实验报告实验报告 1.列表整理实验数据，画出波形，把实测频率列表整理实验数据，画出波形，
16、把实测频率与理论值进行比较。与理论值进行比较。 2.根据实验分析根据实验分析RC振荡器的振幅条件。振荡器的振幅条件。 3.讨论二极管讨论二极管D1、D2的稳幅作用。的稳幅作用。 4.在同一张坐标纸上，按比例画出正弦波、方在同一张坐标纸上，按比例画出正弦波、方波及三角波的波形，并标明时间和电压幅值。波及三角波的波形，并标明时间和电压幅值。 5.分析并讨论分析并讨论R5、R6和和RW2的改变对三角波幅的改变对三角波幅值和频率的影响。值和频率的影响。六六 预习要求及思考题预习要求及思考题 1复习有关复习有关RC正弦波振荡器、三角波及方波正弦波振荡器、三角波及方波发生器的工作原理。发生器的工作原理。 2设计实验表格设计实验表格 3理解为什么在理解为什么在RC正弦波振荡电路引入负反正弦波振荡电路引入负反馈支路？为什么要增加二极管馈支路？为什么要增加二极管D1和和D2？ 思考题思考题 1.振荡电路中还有哪些稳幅方法？振荡电路中还有哪些稳幅方法？ 2.电路要起振，电路要起振，R3与与RW1和和R4的阻值应该的阻值应该满足什么关系？是否越大越好？为什么？满足什么关系？是否越大越好？为什么？