实验 方波、三角波发生器的设计

实验5.4 波形发生器的设计

1．实验目的

（1）学会用集成运算放大器组成方波与三角波发生器。 （2）掌握方波与三角波发生器电路的调试与测量方法。

2．预备知识

（1）LM324介绍

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。 每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中 “+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo ”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图5.4.1。

(2) 方波发生器 基本方波发生器如图5.4.2电路(R 1 = 90k Ω，R 2 = 22k Ω，R 3 = 10k Ω，R 0 = 2.2k Ω，C = 0.01μF 。D 1和D 2采用稳压管，其稳压值为5V ，正向压降为0.7V 。)所示。其中电阻R 2 与R 3 组成正反馈支路；电阻R 1 与电容C 组成的充放电回路是运算放大器的负反馈支路。为了防止放大器输出电流太大而过载，在放大器的输出端串联一个限流电阻R 0。另外为

预习与思考 ① 在方波发生器中,要改变方波的频率,可改变那些元件的值? 方波的频率改变时，方波的幅度会不会改变？ ②在方波、三角波发生器中，若要保持三角波的幅度不变，又要改变三角波的频率，应改变电路中那一个元件的值？

图 5.4.1 LM324的引脚排列

图 5.4.1 LM324的引脚排列

图 5.4.2基本方波发生器

了得到稳定的输出电压，可在方波发生器的输出端加上由稳压管组成的限幅器，方波的幅度完全由稳压管的稳压值决定。

输出电压u o 的极性由u +与u -比较的结果来决定：若u - > u +，则u o 为负；若u -< u +，则u o

为正。在接通电源的瞬间，u o 为负或为正纯属偶然，假设一接上电源时，输出电压为正值， u o = +U OM （饱和压降），则同相输入端的电压u + 为： OM o U R R R u R R R u ⋅++=⋅+=

+3

23

323 （1）

接着输出电压u o 经过电阻R 1向电容C 充电，u c 按指数规律增长。当u c = u +时，输出电压开始翻转，R 2、R 3支路的正反馈作用使翻转过程在极短的时间内完成，输出电压u o 由+U OM 跃变为­U OM ，并通过正反馈使输出电压u o 保持为­U OM 。此时u +变为：

OM U R R R u ⋅+-

=+3

23

（2） u

同时，电容器C 通过电阻R 1放电 ，u c +U 下降。 当u c 下降到等于u + 时， 输出电压 再一次翻转， 使u o = +U OM 。如此周而复始， 则输出电压u o 为周期性的方波，如图2所示。 方波的上升沿和下降沿与集成电路的转 换速率有关，方波的幅值由运放的饱和压降 -U U OM 决定，限制在±U OM 之间。由于电容C 的充放电都是经过R 1进行的，充放电的时间常数相等，因此可得到对称的方波。其周期为： ⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛+

=23121ln 2R R C R T （3） 方波的频率为： ⎪

⎪⎭⎫

⎝

⎛+==

23121ln 21

1

R R C R T

f （4）

由上式可知，改变R 1,R21或C 的值，就可以改变方波的频率。 (3) 三角波与方波发生器

方波与三角波发生器由电压比较器加积分器组成。如图 5.4.4所示。

图 5.4.3 Uc 与Uo 的波形器

u o2

图 5.5.4 方波与三角波发生器

图中：R 1 = 6.8k Ω，R 2 = 10k Ω，R 3 = 30k Ω，R 0 = 3.9k Ω，R 4 = 10k Ω，R 5 = 20k Ω，C = 0.1μF ， D Z1和D Z2采用稳压管。

运算放大器A 1与R 1、R 2、R 3及R 0、D Z1、D Z2组成电压比较器。当积分器的输入为方波

时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，比较器与积分器首尾相连， 形成闭环电路，能自动产生方波与三角波。三角波（或方波）的频率为： C

R R R T f 42341

==

（5） 式（5）表明，若要维持三角波的幅值不变，则R 2、R 3的比值应固定，调节R 4或C 的值可以改变三角波的频率。

3.实验任务与内容

任务

采用集成运算放大器组成方波与三角波发生器。利用multisim 软件完成电路仿真，并采用LM324及相关元器件搭建实际电路，掌握方波与三角波发生器的调试与测量方法。

内容

1． 方波发生器电路的设计与仿真

（1）按图 5.4.1所示电路接线，将双踪示波器两基线的参考地电平调到同一基准电平上，采用示波器同时观察并定量绘出输出电压u o 和电容上的电压u c 的波形，用示波器测算出方波的周期和峰峰值U op-p 及u c 的峰峰值U cp-p ，将测量结果填入表1 中，根据测出的周期T ，算出方波的频率。

表5.4.1 方波发生器电路数据

２．三角波发生器的设计与仿真

完成图5.4.4 电路仿真实验，用示波器同时观察并定量绘出比较器的输出电压u o1和积分器的输出电压u o2的波形，用示波器测出三角波（或方波）的周期T，方波的峰峰值U op-p1和三角波的峰峰值U op-p2。将测量结果填入表2中，根据测出的周期T，算出三角波（或方波）的频率。并与理论值相比较。

表5.4.2三角波发生器电路数据

4．实验设备

（1）综合设计电路实验箱 1只

（2）示波器 1台

5．实验报告要求

（1）将实验所测数据与理论计算结果填入表5.4.1、表5.4.2中，并与理论值相比较，进行误差分析。

(2) 绘出实验内容1和实验内容2所观察的波形。

（3）总结、归纳方波和三角波的发生器组成电路及其实测体会。