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实验7 RC波形发生电路 实验目的 学习使用运放组成方波发生器、三角波发生器和锯齿波发生器。 实验仪器 示波器、信号发生器、交流毫伏表、数字万用表。 预习内容 复习关于用运放组成的方波发生器、三角波发生器、锯齿波发生器和正弦波发生器的基础知识。 定性绘制本实验所用电路的输出波形，估算输出波形的周期。 实验内容 方波发生器 方波发生器电路如图7.1，其工作原理可试述如下。 设电路通电瞬时，电容上的电压为零，电路输出为Vz，这时运放正向输入端电压为 (1) 运放输出电流经R3、RP、R4向 电容C充电。运放反向输入端 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 容反向充电，VN随时间延续电压 下降，当VN=VP2时，电路输出 翻转，Vo由-Vz变为Vz，VP由 VP2=-FVz变为VP1=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，这里“电容充电的终了电压”指“若输出电压Vo不翻转，电容充电的终了电压”，所以电容上的电压为 （2） 其中，R=RP+R4。当电容上的电压达到 FVz时，电路翻转，记电容充电的时间 为τ，则 输出方波的周期为2τ。所以，输出方波 的周期为 （3） 所以，在实验中通过改变RP就可以该变电路输出方波的周期。 通常，由于运放最大输出电流小于稳压二极管的最大稳压电流Izmax，为使运放能正常工作，必须有限流电阻R3。若电路不起振，可适当减小R3的阻值。观察Vc、Vo的波形，并与理论分析的结果相比较。 实验内容 分别测量R4+Rp=20kΩ、40 kΩ、60 kΩ、80kΩ、100k时电路输出波形的幅值和周期，并与理论分析的结果相比较。 2）占空比可调的矩形波发生器 电路如图7.3。与方波发生器相比，给C正向充电和反向充电使用了不同的路径，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持续的时间 （4） 类似地可以求得输出低电平持续的时间 （5） 输出的周期为 （6） 占空比 （7） 实验内容 调整Rp，别测量R4+RPP=20kΩ、40 kΩ、60 kΩ、80kΩ、100k 时电路输出波形的幅值、周期和占空比，并与理论分析的结果相比较。 测量二极管导通时的电压降，计及二极管导通时的电压降，推导图7.3 所示电路周期和占空比，并与测量结果相比较。 三角波发生器 电路如图7.4。它由一个过零比较器和一个积分器组成。其工作原理可试述如下。 设电路通电瞬时，t=0，电容上的电压为零，积分器输出Vo=0，过零比较器输出为Vo1=Vz，这时运放A1正向输入端电压为 (8) 运放A1输出保持为高电平。积分器输出线性地下降。当VP1等于零时刻τ，过零比较器翻 转，Vo1=-Vz，记此时刻的积分器输出电压值为VoN， 由上式可解得 (9) 如图7.5，不难得到三角波的周期4τ。 （10） 将（9）式代入（10）式可得到三角波的周期T （11） 由图7.5还可以得到三角波的幅值为 （12） 实验内容 取RP=10kΩ，观察电路输出波形V0、Vo1，测量输出波形的周期和幅值。 要求改变三角波的周期，可调整哪个元件，实验并测量记录之。 锯齿波发生器 电路如图7.6。与图7.4三角波发生器相比，不同之处是：给C正向充电和反向充电使用了不同的路径，从而使得输出Vo1上升持续时间和下降持续时间不同。电容反向充电电流经过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 (13) 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