运放组成的波形发生器电
路设计
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运放组成的波形发生器电路设计、装配与调试
1． 运放组成的波形发生器的单元电路
运放的二个应用：⑴ 线性应用-RC 正弦波振荡器 ⑵ 非线性应用-滞回比较器 ⑴ RC 正弦波振荡器
RC 桥式振荡电路如图3-9所示。
图3-9 RC 桥式振荡电路
RC 桥式振荡电路由二部分组成：
① 同相放大器，如图3-9（a ）所示。
② RC 串并联网络，如图3-9（b ）所示。
或图3-9（c ）所示，RC 串并联网络与同相放大器反馈支路组成桥式电路。
同相放大器的输出电压uo 作为RC 串并联网络的输入电压，而将RC 串并联网络的输出电压作为放大器的输入电压，当f=f 0时, RC 串并联网络的相位移为零，放大器是同相放大器，电路的总相位移是零，满足相位平衡条件，而对于其他频率的信号，RC 串并联网络的相位移不为零，不满足相位平衡条件。
由于RC 串并联网络在 f=f 0 时的传输系数F ＝1/3，因此要求放大器的总电压增益Au 应大于3，这对于集成运放组成的同相放大器来说是很容易满足的。
由R 1、R f 、V 1、V 2及R 2构成负反馈支路，它与集成运放形成了同相输入比例运算放大器。
只要适当选择R f 与R 1的比值， 就能实现Au>3的要求。
其中，Ｖ1、Ｖ2和R 2是实现自动稳幅的限幅电路。
1
1R R A f u +
=RC
f π210=
① 振荡原理
RC 桥式振荡电路如图3-9所示。
根据自激振荡的条件，φ=φa+Φf=2πn ，其中RC 串并联网络作为反馈电路，当f=fo 时，φf=0°，所以放大器的相移应为φa=0°，即可用一个同相输入的运算放大器组成。
又因为当f=fo 时，F=1/3，所以放大电路的放大倍数A ≥3。
起振时A>3，起振后若只依靠晶体管的非线性来稳幅，波形顶部容易失真。
为了改善输出波形，通常引入负反馈电路。
其振荡频率由RC 串并联网络决定，图3-9（c ）为RC
桥式振荡电路的桥式画法。
RC 串并联网络及负反馈电路中的Rf+'2
R 、R1正好构成电桥四臂，这就是桥式振荡器名称的由来。
在RC 串并联网络中，
取C C C R R R ====2121，
当虚部为零，即)/(11221C R C R ωω=时，3/1=F
② 稳幅原理
V 1、V 2和R 2是实现自动稳幅的限幅电路。
V 1、V 2仅一只导通，导通的二极管和R 2并联等
效电阻为'2R 。
根据同相放大器的放大倍数计算公式：1
'
2
1R R R A f ++=可知输出电压幅度与
'2
R 有关。
)1()1(1
11111//
1
2
121211222211
222
2122
22
2221
11C R C R j R R C C C R j R C j R C R j R Z Z Z U U F C R j R C j R Z C j R Z o f ωωωωωωωω-+++
=++
++=
+==+=
=+=⋅⋅
⋅
Ⅰ. 振荡小时，'2
R 大，放大倍数大，补偿输出电压幅度。
如图3-10所示A 、B 点。
Ⅱ. 振荡时大，'2
R 小，放大倍数大，补偿输出电压幅度。
如图3-10所示C 、D 点。
图3-10 自动稳幅原理
2．运放组成的波形发生器电路设计
⑴ 运放组成的波形发生器电路设计要求
使用集成运算放大器组成的RC 正弦波振荡器和滞回比较器，连接成一个波形发生器，要求：能产生正弦波、方波两种波形。
其信号频率为2KHz ，正弦波的峰值U om 约为7V ，方波幅值U opp 约为-6～6V 。
参考电路如图3-11所示，电路由二部分组成：RC 桥式正弦波振荡电路，滞回比较器。
图中各元器件参数值应根据要求对有关参数作设计计算,进而正确选择元器件以达到设计要求。
图3-11 正弦波-方波发生器原理图
⑵ RC 桥式正弦波振荡电路设计：
图3-11中A 1是具有稳幅环节的RC 桥式正弦波振荡器，电路要求信号频率为2KHz ，可作设计计算以确定各元件的取值。
电路的振荡频率公式为：
可先将RC 串、并联选频网络中的电容C 取值为0.01μF ，再求得电阻R 的值，此处可取8.2K Ω(标准值)。
正弦波的输出幅度Uom 要求约为7V ，根据电路幅值估算公式：
RC
f π21
=
'
3
'
321om )
(6.0R R R R U ++=
式中,R 3′是指动态时R 3(取3K Ω左右时)与两个二极管并联后的等效电阻，工程估算值约为1.1K Ω。
当R1也取3K Ω时求得R 2的值约为8.73K Ω，考虑设置一个调节范围，此处取10K Ω的电位器。
当然更理想的是可用一个6.2K Ω的固定电阻和一个5K Ω的电位器串联来代替10K Ω的电位器。
⑶ 滞回比较器设计：
A 2是根据电路要求(电路的抗干扰能力强)而选用的滞回电压比较器。
用两个稳定电压为6V 的稳压二极管作为电路输出的限幅电路。
在保证该电路上、下限阈值电压在A1正弦波的输出幅值7V 之内，确定R 4、R 5的大小。
正弦波振荡变换为方波如图3-12所示。
根据A1正弦波的输出1o u =-7～7V 和方波幅值Uopp 约为-6～6V 可知，6±=om U V 。
上、下限阈值电压差：
若R 4=4.7K ，u 1=4V ，则由
得R 5=9.4K ，
3. 运放组成的波形发生器电路装配与调试
⑴ 组装与调试目的
① 学会使用单运放集成电路LM741；
② 学会用基本电路组成实用电路的方法；
14
125
44
2＜u R R R om
U TH U =+=∆8
125
7.47
.462==+⨯
⨯=∆u R TH U
③ 学会系统的测量与调试。
⑵ 组装与调试的设备与器材
通用印制板或通用实验板，LM741两片，稳压管20W7一只，电阻、电容、电位器
若干，±12V 直流稳压电源1台，万用表1块，双踪示波器1台及焊接或插接工具。
⑶ 组装与调试步骤
计算出电路设计值后，即可着手装接和调试。
不论是插接还是焊接均应保证元器件排列合理、接线正确、接触可靠。
检查电路连接无误后才能通电调试。
本电路可先进行分级调，在二者均能正常工作后再联调。
大致步骤如下:
① 调试正弦波振荡器电路，为满足起振条件，注意应使负反馈放大器的电压放大倍数大于3。
用示波器检测该电路的输出波形，调节R 2的值，直至示波器显示正常而稳定的正弦波。
注意：R 2太小电路无法起振，而太大则会失真。
② 用示波器测量该电路的振荡频率与输出幅值的大小。
适当修改R 、C 的数值，以满足频率为2KHz 的要求。
微调R 2电位器的大小,在保证输出正常波形的条件下获得所需的7V 的输出幅值。
③ 调试滞回比较器电路。
用信号发生器产生一个2KHz 正弦波作为该电路的输入信号,用示波器测量输出波形。
适当调节R 4、R 5的比例直到输出一个方波为止。
需注意的是正弦波的幅值应在7V 左右，由R 4、R 5分压获得的上、下限阈值电压一定要小于该幅值。
④ 联调。
在各级单元电路调试完毕后，则可将两者相连，做总调直到工作正常为止，进而测量各有关参数。
1
3
2v 1R R R A ++
=。