进阶7：方波-三角波发生器

方波-三角波发生器

目标

1. 掌握由集成运放构成方波-三角波发生器的基本工作原理

2. 学习方波-三角波发生器的调整测试方法

仪器仪表

仪器	元器件	工具
ADALM2000	- 10kΩ电阻(1/4W)×3	- 面包板
	- 5.1kΩ电阻(1/4 W)×1	- 导线
	- 1kΩ电阻(1/4 W)×1
	- 100kΩ电阻(1/4 W)×1
	- 20kΩ可变电阻(1/4 W)×1
	- 47nF电容×1
	- LED×2
	- LM741集成运放×2

仿真工具

Circuit JS

理论

图1(a)所示是用两块集成运放LM741组成的对称方波和三角波发生器电原理图，图1(b)为其工作波形图。

（a） （b） 图1：方波-三角波发生器及其工作波形图

由图1(a)可见，该电路由${A_1}$组成的滞回比较器和由${A_2}$组成的积分器两个部分构成。${A_1}$产生方波，经${A_2}$积分后产生三角波。电路自激振荡的过程简要叙述如下：

图1(a)中滞回比较器的基准电压${E_i}$ = 0，它输出的高低电位${E_q}$和${E_d}$由稳压管${D_z}$的稳定电压${E_z}$决定，即

$E_q = E_Z$ $E_d = -E_Z$

比较器输入的上限电位为：

$E_{ms} = -\frac{R_t}{R_F}E_d = \frac{R_t}{R_F}E_Z$

比较器输入的下限电位为：

$E_{mx} = -\frac{R_t}{R_F}E_q = -\frac{R_t}{R_F}E_Z$

它的门限宽度为：

$\Delta E_m = \frac{R_t}{R_F}(E_q - E_d) = 2\frac{R_t}{R_F}E_Z$

当${V_{01}}$ = ${E_d}$ = -${E_Z}$时，经电位器Rw分压后加到积分器的输入电压为负值，若${R_w}$的分压系数为${a_w}$，则此值为-${a_w}$ ${E_Z}$。积分器${A_2}$对此电压进行积分，其输出电压将从${E_mx}$线性增长到${E_ms}$，所需时间为${T_1}$。当到达${E_ms}$时，比较输出从${E_d}$突变到${E_q}$ = ${E_Z}$。这时，积分器的输入电压极性变号，变为${a_w}$ ${E_Z}$，积分器反向积分，它的输出电压从${E_ms}$线性下降到${E_mx}$，所需时间为${T_2}$。当回到${E_mx}$时，上述过程又重复，如此形成自激振荡。

若以${T_1}$表示积分器从${E_mx}$积分到${E_ms}$所需的时间，以${T_2}$表示积分器从${E_ms}$积分到${E_mx}$所需的时间，则有

$T_1 = \frac{2R_tRC}{a_WR_F}$ $T_2 = \frac{2R_tRC}{a_WR_F}$

振荡器的振荡频率fz为

$f_z = \frac{1}{T_1 + T_2} = \frac{R_F}{4R_tRC}a_w$

可以看出，这是一个对称的方波和三角波振荡器，选用不同的${E_Z}$值，可调节输出方波的幅值，同时也影响三角波的幅值；改变比值${R_t}$ /${R_F}$，可调节三角波的幅值，不影响方波的幅值，但影响振荡频率；改变${R_w}$分压系数${a_w}$和积分时间常数RC，可调节振荡频率，但不影响输出波形的幅值。一般用R或C作频率量程切换，${R_w}$作量程内频率细调。电路最高振荡频率受积分运算放大器的上升速率和最大输出电流限制，最低振荡频率取决于积分漂移。

Circuit JS仿真

方波-三角波发生器仿真图参考图：

图2：方波-三角波发生器仿真图

实验

1.按照图1(a)，插接面包板——方波-三角波发生器，并对电路进行检测。

2.接通ADALM2000±5V电源。

图3：方波-三角波发生器实验电路

3.主要参数测试

(1)方波参数的测量

C=0.047μF，R=100kΩ，调整电位器${R_w}$中心抽头位于上端，用示波器观测方波、三角波的参数。

①方波的最大峰-峰值 ${V_{p-p}}$=__________(v)

②方波的脉冲宽度 ${T_1}$ =___________ (ms)

③方波的周期 ${T_Z}$ =___________ (ms)

(2)三角波参数的测量

①三角波的最大峰-峰值${V_{p-p}}$=___________ (V)

②三角波的周期${T_Z}$=___________ (ms)

(3)保持${R_w}$位置不变，用示波器同时观察并记录对称的方波和三角波，并注意它们之间的时间相位关系

${E_q}$=___________ (V)
${E_d}$=___________(V)

${E_{ms}}$=__________ (V)
${E_{mx}}$=__________(V)

${T_1}$=___________ (ms)
${T_2}$=___________(ms)

测量结果与(1)、(2)两步骤的数据相比较。

(4)改变${R_W}$，注意记录波形频率的变化范围${f_{H}}$和${f_{L}}$。

练习

设计一个锯齿波发生器。

参考图：

图4：锯齿波发生器原理图

Circuit JS仿真参考图：

图5：锯齿波发生器仿真图1 图6：锯齿波发生器仿真图2