矩形波－锯齿波信号发生电路实验

4.2.1　集成运放组成方波－三角波、矩形波－锯齿波信号发生电路实验

1）实验目的

（1）学习用集成运算放大器设计方波、三角波和锯齿波发生器的方法；

（2）学习测量非正弦信号的幅度、频率的方法。

2）实验原理

实验电路原理图如图4.2.1所示:

图4.2.1　集成运算放大器组成的方波、三角波和锯齿波发生电路

图4.2.1所示的方波、三角波发生器是由滞回电压比较器和积分器连在一起组成的正反馈自激振荡电路，比较器输出方波，积分器输出三角波。方波发生器由三角波触发，积分器对方波发生器的输出信号积分，两者相辅相成，形成统一体。如果合上开关A，则上述电路就形成矩形波、锯齿波发生器:比较器输出矩形波，积分器输出锯齿波。电路分析如下（电位器R_p2的滑动端居中，稳压管VD₁和VD₂的稳压值为U_z）。

滞回电压比较器的上下门限电压回差电压:ΔU_T滞回电压比较器输出电压幅值:U_o1＝｜U_z｜；积分器的充电时间常数:开关A打开:τ＝RC；开关A闭合:τ＝（R∥R_p1）C；积分器的输出电压幅值:U_o2开关A闭合时，锯齿波输出信号的周期:T_A＝T₁＋T₂开关A打开时，三角波输出信号的周期:T_B＝2T₁＝2T₂输出信号的占空比:D＝T₂/T。

3）实验器材

（1）运算放大器:2个；

（2）稳压管（1N4372A:稳定电压3V）:2个；

（3）二极管:1个；

（4）电阻:5个；

（5）可调电阻:200kΩ1个、100kΩ1个、5kΩ1个；

（6）电容:10μF 1个；

（7）开关:1个；

（8）直流电压源；

（9）测试仪器仪表:示波器1台。

4）实验内容及步骤

（1）按4.2.1所示原理图创建电路，并将电路文件命名、存盘。

（2）方波与三角波发生器的测量。

电位器R_p2的滑动端居中，断开开关A，然后接通电源，在示波器中观察方波与三角波的发生过程，待其稳定后，在图4.2.2中画出输出波形，完成表4.2.1的测量，并与理论值比较。根据测量值，稳压管的稳定电压值为:__________V。

图4.2.2　待绘方波与三角波输出波形

表4.2.1　数据记录表1

在电源接通的情况下，调节电路中的电位器R_p2为5kΩ/80%，观察并在图4.2.3中记录示波器中方波及三角波的形状的变化。

图4.2.3　方波与三角波的形状变化

（3）方波与三角波发生器的设计

设计一方波与三角波发生器:要求电路输出信号的周期T＝1s，输出U_o2m＝4V，试设计电路参数，并对所设计的电路进行验证。

（4）矩形波与锯齿波发生器的测量

电位器R_p2的滑动端居中，合上电路中的开关A，然后接通电源，用示波器观察矩形波与锯齿波的发生过程，待其稳定后，记录波形于图4.2.4中，完成表4.2.2的测量，并与理论值比较。

图4.2.4　矩形波及锯齿波波形

表4.2.2　数据记录表2

在电源接通的情况下，调节电路中的电位器R_p1，用示波器观察锯齿波的形状的变化。

（5）矩形波与锯齿波发生器的设计

设计一矩形波与锯齿波发生器:要求电路输出信号的周期T＝2s，输出U_o2m＝3V，占空比D＝0.4。试设计电路参数，并对所设计的电路进行验证。

5）实验报告要求

（1）分析电路工作原理。

（2）整理各项理论和实验数据，分析实验结果，得出结论，并画出相关的曲线图。

（3）将根据步骤（3）和（5）要求设计电路的测试数据与理论值比较，验证电路的正确性。如存在问题，提出相应的改进措施。

（4）回答思考题。

6）思考题

（1）电位器R_p2对输出波形有何影响？并用理论分析证明。

（2）电位器R_p1对输出波形有何影响？并用理论分析证明。

（3）为什么电路中的开关A断开时，积分器的输出波形为三角波，而当开关A合上时，积分器的输出波形则为锯齿波？试简述原因。