方波三角波发生电路的设计及仿真

长春理工大学

国家级电工电子实验教学示范中心

学生实验报告

2016 —— 2017 学年 第 1学期

实验课程

方波三角波发生电路的设计及仿真

实验地点 学 院 专 业

学 号

姓 名

1

实验项目 实验时间 预习成绩 一、 实验目的 12.07 方波三角波发生电路的设计及仿真 实验台号 报告成绩 1、学习用集成运算放大器构成的方波和三角波发生电路的设计方法。 2、学习方波和三角波发生电路主要性能指标的测试方法。 二、实验原理 1．方波和三角波发生电路型式的选择 由集成运放构成的方波和三角波发生器的电路型式较多，但通常它们均由滞回比较器和积分电路组成。按积分电路的不同，又可分为两种类型：一类是由普通RC积分电路和滞回比较器所组成，另一类由恒流充放电的积分电路和滞回比较器所组成。 简单的方波和三角波发生电路如图3-1所示。其特点是线路简单，但性能较差，尤其是三角波的线性度很差，负载能力不强。该电路主要用作方波发生器，当对三角波要求不高时，也可选用这种电路。 图3-1 简单的方波和三角波发生电路 更常用的三角波和方波发生电路是由集成运放组成的积分器与滞回比较器组成，如图3-2所示。由于采用了由集成运放组成的积分器，电容C始终处在恒流充、放电状态，使三角波和方波的性能大为改善，不仅能得到线性度较理想的三角波，而且也便于调节振荡频率和幅度。 图3-2 方波和三角波发生电路 2

f分析图3-2电路可知，方波和三角波的振荡频率相同，其值为：1R24RCR1。方波的输出幅度由稳压管 Vom1R1VZR2。

Dz决定，方波经积分器积分后得到三角波，因此三角波输出的幅值（峰值）为： 三、实验内容 1、仿真分析观察方波输出端和三角波输出端的电压波形； 2、．测量方波的幅值Vom、频率fo及频率调节范围。 3．测量三角波的幅值Vom及其调节范围。注意观察在调节过程中波形的变化，并分析其原因。 4．仿真分析运放组成的滞回比较器的电压传输特性，并测出门限值。 四、实验步骤 电路中元件的选择及参数的确定 （1）集成运算放大器的选择 由于方波的前后沿时间与滞回比较器的转换速率有关，当方波频率较高（几十千赫以上）或对方波前、后沿要求较高时，应选择高速集成运算放大器来组成滞回比较器。 （2）稳压管的选择 稳压管的作用是限制和确定方波的幅值，此外方波振幅和宽度的对称性也与稳压管的对称性有关，为了得到稳定而且对称的方波输出，通常都选用高精度双向稳压二极管，如2DW7。R3是稳压管的限流电阻，其值根据所用稳压管的稳压电流来确定。 （3）分压电阻R1和R2阻值的确定 R1和R2的作用是提供一个随输出方波电压而变化的基准电压，并由此决定三角波的输出幅度。所以R1和R2的阻值应根据三角波输出幅度的要求来确定。已知VZ=6V，若要求三角波的峰值为Vom1=3V，若取 R1=10kΩ，则R2=20kΩ。当要求三角波的幅值可以调节时，R1和R2则可以用电位器来代替。 （4）积分元件R和C参数的确定 R和C的值应根据方波和三角波发生器的振荡频率fo来确定。当分压电阻R1和R2的阻值确定后，先选择电容C的值，然后确定R的阻值。 对于图3.3所示电路，为了减小积分漂移，应尽量将电容C取大些。但是电容量大的电容，漏电也大，因此通常积分电容应不超过lμF。 3．方波和三角波发生电路的调试方法 方波和三角波发生电路的调试，应使其输出电压幅值和振荡频率均能满足设计要求。为此可用示波器测量方波和三角波的频率和幅值。调整电阻R的阻值，可以改变振荡频率fo；调整电阻R1和R2的阻值，可以改变三角波的输出幅度。 参考的输入网单文件如下： A drvie R4 1 2 500 R1 4 8 10K R2 8 1 20K R3 9 1 100 DZ1 1 10 DMOD DZ2 0 10 DMOD VCC 5 0 DC 12 VEE 6 0 DC -12 X1 0 2 5 6 4 UA741 X2 8 0 5 6 9 UA741 3

C1 2 4 1U .MODEL DMOD D IS=2E-14 RS=3 BV=4.85 IBV=1UA .LIB EVAL.LIB *V4 4 0 1 *.DC V4 -5 5 0.01 *.DC V4 5 -5 0.01 .TRAN 5US 12MS .PROBE .END 五、实验数据记录及处理 1、运行.TRAN语句，可获得： 8.0V(6.0262m,6.0093)5.0V0V-5.0V(5.3629m,-6.0096)-8.0V0sV(1) Time2.0ms4.0ms6.0ms7.0ms 图一，输出方波电压波形 8.0V5.0V(5.7292m,3.20990V(5.2082m,-2.9810)-5.0V-8.0V0sV(4)2.0ms4.0ms Time6.0ms7.0ms 图二，输出三角波电压波形 4

2、运行.DC 语句, 可获得： （1）运行第1个.DC 语句 10V0V(3.0395,-6.0984)-10V-5.0VV(1)-2.5V0V V42.5V4.0V 10V(-3.0400,6.0984)0V-10V-5.0VV(1)-2.5V0V V42.5V4.0V 图三，滞回比较器的电压传输特性 5

10V0V(10.805m,-1.4494)(11.803m,-2.5088)-10V0sV(1) Time4ms8ms12ms R=999 f=500hz 10V0V(5.2188m,-5.1370)(6.3156m,-5.5690)-10V0sV(1) Time4ms8ms12ms R=500 f=1khz 根据上图得出：振荡频率范围：500Hz～1kHz； 6

10V(323.529u,6.0088)(268.908u,747.320m)0V210.084u,-6.0087)-10V0sV(1)0.5msV(4)(689.076u,-750.791m)1.0ms Time1.5ms2.0ms R1=1655 R2=20k, 10V(11.683m,6.0101)(11.342m,5.5703)0V(11.342m,-5.5749)-10V0sV(1)V(4)5ms10ms Time15ms20ms R1=20k R2=20k， 根据上图得出：方波输出电压幅度：Vom=±6V 三角波峰值调节范围：—0.75v～—5.5v，0.75v～5.57v 7

六、实验结论 经过软件模拟结果，证实了上述实验电路能产生方波和三角波，并满足相关要求，方波脉冲幅度为6v，三角波为0.75v～5.57v，振幅稳定，振荡波形对称，没有明显的失真。证实了理论的计算。 七、思考题解答 1、运放采用LM324（高速运放）后会对波形产生什么影响，你能否用仿真波形说明？ 10V(5.4959m,6.0094)(5.2637m,2.9828)0V(5.8052m,-3.1830)(6.0976m,-6.0092)-10V0sV(1)2.0msV(4)4.0ms Time6.0ms8.0ms LM324,此时响应频率更快，波形上升沿、下降沿时间更短，符合系统的响应速度要求。 2、R3的作用是什么?增大其值是否可以？ 答：R3的作用是限幅，不可以增大其值，因为会把输出的幅值变小。 3、测得的信号频率与理论值进行比较？ 答：测得的信号频率与理论值比较相差极小，验证了该实验符合要求。 4、测出电压比较器的门限值？并与理论计算值比较。 答：测出电压比较器的门限值是6v，与理论值基本相符，验证了该实验符合要求。 八、实验心得 通过此次实验： 学会了用集成运算放大器构成的比较器，迟滞比较器等构成的方波的测量方法； 学会了用集成运算放大器构成的方波和三角波发生电路的设计方法； 学会方波和三角波发生电路主要性能指标的测试方法。 知道了对线路进行设计时，考虑系统的各种指标，例如，响应速度，应该选择合适的芯片。 8