【任务描述】

认识矩形波、锯齿波、三角波等非正弦波产生与变换电路及其各组成部分的主要作用。

【知识学习】

矩形波、锯齿波、三角波等非正弦波，实质是脉冲波形。产生这些波形一般是利用元件电容C和电感L的充放电来实现的，由于电容使用起来方便，所以实际中主要用电容。

一、矩形波产生电路

1.基本原理

利用积分电路（RC电路的充放电时的电容器的电压）产生三角波，用电压比较器（滞回）（作为开关）将其转换为矩形波。

2.工作原理

图5.4.1　矩形波产生电路

图5.4.2　矩形波产生电路波形图

图5.4.3　占空比可调的矩形波产生电路

电路如图5.4.1所示。在电容的充电过程中，当充电电压

uc（t）=UTH1=时，输出U o为-U z，电容开始放电；当放电电压。

uc（t）=UTH2=时，输出U o为+U z，电容又开始充电，如此循环，电路输出端就可得到矩形波，如图5.4.2所示。

振荡周期为：

矩形波的占空比为：

占空比可调电路如图5.4.3所示，调节RW就可以调节占空比。

二、三角波产生电路

1.电路组成

从矩形波产生电路中的电容器上的输出电压，如图5.4.1所示的uc，可得到一个近似的三角波信号。由于它不是恒流充电，随时间t的增加uc上升，而充电电流

i充随时间而下降，因此uc输出的三角波线性较差。为了提高三角波的线性，只要保证电容器恒流充放电即可。用集成运放组成的积分电路代替RC积分电路即可。电路如图5.4.4所示。

集成运放A1组成滞回比较器，A2组成积分电路。

2.工作原理

设合上电源开关时t=0，uo1=+Uz，电容器恒流充电，i充=UO=-UC= t线性下降，当下降到一定程度，使A1的U+≤U-=0时，uo1从+Uz跳变为-Uz后，电容器恒流放电，则输出电压线性上升。

uo1和uo波形如图5.4.5所示。

图5.4.4　三角波产生电路

图5.4.5　三角波产生电路波形图

3.三角波的幅值

uo幅值从滞回比较器产生突变时刻求出，对应A1的U+=U-=0时的-Uo值就为幅值。从图5.4.4中看出

因为U+=U-=0，所以

则当uo1=+Uz时

当uo1=-UZ时

4.三角波的周期

由积分电路可求出周期

三、锯齿波产生电路

1.电路组成及原理

三角波产生电路的条件是电容充放电时间常数相等，如果二者相差较大，即为锯齿波产生电路。具体电路如图5.4.6所示。

图5.4.6　锯齿波产生电路

利用VD1、VD2组成控制充放电回路，调整电位器Rw可改变充放电时间常数。如果Rw在中点，则充放电时间常数相等，输出为三角波。如果Rw在最下端，则充电时间常数大于放电时间常数，得负向锯齿波。如果Rw在最上端，则充电时间常数小于放电时间常数，得正向锯齿波

2.锯齿波的幅值

锯齿波的幅值与三角波相似

当uo1=+UZ时，Uom=当uo1=-UZ时，

图5.4.7　锯齿波产生电路波形图

【任务实施】

实训5.4.1　方波、三角波和锯齿波发生器电路的研究与测试

一、实训目的

（1）掌握由运放器电路构成的方波、三角波和锯齿波发生器电路的工作原理。

（2）学会对方波、三角波和锯齿波发生器的调试和参数的整定。

二、实训电路与工作原理

（1）图5.4.8为方波发生器电路图及电压波形图。

图5.4.8　方波发生器电路及电压波形图

对照图5.4.8与图5.3.11，不难发现有两处不同，一是反相输入端对地接入一只电解电容C，并从输出端UO处经反馈电阻Rf接进反相输入处（电容C的+端）；二是参考基准电压UR=0（即正相输入端接地）。

由此可知，图5.4.8仍为一个滞回比较器，它的上门限与下门限电压，由项目十五式②和式③，以UR=0代入可得

由图5.4.8可见，由R1电路构成的是一个正反馈电路，它将使整个电路构成一个振荡电路。当电路的振荡达到稳定后，电容C就交替充电和放电。

①当UO=UOH=UZ时，UO对电容C充电，电流流向如图5.4.8（a）所示，电容两端电压UC不断上升（按指数曲线）；而此时同相端电压为上门限电压UT+。

②UC＞UT+时，输出电压变为低电平UO=UOL=-UZ，这时同相端电压变为下门限电压UT-，随后电容C开始放电，电流流向如图5.4.8（b）所示，电容上的电压不断降低（按指数曲线）。

③当UC降低到UC＜UT-时，UO又变为高电平UOH，电容又开始充电，重复上述过程。

以上电容充放电时，电容电压波形与运放器输出电压波形如图5.4.8（c）所示。

由图5.4.8（c）可见运算放大器的输出UO为一方波电压。可以证明，它的振荡周期和频率分别为

图5.4.8所示电路用来产生固定低频频率的方波信号，是一种较好的振荡电路。

（2）图5.4.9为频率可调的方波一三角波发生器。

图5.4.9　频率可调的方波-三角波发生器

①图5.4.9与图5.4.8对照，不难发现，由运放器N1构成的电路即为方波发生器。（UO1电压波形方波）。

由N2运放器构成的是一个积分电路（参见图4.2.5）。对积分电路，若输入为方波电压，则输出UO将为三角波。

②在电路中，又将此三角波电压反馈到N1的正相输入端，作为驱动信号。而N1的反相输入端则接地，作为零参考电压。

③在图5.4.9中，可以证明，三角波的频率

（式中α为电位器的分压比）

由式④可见，调节电位器RP，即可调节三角波的频率f。

（3）图5.4.10为频率可调占孔比可调的锯齿波发生器。

图5.4.10　锯齿波发生器电路及锯齿波电压波形图

对照图5.4.9与图5.4.10，不难发现，两者的差别就在于：在原方波发生器输出处，增加了两个反并联的二极管VD1和VD2，并在VD1与VD2的接线间增加了一个电位器RP2。由图可见，调节RP2即可改变电容器C充电和放电回路的电阻，从而改变电容器C的充、放电的时间，使两者经历的时间不相同（即调节占空比）如图5.4.10（b）所示。

于是三角波变成了近似的锯齿波。调节RP1可调节锯齿波频率，调节RP2即可调节锯齿波的占空比。

三、实训设备

（1）装置中的±12 V直流电源、双踪示波器、晶体管毫伏表或数字万用表。

（2）单元：AX10、VS3（8.2V）、R05、R06、R14、R15、R17、VD2、C02、RP6、RP9。

四、实训内容与实训步骤(www.daowen.com)

（1）应用已有单元，按图5.4.9完成接线，并接上运放器工作电源（±12 V）及地线（注：图中仅画出输入、输出和反馈回路的阻抗元件，电源及接地未画上，但接线时，都要接上）。

（2）用双踪示波器同时测量方波UO1及三角波UO的电压波形。并作记录。

（3）若要求三角波形频率f=2000 HZ，由电路已有参数算出电位器分压比α，调节电位器RP2使频率f为2000 HZ。

（4）在上述线路的基础上，如图5.4.10所示，增添VD1和VD2以及RP2，使电路产生锯齿波，用双踪示波器同时测定方波及锯齿波形。

（5）调节RP2，测定其占空比q的变化范围，并记录下占空比最大值qmax与最小值qmin时的锯齿波电压波形。

五、实训注意事项

（1）用双踪示波器同时检测输出与输入电压波形时，Y1和Y2的两个探头的“地”端要接同一个检测点（此处即为地线）。

（2）实训时，为使输出波形更典型，可适当调节输入信号的频率（当然，在实用中，通常是改变输入和输出回路元件的参数来实现的）。

六、实训报告要求

（1）画出方波-三角波发生器电路，上下对应画出方波与三角形电压波形。

（2）计算频率f=2000 HZ时电位器RP1的分压比α。

（3）记录锯齿波发生器输出波形占空比的最大值qmax与最小值qmin的数值及对应的锯齿波电压的波形。

实训5.4.2　三角波、方波及正弦波发生器的制作

图5.4.11所示为一个能产生多种波形的电路，它主要由四运放LM324组成，能产生方波、三角波和正弦波，频率在0～14.7 kHZ连续可调。除正弦波的波形不太理想外，其他波形良好。

图5.4.11　方波、三角波和正弦波发生电路

图5.4.11中N1组成的电路为一滞回比较器，由N2组成的电路为一积分电路（将矩形波转换成三角形波）；图中由R7、C2与R8、C3构成的滤波器，滤去高次谐波，将三角形转换成近似的正弦波（波形稍差些）；由N3组成的是电压放大器。图中VS为双向稳压管，稳压值为±8.2 V。输出波形的频率

图中LM324是由四个独立的高增益、内部频率补尝的运放组成，不但能在双电源下工作（±1.5 V～±15 V），也可在宽电压范围的单电源下工作（3～30 V），它具有输出电压幅值大、电源功耗小等特点。图5.4.11为LM324引脚排列图，此电路中电源采用±12 V单电源。

实训要求尽快、正确完成如图5.4.11所示的电子线路，LM324芯片用通用14芯插座（单元IC2）接线。接线完成后并用示波器测量方波、三角波及正弦波的波形，并测量它的频率范围。

在上述基础上，提出调节频率的方法，以及改善正弦波形的方法。当频率提高时，正弦波波形将会怎样改变。在实际中，一般不采用此线路产生正弦波（因波形差）。

以上为提高要求，以附加分形式给定分值。

图5.4.12　LM324外引线排列图

【习题五】

一、填空题

1.正弦波振荡电路的振幅平衡条件是_______________，相位平衡条件是____________。

2.正弦波振荡电路的振幅起振条件是______________，相位起振条件是________。

3.在RC桥式正弦波振荡电路中，通过RC串并联网络引入的反馈是_　__　__　___　_反馈。

4.根据反馈形式的不同，LC振荡电路可分为________反馈式和三点式两类，其中三点式振荡电路又分为________三点式和________三点式两种。

5.LC谐振回路发生谐振时，等效为________。LC振荡电路的________决定于LC谐振回路的谐振频率。

6.并联型晶体振荡电路中，石英晶体用作高Q值的________元件。和普通LC振荡电路相比，晶体振荡电路的主要优点是________。

7.采用__________选频网络构成的振荡电路称为RC振荡电路，它一般用于产生________频正弦波；采用________作为选频网络的振荡电路称为LC振荡电路，它主要用于产生________频正弦波。

8.集成运放用作电压比较器时，应工作于________环状态或引入________反馈。

9.对于电压比较器，当同相端电压大于反相端电压时，输出________电平；当反相端电压大于同相端电压时输出________电平。

10.比较器__________电平发生跳变时的________电压称为门限电压，过零电压比较器的门限电压是________。

11.一迟滞电压比较器，当输入信号增大到3 V时输出信号发生负跳变，当输入信号减小到-1 V时发生正跳变，则该迟滞比较器的上门限电压是________，下门限电压是______，回差电压是________。

二、选择题

1.RC桥式振荡电路中RC串并联网络的作用是（　　）。

A.选频　B.引入正反馈

C.稳幅和引入正反馈　D.选频和引入正反馈

2.对于RC桥式振荡电路，（　　）。

A.若无稳幅电路，将输出幅值逐渐增大的正弦波

B.只有外接热敏电阻或二极管才能实现稳幅功能

C.利用三极管的非线性不能实现稳幅

D.利用振荡电路中放大器的非线性能实现稳幅

3.设下图中的电路满足振荡的振幅起振条件，（　　）。

A.若X1、X2和X3同为电容元件，则构成电容三点式振荡电路

B.若X1、X2和X3同为电感元件，则构成电感三点式振荡电路

C.若X1、X2为电感元件，X3为电容元件，则构成电感三点式振荡电路

D.若X1、X2为电容元件，X3为电感元件，则构成电感三点式振荡电路

4.一过零比较器的输入信号接在反相端，另一过零比较器的输入信号接在同相端，则二者的（　　）。

A.传输特性相同　B.传输特性不同，但门限电压相同

C.传输特性和门限电压都不同　D.传输特性和门限电压都相同

5.下面说法正确的是（　　）。

A.单限电压比较器只有一个门限电压，迟滞比较器有两个门限电压

B.当电压从小到大逐渐增大时，单限电压比较器的输出发生一次跳变，迟滞比

较器的输出发生两次跳变

C.门限电压的大小与输入电压的大小有关

D.只要有两个门限电压就是迟滞比较器

6.某迟滞比较器的回差电压为6 V，其中一个门限电压为-3 V，则另一门限电压为（　　）。（请选择一个最恰当的答案）

A.3 V　　　　　B.-9 V　　　　　C.3 V或-9 V　　　　　D.9V

7.由迟滞比较器构成的方波产生电路，电路中（　　）。

A.需要正反馈和选频网络　B.需要正反馈和RC积分电路

C.不需要正反馈和选频网络　D.不需要正反馈和RC积分电路

三、计算题

1.如图5.1所示，RC桥式振荡电路中，已知频率为500 Hz，C=0.047μF，RF为负温度系数、20 kΩ的热敏电阻，试求R和R1的大小。

图5.1　RC桥式振荡电路

图5.2　题2图

2.已知RC振荡电路如图5.2所示，试求：（1）振荡频率fo的值。（2）热敏电阻Rt的冷态阻值，Rt应具有怎样的温度特性？（3）若Rt分别采用10 kΩ和1 kΩ固定电阻，试说明输出电压波形的变化。

3.分析图5.3所示电路，标明二次线圈的同名端，使之满足相位平衡条件，并求出振荡频率。

图5.3　题3图

4.根据自激振荡的相位条件，判断图5.4所示电路能否产生振荡，在能振荡的电路中求出振荡频率的大小。

图5.4　题4图

5.振荡电路如图5.5所示，它是什么类型的振荡电路？有何优点？计算它的振荡频率。

图5.5　题5图

6.如图5.6所示石英晶体振荡电路中，试说明它属于哪种类型的晶体振荡电路，并指出石英晶体在电路中的作用。

图5.6　题6图

7.试画出图5.7所示电压比较器的传输特性。

8.迟滞电压比较器如图5.8所示，试画出该电路的传输特性；当输入电压为uI=4sinωt（V）时，试画出输出电压uO的波形。

图5.7　题7图

图5.8　题8图

9.迟滞比较器如图5.9所示，试计算门限电压UTH、UTL和回差电压，画出传输特性；当uI=6sinωt（V）时，试画出输出电压uO的波形。

10.电路如图5.10所示，试画出输出电压uO和电容C两端电压uC的波形，求出它们的最大值和最小值。

图5.9　题9图

图5.10　题10图

11.方波发生电路如图5.11所示，图中二极管V1、V2特性相同，电位器RP用来调节输出方波的占空比，试分析它的工作原理并定性画出R′=R″，R′＞R″，R′＜R″时的振荡波形uO和uC。

图5.11　题11图