如何制作方波-三角波发生器？

一、实验目的

●掌握方波-三角波发生电路的特点和分析方法。

●熟悉方波-三角波发生器的设计方法。

●加深对比较器和积分电路的理解。

●学习NI ELVIS虚拟数字万用表、虚拟函数发生器、虚拟示波器使用方法。

二、实验原理

本实验设计电路产生振荡,通过RC电路和滞回比较器产生方波。电压比较电路用来比较模拟输入电压与设定参考电压的大小关系,比较结果决定输出是高电平还是低电平。滞回比较器主要用来将信号与零电位进行比较,决定输出电压。滞回比较器串联积分电路,再将积分电路作为比较器的输入。由于积分电路可将方波变为三角波,而比较器的输入又正好为三角波,因此整体电路可以获得方波和三角波。

(1)自激振荡

因为电路中存在噪音,噪音信号引起电路电量波动,虽然很微弱,但它们具有多频谱的特性,即在噪音中含有各次正弦波分量。这些谐波分量出现在放大电路的输入端,经过运算放大器的放大到达输出端。由于反馈网络的存在又把输出信号回送到电路的输入端。由于RT引入的反馈是正反馈,微弱的噪音就会被不断地放大,使得在电路的输出端出现了具有一定幅值的电信号。

(2)滞回比较电路

Uth称为阈值电压。滞回电压比较器电路如图4-59所示,其直流传递特性如图4-60所示。设输入电压初始值小于－Uth,此时uo＝－UZ；增大uin,当uin＝Uth时,运放输出状态翻转,进入正饱和区。如果初始时刻运放工作在正饱和区,减小uin,当uin＝－Uth时,运放则开始进入负饱和区。

如果给图4-59所示电路输入三角波电压,其幅值大于Uth,设t＝0时,uo＝－UZ,其输出波形为方波如图4-61所示。

图4-59　滞回电压比较器

图4-60　滞回电压比较器的直流传递特性

图4-61　输入为三角波时滞回电压比较器的输出波形

(3)积分电路

对得到的方波添加积分电路,如图4-62所示,并分析其振荡周期。

如图4-63所示,积分器输出电压从－Uth增加到＋Uth所需的时间为振荡周期T的一半,有积分关系式

图4-62　方波-三角波转换电路原理图

图4-63　方波-三角波发生电路的输出波形

或

注意到,故,振荡频率则为。

三、实验设备与器材

●NI ELVISⅡ＋实验平台　1套

●计算机　1台

(安装有NI ELVISmx Instrument Launcher及NI ELVIS驱动软件)

●电阻3.3 kΩ　1个

●电阻10 kΩ　3个

●电阻20 kΩ　1个

●电阻310 kΩ　1个

●电容0.01μF　2个

●稳压管6 V/1 W　2个

●OP07运算放大器　3个

四、实验内容及步骤

1.滞回电压比较器的直流传递特性

(1)在NI ELVIS原型板上,根据图4-64所示完成实验电路搭建和接线,将端子A、B分别与原型板的FGEN、GROUND端相连,由NI ELVIS的函数发生器为实验电路提供输入信号Ui；运算放大器OP07引脚7、引脚4分别与原型板的＋15 V,－15 V端相连,由ELVIS的＋15 V,－15 V直流电源为其供电；将端子C、B分别与原型板的BNC 1＋,BNC 1－端相连,将端子A、B分别与原型板的BNC 2＋,BNC 2－端相连,用虚拟示波器(Scope)来分别观测输出、输入信号Uo和Ui。图中稳压管电压为UZ≈6 V。

(2)调节函数发生器,使Ui为任意频率、幅值的三角波或正弦波信号。

(3)通过虚拟示波器观察输出、输入信号电压uo和ui波形,测定阈值电压。(https://www.xing528.com)

图4-64　滞回电压比较器实验电路

2.方波-三角波发生器

(1)在NI ELVIS原型板上,根据图4-65所示完成实验电路搭建和接线,将端子B分别与原型板的GROUND端相连；将端子C、B分别与原型板的BNC 1＋、BNC 1－端相连,将端子A、B分别与原型板的BNC 2＋、BNC 2－端相连,用虚拟示波器(Scope)来分别观测三角波输出信号uo1和方波输出信号uo2波形；运算放大器OP07的供电接线与上述滞回电压比较器的直流传递特性实验相同。图中稳压管两端电压UZ≈6 V,原型板上所搭建实验电路实物如图4-66所示。

图4-65　方波-三角波发生器实验电路

图4-66　原型板上方波-三角波发生器搭建电路实物

(2)通过虚拟示波器观察三角波输出信号uo1以及方波输出信号uo2波形,读取示波器自动测量的电压信号幅值和频率,填入表4-23,验证三角波幅值与方波电压幅值的关系为,验证振荡频率为,并进行误差分析。

表4-23　方波-三角波发生器幅值数据

五、NI ELVIS实验操作

1.函数发生器设置

(1)单击“开始”→“所有程序”→“National Instruments”→“NI ELVISmx for NI ELVIS＆NI my DAQ”→“NI ELVISmx Instrument Launcher”,启动虚拟仪器软面板,如前文图4-4所示。

单击“Function Generator”,打开图4-67所示函数发生器软面板。

图4-67　函数发生器软面板

(2)根据图4-67所示设置函数发生器的相关参数：

①Waveform Settings(函数)：Square；

②Frequency(频率)：任意调节；

③Amplitude(峰值)：任意调节。

完成这些选项的配置后,单击下方绿色箭头“Run”按钮,保持当前状态为输出状态。

2.虚拟示波器设置

(1)NI ELVIS平台接口连线。在原型板上完成上述图4-65所示所有连线后,在NI ELVIS工作台和原型板之间完成以下接口连线：

●工作台SCOPE CH0 BNC→原型板BNC1

●工作台SCOPE CH1 BNC→原型板BNC2

(2)单击“开始”→“所有程序”→“National Instruments”→“NI ELVISmx for NI ELVIS＆NI my DAQ”→“NI ELVISmx Instrument Launcher”,启动虚拟仪器软面板,如前文图4-4所示。

单击“Oscilloscope”,打开图4-68所示虚拟示波器软面板。

图4-68　虚拟示波器软面板

(3)根据图4-68所示设置虚拟示波器的相关参数：

①Channal 0 Source(信号源)：SCOPE CH0；

②Channal 0 Enabled复选框：勾选；

③Channal 1 Source(信号源)：SCOPE CH1；

④Channal 1 Enabled复选框：勾选；

⑤Channal 0 Scale VoltsDiv：适当设置使波形能完全呈现,

Channal 1 Scale VoltsDiv：适当设置使波形能完全呈现；

⑥Timebase Time/Div：适当调节使波形能够清晰显示；

⑦Display Measurements：CH0复选框-勾选,

CH1复选框-勾选,

自动获取波形幅值、频率信息。

完成这些选项的配置后,单击下方绿色箭头“Run”按钮,在虚拟示波器上观察输入和输出信号波形。

六、实验思考与拓展

(1)在方波发生器中,要改变方波的频率,可改变哪些元器件的值?

(2)方波的频率改变时,方波的幅度会不会改变?