模電大型實(shí)驗(yàn)

模擬電子技術(shù)大型實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師：章旌紅聯(lián)系電話箱：zhangjinghong@實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容按排理論講課和使用Multisim8軟件對(duì)由集成運(yùn)放組成的方波-三角波電路電路進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真(8學(xué)時(shí))元器件測(cè)試和安裝

和調(diào)試（10學(xué)時(shí)）電路主要參數(shù)的測(cè)試

（2學(xué)時(shí)）課后完成實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告

0uouiUO+理想運(yùn)放uo0uiUo+U0

-Uim–Uim實(shí)際運(yùn)放UO-一、比較器1.過(guò)零比較器2.單門限電壓比較器因?yàn)殡娐分挥幸粋€(gè)門限電壓，故稱為單門限比較器。電壓傳輸特性：vI

>VREF

時(shí)，vOH

=+VCCvI

<VREF時(shí)，vOL

=-VEE理想實(shí)際3.遲滯比較器（2）門限電壓:上門限電壓下門限電壓回差電壓傳輸特性:傳輸特性二、方波產(chǎn)生電路uT+=R1R1+R2UZUZR1R1+R2uT－=RRo

DZR2uCuou+u-±UZR1C+-+12v-12vT1to

t1

t2uOuCUZu+Hu+L－UZ

tuCuO0RRo

DZR2uCuou+u-±UZR1C+-+12v-12vT1to

t1

t2uOuCUZu+Hu+L－UZ

tuCuO0T2T=T2+T1=2RCln(1+2R1R2)Tf0=12RCln(1+=2R1R21)振蕩頻率：Rw2Rw1RRo

DZRWuCuou+u-±UZR22C+-+12v-12vR11

振蕩頻率：其中：R1=R11+Rw1R2=R22+Rw2實(shí)驗(yàn)中可通過(guò)調(diào)節(jié)電位器Rw（即改變R2/R1），也可通過(guò)改變R、C來(lái)實(shí)現(xiàn)振蕩頻率的調(diào)節(jié)．三、方波-三角波發(fā)生器滯回比較器與積分器

首尾相連，形成正反饋閉環(huán)系統(tǒng)如圖所示．比較器輸出的方波經(jīng)積分器可以得到三角波，三角波經(jīng)滯回比較器形成方波，這樣即可構(gòu)成三角波、方波發(fā)生器．由于采用運(yùn)算放大器組成積分電路，因此可以實(shí)現(xiàn)恒流充電，使三角波的線性大大改善。CR2v0R

R1RPvo

uA741uA7412374R+--+--CR2v02R3R1RP3vo

uA741uA7412374R+-+12v-12v+-+12v-12v方波-三角波發(fā)生電路改變R,C可以改變f0;改變VIN,也可以改變f0VIN四、壓控方波-三角波信號(hào)發(fā)生器壓控方波-三角波信號(hào)發(fā)生器(VoltageControlledOscillator)是一種將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)的電路(V/F變換器)，發(fā)生器輸出的頻率信號(hào)與輸人的電壓大小之間有一定的關(guān)系。當(dāng)輸入電壓是直流電壓時(shí)，可制成頻率可方便調(diào)節(jié)的信號(hào)源；當(dāng)輸入電壓是正弦電壓時(shí)，可制成調(diào)頻振蕩器；當(dāng)輸入電壓是三角波電壓時(shí)，可制成掃頻振蕩器。壓控信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓可以是正弦信號(hào)、脈沖信號(hào)或其他信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)在輸入直流電壓控制下方波或三角波頻率可調(diào)的電路：

1）掌握由集成運(yùn)算放大器組成壓控方波-三角波發(fā)生器的方法。

2）掌握由LM331組成壓控振蕩器的方法。1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?直流穩(wěn)壓電源雙蹤示波器萬(wàn)用表運(yùn)算放大器LF411(或LM741)3塊V/F轉(zhuǎn)換芯片LM3311塊二極管1N41484只電阻器、電容器若干2.實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器件CR2v02R3R1RP3vo

A2A32374R+-+12v-12v+-+12v-12vVD4VD3+-+-+12vVD1VD2A1A4R5R6R4RP1RF1v013.由集成運(yùn)算放大器組成的壓控方波-三角波發(fā)生器原理圖+VIN－4.實(shí)驗(yàn)原理1.由集成運(yùn)算放大器組成壓控方波-三角波發(fā)生器的振蕩頻率為：方波的輸出幅值為A2的輸出飽和電壓：三角波的輸出幅值為：A1為反相比例放大器，其電壓增益為當(dāng)Rf1=R4時(shí)，為反相器。

增加A1、A4電路后，被積分的電壓由v02變?yōu)橹绷骺刂齐妷篤IN

，但由于A2的最大輸出電壓為定值，所以三角波的輸出幅值不變，仍然為：但隨著控制電壓VIN的變化，三角波的上升、下降斜率發(fā)生變化，即振蕩頻率變化，從而實(shí)現(xiàn)了壓控信號(hào)發(fā)生器的目的。A4為電壓跟隨器.電路原理圖中即所以振蕩頻率為因此，改變輸入直流電壓VIN的大小，可以實(shí)現(xiàn)方波或三角波頻率的可調(diào)。五、由LM311組成壓控方波-三角波發(fā)生器LMl3IA/LMl31、LM231A/LM231、LM331A/LM331是美國(guó)NS公司(NationalSemicon-ductor)生產(chǎn)的高精度V/F轉(zhuǎn)換芯片，主要技術(shù)指標(biāo)為最大線性度:0.01%滿量程頻率范圍:lHz-lOOkHz供電電壓:4-4OVLM331簡(jiǎn)化功能框圖LM331的簡(jiǎn)化功能框圖如圖所示：主要由電流源、輸入比較器、單脈沖定時(shí)器等幾部分組成。LM331：引腳2為內(nèi)部基準(zhǔn)電流源，引腳3為頻率信號(hào)輸出端引腳4為接地端，引腳5為外接R/C端，引腳6為閾值電壓端(一般和引腳1相連)，引腳7為控制電壓信號(hào)輸入端，引腳8為電源端。LM331引腳圖LM331輸入比較器的兩個(gè)輸入端，一個(gè)接輸入電壓VIN，一個(gè)接閾值電壓VX，當(dāng)時(shí)VIN

>VX時(shí)

，比較器啟動(dòng)單脈沖定時(shí)器，輸出寬度為T0=1.1RtCt的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)晶體管，使其導(dǎo)通，同時(shí)由電流開(kāi)關(guān)控制電流源向C２充電，使VX上升。當(dāng)VX上升到VIN<VX時(shí)，電流源關(guān)斷，定時(shí)器自動(dòng)復(fù)位。此后，C２通過(guò)R2放電，VX逐漸下降，直至VIN

>VX

，比較器再次啟動(dòng)定時(shí)器，開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)，這樣形成自激振蕩。這種V/F轉(zhuǎn)換器的輸出頻率與輸入電壓之間近似呈線性關(guān)系式中，A為電流源的電流。即該電路可以將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)。

預(yù)習(xí)要求

1·復(fù)習(xí)教材中有關(guān)運(yùn)算放大器構(gòu)成的運(yùn)算電路的相關(guān)內(nèi)容，理解由集成運(yùn)算放大器組成的壓控信號(hào)發(fā)生器的工作原理。2·查閱LM331的相關(guān)資料，理解LM331的工作原理。1.MultiSim仿真電路u02u01u0A1A2A3A4V02V01實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

電路搭建完成后，調(diào)節(jié)RP使控制電壓VIN變化，在v02和v0端會(huì)有不同頻率的方波、三角波產(chǎn)生。將R2固定在15kΩ時(shí)，理論計(jì)算振蕩頻率與輸入電壓之間的關(guān)系用示波器測(cè)量三角波的頻率和幅值，填入表3-3-1，與理論值比較。振蕩頻率/HzVIN/V123仿真值理論值V02max/vv0max振蕩頻率/Hzv0max表3-3-1由集成運(yùn)算放大器組成的壓控方波發(fā)生器仿真數(shù)據(jù)表繪出一組仿真波形u0u0212348765UA741VCCVEE輸出_+12V-12V調(diào)零端調(diào)零端集成運(yùn)算放大器引腳圖注意事項(xiàng)1.電路中各運(yùn)放、芯片引腳正確連接,特別注意二極管的正負(fù)方向不能接反。

2.運(yùn)放的正負(fù)電源端不能接反。

3.+12V,-12V,地是三個(gè)不同的端頭,地不能和-12V接在一起2.用實(shí)際元器件搭建電路，將R2固定在15kΩ時(shí)，在不同輸入控制電壓下用示波器測(cè)量三角波的頻率和幅值，填入表3-3-2，與理論值比較。VIN/V123仿真值理論值V02max/vv0max振蕩頻率/Hzv0max表3-3-2由集成運(yùn)算放大器組成的壓控方波發(fā)生器仿真數(shù)據(jù)表繪出示波器中三角波、方波實(shí)際電路波形：V02V012348765LF353VCCVEE+_輸出輸出_+集成運(yùn)算放大器引腳圖有興趣可用LF353代替UA741比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果并分析3.搭建由LM331構(gòu)成的壓控方波-三角波發(fā)生器圖3-3-4LM331組成的壓控振蕩器電路(10Hz-10kHz)LM331R2100KΩR347Ω5KΩ12KΩ{R5R110KΩf0C10.01ufR16.8KΩC10.1uf100kΩR110KΩ16784235+VCC(+12V)0.01ufVIN圖中引腳2的R5用來(lái)調(diào)節(jié)LM331的增益偏差和由R1、C1、

R2引起的偏差，以校正輸出頻率;引腳3必須外接負(fù)載電阻，一般為l0kΩ，所加電壓VCC與后級(jí)被驅(qū)動(dòng)電路所需的電平一致。若后級(jí)TTL器件，則VCC=+5V;引腳5外接單穩(wěn)態(tài)電路的定時(shí)電阻和電容，其取值決定單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)產(chǎn)生的脈沖寬度T0;引腳6外接的R2、C2與R3串聯(lián)可產(chǎn)生滯后效應(yīng)，使輸入比較器獲得良好的線性度;引腳7接控制電壓VIN，并增加R1、C1組成的低通濾波電路。

按圖3-3-4所示的電路參數(shù)，當(dāng)輸人電壓由0-l0V變化時(shí)，可以獲得l0Hz-l0kHz的輸出頻率。在不同VIN下，用示波器測(cè)量輸出脈沖的頻率，填入表3-3-3，分析輸入電壓與輸出頻率之間的關(guān)系。記錄LM331組成的壓控振蕩器電路波形2～3組VC2V0表3-3-3由LM331組成的壓控方波-三角波發(fā)生器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表VIN/V258振蕩頻率測(cè)量值/Hz實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1.簡(jiǎn)述圖3-3-1和圖3-3-4電路的工作原理及主要元件在電路中的作用。2.記錄并整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫出兩個(gè)電路振蕩頻率f與控制電壓VIN之間的關(guān)系曲線f=F(VIN)3.畫出兩個(gè)電路VIN下的方波、三角波信號(hào)波形，標(biāo)明幅值、周期及相位關(guān)系，分析結(jié)果4.仿真電路與仿真波形圖,相關(guān)參數(shù)表格記錄和小結(jié)5.安裝調(diào)試中所用儀器儀表（寫明名稱和型號(hào)），安裝調(diào)試步驟，數(shù)據(jù)記錄與處理以及安裝調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決辦法和總結(jié)6.由LM331組成的壓控方波-三角波發(fā)生器原理與原理圖，安裝調(diào)試中所用儀器儀表（寫明名稱和型號(hào)），安裝調(diào)試步驟，數(shù)據(jù)記錄與處理以及安裝調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決辦法和總結(jié)7.分析討論實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題及排除方法

例、仿真結(jié)果 數(shù)據(jù)記錄VIN/V123仿真值理論值V02max/vv0m