产生三角波的电路_积分电路波形

三角波和方波的波形产生 　　电路介绍 　　电路的用处 　　电子电路中，三角波，方波，PWM波有众多的用途。例如方波可以用作时钟信号来触发数字逻辑电路。三角波可以作为检测放大器线性度的信号。三角波还可以用来产生PWM信号，例如应用在开关电源，电机控制和D类功放里。 　　通过这个实验可以了解到模电的几个常用知识点：积分器，比较器，迟滞，单次捕获，限幅。 　　芯片说明 　　TL082是常用的双路运算放大器。它是FET型输入运放，具有输入偏置电流小，输入阻抗大的特点。它的管脚定义如图所示。本次实验中作为三角波和方波的产生电路。 TL082的常用参数 供电 Power supply 10V-36V 偏置电流 Bias current 200pA 偏置电压 Offset voltage 6mV 压摆率 Slew rate 13V/us 带宽 Bandwidth 3MHz 输出电流 Output current 10mA 　　
　　电路的原理 　　三角波和方波产生部分 　　
　　TL082内部有两个运放，一个用于产生三角波，另一个用于产生方波。U4作为积分器，将方波进行积分变换为三角波。U1是比较器，将三角波进行过零比较，产生方波输出。R3和R2提供迟滞门限。Z1和Z2是齐纳二极管，用于将方波幅度进行限制。工作过程如下，U1输出方波正电压经R1进入积分器反相端，在负反馈作用下U4输出负电压对C1充电，三角波的负半周产生。当三角波负半周电压叠加迟滞电压后低于0V时，U1的输出翻转，输出方波的负电压。方波负电压经R1进入积分器反相端，在负反馈作用下U4输出正电压对C1充电，三角波开始转折，向上升。当三角波的正半周电压叠加迟滞电压后高于0V时，U1的输出翻转，输出方波的正电压。这个过程周而复始的进行，方波和三角波就产生出来。 积分器的原理 　　
　　运放工作在深负反馈状态，I2≈I1=U1/R1. 　　由于正相端接地，所以UA≈0.加在电容C1两端的电压就是- Uout1. 　　根据电容的基本特性，I2 = d（- Uout1）/d（t）*C1 　　对等式两边进行积分，
　　所以 Uout1 = –
=
。可以看到Uout1是U1的积分输出。所以当U1是方波时，它的积分Uout1就是三角波。C1和R1决定了三角波的斜率。 比较器的原理 　　
　　比较器中R2和R3提供了迟滞电压。U2和Uout2的叠加电压UA是比较器的输入。比较器的输出Uout2≈｛
。V+和V-是器件的供电电压，比较器的输出会接近电源电压。有限幅电路在后面的话，比较器的输出会达到限幅电路电压。 　　应用叠加定理 　　UA=
* U2 +
* Uout2 = 90.9%U2 + 9.09% Uout2. （R2=10K， R3=100K） 　　这里 9.09%* Uout2就是迟滞电压，它可以防止U2上的噪声干扰产生错误的比较结果。通过R2和R3的比例关系，可以调节迟滞电压的大小。 　　UA跟0比较，所以当UA = 0时， 　　
* U2 +
* Uout2 =0 　　U2= （-
* Uout2）*
　　可以看出波形发生器里迟滞电压（R2和R3）决定了三角波的幅度。U2在波形产生电路里是三角波。 限幅电路 　　
　　限幅电路中使用了齐纳二极管。齐纳二极管正向导通时跟二极管近似，有0.7V电压。反向发生齐纳击穿时，维持齐纳击穿电压。图中1N5234是6.2V的齐纳击穿电压。 　　当Uout3 输出正电压时： 　　Z1发生齐纳击穿，Z2是正向导通，Uout3= 6.2+0.7≈7V。 　　当Uout3 输出负电压时： 　　Z2发生齐纳击穿，Z1是正向导通，Uout3= -6.2+（-0.7）≈-7V。 　　Uout3被限制在±7V之间。R5是起到限流作用，U3和Uout3的电压差加在R5上。 　　电路仿真 　　
　　在TINA软件中编辑好电路原理图 　　

　　这个弧形的叉是测试点，添加到原理图中后可以在软件的示波器工具里看到波形 　　
　　在TINA软件中打开示波器工具 　　
　　示波器里的“run”可以看到电路仿真的结果。可以看到三角波，方波产生出来。 　　实物图照片 　　实验操作和解读电路要点 　　口袋仪器连接电路 　　（连接关系图片） 　　




　　本次实验中会用到其中的几个仪表。示波器，信号源，电源，万用表。 　　波形起振过程，单次捕获看 　　从前面的原理分析可以看出，三角波和方波是相互关联的。方波积分后产生三角波，三角波经过比较器产生方波。那么是哪个波形先产生呢？这个问题可以通过示波器的单次捕获来观察电路起振的瞬间。 　　单次捕获是示波器的一个触发功能，示波器先是处于等待状态，当出现了满足触发条件的情况时，示波器开始记录信号。记录完毕一整个屏幕后，暂停下来并保持波形。 　　在进行单次捕获时，先观察一下电路的稳态比较好。一是确保电路正常工作了，二是方便根据信号进行单次捕获的设置。就像拍照时先观察环境中的景物，做好准备后再按下快门。 　　观察电路稳态，电路搭建好后，开启电源。电压设置为±12V。 　　
　　示波器的AIN1接方波输出测试点，AIN2接三角波测试点，AIN3接正电源的输出 　　
　　通过观察稳态波形，可以知道电路工作正常。电路的运转是跟随电源开启才开始的，所以观察起振的瞬间将电源电压作为触发比较好。电路是正负电源供电的，不好同时开启两路电源，所以对正电源和负电源的开启瞬间分别进行捕获。 　　在“触发”栏里面进行设置，“源”选择CH3（AIN3），因为是先选择正电源作为触发，所以“触发类型”选择上升沿。电源电压在12个小格的位置上，所以“触发位置”设置为6 中间位置。为了多观察一些时间，将“水平时基”设置为5ms。 　　

　　设置好以后，关闭电源，使电路停止工作。 　　
　　示波器的“单次捕获”，示波器进入等待状态。 　　

　　开启电源 　　
　　示波器捕获到起振的瞬间 　　
　　在“控制台”里开启缩放模式，可以通过拖拽窗口将波形放大观察。 　　






　　



　　对起振时刻的分析： 　　t1时刻，正电源没有开启，只有负电源。两路运放的输出都是负电压。 　　t2时刻，正电源开启，电压开始上升。（实际电源的电压不是瞬间就达到设置值，有一个爬坡的过程）三角波电路中的电容开始充电，积分出来斜坡电压。 　　t3时刻，斜坡电压继续升高，触发了比较器，方波的输出极性翻转。受限于电源电压还没有达到正常工作电压。此时的运放没有完全进入正常状态。随着方波的极性翻转三角波也有一个跳变。 　　t4时刻，电源电压上升到运放允许的最小电压，运放进入正常工作，方波和三角波产生出来。 　　用相同的方法，通过用负电源触发，观察负电源开启时起振的瞬间，截图如下。 　　
　　比较器的迟滞 　　
　　使用易派的示波器来观察比较器的迟滞。AIN1接方波，AIN2接三角波，AIN3接正相端 　　






　　图中红色方框内是迟滞电压，它是方波和三角波通过R2和R3电阻叠加产生。从前面的理论分析 　　UA=
* U2 +
* Uout2 （UA也就是原理图中的正相端，CH3测试波形） 　　电路中R2=10K，R3=100K，Uout2= 0.5CH1峰峰值= 7V。U2 = 0.5CH2峰峰值=0.75V。计算出UA= 1.31V。 　　打开“cursors”功能，选择“源”为CH3. 拖动虚线CH3-Y1和CH3-Y2卡住迟滞电压区域。可以看到△Y=1.3V，理论分析和实际测试一致。 　　









　　可以看到由于方波通过R3“拖拽”使正相端电压在过零比较后“上跳”或者“下跳”。这样当正相端的信号存在噪声干扰时，也不会产生跟0的错误比较结果。抗干扰能力增强。 　　如何改变三角波的幅度 　　
　　通过上一节对迟滞的分析可以看到三角波的峰值转折点发生在UA的过零比较。增加UA“上跳“和“下跳”的幅度，就可以延长电容C1的充电时间，从而增大三角波的幅度。相反则减小三角波的幅度。 　　定量分析如下 　　比较器迟滞分析里有 　　UA=
* U2 +
* Uout2 　　所以 　　U2=（ UA –
* Uout2）*
　　在UA的过零点处可以列出两个等式，UA的过零点对应U2的最大值或最小值。 　　U2min=（ 0 –
* （+7））*
（Uout2= +7V时，限幅电路值+7V） 　　U2max=（ 0 –
* （-7））*
（Uout2= -7V时，限幅电路值-7V） 　　U2=U2max – U2min= 14*
（也就是U2的峰峰值） 　　实验来验证一下。选择两组R2和R3的阻值。 　　



　　第一组R2=10K，R3=51K。 第二组 R2=5.1K，R3=6.8K。 R2 R3 理论计算U2的峰峰值 实测U2的峰峰值 误差 10K 51K 2.75 Vpp 2.82 Vpp 2.5% 5.1K 6.8K 10.5 Vpp 10.42 Vpp 0.7% 　　如何改变三角波的周期 　　
　　从前面对积分器的分析可以得出 　　U2 =
　　其中当Uout2= -7V时，在
周期里，U2从最小值积分到最大值。 　　​ -7V 　　
U2
　　把Uout2= -7V带入，得到U2=
（T是三角波的周期） 　　从前面分析三角波的幅度有 　　U2=U2max – U2min= 14*
（也就是U2的峰峰值） 　　所以将等式联立得到 　　
　　计算得出 　　T=4C1R1*
　　可以看到改变R2，R3，C1和R1都可以改变三角波的周期。但是改变R2和R3同时会带来三角波幅度的变化。所以改变C1和R1来调整三角波周期较为方便。 　　用易派的万用表来测试C1和R1的值。R2和R3使用定值电阻R2= 5.1K，R3=6.8K。 　　

　　（添加使用万用表测试的实物照片） 　　

　　将R1使用可变电阻器来进行实验，测试两组数据。 C1 R1 理论计算三角波周期 实测三角波的周期 误差 115nF 23.46K 8.093ms 7.96ms 1.6% 115nF 5.67K 1.956ms 1.96ms 0.2% 　　注意：定值电容的件误差较大，一般是±15%左右。实验中对容值进行测量会更精准。 　　



　　R1 = 23.46K R1=5.67K 　　小技巧：在易派示波器里添加周期测量量 　　
　　示波器显示区域的右侧“测量”有6个测量量。默认是频率，峰峰值，直流。在测量量上右键，可以显示出各个通道的多个测量量。左键选择需要的测试量即可。 　　限幅电路的输入输出特性曲线 　　
　　易派的信号源HSS提供信号给U3，AIN1接U3进行观察，AIN2接Uout3进行观察。HSS和示波器的配置如下。可以看到蓝色AIN2被限幅在峰峰值13.87Vpp。接近理论分析的14Vpp。 　　

　　“水平”将时基选择为XY模式，这时将AIN1电压作为X轴信号（观察的限幅电路的输入），将AIN2电压作为Y轴信号（观察的限幅电路的输出），在屏幕上绘图。可以看到中间部分是线性的，表示信号正常通过。两头部分被限幅发生转折。这就是用XY模式观察限幅电路的输入输出特性，