一 實習目的 訊號產生電路 1. 了解方波 三角波及鋸齒波產生電路之基本原理與應用 2. 以運算放大器為主動元件, 分析及設計各種非正弦波產生器電路 二 使用材料 實習一 方波產生器項目 編號 名稱 數量 5k 1 電阻 10k 2 20k 1 30k 1 電容 0.1μ 1 0.01μ 1 二極體 D ( 小功率整流用 ) 2 運算放大器 A 741 1 A 741 放大器輸出入腳位圖 實驗二 三角波產生器 項目編號名稱數量 電阻 電容 運算放大器 A 741 1k 1 2k 1 10k 2 20k 1 30k 1 0.1μ 1 0.01μ 1 A 741 放大器 2
實驗三 鋸齒波產生器 ( 一 ) 項目編號名稱數量 電阻 電容 220Ω 1 1k 1 10k 1 0.1u 1 0.01 u 1 二極體 D ( 小功率整流用 ) 1 電晶體 Q 9013 1 運算放大器 A 741 A 741 放大器 2 實驗四 鋸齒波產生器 ( 二 ) 項目 編號 名稱 數量 電阻 10k 2 30k 2 可變電阻 V 100k 1 電容 0.1u 1 二極體 D ( 小功率整流用 ) 2 電晶體 Q 9013 1 運算放大器 A 741 A 741 放大器 2 三 相關知識 低頻 偉恩電橋震盪器 相移震盪器 震盪電路 正弦波 非正弦波 高頻 L 三角波 方波 哈特來震盪器 史密特觸發器加上積分器 史密特觸發器 訊號產生電路的目的是為了產生波形, 波型又可分作正弦波與非正弦波, 其中包 含了弦波 方波和三角波, 我們可以利用一些震盪器電路來實現所想要的波形
V o V1 V2 首先先介紹比較器, 比較器的電路圖如上圖所示, 在輸出與輸入之間沒有任何的 回授電路, 輸出與輸入的關係式如下, 其中 G 為運算放大器的增益 當為正值時, ; 當為負值時,, 其中為運算放大器的最大輸出電壓 如果將比較器電路改成下圖所示 Vi V o 當大於零電壓時, ; 當小於零電壓時, 波形如下圖 Vsat -Vsat 因此我們可以簡易的利用比較器來組成方波產生器的電路 但因為臨界電壓為 0, 所以常會誤觸發而使得輸出的波形形成不正常的轉換, 並非我們所想要的正 常方波 史密特觸發電路 史密特觸發 (Schmidt Trigger) 它屬於進階的比較器, 它具有遲滯的特性, 可以把 原本變化不明顯的訊號, 轉換成高低電位差明顯的穩定訊號輸出
Vi V o 1 2 和之間形成遲滯區, 當電壓大於臨界電壓時才會觸發, 形成高低電位 下圖為輸入及輸出的波形圖 Vi VTH 0 VTL Vsat Vo 0 -Vsat 下圖是轉換特性曲線當大於時,, 而大於時, 可以由下圖來清楚的了解 Vo Vsat VTL VTH Vi -Vsat 實習一 方波產生器 1. 如圖一所示的電路圖中, 由 1 2 形成正回授電路, 使其具有史密特觸發器
之特性, 其輸出在 V sat 及 -V sat 間轉換 2 2. 非反相端之電壓為 Vsat Vsat, 此為轉換之上 下臨界位準 1 2 3. 輸出端電壓 ±V sat 自動對電容 充電至臨界位準時, 使輸出端電壓自動轉換, 因而產生連續之方波輸出 4. 電容 上之波形應為充放電之鋸齒波形 1 5. 輸出波形之震盪頻率理論值為 f 2 2 ln 1 2 1 6. 充放電情況如下圖 (a) (b) 中所示, 輸出在 V sat 及 -V sat 時經由不同之路徑對 充放電, 故具有不同的時間常數, 因而產生非對稱之方波 2 7. 我們定義 β= 1 2, 當加入電源時,V o = V sat, 則 V =βv Sat 代表 V > V-, V o 一定是 V sat 而此時 V- 比 V o 還小, 所以就會有電流經由 向 充電, 使得電容兩端的電壓 V c 越來越大, 一直到 V- =βv Sat 以後, 變成 V- > V, 則 V o =-V sat 8. 當 V o =-V sat 時,V 重新分配, 得到 V =-βv Sat 則 V- =βv Sat > V =- βv Sat, 即電容器上的電壓 V c > V o, 則電容器將由 經 開始放電, 放電的結果使得 V c 由 βv Sat 一直下降, 直到 V c =-βv Sat 以後, 又變成 V- < V, 則 V o 又變成 V sat, 電容將再次被充電, 然後又放電, 然後一直重覆此動作 =10k 15V V c 0.01 F V o 1 =30k 2 =10k 圖一
=10k =10k 15V 充電 15V 放電 V c 0.01 F V o =V sat V c 0.01 F V o =-V sat 1 =30k 1 =30k 2 =10k 2 =10k 圖 (a) 充電情況 圖 (b) 放電情況 實驗二 三角波產生器 1. 實驗電路圖, 如圖二所示,OP1 為反相積分器, 藉著固定電流 對電容 充放電, 以產生具有斜升及斜降之三角波 2. OP2 為史密特觸發器, 其作用就如同一個開關, 使其輸出 V o2 自動在 V sat 及 -V sat 間轉換, 以控制積分器電容之充放電, 並得到方波 3. 本實驗電路中, 根據其動作原理可預測 V o1 為三角波輸出,V o2 則為方波輸出 1 1 4. 使 V o2 轉換之臨界位準為 Vsat, 其中 n, 故若 1 2 則 n 1, 其臨界 n 位準將大於 V sat, 使 V o1 之鋸齒波永遠不可能達到此臨界位準, 故在示波器上將只看到一個固定位準之水平線 5. 輸出頻率之理論值計算為 f n 4 2 V sat 15V OP1 V o1 2 15V OP2 V o2 1 圖二 實驗三 鋸齒波產生器 ( 一 )
1. 圖三是一個鋸齒波產生電路,OP1 是一個積分器, 所以可得 V o1 為鋸齒波, OP2 是一個電壓比較器, 其輸出 V o2 控制 Q 1 ( 電晶體 ) 的導通與否 I Vs 2. 利用積分器原理, 讓電容器 以定電流 I 充電, 則 V O = V = t, I = V S 為固定電壓, 則 I 為固定電流, 因此 V c 將隨時間 t 的增加而上升, Vo1 Vc V, 而 V 0, 所以 V o1 = V, 此時為上升斜坡 3. 當 V o1 = V ref 時, 使得 OP2 的 V V, 則 V o2 = V sat ( 故 D1;ON,Q1;ON); 則電晶體 Q1 導通後會迅速把電容 的電荷放光, 此時為下降斜坡, 使得 Vo1 Vce 0. 2V 致 OP2 的 V 0. 2V, V V, 則 OP2 的 V o2 = V sat ( 故 D1;OFF,Q1;OFF); 電容又重新以定電流 I 充電, 直到 V o1 = V ref, 又重複的循環下去 4. 輸出波形之頻率理論值計算為 f Vs Vref 1 5. 調整不同的 V ref 與 V s 能得到不同的振盪頻率, 此種電路稱為壓控振盪器 b D1 V - 15V 15V V S I OP1 V O1 OP2 V O2 Vref 圖三 實驗四 鋸齒波產生器 ( 二 ) 1. 如下圖四 -1,OP1 為反向積分器,OP2 為史密特磁滯比較器 ; 把 OP2 的輸出方波經由 OP1 反向積分以後, 得到 V o1 為三角波 2. 不過因為充放電路徑上電阻值不同, 所以充放電的時間不同, 如下圖四 -2, 導致上升波和下降波的斜率不一樣, 形成一個鋸齒波形
V 15 V OP1-15 V V o1 2 15 V OP2-15 V V o2 1 圖四 -1 上升波 下降波 V 15 V 15 V OP1 V o1 OP1 V o1-15 V -15 V 圖四 -2 四 實習項目 * 注意 : 做圖三 ( 鋸齒波產生器一 ) 時務必先接妥輸入的電壓源與訊號源才可開啟電壓開關 ( 要同時給電壓源與訊號源電壓 ) 否則 UA741I 會燒毀, 如果先接上訊號源, 則 OP 摸起來會到感覺燙燙的, 可能導致燒燬 在 LAYE 電路板上的電路如果沒有用到, 圖三 ( 鋸齒波產生器一 ) 的電路務必把開關都開到 OFF 以免誤送電壓源使 UA741 燒毀 電源皆使用正負 12V 電壓 實習一 方波產生器 1. 如下圖所示接妥電路, 並以示波器同時觀察 V o 及 V c 波形, 並記錄下來 2. 輸出波形位準位理論值 : V V 量測得 V 13. 7 o sat 使輸出之波形上 下轉換的臨界電壓準位的理論值為 V 2, 實際實驗值為 方波之頻率 f 5. 434KHz 1 2 sat o
=10k 15V V c 0.01 F V o 1 =30k 2 =10k 波形 實驗值 理論值 V o 12.02V T f 183us 5.434kHz
改變元件值, 以示波器觀察並將波形及數值記錄下來 (1) =20kΩ,=0.1μF, 1 =10kΩ, 2 =30kΩ 波形 實驗值 理論值 V o T f (2) =20kΩ,=0.01μF, 1 =10kΩ, 2 =30kΩ 波形 實驗值 理論值 V o T f
3. 將電路改成圖五, 觀察其 V o 及 V c 波形並記錄相關數值 10k 5k V c 15V 0.01 V o 10k 20k 圖五 波形
V o 12.92V 實驗值理論值 T f 394us 2.551kHz 實驗二 三角波產生器 1. 如下圖所示接妥電路, 取 =10kΩ,=0.1μF, 1 =20kΩ, 2 =10kΩ 2. 觀測 V o1 及 V o2, 並在同一座標平面上繪出其波形, 且把 Vsat T 及 f 的值 記錄下來, 並與理論值相比較 15V OP1 V o1 2 15V OP2 V o2 1 波形 實驗值 理論值
±V sat T f 3. 改變元件值, 重複步驟 2 (1) =1kΩ,=0.1μF, 1 =30kΩ, 2 =10kΩ 波形 實驗值 理論值 ±V sat T f
(2)=10kΩ,=0.01μF, 1 =10kΩ, 2 =2kΩ 波形 實驗值 理論值 ±V sat T f 4. 若取 2 1 時, 波形會變成如何? 波形
實驗三 鋸齒波產生器 ( 一 ) 1. 如下圖所示接妥電路, 令 =10kΩ =0.1μF V S =1 V V ref = 10 V, 則該鋸 齒波的頻率是多少? 並繪出 V o1 和 V o2 的波形 b D1 V - 15V 15V V S I OP1 V O1 OP2 V O2 Vref V o1 波形 V o2 波形
2. 若 V ref = 5 V, 則頻率與波形將如何變化? V o1 波形 V o2 波形 3. 若 V S =1 V V ref =2 V =1kΩ =0.01μF, 則該鋸齒波的頻率是多少? 並繪 出 V o1 和 V o2 的波形 V o1 波形 V o2 波形
實驗四 鋸齒波產生器 ( 二 ) 1. 如下圖所示接妥電路, 令 1 =30kΩ 2 =10kΩ V =100kΩ =10kΩ =0.01μF 並求 V =50k 時, 再分別繪出 Vo 1 及 V o2 的波形? V 15 V OP1-15 V V o1 2 15 V OP2-15 V V o2 1 V o1 的波形 V o2 的波形
2. 令 1 =30kΩ 2 =10kΩ V =100kΩ =20kΩ =0.1μF 並求 V =50k 時, 在分別繪出 V o1 及 V o2 的波形? V o1 的波形 V o2 的波形 3. 當 V 改變時 ( 電阻值變大或變小 ), 則該 V o1 與 V o2 的波形將如何變化? (1) 當 V =30K 時, 請繪出 V o1 與 V o2 的波形
V o1 的波形 V o2 的波形 (2) 當 V =80K 時, 請繪出 V o1 與 V o2 的波形 V o1 的波形 V o2 的波形 五 參考資料 1. 微電子學 2. 電子實習 ( 下 ), 蔣春墓 周定編著, 全華圖書
附件一 實習結果 圖一 ( 方波產生器 ); 當 = 2 =10K, 1 =30K,=0.01uF Vo; 方波,f=5.37KHz,Vp-p=8.6V Vc; 三角波,f=5.37KHz,Vp-p=8.6V 圖二 ( 方波產生器 ); Vo; 方波,f=2.27KHz,Vp-p=28.4V Vc; 三角波,f=2.27KHz,Vp-p=20V 圖三 ( 三角波產生器 ); 當 = 2 =10K,1=20K,=0.1uF Vo1; 三角波,f=467KHz,Vp-p=16V Vo2; 方波,f=467KHz,Vp-p=28.4V
圖四 ( 鋸齒波產生器一 ); 當 = 1K, b =220,=0.1uF,Vs=V,Vref=V Vo1; 鋸齒波,f=8.06KHz,Vp-p=1.42V Vo2; 三角截波,f=8.06KHz,Vp-p=15V 圖五 ( 鋸齒波產生器二 ); 當 = 10K, 1 =30K,=0.01uF Vo1; 三角波,f=2.21KHz,Vp-p=12.4V Vo2; 方波,f=2.21KHz,Vp-p=29.2V 改變 V 可以改變上升時間 ( 充電時間 )