電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題

朱傳琴 趙笑笑

山東電力高等?？茖W(xué)校 山東 濟(jì)南 250002

1 正弦波振蕩電路為什么會(huì)輸出三角波信號(hào)

在指導(dǎo)學(xué)生做RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)按圖1所示電路接線，所用器件是通用型集成運(yùn)算放大器A741，多數(shù)實(shí)驗(yàn)小組的結(jié)果都是正常的，但其中有一小組的實(shí)驗(yàn)，在示波器上觀察到的輸出波形是圖2所示的三角波，而不是正弦波。

圖1 實(shí)驗(yàn)圖

圖2 示波器輸出波形

為什么正弦波振蕩電路會(huì)輸出三角波呢？帶著這一問(wèn)題，我進(jìn)行了各種參數(shù)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)波形如圖3所示。

圖3 正弦波振蕩電路在不同參數(shù)實(shí)驗(yàn)條件的輸出波形

經(jīng)過(guò)分析找出了兩個(gè)原因。第一是由于通用型運(yùn)算放大器的頻帶寬度有限，其電壓最大轉(zhuǎn)換速率SR較小，一般在0.5V/μS左右。

設(shè)正常輸出正弦波電壓為：

輸出電壓對(duì)時(shí)間求導(dǎo)：

輸出電壓隨時(shí)間最大變化率為：

從式（1-3）中可以看出，輸出電壓隨時(shí)間的最大變化率與振蕩頻率成正比，振蕩頻率越高，電壓隨時(shí)間變化率越大。

當(dāng)振蕩頻率為1kHz，uom=10V時(shí)，輸出電壓隨時(shí)間最大變化率為：

當(dāng)振蕩頻率為10KHz，uom=10V時(shí)，輸出電壓隨時(shí)間最大變化率為

可見，在頻率達(dá)到10kHz時(shí)，已經(jīng)大于通用運(yùn)算放大器的最大電壓轉(zhuǎn)換速率SR（約0.5V/μS）。振蕩頻率再高,則由于電容在進(jìn)行充放電過(guò)程中，運(yùn)算放大器電壓轉(zhuǎn)換速率跟不上振蕩頻率的變化，所以輸出端的波形不是按正弦波規(guī)律變化，而是按三角波規(guī)律變化。

讀者可能會(huì)問(wèn)，相同的實(shí)驗(yàn)條件下，為什么其他實(shí)驗(yàn)小組實(shí)驗(yàn)結(jié)果正常，而個(gè)別小組的實(shí)驗(yàn)輸出三角波呢？這就是正弦波振蕩電路會(huì)輸出三角波的另一個(gè)原因，就是由RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)電容C2開路所致。因?yàn)榉糯笃鞯妮斎攵擞蟹植茧娙荩c選頻網(wǎng)絡(luò)中的C2并聯(lián)，由于其電容容量很小，與外接并聯(lián)電容C2相比較，一般可忽略不計(jì)。當(dāng)C2開路后，輸入端的分布電容就發(fā)揮出它的作用，在電路中充當(dāng)電容C2的角色。我們把放大器輸入端的分布電容用C0來(lái)表示，RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)等效電路如圖4所示。其反饋系數(shù)F的表達(dá)式如下：

根據(jù)式（1-4）可以看出：在正常的實(shí)驗(yàn)中，C0與C2并聯(lián)，等效電容約等于C2且等于C1，滿足振蕩條件時(shí)，，反饋系數(shù)等于三分之一，當(dāng)電容C2開路時(shí)，C0與C2的并聯(lián)等效電容就等于C0，而≈0，所以，輸出正弦波的幅值是輸入幅值的2倍，這與圖4（b）所示波形 相吻合。但是C2開路后由于C0的數(shù)值很小，使得振蕩頻率高于10kHz，輸出電壓最大轉(zhuǎn)換率大于通用運(yùn)算放大器的最大電壓轉(zhuǎn)換速率SR（約0.5V/μS）。所以輸出端的波形不是按正弦波規(guī)律變化,而是按三角波規(guī)律變化。

圖4 等效電路圖

2 直流穩(wěn)壓電源的紋波電壓為什么比直流電壓還要高

在做直流電源實(shí)驗(yàn)時(shí)，電路如圖5所示，其中有一項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容是測(cè)輸出電壓的紋波電壓。按理論分析，輸出的紋波電壓很小，應(yīng)在毫伏數(shù)量級(jí)，但有的同學(xué)測(cè)出的紋波電壓接近30伏，這顯然是錯(cuò)誤的。但這個(gè)同學(xué)很執(zhí)著地說(shuō)，我測(cè)的就是這么高的數(shù)值。為此，我親自看著這個(gè)同學(xué)重新做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)他的測(cè)試數(shù)據(jù)之所以這么高，是因?yàn)樗臏y(cè)試方法有問(wèn)題。紋波電壓是交流信號(hào)，應(yīng)該用交流毫伏表測(cè)，他們卻是用萬(wàn)用表的交流電壓檔測(cè)的。

圖5 直流電源實(shí)驗(yàn)圖

為什么用萬(wàn)用表的交流電壓檔會(huì)測(cè)出這么高的紋波電壓呢？電壓怎么來(lái)的？這要從萬(wàn)用表的結(jié)構(gòu)來(lái)分析這個(gè)問(wèn)題。萬(wàn)用表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

被測(cè)交流電壓經(jīng)過(guò)半波整流電路后，通過(guò)微安表的電流是半波電流，得到的電壓平均值是被測(cè)電壓有效值的0.45倍。為了使電壓表讀數(shù)正好是被測(cè)電壓的有效值，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在電路中串入一個(gè)600Ω的電位器，用來(lái)調(diào)整表盤刻度值，將表盤讀數(shù)擴(kuò)大倍，折換為電壓有效值。例如被測(cè)?電壓ux有效值為10V，半波整流后的平均電壓為4.5V，擴(kuò)大2.4倍折換后，電壓表讀書為10V，與實(shí)際值相吻合。

圖6 萬(wàn)用表內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

用萬(wàn)用表交流電壓檔測(cè)直流電源輸出紋波電壓時(shí)，為什么測(cè)得比直流電壓高呢？這是因?yàn)橹绷麟娫吹妮敵鍪侵绷麟妷?，?jīng)過(guò)圖6所示結(jié)構(gòu)的萬(wàn)用表測(cè)量時(shí)，半波整流后的電壓不變，與原來(lái)直流電壓相等，但萬(wàn)用表內(nèi)部折換關(guān)系并沒有變，仍然擴(kuò)大2.4倍折換，所以測(cè)出的電壓讀數(shù)是輸出直流電壓的2.4倍。

用交流毫伏表測(cè)直流電壓的紋波電壓時(shí)，其輸入端有耦合電容，將直流電壓濾掉，所以只測(cè)出其紋波電壓。

3 小結(jié)

電子技術(shù)是綜合性和實(shí)踐性很強(qiáng)的一門學(xué)科，而實(shí)驗(yàn)又是課程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生鞏固和加深理解課堂上所學(xué)的理論知識(shí)，提高動(dòng)手能力。以上是學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的幾個(gè)典型的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)我們的反復(fù)實(shí)驗(yàn)和分析，找到了問(wèn)題所在。希望我們的學(xué)生通過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練后，除了要掌握實(shí)驗(yàn)方法之外，還要充分理解實(shí)驗(yàn)的原理，學(xué)會(huì)正確地去檢查線路，測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并且學(xué)會(huì)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

［1］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，1988.

［2］周良權(quán).模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:高等教育出版社，2004.