电子技术实验问题

朱传琴 赵笑笑

山东电力高等专科学校 山东 济南 250002

1 正弦波振荡电路为什么会输出三角波信号

在指导学生做RC串并联正弦波振荡电路实验时，实验按图1所示电路接线，所用器件是通用型集成运算放大器A741，多数实验小组的结果都是正常的，但其中有一小组的实验，在示波器上观察到的输出波形是图2所示的三角波，而不是正弦波。

图1 实验图

图2 示波器输出波形

为什么正弦波振荡电路会输出三角波呢？带着这一问题，我进行了各种参数的实验，实验波形如图3所示。

图3 正弦波振荡电路在不同参数实验条件的输出波形

经过分析找出了两个原因。第一是由于通用型运算放大器的频带宽度有限，其电压最大转换速率SR较小，一般在0.5V/μS左右。

设正常输出正弦波电压为：

输出电压对时间求导：

输出电压随时间最大变化率为：

从式（1-3）中可以看出，输出电压随时间的最大变化率与振荡频率成正比，振荡频率越高，电压随时间变化率越大。

当振荡频率为1kHz，uom=10V时，输出电压随时间最大变化率为：

当振荡频率为10KHz，uom=10V时，输出电压随时间最大变化率为

可见，在频率达到10kHz时，已经大于通用运算放大器的最大电压转换速率SR（约0.5V/μS）。振荡频率再高,则由于电容在进行充放电过程中，运算放大器电压转换速率跟不上振荡频率的变化，所以输出端的波形不是按正弦波规律变化，而是按三角波规律变化。

读者可能会问，相同的实验条件下，为什么其他实验小组实验结果正常，而个别小组的实验输出三角波呢？这就是正弦波振荡电路会输出三角波的另一个原因，就是由RC串并联选频网络的并联电容C2开路所致。因为放大器的输入端有分布电容，与选频网络中的C2并联，由于其电容容量很小，与外接并联电容C2相比较，一般可忽略不计。当C2开路后，输入端的分布电容就发挥出它的作用，在电路中充当电容C2的角色。我们把放大器输入端的分布电容用C0来表示，RC串并联选频网络等效电路如图4所示。其反馈系数F的表达式如下：

根据式（1-4）可以看出：在正常的实验中，C0与C2并联，等效电容约等于C2且等于C1，满足振荡条件时，，反馈系数等于三分之一，当电容C2开路时，C0与C2的并联等效电容就等于C0，而≈0，所以，输出正弦波的幅值是输入幅值的2倍，这与图4（b）所示波形 相吻合。但是C2开路后由于C0的数值很小，使得振荡频率高于10kHz，输出电压最大转换率大于通用运算放大器的最大电压转换速率SR（约0.5V/μS）。所以输出端的波形不是按正弦波规律变化,而是按三角波规律变化。

图4 等效电路图

2 直流稳压电源的纹波电压为什么比直流电压还要高

在做直流电源实验时，电路如图5所示，其中有一项测试内容是测输出电压的纹波电压。按理论分析，输出的纹波电压很小，应在毫伏数量级，但有的同学测出的纹波电压接近30伏，这显然是错误的。但这个同学很执著地说，我测的就是这么高的数值。为此，我亲自看着这个同学重新做了这个实验，结果发现他的测试数据之所以这么高，是因为他的测试方法有问题。纹波电压是交流信号，应该用交流毫伏表测，他们却是用万用表的交流电压档测的。

图5 直流电源实验图

为什么用万用表的交流电压档会测出这么高的纹波电压呢？电压怎么来的？这要从万用表的结构来分析这个问题。万用表的内部结构如图6所示。

被测交流电压经过半波整流电路后，通过微安表的电流是半波电流，得到的电压平均值是被测电压有效值的0.45倍。为了使电压表读数正好是被测电压的有效值，需要进行转换。在电路中串入一个600Ω的电位器，用来调整表盘刻度值，将表盘读数扩大倍，折换为电压有效值。例如被测?电压ux有效值为10V，半波整流后的平均电压为4.5V，扩大2.4倍折换后，电压表读书为10V，与实际值相吻合。

图6 万用表内部结构图

用万用表交流电压档测直流电源输出纹波电压时，为什么测得比直流电压高呢？这是因为直流电源的输出是直流电压，经过图6所示结构的万用表测量时，半波整流后的电压不变，与原来直流电压相等，但万用表内部折换关系并没有变，仍然扩大2.4倍折换，所以测出的电压读数是输出直流电压的2.4倍。

用交流毫伏表测直流电压的纹波电压时，其输入端有耦合电容，将直流电压滤掉，所以只测出其纹波电压。

3 小结

电子技术是综合性和实践性很强的一门学科，而实验又是课程中的一个重要环节，通过实验可以使学生巩固和加深理解课堂上所学的理论知识，提高动手能力。以上是学生实验过程中发现的几个典型的问题，经过我们的反复实验和分析，找到了问题所在。希望我们的学生通过多次的实验训练后，除了要掌握实验方法之外，还要充分理解实验的原理，学会正确地去检查线路，测量实验数据，观察实验现象，并且学会分析实验结果。

［1］康华光.电子技术基础［M］.北京：高等教育出版社，1988.

［2］周良权.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社，2004.