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双电源单运放方波振荡电路

2025-07-21 16:51
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典型的基于运放(双电源供电)的方波振荡器电路。其核心是利用运放作为施密特触发器(带滞回的比较器),配合RC充放电网络(R1, C1)产生振荡。

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其中VCC 是正电源,VEE 是负电源,后面的实验中采用±6V, 电容 C1 = 10nF,运放采用 LM358, 电路中 R2 和 R3 相等,R1和 C1 构成 RC 积分电路。

  • 运放 (Op-Amp): 双电源供电( 6V 和 -6V),输出可在 -6V 到  6V 间摆动。

  • 电阻 R1: 连接在输出端 (V₀) 和反相输入端 (V-) 之间。核心定时电阻,控制电容充放电电流。

  • 电容 C1: 连接在反相输入端 (V-) 和地 (GND) 之间。核心定时电容,电压变化触发运放输出电平翻转。

  • 电阻 R2 和 R3: 构成正反馈网络,连接在输出端 (V₀) 和同相输入端 (V ) 之间,并分压到地(或负电源)。核心作用是为同相端 ( ) 提供动态阈值电压(滞回电压)。

  • 电源:  6V (VCC), -6V (VEE), GND (0V)。

核心工作原理:施密特触发器   RC 充放电

电路工作分为两个阶段,由电容 C1 的充放电和运放的滞回比较驱动:

1. 阶段 1:输出高电平 ( 6V),电容 C1 充电

  • 初始状态: 假设输出 V₀ =  6V(高电平)。

  • 同相端电压 (V₊) - 高阈值 (Vth_high):

    • R2 和 R3 构成分压器:V₀ =  6V → R2 → V₊ → R3 → GND (0V)。

    • V₊ = V₀ * [R3 / (R2   R3)] =  6V * [R3 / (R2   R3)]=3V。

    • 这是电容充电阶段的目标阈值 (Vth_high)。

  • 反相端电压 (V₋) - 电容充电:

    • V₀ =  6V 通过 R1 对 C1 充电。

    • 电容电压 Vc(即 V₋)从初始负值(或0V)指数上升,趋向  6V。

  • 比较状态:

    • 只要 V₋ < V₊,运放输出保持 V₀ =  6V。

  • 翻转条件:

    • 当 V₋(电容电压)上升到略高于V₊(Vth_high)时,运放翻转,输出变为低电平 V₀ = -6V。

2. 阶段 2:输出低电平 (-6V),电容 C1 放电

  • 状态切换: 输出变为 V₀ = -6V(低电平)。

  • 同相端电压 (V₊) - 低阈值 (Vth_low):

    • 分压器变为:V₀ = -6V → R2 → V₊ → R3 → GND (0V)。

    • V₊ = V₀ * [R3 / (R2   R3)] = -6V * [R3 / (R2   R3)]=-3V。

    • 这是电容放电阶段的目标阈值 (Vth_low)。

  • 反相端电压 (V₋) - 电容放电:

    • V₀ = -6V 通过 R1 使 C1 放电(或反向充电)。

    • 电容电压 Vc(即 V₋)从之前的高值指数下降,趋向 -6V。

  • 比较状态:

    • 只要 V₋ > V₊,运放输出保持 V₀ = -6V。

  • 翻转条件:

    • 当 V₋(电容电压)下降到略低于V₊(Vth_low)时,运放翻转,输出变回高电平 V₀ =  6V。

循环过程[输出高 ( 6V)] → C1充电 → Vc ↑ → 达到 Vth_high → 翻转 
→ [输出低 (-6V)] → C1放电 → Vc ↓ → 达到 Vth_low → 翻转 
→ [输出高 ( 6V)] → ...

结果: 在输出端 V₀ 产生稳定的方波信号,高电平 ≈  6V,低电平 ≈ -6V。

注意,运放如果是轨到轨运放,输出电压 V₀ 会接近电源电压,否则 V₀和电源之间,可能会有 1~2V 的差距。

为什么需要 R2(正反馈)?

  1. 提供滞回 (Hysteresis):R2 使阈值 V₊ 随输出状态变化 (Vth_high 和 Vth_low),确保翻转快速、稳定,避免在阈值点振荡(抗噪声)。

  2. 加速翻转:正反馈在翻转瞬间将输出变化耦合到同相端,迫使运放迅速进入饱和状态( 6V 或 -6V),输出边沿陡峭。

面包板上搭建号的电路如下图:

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运放是 LM358, 所有电阻都是 100k, 电容 10nF, 电源±6V。

正负电源由两个 6V 小电源政府及串联而成:

c31b45da22f38734c7c03b4f331b3b.jpg

波形图如下:

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CH1(黄色):接运放输出引脚,在高低电平之间来回切换。

CH2(青色):接运放反相输入引脚,在电容充电、放电两个过程循环。

CH3(紫色):接运放同相输入引脚。在 -3V~2V 两个上下限阈值电压之间跳变。

波形特征总结信号波形类型电压范围物理意义CH1方波-6.12V ~  4.94V运放输出(振荡结果)CH2指数充电/放电曲线-3V ~  2V电容电压(充放电过程)CH3方波(阈值跳变)-3V ~  2V滞回阈值(控制翻转时机)

LM358 是非轨到轨运放,负向饱和电压更接近电源轨,正向饱和电压和电源有 1V 左右的差距。

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