文氏桥电路产生正弦波-方波

电子线路课程设计院部：专业：姓名：学号：指导教师：完成时间：电子线路课程设计任务书姓名班级指导老师设计课题：简易的函数发生器设计任务与要求根据题目，然后完成以下任务：1、查阅资料，设计一个函数发生器2、能产生正弦波、方波3、编写课程设计说明书要求：1、频率为100~1KHz2、幅度为2.5V3、掌握文氏桥震荡电路4、完成电路的制作，测试结果设计步骤1、查阅相关资料；2、先给出总体方案并对工作原理进行大致的说明；3、依次对各部分分别给出单元电路，并进行相应的原理、参数分析计算、功能以及与其他部分电路的关系等等说明；4、列出标准的元件清单；5、制作并调试电路，进行测试，得到想要的波形。6、总体电路及总体电路原理相关说明；7、列出设计中所涉及的所有参考文献资料。设计说明书字数不得少于3000字。参考文献[1]李万臣主编.《模拟电子技术基础实验与课程设计》.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版2001.3[2]沈明发等编.《低频电子线路实验》.广州:暨南大学出版社，2001.10[3]刘志军主编．《模拟电路实验教程》．北京：清华大学出版社,2005.5[4]康华光．电子技术基础（模拟部分）（第四版）．武汉：高等教育出版社，2005.7[5]舒庆莹．凌玲．模拟电子技术基础实验．武汉：武汉理工大学出版社，2008.2目录目录..........................................................................................................................................................1第1章引言............................................................................................................................................1第2章基本原理....................................................................................................................................22.1基本文氏振荡器..........................................................................................................................22.2振荡条件......................................................................................................................................2第3章参数设计及运算........................................................................................................................43.1结构设计......................................................................................................................................43.2参数计算......................................................................................................................................5第4章仿真效果与实物........................................................................................................................8心得体会..............................................................................................................................................9参考文献..............................................................................................................................................9综合课程设计说明书1第1章引言无论是从数学意义上还是从实际的意义上，正弦波都是最基本的波形之一——在数学上，任何其他波形都可以表示为基本正弦波的傅里叶组合;从实际意义上来讲，它作为测试信号、参考信号以及载波信号而被广泛的应用。在运算放大电路中，最适于发生正弦波的是文氏电桥振荡器和正交振荡器。综合课程设计说明书2第2章基本原理2.1基本文氏振荡器基本文氏电桥反馈型振荡电路如图1所示，它由放大器即运算放大器与具有频率选择性的反馈网络构成，施加正反馈就产生振荡。运算放大器施加负反馈就为放大电路的工作方式，施加正反馈就为振荡电路的工作方式。图中电路既应用了经由R3和R4的负反馈，也应用了经由串并联RC网络的正反馈。电路的特性行为取决于是正反馈还是负反馈占优势。图2-1将这个电路看作一个同相放大器，它对Vp进行放大，其放大倍数为o3p4VRA1VR在这里为了简化我们假设运算放大器是理想的。令，R1=R2=R,C1=C2=C。反过来，Vp是由运算放大器本身通过两个RC网络产生的，其值为VP=[ZP/(ZP+Z1)]Vo。式中Zp=R∥﹙1/j2πfC﹚，Z1/2sRjfC。展开后可以得到op00V1V3//Bjfjffff上式中01/2ffC。信号经过整个环路的总增益是TjfAB或者表示为综合课程设计说明书234001/3//RRTjfjffff这是一个带通函数，因为它在高频和低频处均趋于零。它的峰值出现在0ff处，其值为341/3RRTjfTjf为实数表明了一个频率为0f的信号经过环回路一周后，其净相移为零。根据Tjf的大小，可有三种不同的可能性：Tjf﹤1，也就是A＜3V／V。从直观上即可看出，这一扰动每次环绕回路后均会被减小，直至其降到零为止。这时可以认为回路的负反馈（通过34RR和）胜过了正反馈（通过sZpZ和），使其成为一个稳定的系统。Tjf﹥1，也即A＞3V／V。这时正反馈超过了负反馈，说明频率为0f的扰动会被再生的放大，导致整个电路进入一个幅度不断增长的震荡过程中。此时电路时不稳定的。Tjf=1，或A=3V／V。这种情况称为中性的稳定状态，因为此时正负反馈量相等。任何频率为0f的扰动首先被放大3V／V倍，然后再缩小1/3V／V，这就说明一旦电路工作它就会无限的持续下去2.2振荡条件放大电路的反馈回路网络采用R和C串并联回路，具有频率选择性，由3R和4R设定放大电路的增益。图2-2综合课程设计说明书3图1的电路可以考虑为四端子桥式网络，电路平衡的条件是运算放大器各自输入端的电位相等，即iiee’。图2中运算放大器的同向输入端电压ie等于RC网络构成的分压电路的分压比与输出电压oe相乘的电压，即122112oiRC121RCCRee1jCR反向输入端电压ie’为：4io34ReeRR’若运算放大器的放大倍数足够大，则ie和ie’相等，因此，仅取实部为3412214R+RRC1RCR（振幅条件）若虚部为0，求出谐振频率2f，则有21121CRCR由此得到12121RRCC（频率条件）由于一般取1212R=R=RC=C=C，，则得到振幅条件34344R+RR31RR频率条件12CfR根据以上的计算，振荡开始的振幅条件为A≥3，即运算放大器的增益为3倍以上就能振荡。因此，改变振幅稳定电路的电阻3R和4R中的任何一个，若控制A≈3，就成为一个振荡电路。综合课程设计说明书4第3章参数设计及运算3.1结构设计为了使文氏电桥振荡电路能产生振荡，非常重要的是正反馈的作用是输出不饱和，为此，在负反馈侧接入限幅和自动增益控制电路。最简单的就是接入二极管。图3-1如图3所示电路，应用了一个简单的二极管-电阻器网络来控制3R的有效值。信号较小时5R不起作用。从而有2R／1R＞2，也就是说此事振荡在积累。当振荡不断地增长，这两个二极管以交替半周导通的方式逐渐进入导通状态。在二极管充分导通的限制下，2R会变小使2R／1R﹤2。然而，在此极限值到达之前，振幅会自动地稳定在二极管导通的某个中间电平上，正好满足2R／1R=2。上述电路的一个缺点是输出电压对二极管的正向压降非常灵敏。对电路进行改进，采用发光二极管，这里不是利用其发光性质，而是利用其正向电压与稳定的温度特性，正向电压比通常的硅二极管大，而且，温度特性比二级管串联稳定得多。综合课程设计说明书5电路图设计如图4。图3-2由于该电路是采用单电源工作，因此，运算放大器的输出含有（1/2）ccV的直流。5C就是隔断该直流成分的电容。3.2参数计算先讨论振荡频率为1kHz时常数与元器件的选择。首先，由于运算放大器为单电源工作，偏置电阻是使运算放大器同向输入端的电平为ccV／2，其电阻分压，不管为何阻值，这里设为15k。于是，该值的1／2即为7.5k。R=7.5k时计算电容C的值，即01C2fR=1/6.28*103*7.5*103=0.0212F这个非常接近E6系列的值0.022F。电容不是一种，这样振荡频率0f就会有些偏移，但频率正好为1kHz时，7.5k电阻R采用6.8k固定电阻加1k半固定电阻即可。对于标准的文氏电桥振荡电路，RC网络损耗达到1/3，若运算放大器的增益A不到3以上，综合课程设计说明书6则能开始振荡。因此，增益设定电阻42RR和的关系是：24R2R若4R=1k，则2R要为2k以上。有标准E12系列可知，最近值是2R=2.2k。然而，若按照原样，则振荡输出饱和达到运算放大器的最大输出振幅，因此，用LED与电阻进行限幅。与LED串联的电阻也与电阻2R的阻值有关，考虑到LED正向电压的分散性，采用可调电阻（2.7k固定电阻+5k可调电阻）。用于补偿可变幅度较大的分散性及调整波形的失真。振荡频率0f时隔直电容1C的容抗（1/C）足够小。这里（1/5）0f以下的频率作为截止频率cf。1C1/24cfR=0.796*10-61kHz时1C取1F（110F即可），又实际要求为100Hz-1000Hz，则取1C=10F。要使输出在100Hz到1kHz范围内则R要在7.5k到75k之间可变，在原电路图中加入可变电阻即可。在电路图中，运算放大器使用LM324N，运算放大器的种类没有特别的要求。由以上分析可得最后设计原理图如图3-3所示。PCB图如图3-4所示。图3-3综合课程设计说明书7图3-4综合课程设计说明书8第4章仿真效果与实物经仿真后由示波器得到的正弦波及方波如图4-1所示，如图4-2所示。图4-1图4-2可以看出，所设计的正弦波发生器可以产生符合要求的正弦波形以及方波。做出的实物综合课程设计说明书9如图4-3所示。图4-3心得体会一周的课程设计结束了，我们的任务也圆满完成了。作为一个大三学生，我觉得这样的课程设计还是十分有用的。在过去的学习中，我们