实验十-基于运放的信号发生器实验(400HZ-100KHZ)

任务书【实验名称】基于运放的信号发生器设计【设计任务】本课题要求使用集成运算放大器制作正弦波发生器，在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电路。【设计要求】1、采用经典振荡电路，产生正弦信号，频率范围400Hz~100kHz2、双电源供电3、信号经过放大、驱动电路，可在1KΩ负载条件下：（1）正弦波最大峰-峰值3V，幅值可调，谐波失真小于3%【提供元器件】1、运算放大器LM3244、二极管5、电阻电容电位器同轴电位器一设计思路与解决方法模电实验报告设计要求①：采用经典振荡电路，产生正弦信号，频率范围100Hz~100kHz解决方案：使用运算放大器LM324，组成由基本放大电路，选频网络，正反馈网络构成的经典振荡电路，产生自激振荡的正弦波。使用同轴电位器，对信号的频率范围进行调节，使其在100Hz~100kHz时可产生幅值不变的正弦波。设计要求②：双电源供电解决方案：选取数电箱的两个15V电压输出，将第一组的+15V端接在LM324的4管脚（即运放器的Vcc端）；第一组的-15V接在第二组的+15V端，再将第二组的+15V端接地；第二组的-15V端接在LM324的11管脚（即运放器的GND端）设计要求③：信号经过放大、驱动电路，可在1KΩ负载条件下：（1）正弦波最大峰-峰值3V，幅值可调，谐波失真3%2.1经典振荡器部分经典振荡器部分由基本放大电路，选频网络，正反馈网络组成。其中，基本放大电路作用：使电路获得一定幅值的输出量；选频网络作用：确定电路的振荡频率，保证电路产生正弦波振荡；正反馈网络作用：在振荡电路中,当没有输入信号的情况下,输入正反馈信号作为输入信号。一．实验原理振荡电路有RC正弦波振荡电路、桥式振荡电路、移相式振荡电路和双T网络式振荡电路等多种形式。其中应用最广泛的是RC桥式振荡电路，电路如图1．电路分析RC桥式振荡电路由RC串并联选频网络和同相放大电路组成，图中RC选频网络形成正反馈电路，决定振荡频率0f、1R、fR形成负反馈回路，决定起振的幅值条件，该电路的振荡频率，D1、D2为稳压管。0f=RC21①起振幅值条件311RRAfv②式中dfrRRR//32，dr为二极管的正向动态电阻2．电路参数确定（1）确定R、C值根据设计所要求的振荡频率0f，由式①先确定RC之积，即RC=021f③为了使选频网络的选频特性尽量不受集成运算放大器的输入电阻iR和输出电阻oR的影响，应使R满足下列关系式：iRRoR一般iR约为几百千欧以上，而oR仅为几百欧以下，初步选定R之后，由式③算出电容C的值，然后再算出R取值能否满足振荡频率的要求（2）确定1R、fR电阻1R和fR应由起振的幅值条件来确定，由式②可知fR≥21R通常取fR=（2.1~2.5）1R，这样既能保证起振，也不致产生严重的波形失真。此外，为了减小输入失调电流和漂移的影响，电路还应满足直流平衡条件，即：R=1R//fR（3）确定稳幅电路通常的稳幅方法是利用vA随输出电压振幅上升而下降的自动调节作用实现稳幅。图①中稳幅电路由两只正反向并联的二极管1D、2D和电阻3R并联组成，利用二极管正向动态电阻的非线性以实现稳幅，为了减小因二极管特性的非线性而引起的波形失真，在二极管两端并联小电阻3R。实验证明，取3R≈dr时，效果最佳。（1）经典振荡电路实际出来的正弦波：由于理论与实际的差别，实际的波形实践起来效果并不理想，比如振荡频率不高及停振等，尤其是在使用LM324制作振荡器时波形出现严重失真。所以在接连电路前，我们组查阅资料，整理出了常见的正弦波失真问题及解决方法：①削波失真：该种失真的明显特点是波形顶部变得平直。波形的幅度很大，接近电源电压。造成这种失真的原因，大多是反馈电阻值过大，使电路的增益过大，致使输出电压峰值太大，严重时会随着反馈电阻值的增大，输出波形将变得极像方波。解决这种失真的方法：减小反馈网络的总电阻而过分地减小又将使电路不能起振，因此它的大小非常关键，在不确定电阻值大小的情况下，可先使用电位器代替，通过细调电位器，将波形调到一个最好效果即可。②停振现象：在实际制作中，由于元器件本身的质量和精度问题，也会使振荡器的制作效果大打折扣在电路中，我们需要调节同轴双联电位器来改变输出正弦波的频率。顾名思义，双联同轴电位器是由两个电位器组成，通过调节同一个轴达到同步调节两个电阻值的目的器件。但在实际中，我们发现，双联同轴电位器的两个电阻值并不能时刻保持相等，而是有一个差值，有时候这个差值很大，可达数干欧姆。差值的存在造成了振荡器在高频时出现停振现象，也就是说。振荡器的输出信号不能达到较高的频率。在这种情况下，我们当然可以更换精度和质量更好的双联同轴电位器来解决。但为节省成本，我们在实践中发现，如果用两个小、电阻分别与双联同轴电位器的两个可变电阻串联，停振问趣即可得蓟狼好的解决，从而使得振荡器的频率得到显著提高。③“刺突状”失真：这种失真是在使用集成运放LM324制作正弦波振荡器时无法避免的棘手问题。一个简单有效的解决办法是，用一只适当阻值的电阻连接在输出端与负电源v之间，这样可以改善输出端波形的失真，而且随着频率的改变信号的幅度基本稳定。④稳幅：由于Uo与Uf具有良好的线性关系，所以为了稳定输出电压的幅度。一般在电路中加入非线性环节。这里．在回路串联两个反向并联的二极管，利用电流增大时二极管动态电阻减少的特点。加入非线性环节。从而使输出电压稳定。于是我们设计的最终的得到适合要求的桥式震荡电路为：由于实验需要，我们对经典振荡又做了一点修改，使它的产生波形幅值可调并且能消除其波形发生时的突刺壮失真两级放大部分：由于芯片324的局限性（增益带宽积）限制，从经典振荡出来的正弦波的幅值在高频段远远没有达到其幅值，故需要用放大器来增加其带宽，由于两级放大的带宽更大，所以采用两级放大。由于实验的需要，我们把两级放大改为可调的两级放大器：经过两级放大之后，虽然幅值达到3Vpp，但是它的负载能力有限，由于LM324输出电流有限，一般仅为几十毫安，在电流一定的情况下，为了提高电路的输出功率，一种有效的做法是减小电路的输出阻抗。一种简单的办法是使用电压跟随器，因为电压跟随器的特点是输入阻抗高，输出阻抗小，可以起到阻抗变换及隔离作用。跟随器电路如下：于是，整个电路各个部分组合一起，我们得到最初的电路方案：但是根据实验需要，我们最终采用的方案如下：并且我们的仿真电路，实验电路都是按这个图形来实现连线，各个元件参数也是同上图一致。（）实物线路图：如下实验结果：低频段：最低频率时频率288Hz幅值3Vpp失真率3.54%高频段：正弦波发生器出来的波形为：但是经过两级放大之后，波形出现三角波失真：于是我们经过各种努力，查找相应的资料知道324的部分参数如下：LM324是四通用运算放大器集成电路。可在收录机和音响系统中用作音调控制电路，也可广泛用于通信、仪器仪表中。该电路的特点如下：内含相位校正回路，外围元件少；即可双电源工作，也可单电源工作，工作电源电压范围宽；单电源：VCC=3.0～30.0V；双电源：VCC=±1.5～±15V；输入电压范围几乎可低至零电平；输出电压范围宽，可从0V～VCC-1.5V；消耗电流小：ICC=0.6mA(RL=∞)；采用双列直插14封装（DIP14）；LM324管脚图运放应用中的一些实际问题1不能调零：此时应检查运算放大器是否工作于闭环的负反馈状态。如果接线有错误，或是虚焊点，以及组件内部损坏，也会使调零电位器失去作用。如果关断电源又重新接通后即恢复正常（可以调零），则可能是组件出现“堵塞”现象。２、组件突然损坏最常见的是组件输出端不慎对地短路或接到某一个电源造成过电流；接入电容负载也容易产生瞬时大电流；电源极性接反或电压值接错也会产生过电流损坏３、“堵塞”现象：“堵塞”现象又叫“阻塞”或“自锁”现象：闭环工作的运算放大器突然发生工作不正常，输出电压接近于两个极限状态之一，此时组件内部的输出管不是处于饱和状态，就是处于截止状态。发生“堵塞”时，放大器不能调零，信号也可能加不进去，人们往往误认为组件已损坏。其实只要切断电源，重新接通，或把组件两个输入端短路一下，就可使电路恢复正常工作。“堵塞”是由于输入信号过大或受强干扰的影响，使组件内部某些管子进入饱和状态，从而使负反馈变成正反馈而引起的。在比例运算中，去掉后，电路靠正反馈仍能维持较大的电压输出。要使电路恢复正常，唯有运放反相输入端电压，这就需要切断电源电压，或将N点对地短路才行。为了防止堵塞现象，应防止组件输入管饱和，因此必须在输入端加限幅保护。有的组件内部已设置有防止堵塞的电路工作时产生自激振荡：表现为工作不稳定。人体或金属物体靠近时，变化尤为显著，用示波器可以看出有振荡波。应检查是否按规定的部位和参数接入ＲＣ校正（补偿）网络；负反馈是否太强；输出端是否接有电容性负载。接线太长引起杂散电容增大也会使电路工作不稳定。为了进一步抑制振荡，可重新调整ＲＣ补偿元件的参数。例如，减小补偿电阻的阻值，加大补偿电容的容量直到完全消除自激现象为止。此外，应在印刷电路板插座上正负电源接线端接上几十微法的电解电容和０.1μF的陶瓷电容相并联在实验过程中我们经过各种调整，优化电路图，并通过电位器调节以寻找最优的波形，在过程中不断地出现停振，堵塞等现象，我们通过整整两周的下午晚上课余时间，最终因为324放大器的局限性我们无法达到100KHz不失真波形。最终所得的最高不失真波形如下最高频率为：68KHz。。。。。。。。