正弦波振荡电路的实验报告

江苏大学实训（实验）设计报告所属院系：专业：课程名称：电工电子学设计题目：正弦波振荡电路设计（RC）班级：学生姓名：学生学号：指导老师:完成日期：2012.12.5实训设计题目：正弦波振荡电路的设计（RC）要求完成的内容：设计一个正弦波振荡器。指标条件如下：振荡频率为fo=2kHz的，输出幅值为实测，输出端设置电压跟随器。使用的元器件要求为：运算放大器（LM741或LM353），电容（瓷片电容），电阻（0.25瓦）等。要求：（1）根据设计要求，确定电路的设计方案，估算并初步选取电路的元件参数。（2）选用熟悉的电路仿真软件，搭建电路模型进行仿真分析，由仿真结果进行参数调试、修改，直至满足设计要求。（3）由选取的元件参数，精确计算和复核技术指标要求。（4）满足设计要求后，认真按格式完成课程设计报告。指导教师评语：评定成绩为：指导教师签名：年月日一、设计目的与任务1.1设计的目的1.掌握集成运算放大器组成的RC桥式正弦波振荡电路的工作原理和电路结构。2.研究RC振荡器的RC串、并联网络的选频特性。3.掌握RC桥式振荡器的工作原理及调测技术。4．进一步掌握用双踪示波器测相位差的方法。1.2设计的任务与要求1.设计一个KHzf20的RC桥式正弦波振荡电路。2.掌握RC桥式正弦波振荡电路的工作原理。1.3设计的技术指标1.示波器的调试。2.输出波形：正弦波。3.输出频率范围：在2000HZ(100HZ)范围内可调。4.输入电压：12V的对称电压。二、设计方案与比较错误!未指定书签。错误!未指定书签。错误!未指定书签。2.1常见的RC正弦波振荡电路的设计方案与特点比较常见的RC正弦波振荡电路有文氏电桥、移相式和双T式三种振荡电路。2.1.1RC移相振荡电路RRCCCA0u图1移相式振荡器原理图RC移相振荡电路原理图如图1所示，电阻选择RiR；振荡频率)62/(10RCf；起振条件是基本放大电路A的电压放大倍数29A；电路特点：是结构简单，但是选频作用差，振幅不稳，频率调节不便，频率范围是几赫兹到几千赫兹，一般用于频率固定且稳定性要求不高的场合。2.1.2文氏电桥RC正弦波震荡电路图2RC串并联式振荡原理图RC串并联网络振荡电路原理图如图2所示。电路的振荡频率)2/(10RCf；起振条件是3A；电路的特点是：能连续改变振荡频率，便于加负反馈稳幅，振荡波形稳定不失真。2.1.3双T选频网络振荡电路R0.5RRCCCC20u图3双T型振荡器原理图双T选频网络振荡电路原理如下图3所示。电路的振荡频率是RCf5/10；起振条件是3,2/'ARR;电路的特点是：选频特性好，调频比较困难，适于产生单一频率的振荡。2.2正弦波振荡电路的基本工作原理2.2.1产生振荡的条件正弦波产生电路的目的就是使电路产生一定频率和幅度的正弦波，我们一般在放大电路中引入正反馈，并创造条件，使其产生稳定可靠的振荡。正弦波产生电路的基本结构是：引入正反馈的反馈网络和放大电路。其中：接入正反馈是产生的首要条件，产生振荡必须满足幅度条件；要保证输出波形为单一频率的正弦波，必须具有选频特性；同时它还应具有稳幅特性。因此，正弦波产生电路一般包括：放大电路、反馈网络、选频网络、稳幅电路各部分。2.2.2正弦波振荡电路的组成判断及分类反馈电路F放大电路0AiUfU0U0U++++图4正弦波振荡器原理电路（1）放大电路：保证电路能够从起振到动态平衡的过程，电路获得一定幅值的输出值，实现自由控制。(2)选频网络：确定电路的振荡频率，是电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。（3）正反馈网络;引入正反馈，使放大电路的输入信号等于其反馈信号。（4）稳幅环节：也就是非线性环节，作用是输出信号幅值稳定。2.2.3判断电路是否振荡的方法（1）是否满足相位条件，即电路是否是正反馈，只有满足相位条件才可能产生振荡；（2）放大电路的结构是否合理，有无放大能力，静态工作是否合适；（3）是否满足幅度条件。2.2.4正弦波振荡电路的检验（1）1AF，则电路不可能振荡；（2）1AF，则电路能够振荡，但是会出现明显的非线性失真，需要加强稳幅环节的作用；（3）1AF，则电路能够振荡。三、电路原理及分析电路组成如图5所示：FR+-+1RRRCC0u图5RC正弦波振荡器图5是由集成运放组成的RC振荡器电路，集成运放和1R、fR组成一个同相放大电路，R和C组成的RC串并联电路作为反馈电路，因而该电路可简化成图所示的原理电路。可见，该电路是利用反馈电路的反馈电压作为放大电路的输入电压，从而可以在没有外加输入信号的情况下，将直流电源提供的直流电变换成一定频率的正弦交流电信号。像这种在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自身的条件而产生一定频率和幅值的交流输出信号的现象称为自励振荡。建立起自励振荡，需满足以下三个条件：1.自励振荡的相位条件：反馈电压fU的相位必须与放大电路所需要的输入电压iU的相位相同，即必须是正反馈。由于放大电路采用了同相放大电路，0U与iU相位相同，因此，fU与0U也必须相位相同。如图6所示，由于0UUf=212ZZZ=)//()()//(CCCjXRjXRjXR=CCRXXRj2231（式1）所以，要满足fU和0U相位相同的条件，分母中的虚步应等于零，即022CXR（式2）CfCXRnnC211；（式3）RCfn21；（式4）图6RC串并联电路这说明只有符合上述频率nf的反馈电压才能与0U相位相同。这时的反馈系数为310UUFf（式5）可见，RC串、并联电路既是反馈电路又是选频电路。0F31009090f0图7幅频特性图8相频特性2.自励振荡的幅度条件：反馈电压的大小必须与放大电路所需要的输入电压的大小相等，即必须有合适的反馈量。用公式表示即ifUU（式6）由于iUUA00（式7）0UUFf（式8）因此自励振荡的幅度条件也可以表示为10FA（式9）对于图6所示RC振荡电路来说，如前所述310UUFf，故30A（式10）由于同相放大电路的电压放大倍数为101RRAF（式11）因此12RRF（式12）可见，从自励振荡的上述条件来看，正弦波振荡器实质上是一个不需要外加输入信号的正反馈放大电路，其闭环电压放大倍数fA。3.自励振荡的起振条件：起振时的0A要大于稳定振荡时的0A，用公式表示即10FA(式13)3.起振过程当电路与电源接通的瞬间，输入端必然会产生微小的电压变化，它一般不是正弦量。但可以分解成许多不同频率的正弦分量，其中只有频率符合（式4）的正弦分量能满足自励振荡的相位条件，只有满足（式13），fU就会大于原来的iU，因而该频率的信号被放大后又被反馈电路送回到输入端，使输入端的信号增加，输出信号便进一步增加，如此反复循环下去，输出电压就会逐渐增加起来。对于一般的放大电路来说，iU较小时，晶体管工作在放大状态,0A基本不变。iU较大时，晶体管进入饱和状态,0A开始减小。当0A减小到正好满足自励振荡条件的幅度条件（式9）时，输出电压不再增加，振荡达到了稳定。对于图6所示振荡电路，由于101RRAF=3，故起振时oA3,即12RRF，因而要求FR由起振时的大于12R逐渐减小到稳定振荡时的等于12R。所以FR采用了非线性电阻。改变R和C即可改变输出电压的频率。四、设计内容与步骤1.内容（1）根据设计结果连接电路。（2）分析和观察不同时间段输出波形由小到达的起振过程和稳定到某一幅度的全过程。（3）参数设置，若参数不能达到设计要求，按指标要求调试电路。2.步骤(1)在Multisim平台上建立如图9所示的实验电路，仪器参数按图8所示设置：nFCC1.021；电阻4R+5R23R；4R5R.调节1R(即21,RR同时改变)使振荡稳定时满足KRR5.521。图9RC正弦波振荡仿真电路图调节直至震荡稳定时的输出信号观测示波器显示（如图10、11）a.起震：电位器8%图10起震时的图形b.振幅最大且不失真：电位器55%图11震荡稳定时输出信号的图形（2）单击仿真开关运行动态分析，观测频率计数据（如图12所示）。图12频率计作输入输出信号分析（图13）图13RC正弦波振荡仿真电路（3）参数扫描分析，设置函数发生器（如图14所示），再调试以获得李萨如图形。图14函数发生器（4）观察记录同相输入电压（如图15）、反相输入电压（如图16）、输出电压（如图17）。图15同相输入电压图16反相输入电压图17输出电压(5)调试出的李萨如图形（图18）：图18李萨如图形五、所用仪器设备表1元件明细表直流稳压电源双踪示波器运算放大器LM741电阻111若干万用表频率计电容导线31若干若干函数信号发生器1六、小结通过本次实验，我学会了集成运算放大器组成RC桥式正弦波振荡电路的工作原理和电路结构，了解了RC桥式振荡器中RC串并联的选频特性，熟悉了常用仪表，了解电路调试的基本方法，进一步掌握了用双踪示波器测相位差的方法；同时学会了Visio制图软件和Multisim电路仿真软件。总之，收获很大。注意：各器件参数使用要恰当，否则得不到完整的正弦波和李萨如图形。七、参考文献1、电工学（少学时）唐介主编高等教育出版社2、电工及电子技术实验教程新疆教育出版社3、电路分析基础与仿真测试张海燕、刘艳昌主编北京邮电大学出版社4、电工与电子技术实验机械工业出版社5、EDA操作实训李伟任风轩主编哈尔滨工业出版社附录仿真结果正弦波：李萨如图形：