项目4音频信号发生器的制作

项目4音频信号发生器的制作学习目标•了解振荡与自激振荡的概念、产生振荡的条件，理解掌握各种振荡电路的结构、工作原理、频率计算，掌握振荡电路的应用。工作任务（1）小组制订工作计划。（2）认识并掌握文氏电桥振荡器原理图，明确元器件连接和电路连线。（3）画出布线图。（4）完成电路所需元器件的购买与检测。（5）根据布线图制作文氏电桥振荡电路。（6）完成电路功能检测和故障排除。（7）通过小组讨论完成电路的详细分析及编写项目报告。文氏振荡音频信号发生器实物图如图4.1所示，文氏电桥振荡电路图如图4.2所示。项目技能实训文氏振荡音频信号发生器的制作一、实训目的（1）熟悉文氏电桥振荡器的电路结构，理解其工作原理。（2）能正确安装文氏电桥振荡器的频率调节与测试。（3）掌握文氏电桥振荡器的频率调节与测试方法。二、实训设备与器件实训设备：通用面包板1块、双踪示波器1台、晶体管毫伏表1台、万用表1块、频率计1台、直流稳压电源1台。实训器件：集成运放A7471个，1N4001型二极管2个，100k电位器1个，10k电阻4个，1k、2k电阻各1个，0.1F电容器5个，导线若干。三、实训内容与步骤（1）识别与检测元件，并查阅资料画出A747的引脚排列示意图。若有元件损坏，请说明情况。（2）根据图4.2画出文氏电桥振荡器的装配图。（3）按装配图进行电路装接，其中置最大。（4）电路调试。①接通电源，调小直至振荡波形uo1、uo2不失真。将uo1、uo2测量的数据记入表4.1中。若电路有故障，进行排除，并作记录。WR•故障现象及排除过程：•②在RC串并联选频网络中的电阻两端各并联10k电阻，进行频率调节，并测量完成表4.2的填写。•③在RC串并联选频网络中的电容两端各并联0.1F电容，进行频率调节，并测量完成表4.2的填写。四、实训注意事项（1）要按工艺要求安装电子元件，插件装配地美观、均匀、端正、整齐，高低有序，不能歪斜。（2）严禁集成运放的电源极性接反及输出短路，以免损坏芯片。（3）电路装好后才可接通电源。（4）仪器接地端要与电路接地端连接起来。（5）VD1、VD2两管用来实现自动稳幅，与之并联的电阻R1是为了克服硅二极管的死区电压造成输出波形在过零附近的畸变而设置的。若VD1、VD2换为锗管，R1可不接。知识链接一正弦波振荡电路一、正弦波振荡电路的基本概念1.正反馈•从放大电路的输出端取出一部分或全部输出信号，以一定的方式返送回输入端的过程，称为反馈，反馈示意图如图4.3所示。反馈使输入信号加强了，这种反馈称为正反馈，即：2.正弦波振荡器的振荡条件（1）振荡和自激振荡的概念。电路能不断地输出交流信号（或脉冲信号）的现象，称为电路振荡。电路不需要外来激励（即=0）而能自己产生电路振荡的现象，称为自激振荡。（2）产生稳定的自激振荡的条件。在没有外激励信号，要求输出信号（即Uo）不变，只有当正反馈信号等于原净输入信号时，才能达到：idifXXXoXoX•产生稳定振荡的条件为：•相应的幅度平衡条件为：FA=1•即幅度平衡条件要求放大器的放大倍数与反馈网络对信号的反馈系数的乘积的模为1。相应的相位平衡条件：•相位平衡条件要求放大器对信号的相移与反馈网络对信号的相移之和为。3.自激振荡的建立和稳定（1）起振。振荡电路在接通电源开始工作的瞬间，电路中是没有外加输入信号的。但是因放大器的突然导通，电流由零突然变为一个值，在这个突变的电流中包含了频率由零到无穷大的微弱交流信号，由于选频网络的作用，其中频率与选频网络频率f0相等的信号，经过放大，正反馈，再反复放大和正反馈过程，其振幅逐渐增强，形成振荡。其他频率的信号则被削弱了。为了起振容易，在设计电路时都使得振荡开始阶段正反馈信号略强于输入信号，使振荡信号的幅度越来越大。（2）稳定。当振荡的幅度达到一定值后，由于放大器本身的非线性，随着幅度的增加，放大器的电压放大倍数下降，振幅的增长受到限制而使振荡的幅度自动稳定下来。1FAaf2(0,1,2,)nn2n4．正弦波振荡器的组成•振荡电路包括放大电路、正反馈网络和选频网络三部分，同时放大器处于放大状态，则能产生正弦振荡器，输出正弦波信号。•一个放大电路加上正反馈网络，虽然可以振荡，但因无选频网络，只能产生非正弦信号而不能产生正弦波信号。•合适的静态工作点是振荡电路正常工作的基础。足够大的放大倍数或反馈系数是振荡电路振荡起来的幅度条件。二、选频网络•振荡电路中有了选频网络，才能产生正弦振荡信号。很多振荡电路，选频与反馈是由同一个网络来完成的，即这个网络既是反馈网络又是选频网络，如文氏振荡电路。1．LC选频网络•LC串联、并联电路（也叫网络）的阻抗，随通过它们的信号频率变化而变化。LC并联网络电路如图4.4所示。•如图4.4所示的LC并联网络电路，信号源的信号从输出端，经600电阻及LC并联网络到地。当信号源同时输出多种频率的信号时，LC并联网络对频率为：的信号呈现出最大的阻抗，与600电路分压后，获得f0信号的最大电压分量，而其他频率的信号，在LC并联网络上的压降相对很小。这样就把f0信号从众多信号中，从LC并联网络两端上选择出来。012fLC2．RC串并联选频网络•RC串并联选频网络如图4.5所示，其中R1=R2=R，C1=C2=C。设输入、输出电压分别为Ui、Uo，输入、输出关系为：CRCRjUUi20)(131•过程读者自己去推导。输入与输出同相时（即谐振）输出量为最大值：3．石英晶体选频特性•石英晶体的化学成分是二氧化硅，当把它按照一定的方式切割成晶片后，据理论研究和实践证明，石英晶体具有谐振电路的特性，因而又称为石英谐振器，其符号、等效电路和电抗频率特性如图4.6所示。iUU310•石英谐振器具有两个谐振频率：串联谐振频率fs和并联谐振频率fP，而且fs＜fP。两个频率靠得很近，两者之差一般不超fs的万分之几。由电抗频率特性可看出：（1）外加信号频率f=fs时，石英谐振器发生串联谐振，阻抗为零。（2）外加信号频率在fs＜f＜fp时，谐振器呈电感性，即在很窄的频率范围内晶体相当于一个电感。（3）外加信号频率f=fp时，石英谐振器发生并联谐振，阻抗很大。•在实际应用中，石英谐振器可以工作在串联谐振频率fs、并联谐振频率fp，或工作在很窄的频率的频率范围（fsfp）内，此时石英谐振器作为一个Q值很高的电感元器件使用。•以上所述选频网络，在具体正弦波振荡电路中可以设置在放大电路中，也可以兼作反馈网络。采用LC选频网络的电路，称为LC振荡电路。采用RC选频网络的电路，称为RC振荡电路。采用石英晶体作选频网络的电路，称为石英晶体振荡电路。一个电路的振荡频率由选频网络决定。三、LC振荡电路1．变压器反馈式振荡电路（1）电路组成。变压器反馈式振荡电路如图4.7所示。（2）选频电路。LC振荡电路采用LC并联谐振电路作为选频电路。谐振频率为：（3）自激振荡条件的实现。012fLC2．电感三点式振荡电路•图4.8是电感三点式振荡电路。电感三点式振荡电路的振荡频率为:•相位条件的判断，可以从a处断开接入假想信号源ui用瞬时极性法判断，如图4.8所示。3．电容三点式振荡电路•电容三点式振荡电路如图4.9所示。C1和C2串联，反馈电压从C2上取出。它的振荡频率为：四、RC桥式振荡电路（文氏桥式振荡电路）•要产生频率低于1MHz的低频信号时，一般采用RC振荡电路，电路如图4.10所示。它由一个同相比例放大电路和RC选频网络所组成。由于放大电路的输出电压与输入电压同相，而RC选频网络对的信号相移为零，且输出电压最大，故对信号能满足振荡的相位条件。只要放大倍数等于3即可满足振幅条件。•振荡频率为：RCf210五、石英晶体振荡电路•在对频率稳定度要求较高的场合，一般LC振荡电路已不能满足要求，可采用石英晶体振荡电路。石英晶体振荡电路分为并联型(如图4.11所示)和串联型(如图4.12所示)两种类型。•小问答：要产生频率低于1000Hz的低频信号时，一般采用什么振荡电路？知识链接二非正弦波振荡器•在电子设备中，有时要用到一些非正弦波信号，例如，在数字电路中经常用到上升沿和下降沿都很陡峭的方波和矩形波；在电视扫描电路中要用到锯齿波等，我们把正弦波以外的波形统称为非正弦波。方波、三角波和锯齿波通常由迟滞电压比较器和RC充放电电路组成，工作过程一张一弛，所以又将这些电路称为张弛振荡器。一、方波发生器1．电路组成•图4.14（a）为方波发生器的基本电路。它工作于比较器状态，R和C构成负反馈回路，R1、R2构成正反馈回路。电路的输出电压由运放的同相端电压UP与反相端电压UN比较决定。2．电路工作原理•假设电容的初始电压为0，因而UN=0；电源刚接通时，由于电路中的电流由零突然增大，产生了电冲击，在同相端获得一个最初的输入电压。因为电路中有强烈的正反馈回路，使输出电压迅速升到最大值+UZ。此时同相输入端的比较电压为：•与此同时，输出电压+UZ通过电阻Rf向电容C充电，使电容上的电压UC逐渐上升。2P1Z12()RUURR•当UC稍大于比较电压UP1时，电路发生翻转，输出电压迅速由+UZ跳变为UZ。同相端的比较电压也随之变为：•因为负反馈电阻R上的电压为左正右负，所以电路翻转后，电容C就开始经R放电，UC逐渐下降。UC降至零后由于输出端为负电压，所以电容C开始反向充电，UC继续下降，当UC下降到稍低于同相端的比较电压UP2时，电路又发生翻转，输出电压由UZ迅速变成+UZ。输出电压变成+UZ后，电容又反过来充电，如此充电、放电循环不止，在电路的输出端即产生了稳定的方波电压。RC的乘积越大，充放电时间就越长，方波的频率就越低。图4.14（b）为振荡器输出方波的波形图。•方波信号的周期为：2P2Z12RUURR212ln12RTRCR二、三角波发生器1．电路组成•图4.15（a）为一方波-三角波信号发生器的电路图。运放A1构成过零电压比较器，其反相输入端接地，同相输入端信号由本级的输出和运放A2构成的积分器输出电压共同决定。•2．工作原理•Al的同相输入端电压uP由电位叠加原理可求出：21Po1o21212RRuuuRRRR•当up大于零时，uo1=+UZ；当up小于零时，uol=-UZ。•在电路接通电源的瞬间，设Al的同相输入端电压uP为负值，则uo1=UZ，电容C被反向充电，积分器A2的输出电压uo2以从零开始线性上升。经R2反馈后，A1的同相输入端电压uP由负值渐渐上升。当uo2达到某值正好使up由负值升到稍大于零时，过零电压比较器A1输出翻转，使uo1迅速跳变到+UZ。此时uP的值可由下式求出：•所以：•上式表明，当uo2上升到UZ时，电压比较器A1发生翻转，uo1由-UZ变成+UZ。当然，此时uP的值也随之突变为正值。uo1变成正值(+UZ)后，积分器的输出电压uo2开始线性下降，A1同相端的电压uP也逐渐下降。当uo2降至正好使uP由正值降至稍小于零时，电压比较器A1又发生翻转，uo2迅速由+UZ跳变成-UZ。•电压比较器再次翻转到-UZ时的uP值为：2o2Z1RuUR21RR•由此式可求出：•上式表明，当uo2下降至时，电压比较器又开始翻转，uo1从+UZ变成UZ。•电路的工作波形如图4.15（b）所示。在A1的输出端可以得到方波，在A2的输出端可以得到三角波。方波的幅值为UZ，三角波的幅值为。•可得方波和三角波信号的周期为：三、锯齿波发生器•如果三角波是不对称的，即上升时间不等于下降时间，则成为锯齿波。图4.16（a）为矩形波锯齿波信号发生器的电路图。图中A2构成的积分器有两条积分支路：VDl→R3→C与VD2→R4→C。2o2Z1RuUR2Z1RUR2Z1RUR2314RTRCR•当uo1的输出为正电压时，电容C通过二极管VD1及电阻R3正向充电，当uo1的输出为负电压时，电容C通过VD2及R4反向充电。如果R3＜R4，则三角波的下降时间小于上升时间，形成了锯齿波