电子技术实验报告—实验9集成运算放大器组成的RC文氏电桥振荡器

电子技术实验报告实验名称：集成运算放大器组成的RC文氏电桥振荡器系别：班号：实验者姓名：学号：实验日期：实验报告完成日期：目录一、实验目的...................................................................................................................................3二、实验原理...................................................................................................................................31、产生自激振荡的条件........................................................................................................32、RC串-并联网络的选频特性...........................................................................................43、自动稳幅............................................................................................................................5三、实验仪器...................................................................................................................................6四、实验内容...................................................................................................................................71、电路分析及参数计算........................................................................................................72、振荡器参数测试................................................................................................................83、振幅平衡条件的验证........................................................................................................94、观察自动稳幅电路作用..................................................................................................10五、误差分析.................................................................................................................................10六、实验心得.................................................................................................................................11一、实验目的1、掌握产生自激振荡的振幅平衡条件和相位平衡条件。2、了解文氏电桥振荡器的工作原理及起振条件和稳幅原理。二、实验原理1、产生自激振荡的条件所谓振荡器是指在接通电源后，能自动产生所需的信号的电路，如多谐振荡器、正弦波振荡器等。当放大器引入正反馈时，电路可能产生自激振荡，因此，一般振荡器都由放大器和正反馈网络组成。其框图如图1所示。振荡器产生自激震荡必须满足两个基本条件：（1）振幅平衡条件：反馈信号的振幅应该等于输入信号的振幅，即：VF=Vi或|AF|=1（2）相位平衡条件：反馈信号与输入信号应同相位，其相位差应为：Ф=ФA+ФF=±2nπ（n=0、1、2……）为了振荡器容易起振，要求|AF|1，即：电源接通时，反馈信号应大于输入信号，电路才能振荡，而当振荡器起振后，电路应能自动调节使反馈信号的振幅应该等于输入信号的幅度，这种自动调节功能称为稳幅功能。电路振荡产生的信号为矩形波信号，这种信号包含着多种谐波分量，故也称为多谐振荡器。为了获得单一频率的正弦信号，要求在正反馈网络具有选频特性，以便从多谐信号中选取所需的正弦信号。本实验采用RC串-并联网络作为正反馈的选频网络，其与负反馈的稳幅电路构成一个四臂电桥，如图3所示，故又称为文氏电桥振荡器。2、RC串-并联网络的选频特性RC串-并联网络如图2（a）所示，其电压传输系数为：2()1122F+=12R1211(1)(21)122R2112RVFjwRcRcVORjwcRjwcjwRccwcR（）当R1=R2=R，C1=C2=C时，则上式为：1()13()FjwRcwRc若令上式虚部为零,即得到谐振频率fo为：1fo=2RC当f=fo时，传输系数最大，且相移为0，即：Fmax=1/3，φF=0传输系数F的幅频特性和相频特性如图2（b）（c）所示。由此可见，RC串-并联网络具有选频特性。对频率fo而言，为了满足振幅平衡条件|AF|=1，要求放大器|A|=3。为满足相位平衡条件：φA+φF=2nπ，要求放大器为同相放大。3、自动稳幅由运算放大器组成的RC文氏电桥振荡器原理图如图3所示，RC串-并联网络输出接放大器同相端，构成正反馈，并具有选频作用。RF和R1分压输出接放大器的反相端，构成电压串联负反馈，以控制放大器的增益。负反馈系数为：()1(-)1F=FFVRVoRR在深度负反馈情况下：1()1111FFFRRRAFRR因此，改变RF或者R1就可以改变放大器的电压增益。由振荡器起振条件，要求|AF（+）|1，当起振后，输出电压幅度将迅速增大，以至进入放大器的非线性区，造成输出波形产生平顶削波失真现象。为了能够获得良好的正弦波，要求放大器的增益能自动调节，以便在起振时，有|AF（+）|1；起振后，有|AF（+）|=1，达到振幅平衡条件。那么如何能自动地改变放大器的增益呢？由于负反馈放大器的增益完全由反馈系数VF（-）决定。因此，若能自动改变RF和R1的比值，就能自动稳定输出幅度，使波形不失真。自动稳幅的方法很多，通常可以利用二极管、稳压管和热敏电阻的非线性特征，或场效应管的可变电阻特性来自动地稳定振荡器的幅度。下面以二极管为例说明其稳幅原理。二极管稳幅原理如图4所示，当电路接通电源时，由于设计时令RF3R1，则在fo点VFVi，满足起振条件，振荡器振荡，由二极管正相特性曲线（如图5）可见，由于起振时，Vo较小，二极管两端的电压较小，二极管工作在Q1点则其等效的直流电阻较大；随着振荡器输出电压Vo增大，二极管两端的电压较大，二极管由Q1上升到Q2点，则其等效的直流电阻较小；由图4可见，二极管D1、D2并联在RF两端，随着Vo的逐渐增大，RD减少，从而使总的反馈电阻RF减小，负反馈增强，放大器增益下降，达到自动稳幅的目的。三、实验仪器1、示波器1台2、函数信号发生器1台3、直流稳压电源1台4、数字万用表1台5、多功能电路实验箱1台6、交流毫伏表1台四、实验内容1、电路分析及参数计算分析图6振荡器电路的工作原理，并进行参数计算。图6电路中，运算放大器和RF1、RF2及RW构成同相放大器，调整RW即可调整放大器的增益；RC串-并联网络构成选频网络；选频网络的输出端经R2、R3构成分压电路分压送运算放大器的同相端，构成正反馈，D1、D2为稳幅二极管。在不接稳幅二极管时，在谐振频率点，正反馈系数为：F（+）=VF（+）Vo=13·R2R2+R3而负反馈系数为：F（−）=RwRF1+RF2+Rw（1）为保证电路能稳定振荡，则要求：F（+）=F（-）由此，根据电路参数，计算Rw的理论值是0.628kΩ；（2）同相放大器的电压增益AVF=33；（3）电路的振荡频率fo=1.6KHz；2、振荡器参数测试（1）按图6搭接电路，（D1、D2不接，K拨向1）经检查无误后，接通±12V电源；（2）调节Rw，用示波器观察输出波形，在输出为最佳正弦波，测量输出电压Vp-p；Vp-p为20.5V实验中观察到的正弦波形：（3）测量Rw值；Rw为0.6201kΩ（4）用李萨茹图形法测量振荡频率；fo为1.5853KHz李萨茹图形测量信号频率方法：将示波器CH1接振荡器输出，CH2接信号发生器正弦波输出，令示波器工作在“外扫描X-Y”方式；当调节信号发生器频率时，若信号发生器频率与振荡器频率相同时，示波器将出现一椭圆；通过此方法可测量未知信号频率。实验中观察到的李萨如图形：3、振幅平衡条件的验证在振荡器电路中，调节Rw，使输出波形为最佳正弦波时，保持Rw不变，将开关K拨向2位置，则，即输入正弦信号（频率为振荡频率，幅度Vip-p=100mV）则电路变为同相放大器，用毫伏表测量Vi、Vo、VA、VF，填入表1；将电路恢复为振荡器（开关K拨向1位置），调节Rw，使输出波形略微失真，再将开关拨向2位置，电路又变为同相放大器，用毫伏表测量Vi、Vo、VA、VF，填入表1；将电路恢复为振荡器（开关K拨向1位置），调节Rw，使输出波形停振，再将开关拨向2位置，电路又变为同相放大器，用毫伏表测量Vi、Vo、VA、VF，填入表1；表1：振幅平衡条件验证工作状态测量值测量计算值Vip-p（mV）Vi(mV)Vo（V）VA（V）VF（mV）A=Vo/ViF(+)=VF/VoAF（+）良好正弦波10035.901.18720.397435.8433.070.03020.9987略微失真10035.921.20460.403336.3533.540.03021.0129停振10035.951.18860.397835.8633.060.03020.9984良好正弦波时理论值10035.361.16690.389035.36330.030314、观察自动稳幅电路作用在图6基础上，接入稳幅二极管D1、D2，调节电位器Rw，观察输出波形的变化情况，测量出输出正弦波电压Vop-p的变化范围。变化范围是1.90V~20.5V五、误差分析良好正弦波时的相对误差：A的误差：|33.07-33|/33=0.22%F（+）的误差：|0.0302-0.0303|/0.0303=0.4%AF（+）的误差：|0.9987-1|/1=0.13%误差来源：（1）电阻不精确，电容容值不精确，造成RC文氏电桥振荡器震荡特性不好；（2）运放不是理想运放。六、实验心得本次实验，学习了由运放组成的RC文氏电桥振荡器电路，了解了如何用李萨如图形法来测量震荡频率，同时也通过亲手实验，验证了振荡器的振幅平衡条件。在本次实验中，要注意在验证震荡平衡条件是，在得出良好波形时，把开关K拨向2时，记得不要再碰电路，特别是不要再调电阻。最要小心注意的是，这次的实验电路比较复杂，连线较多，容易出现干扰或者短路，断路的情况，要能懂得如何排除故障。