电子课程设计(f0=1KHz的RC桥式正弦波振荡电路)

-1-电子课程设计题目：f0=1KHz的RC桥式正弦波振荡电路学院：专业名称：测控技术与仪器班级学号：088201113学生姓名：指导教师：黄昌光二○一一年一月-2-设计题目f0=1KHz的RC桥式正弦波振荡电路目录1、设计任务与要求1．1课程设计的目的1．2课程设计的任务与要求1．3课程设计的技术指标2、设计方案与比较2.1常见的RC正弦波振荡电路设计与特点2.1.1RC移相振荡电路2.1.2RC串并联网络的文氏电桥振荡电路2.1.3双T选频网络振荡电路2.2正弦波振荡电路的基本工作原理2.2.1产生正弦振荡的条件2.2.2正弦波振荡电路的组成判断及分类2.2.3判断电路是否振荡的方法2.2.4正弦波振荡电路的检验3、电路原理及分析3.1电路组成3.2RC串并联网络的选频特性-3-3.3RC桥式正弦波振荡电路的振荡频率和起振条件3.3.1振荡频率3.3.2起振条件3.4振荡电路中的负反馈4、制作与调试4.1电路的制作4.2电路的调试5、参数计算及器件选择5.1器件的选择5.2理论数据处理5.3实验数据处理5.4理论数据与实验数据的对比5.5误差分析6、器件清单及所用设备7、小结8、参考文献-4-一、设计任务与要求1.1课程设计的目的1.掌握由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。2.研究RC桥式振荡器中RC串、并联网络的选频特性。3.掌握RC桥式正弦波振荡电路的调测技术。4.进一步掌握用双踪示波器测相位差的方法。5.掌握常用元器件的识别和测试。6.熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法。1.2课程设计的任务与要求1．设计一个f0=1KHz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课程设计的技术指标1．示波器的调试。2．输出波形：正弦波。3．输出频率范围：在1000HZ(±100HZ)范围内可调。4．输入电压：5V的对称电压。-5-二、设计方案与比较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正弦波振荡电路有桥式、移相式和双T式三种振荡电路。2.1.1RC移相振荡电路RC移相振荡电路原理图如下图A所示，电阻选择RRi。振荡频率f0=1/（2π√6RC）；起振条件是基本放大电路A的电压放大倍数|A|﹥29；电路特点是结构简单，但选频作用差，振幅不稳，频率调节不便，频率范围是几赫兹到十几千赫兹，一般用于频率固定且稳定性要求不高的场合。2.1.2RC串并联网络的文氏电桥振荡电路RC串并联网络振荡电路原理图如下图B所示。电路的振荡频率f0=1/（2πRC）；起振条件是|A|﹥3；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选频网络振荡电路双T选频网络振荡器原理如下图C所示。电路的振荡频率是f0=1/5RC；起振条件是R'﹤R/2，|A|﹥1；电路的特点：选频特性好，调频比较困难，适于产生单一频率的振荡。电子教课书上都有,自己去查赵淑范、董鹏中主编，《电子技术实验与课程设计》（第二版），清华大学出版社，2010.2-6-2.2正弦波振荡电路的基本工作原理2.2.1产生正弦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：接入正反馈是产生振荡的首要条件，它又被称为相位条件；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、稳幅电路个部分。2.2.2正弦波振荡电路的组成判断及分类（1）放大电路：保证电路能够有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)|AF|1，则电路不可能振荡；(2)|AF|1，则电路能够振荡，但是会出现明显的非线性失真，需要加强穏幅环节的作用；(3)|AF|=1，则电路能够振荡。振荡电路在起振过程中，要求|AF|1，这样才能保证振荡信号的幅度不断加大。而在起振过程完成后，必须使|AF|=1，电路能够维持振荡。-7-三、电路原理及分析3.1电路组成电子教课书上都有,自己去查杨素行主编，《模拟电子技术基础简明教程》（第三版），高等教育出版社图中集成运放A作为放大电路，RC串并联网络是选频网络，而且，当f=f0（f0=1/(2πRC)）时，它是一个接成正反馈的反馈网络。另外，RF和R＇支路引入一个负反馈。由上图可见，RC串并联网络中的串联支路和并联支路，以及负反馈支路中的RF和R＇，正好组成了一个电桥的四个臂，构成了RC桥式正弦波振荡电路。3.2RC串并联网络的选频特性图（a）是RC串并联网络的结构，图中，R1和C1串联，R2和C2并联，构成了RC串并联网络的结构。U和Uf分别是RC串并联网络的输入和输出信号。电子教课书上都有,自己去查杨素行主编，《模拟电子技术基础简明教程》（第三版），高等教育出版社-8-假设U的频率可以调整。当信号的频率很低时，对于串联支路来说，有1/(ωC1)R1,对于并联支路来说，有1/(ωC2)R2,因此电路变成图（b）的形态。这时，Uf比U超前某一角度，这一角度小于90º。当信号的频率很高时，对于串联支路来说，有1/(ωC1)R1,对于并联支路来说，有1/(ωC2)R2,因此电路变成图（c）的形态。这时，Uf比U滞后某一角度，这一角度也小于90º。根据上面的讨论，我们知道，当RC串并联网络输入信号U的频率从低频到高频连续变化时，其输出信号Uf与输入信号U之间之间将产生一个从超前90º到滞后90º连续变化的信号。因此，一定存在着某一频率，使得与之间既不超前，也不滞后，两者相位相同。下面对RC串并联网络的频率进行定量分析。在电路中，Z1为R1、C1的串联阻抗，则Z1=R1+1/(jωC1)Z2为R2、C2的并联阻抗，则Z2=R2∥1/(jωC2)=R2/(1+jωR2C2)电路的传输增益F可表示为F=Uf/U=Z2/(Z1+Z2)即（通常，取R1=R2=R,C1=C2=C）RCjRCjRRCjRCjRCjRCjRZZZVVFiF1111//11//212RCjRCjRCjRCRCjRCjRCjRCjRCjRCjRCjRCjRCjR13121111122-9-令RC10，则上式为0031jF由此可得F的幅频特性为|F|=200231FF的相频特性为3arctg00F由上式可得RC串并联正反馈网络的幅频特性和相频特性的表达式和相应曲线。由特性曲线图可知，当ω＝ω0＝1/RC时，正反馈系数|F|达最大值为1/3，且反馈信号Uf与输入信号U同相位，即φF＝0，满足振荡条件中的相位平衡条件，此时电路产生谐振ω＝ω0＝1/RC为振荡电路的输出正弦波的角频率，即谐振频率fo为RCfo21当输入信号iV的角频率低于ω0时，反馈信号的相位超前，相位差φF为正值；而当输入信号的角频率高于ω0时，反馈信号的相位滞后，相位差φF为负ωφF-9090相频特性曲线幅频特性曲线ω01/3Fωω0-10-值。正是利用RC串并联网络这一选频特性，构成了RC桥式正弦波振荡电路。3.3RC桥式正弦波振荡电路的振荡频率和起振条件3.3.1振荡频率为了判断电路是否满足产生振荡的相位平衡条件，可假设在集成运放的同相输入端将电路断开，并加上输入电压U。由于输入电压加在同相输入端，故集成运放的输出电压与输入电压同相，及ΨA=0。由上面的分析知道，当f=f0时，RC串并联网络的相位移ΨF=0,因此，在f=f0时，ΨA+ΨF=0，电路满足相位平衡条件，由此可知，电路的振荡频率为RCfo213.3.2起振条件为了满足起振的幅值条件|AF|1，已经知道当f=f0时，|F|=1/3，由此可以求得振荡电路的起振条件为|A|3(放大倍数A应略大于3)根据同相比例运算电路输出电压与输入电压之间的比例系数为|A|=1+RF/R＇,为了达到|A|=1+RF/R＇3负反馈支路的参数应满足关系RF2R＇3.4振荡电路中的负反馈根据以上分析可知，RC串并联网络振荡电路中，只要达到|A|3，即可满足正弦波振荡的起振条件。但|A|值又不能太大，否则振荡太强，将超出放大电路的线性区而产生严重的失真。放大电路中引入了较深的电压串联负反馈，它的作用不仅可以提高放大倍数的稳定性，改善振荡电路的输出波形，而且能够进一步提高放大电路的输入电阻，降低输出电阻，从而减小了放大电路对RC串并联网络选频特性的影响，提高了振荡电路的带负载能力。所-11-以，振荡电路的振荡频率即为RC串并联网络的RCfo21，调节R和C就可以改变振荡频率。改变电阻RF或R＇阻值的大小可以调节负反馈的深度。RF愈小，则负反馈系数F=R＇/(R＇+RF)愈大，负反馈深度愈深，放大电路的电压放大倍数愈小；反之，RF愈大，则负反馈系数F愈小，即负反馈深度愈弱，放大电路的电压放大倍数愈大。如果电压放大倍数太大，则可能输出幅度太大，是振荡波形产生明显的非线性失真，应调节RF和R＇的阻值，使振荡电路产生稳定而失真较小的正弦波信号。四、制作与调试4.1电路的制作①器件准备，面包板一个、各种型号的电阻、一个5K的电位器、两个0.1μF的电容、一个集成运算放大器、导线若干；②用导线将上述元件连成3.1中图（a）的电路图；③把面包板接到稳压电源接口上，集成运算放大器的7号端口接到电源的正极，4号端口接到电源的负极；④调节示波器，使其稳定，将集成运算放大器的6号端口接到示波器上；⑤检查一下电路是否正确。4.2电路的调试①打开稳压电源和示波器，观察波形状态；②若波形呈一条直线时，可能放大倍数太小,增大电位器R＇＇的阻值，提高电路的放大倍数；③若波形失真时，可能放大倍数太大，电路工作在非线性区（|AF|1）,减小电位器R＇＇的阻值，降低电路的放大倍数即可；④若波形为正弦波时，说明电路工作在线性区，调节R＇＇的阻值，获-12-得所需要频率的正弦波；⑤若波形总是出现失真或无波形，就要考虑电路是否正确或元件的参数是否满足要求。五、参数计算及器件选择5.1器件的选择R1=R2=R=1.5K，RF=1.2K，R＇＇=[0，5K]，R＇=1.8K，C1=C2=C=0.1μf，集成运算放大器一个5.2理论数据处理由f0=1/(2πRC)得f0=1/（2π×1500×10^(-7)）=1062Hz则产生频率为1062Hz的正弦波由电路放大倍数有：Au3得RF＇3.6K，R＇＇2.4KAumax=1+（1.2+5）/1.8=4.44∴理论放大倍数为3Au4.445.3实验数据处理用万用表测得R1=R2=R=1.49K，RF=1.21K，R＇＇=[0，4.98K]，R＇=1.79K，C1=C2=C=0.1μF；由f0=1/(2πRC)得f0=1/（2π×1490×10^(-7)）=1068Hz则产生频率为1068Hz的正弦波由电路放大倍数有：有：Au3-13-得RF＇3.58K，R＇＇2.37KAumax=1+（1.21+4.98）/1.79=4.45刚好要出现波形时，测得电位器R＇＇=2.53K,得Au=1+（1.21+2.53）/1.79=3.08