电子课程设计(f0=1KHz的RC桥式正弦波振荡电路).docx

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 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11 课程设计的目的12 课程设计的任务与要求13 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2.1.1 RC移相振荡电路2.1.2 RC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3.2 RC串并联网络的选频特性3.3 RC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。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。2.1.1 RC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R>>Ri。振荡频率f0=1/（26RC）；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。2.1.2 RC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/（2RC）；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，2010.22.2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。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/(2RC)）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。 3.2 RC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/(C1)>>R1, 对于并联支路来说，有1/(C2)>>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90 º。当信号的频率很高时，对于串联支路来说，有1/(C1)<<R1, 对于并联支路来说，有1/(C2)<<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/(jC1)Z2为R2、C2的并联阻抗，则Z2=R21/ (jC2)=R2/(1+jR2C2)电路的传输增益可表示为=Uf/U=Z2/(Z1+Z2)即（通常，取R1=R2=R,C1=C2=C）令，则上式为 由此可得的幅频特性为|=的相频特性为由上式可得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。F-90°90°相频特性曲线幅频特性曲线01/30由特性曲线图可知，当01/RC时，正反馈系数|达最大值为1/3，且反馈信号Uf与输入信号U同相位，即F0，满足振荡条件中的相位平衡条件，此时电路产生谐振01/RC为振荡电路的输出正弦波的角频率，即谐振频率fo为当输入信号的角频率低于0时，反馈信号的相位超前，相位差F为正值；而当输入信号的角频率高于0时，反馈信号的相位滞后，相位差F为负值。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。3.3 RC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A=0。由上面的分析知道，当f=f0时，RC串并联网络的相位移F=0,因此，在f=f0时，A+F=0，电路满足相位平衡条件，由此可知，电路的振荡频率为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，|=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RF > 2R3.4 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。所以，振荡电路的振荡频率即为RC串并联网络的，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0.1F的电容、一个集成运算放大器、导线若干；用导线将上述元件连成3.1中图（a）的电路图；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；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；检查一下电路是否正确。4.2电路的调试打开稳压电源和示波器，观察波形状态；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； 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；若波形为正弦波时，说明电路工作在线性区，调节R的阻值，获得所需要频率的正弦波； 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=0.1f ，集成运算放大器一个5.2理论数据处理由f0=1/(2RC)得 f0 =1/（2×1500×10(-7)）=1062Hz 则产生频率为1062Hz的正弦波 由电路放大倍数有：Au > 3 得RF> 3.6K， R> 2.4K Aumax=1+（1.2+5）/ 1.8 = 4.44理论放大倍数为3< Au <4.445.3 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=0.1F ；由f0 =1/(2RC)得f0 =1/（2×1490×10(-7)）=1068Hz则产生频率为1068Hz的正弦波 由电路放大倍数有：有：Au> 3 得 RF> 3.58K ，R> 2.37K Aumax=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； 实际放大倍数为3.08< Au <4.455.4理论数据与实验数据的对比由上面的数据进行对比可知中心频率f0理论数据为1062Hz，实验数据为1068Hz；放大倍数Au的理论范围为3,4.44，实际范围为3.08,4.45；起振时的Au理论数据为3，实验数据为3.08，所有数据均在误差范围之内，即实验数据均符合要求。5.5误差分析1.万用表测量电阻存在误差；2.示波器可能使用比较久了，波形会由误差；3.电路中各种器件存在误差等。六、器件清单及所用设备名称型号数量稳压电源MCH-3050-H两台双踪示波器HG 2022一台数字万用表标准型一个集成运算放大器UA741CN一个面包板SYB-130一个电容104两个电位器502一个电阻1.5K两个电阻1.2K一个电阻1.8K一个导线若干七、小结通过本次实验，使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串并联网络的选频特性，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。总之，收获很大。RC桥式正弦波振荡电路有以下特点：1、当| A | >3时，电路才会产生振荡；2、该放大电路为同相电压串联负反馈电路，带负载能力强；3、各器件参数使用要恰当，否则的不到完整的正弦波；4、最大正弦波的频率为f0=1/（2*pi*RC）。八、参考文献杨素行主编，模拟电子技术基础简明教程（第三版），高等教育出版社，2006.5（2009重印）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王济浩主编，模拟电子技术基础，清华大学出版社，2009.3李效芳主编，电子技术基础，西安电子科技大学出版社，2010.8郑家龙、陈隆道、蔡忠法主编，集成电子技术基础教程（第二版 上册），高等教育出版社 ，2008.6- 15 -