文氏桥电路产生正弦波方波.docx
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文氏桥电路产生正弦波方波
电子线路课程设计
院部:
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姓名:
学号:
指导教师:
完成时间:
电子线路课程设计任务书
姓名班级指导老师
设计课题:
简易的函数发生器
设计任务与要求
根据题目,然后完成以下任务:
1、查阅资料,设计一个函数发生器
2、能产生正弦波、方波
3、编写课程设计说明书
要求:
1、频率为100~1KHz
2、幅度为2.5V
3、掌握文氏桥震荡电路
4、完成电路的制作,测试结果
设计步骤
1、查阅相关资料;
2、先给出总体方案并对工作原理进行大致的说明;
3、依次对各部分分别给出单元电路,并进行相应的原理、参数分析计算、功能以及与其他部分电路的关系等等说明;
4、列出标准的元件清单;
5、制作并调试电路,进行测试,得到想要的波形。
6、总体电路及总体电路原理相关说明;
7、列出设计中所涉及的所有参考文献资料。
设计说明书字数不得少于3000字。
参考文献
[1]李万臣主编.《模拟电子技术基础实验与课程设计》.哈尔滨:
哈尔滨工程大学出版2001.3
[2]沈明发等编.《低频电子线路实验》.广州:
暨南大学出版社,2001.10
[3]刘志军主编.《模拟电路实验教程》.北京:
清华大学出版社,2005.5
[4]康华光.电子技术基础(模拟部分)(第四版).武汉:
高等教育出版社,2005.7
[5]舒庆莹.凌玲.模拟电子技术基础实验.武汉:
武汉理工大学出版社,2008.2
第1章引言
无论是从数学意义上还是从实际的意义上,正弦波都是最基本的波形之一——在数学上,任何其他波形都可以表示为基本正弦波的傅里叶组合;从实际意义上来讲,它作为测试信号、参考信号以及载波信号而被广泛的应用。
在运算放大电路中,最适于发生正弦波的是文氏电桥振荡器和正交振荡器。
第2章基本原理
2.1基本文氏振荡器
基本文氏电桥反馈型振荡电路如图1所示,它由放大器即运算放大器与具有频率选择性的反馈网络构成,施加正反馈就产生振荡。
运算放大器施加负反馈就为放大电路的工作方式,施加正反馈就为振荡电路的工作方式。
图中电路既应用了经由R3和R4的负反馈,也应用了经由串并联RC网络的正反馈。
电路的特性行为取决于是正反馈还是负反馈占优势。
图2-1
将这个电路看作一个同相放大器,它对Vp进行放大,其放大倍数为
在这里为了简化我们假设运算放大器是理想的。
令,R1=R2=R,C1=C2=C。
反过来,Vp是由运算放大器本身通过两个RC网络产生的,其值为VP=[ZP/(ZP+Z1)]Vo。
式中Zp=R∥﹙1/j2πfC﹚,。
展开后可以得到
上式中。
信号经过整个环路的总增益是或者表示为
这是一个带通函数,因为它在高频和低频处均趋于零。
它的峰值出现在处,其值为
为实数表明了一个频率为的信号经过环回路一周后,其净相移为零。
根据的大小,可有三种不同的可能性:
﹤1,也就是A<3V/V。
从直观上即可看出,这一扰动每次环绕回路后均会被减小,直至其降到零为止。
这时可以认为回路的负反馈(通过)胜过了正反馈(通过),使其成为一个稳定的系统。
﹥1,也即A>3V/V。
这时正反馈超过了负反馈,说明频率为的扰动会被再生的放大,导致整个电路进入一个幅度不断增长的震荡过程中。
此时电路时不稳定的。
=1,或A=3V/V。
这种情况称为中性的稳定状态,因为此时正负反馈量相等。
任何频率为的扰动首先被放大3V/V倍,然后再缩小1/3V/V,这就说明一旦电路工作它就会无限的持续下去
2.2振荡条件
放大电路的反馈回路网络采用R和C串并联回路,具有频率选择性,由和设定放大电路的增益。
图2-2
图1的电路可以考虑为四端子桥式网络,电路平衡的条件是运算放大器各自输入端的电位相等,即。
图2中运算放大器的同向输入端电压等于RC网络构成的分压电路的分压比与输出电压相乘的电压,即
反向输入端电压为:
若运算放大器的放大倍数足够大,则和相等,因此,仅取实部为
(振幅条件)
若虚部为0,求出谐振频率,则有
由此得到(频率条件)
由于一般取,则得到振幅条件
频率条件
根据以上的计算,振荡开始的振幅条件为A≥3,即运算放大器的增益为3倍以上就能振荡。
因此,改变振幅稳定电路的电阻和中的任何一个,若控制A≈3,就成为一个振荡电路。
第3章参数设计及运算
3.1结构设计
为了使文氏电桥振荡电路能产生振荡,非常重要的是正反馈的作用是输出不饱和,为此,在负反馈侧接入限幅和自动增益控制电路。
最简单的就是接入二极管。
图3-1
如图3所示电路,应用了一个简单的二极管-电阻器网络来控制的有效值。
信号较小时不起作用。
从而有
/>2,
也就是说此事振荡在积累。
当振荡不断地增长,这两个二极管以交替半周导通的方式逐渐进入导通状态。
在二极管充分导通的限制下,会变小使/﹤2。
然而,在此极限值到达之前,振幅会自动地稳定在二极管导通的某个中间电平上,正好满足/=2。
上述电路的一个缺点是输出电压对二极管的正向压降非常灵敏。
对电路进行改进,采用发光二极管,这里不是利用其发光性质,而是利用其正向电压与稳定的温度特性,正向电压比通常的硅二极管大,而且,温度特性比二级管串联稳定得多。
电路图设计如图4。
图3-2
由于该电路是采用单电源工作,因此,运算放大器的输出含有(1/2)的直流。
就是隔断该直流成分的电容。
3.2参数计算
先讨论振荡频率为1kHz时常数与元器件的选择。
首先,由于运算放大器为单电源工作,偏置电阻是使运算放大器同向输入端的电平为/2,其电阻分压,不管为何阻值,这里设为15k。
于是,该值的1/2即为7.5k。
R=7.5k时计算电容C的值,即
=1/6.28*103*7.5*103=0.0212F
这个非常接近E6系列的值0.022F。
电容不是一种,这样振荡频率就会有些偏移,但频率正好为1kHz时,7.5k电阻R采用6.8k固定电阻加1k半固定电阻即可。
对于标准的文氏电桥振荡电路,RC网络损耗达到1/3,若运算放大器的增益A不到3以上,则能开始振荡。
因此,增益设定电阻的关系是:
若=1k,则要为2k以上。
有标准E12系列可知,最近值是=2.2k。
然而,若按照原样,则振荡输出饱和达到运算放大器的最大输出振幅,因此,用LED与电阻进行限幅。
与LED串联的电阻也与电阻的阻值有关,考虑到LED正向电压的分散性,采用可调电阻(2.7k固定电阻+5k可调电阻)。
用于补偿可变幅度较大的分散性及调整波形的失真。
振荡频率时隔直电容的容抗(1/)足够小。
这里(1/5)以下的频率作为截止频率。
1/2=0.796*10-6
1kHz时取1(110即可),又实际要求为100Hz-1000Hz,则取=10。
要使输出在100Hz到1kHz范围内则R要在7.5到75之间可变,在原电路图中加入可变电阻即可。
在电路图中,运算放大器使用LM324N,运算放大器的种类没有特别的要求。
由以上分析可得最后设计原理图如图3-3所示。
PCB图如图3-4所示。
图3-3
图3-4
第4章仿真效果与实物
经仿真后由示波器得到的正弦波及方波如图4-1所示,如图4-2所示。
图4-1
图4-2
可以看出,所设计的正弦波发生器可以产生符合要求的正弦波形以及方波。
做出的实物如图4-3所示。
图4-3
心得体会
一周的课程设计结束了,我们的任务也圆满完成了。
作为一个大三学生,我觉得这样的课程设计还是十分有用的。
在过去的学习中,我们学到的都是专业理论知识,而现在课程设计就是专业知识综合运用的实践训练。
通过这次的课程设计,我深深地体会到,做任何事情都必须耐心细致,高度负责,认真对待。
但是这次课程设计也让我发现自己所掌握的知识是如此的贫乏,仅仅只是冰山一角,而且实际运用专业知识的能力是如此的不足。
另外,在这次的课程设计中,我还学会了应用protel2004软件绘制原理图图以及PCB图再到做出实物来,这也是一个重要的收获。
参考文献
[1]李万臣主编.《模拟电子技术基础实验与课程设计》.哈尔滨:
哈尔滨工程大学出版2001.3
[2]沈明发等编.《低频电子线路实验》.广州:
暨南大学出版社,2001.10
[3]刘志军主编.《模拟电路实验教程》.北京:
清华大学出版社,2005.5
[4]康华光.电子技术基础(模拟部分)(第四版).武汉:
高等教育出版社,2005.7
[5]舒庆莹.凌玲.模拟电子技术基础实验.武汉:
武汉理工大学出版社,2008.2
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