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hongyan

专业：

电子信息1102

学号：

04141102090414110221

高频电子线路

课程设计

题目：

文氏电桥振荡器的设计

院（系、部）：

机电系

学生姓名：

栗红彦

指导教师：

杜殿会杨英

2013年12月16日至20日

河北科技师范学院教务处制

1.1设计任务及技术指标………………………………………..2

1.2设计要求………………………………………………………2

2.1振荡方案………………………………………………………3

2.2文氏电桥正弦波振荡器电路设计…………………………..3

3.1振荡部分………………………………………………………4

3.2放大部分………………………………………………………5

4电路原理图及PCB版图……………………………………6

4.1原理图………………………………………………………….6

4.2步骤…………………………………………………………….7

4.3仿真结果……………………………………………………….8

4.4PCB板制图…………………………………………………….9

附录及参考文献…………………………………………….11

摘要

通过对文氏桥振荡器以及两种目前广泛使用的具有稳幅作用的文氏桥振荡器的仿真分析,总结出它们的不足之处,在此基础上研究设计了一种具有起振快、稳幅特性好、温度特性稳定的高性能文氏桥振荡器,并使用Multisim仿真软件中的虚拟仪器和仿真工具对其起振特性、稳幅特性和温度特性进行了仿真分析。

目前的低频信号源多数都使用文氏桥振荡器,文氏桥振荡器具有性能稳定、电路简单的优点。

目前国内外对文氏桥振荡器的研究[1-3]多集中于扩展其应用频率、降低有限增益带宽乘积的影响等方面,而对于其稳幅及温度特性普遍认为已基本能满足工作要求,对此方面的相关研究很少。

关键词：

稳幅振荡器Multisimprotel

1设计任务及要求

1.1设计任务及技术指标

本设计的主要电路采用文氏电桥振荡电路。

运算放大器选用LM741CN,采用非线性元件（如温度系数为负的热敏电阻或JFET）来自动调节反馈的强弱以维持输出电压的恒定，进而达到自动稳幅的目的，这样便可以保证输出幅度为2Vp-p；而频率范围的确定是根据式fo=1/2πRC以及题目给出的频率范围来确定电阻R或电容C的值，进而使其满足题目的要求。

1.2设计要求

文氏电桥振荡电路又称RC串并联网络正弦波振荡电路，它是一种较好的正弦波产生电路，适用于频率小于1MHz，频率范围宽，波形较好的低频振荡信号。

从结构上看，正弦波振荡器是没有输入信号的，为了产生正弦波，必须在放大电路中加入正反馈，因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分。

但是，这样两部分构成的振荡器通常是得不到正弦波的，这是由于正反馈量很难控制，故还需要加入一些其它电路。

2方案论证

2.1振荡方案

RC由正反馈支路和负反馈支路所组成。

正反馈支路保证电路产生振荡，由RC串并联支路组成，负反馈支路可改善振荡器的性能，使输出信号稳定。

2.2文氏电桥正弦波振荡器电路设计

图a：

RC文氏电桥正弦波振荡器（瞬态稳压管）

图b：

RC文氏电桥正弦波振荡器（二极管箝位）

实验时采用此电路正弦波振荡电路常用的结构有RC移相式振荡器、RC文氏电桥振荡器如图ab所示。

RC移相式振荡电路结构简单，但其选频性能较差，而且输出幅度不够稳定，输出波形较差，一般只用于振荡频率固定，稳定性要求不高的场合。

因此本实验主要使用RC文氏电桥振荡电路。

文氏电桥振荡电路又称RC串并联网络正弦波振荡电路，RC串并联网络具有选频的作用，它与放大器结合起来即可构成RC振荡电路。

它适用于产生频率较小的低频振荡信号，振幅和频率较稳定，频率调节方便，许多低频信号发生器的主振荡器均采用这种电路。

图ab所示电路均为由集成运放构成的RC文氏电桥振荡电路。

图a中电阻RV1接在放大器的输出端与反相输入端之间，构成负反馈，用以控制增益RC串并联选频网络接在运算放大器的输出端与同相输入端之间，构成当正反馈。

RC选频网络在ω<ω0时，反馈电压与输入电压的相位差φ0，B1/3，为满足起振条件，要求放大器的增益AU＞3，即电路图b中的（1RV1R4）/R3）＞3。

由此可得出当RV1R4）＞2R3时即能使振荡电路满足自激振荡的振幅（注意：

实际应用中，R3应略大于RV1R4），才能既保证起振，又不会因其过大而引起波形严重失真）和相位起振条件，产生自激振荡。

采用双联可调电位器或双联可调电容器即可很方便地调节振荡频率。

在常用的RC振荡电路中，一般采用切换高稳定度的电容来进行频段的转换（粗调），再采用双联可变电位器进行频率的细调。

如果电路是依靠集成运算放大器的非线性进行限幅的，波形会产生较大的失真。

在实际电路中需要有自动限幅机构。

常用的限幅方法是利用放大器负反馈强弱的自动调节作用实现稳幅。

具体电路如图ab中所示。

图b中负反馈电路中的D2二极管D1、即为自动限幅元件，电阻R4是为克服硅二极管“死区”而设置的。

此电路是利用二极管的正向电阻随所加电压而改变的特性，达到自动调节负反馈深度的目的。

当起振时，振幅较小，二极管的正向电阻较大，使放大器的负反馈很弱，增益很高，因此可以很快建立起振荡。

随着振幅的增大，二极管的正向电阻变小，放大器的负反馈加深，增益自动下降，直到下降到3，电路达到振幅平衡条件时，振幅停止增长，电路达到稳定。

反之，当由于某种原因使得输出电压幅度减小时，二极管的正向电阻加大，负反馈变弱，增益升高，迫使输出电压幅度恢复到原来的大小，从而起到稳幅的作用。

采用两只二极管反向并联的目的是使输出电压正负半周振幅相等，因此这两只二极管特性应相同，否则正负半周振幅将不同。

图ab图中的电位器RV1可用来调节振荡幅度的大小。

3单元电路设计

3.1振荡部分

正反馈支路保证电路产生振荡，由RC串并联支路组成，负反馈支路可改善振荡器的性能，使输出信号稳定。

RC文氏电桥正弦波振荡器是由电阻、电容，放大器所构成的一种可产生正弦波的振荡器，信号由电容和电阻的串并联时充放电产生，所产生信号的频率由串并联的电容和电阻值决定。

（1）选取R1=R2=R，C1=C2=C,从RC串并联选频网络的选频特性可知，f=500Hz。

所以可以选取R=1.6k，C=200nF。

（2）只要为RC串并联选频网络配一个电压放大倍数等于3的放大电路就可以构成正弦波振荡电路。

考虑到起振条件，所选放大电路的电压放大倍数应该略大。

3.2放大部分

RC文氏电桥正弦波振荡器由正反馈支路和负反馈支路所组成。

正反馈支路保证电路产生振荡，由RC串并联支路组成，负反馈支路可改善振荡器的性能，使输出信号稳定。

图b：

放大电路部分

4电路原理图、PCB板制图及步骤

4．1原理图

集成运算放大器输入端接上具有选频特性的RC文氏电桥可以构成文氏电桥振荡器，产生正弦波信号。

RC文氏电桥的RC串并联电路的选频特性如图1（a）所示。

一般取R1=R2=R，C1=C2=C，则RC串并联电路有对称的选频特性曲线如图1（b）所示。

当频率fo=1/2πRC时，可在R，C并联的两端得到最大的电压值Uf+=uo/3。

把这个电压输入运算放大器的同相端作为正反馈信号，把电阻R3，R4的分压电压作为负反馈信号uf_输入运算放大器的反相端。

如图b所示，调节电阻RI＇，使负反馈电压u，￣接近正反馈电压u，＋，但又稍小于正反馈电压Uf+，这时电路满足振荡的幅值和相位条件，而且输出波形失真最小。

如果负反馈电压远小于正反馈电压，即uf_<

如果负反馈电压远大于正反馈电压uf_<

因为RC串并联电路在振荡频率f0时的输出电压Uf+是输入电压（即运算放大器的输出电压仍。

）的1／3。

（1）根据上述原理，可以用Multisim搭建出如图a的电路

图a

（2）在回路串联两个并联的二极管和电阻，利用电流增大时二极管动态电阻减小、电流减小时二极管动态电阻增大的特点，加入非线性环节，从而使输出电压稳定。

因为二极管有动态电阻存在，所以要调节和使得输出波形失真较小。

Multisim电路搭建如图2：

图b

4.2步骤

1、熟悉实验电路后，接通±15伏电源。

2、用示波器观察振荡的输出电压vo的波形，并调节RV1使vo为一个不失真的正弦波。

3、用李萨如图形法测量fo。

将振荡器的输出vo接到示波器的“CH1”通道输入，低频信号发生器输出的正弦信号接于“CH2”通道输入。

示波器的“t/div”微调打至“x”外接，将幅度调至适当。

改变信号发生器的频率，直至示波器的萤光屏上出现一个椭圆，此时信号发生器批示的频率即为振荡器的振荡频率fo。

并与理论计算值比较，算出相对误差。

4、在vo不失真的条件下，调节RV1使vo变化，用毫伏表测出vo的最大值，最小值和中间值。

并分析vo的大小与负反馈强弱的关系。

5、利用protel软件作出PCB板制图。

4.3仿真结果

（1）当没有二极管稳幅电路，如图a搭建的电路时，仿真波形会有一段较长时间处于起振，可以看出右端峰值比左端峰值高;之后波形趋于稳定，如图1，可以看出近似等于500Hz，说明电路参数选择正确。

图1

此时若适当增大，波形将出现严重失真，如图2.

图2

如果加入二极管稳幅电路，如图b搭建的电路。

则起振速度较快，起振波形如图3。

图3

4.4PCB板制图

4.5结论

（1）当选择的与2很接近时，起振速度很慢；但是当比2大较多的时候，虽然起振速度很快，但是波形失真程度越来越大（尤其是底部失真）。

所以为了得到失真小，起振较快的波形，的阻值需要细心选择。

（2）加入二极管稳幅电路以后，与需要细心调节才能得到失真小的输出波形。

此时起振速度很快，而且稳定波形失真较小。

如果太大，波形在零点附近的失真较大。

如果太小，电路不满足起振条件。

（3）

5总结

经过一周的课程设计，留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，根据所需功能选择合适的器件很重要，电路的连接要仔细，注意器件说实话，课程设计真的有点累．然而，当我一着手清理自己的设计成果，漫漫回味这3周的心路历程，一种少有的成功喜悦即刻使倦意顿消．虽然这是我刚学会走完的第一步，也是人生的一点小小的胜利，然而它令我感到自己成熟的许多，另我有了一中”春眠不知晓”的感悟．通过课程设计，使我深深体会到，干任何事都必须耐心，细致，坚持不懈就会有成果。

附录及参考文献

a专著、会议录、学位论文、报告

[1]刘国钧，陈绍业，王凤翥.图书馆目录［M］.北京：

高等教育出版社，1957.

[2]辛希孟.信息技术与信息服务国际研讨会论文集：

A集［C］.北京：

中国社会科学出版社，1994.

[3]张筑生.微分半动力系统的不变集［D］.北京：

北京大学数学系数学研究所，1983.

[4]冯西桥.核反应堆压力管道与压力容器的LBB分析［R］.北京：

清华大学核能技术设计研究院，1997.

b期刊文章

[5]金显贺，王昌长，王忠东，等.一种用于在线检测局部放电的数字滤波技术［J］.清华大学学报（自然科学版），1993，33（4）：

62-67.

c专著中的析出文献

[6]钟文发.非线性规划在可燃毒物配置中的应用［C］.赵炜.运筹学的理论与应用——中国运筹学会第五届大会论文集［C］.西安：

西安电子科技大学出版社，1996：

468-471.

d报纸文章