实验十 基于运放的信号发生器实验400HZ100KHZ.docx
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实验十基于运放的信号发生器实验400HZ100KHZ
任务书
【实验名称】基于运放的信号发生器设计
【设计任务】本课题要求使用集成运算放大器制作正弦波发生器,在没有外加输入信号的情况下,依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电路。
【设计要求】
1、采用经典振荡电路,产生正弦信号,频率范围400Hz~100kHz
2、双电源供电
3、信号经过放大、驱动电路,可在1KΩ负载条件下:
(1)正弦波最大峰-峰值3V,幅值可调,谐波失真小于3%
【提供元器件】
1、运算放大器LM324
4、二极管
5、电阻电容电位器同轴电位器
一设计思路与解决方法
模电实验报告
设计要求①:
采用经典振荡电路,产生正弦信号,频率范围100Hz~100kHz
解决方案:
使用运算放大器LM324,组成由基本放大电路,选频网络,正反馈网络构成的经典振荡电路,产生自激振荡的正弦波。
使用同轴电位器,对信号的频率范围进行调节,使其在100Hz~100kHz时可产生幅值不变的正弦波。
设计要求②:
双电源供电
解决方案:
选取数电箱的两个15V电压输出,将第一组的+15V端接在LM324的4管脚(即运放器的Vcc端);第一组的-15V接在第二组的+15V端,再将第二组的+15V端接地;第二组的-15V端接在LM324的11管脚(即运放器的GND端)
设计要求③:
信号经过放大、驱动电路,可在1KΩ负载条件下:
(1)正弦波最大峰-峰值3V,幅值可调,谐波失真3%
2.1经典振荡器部分
经典振荡器部分由基本放大电路,选频网络,正反馈网络组成。
其中,基本放大电路作用:
使电路获得一定幅值的输出量;选频网络作用:
确定电路的振荡频率,保证电路产生正弦波振荡;正反馈网络作用:
在振荡电路中,当没有输入信号的情况下,输入正反馈信号作为输入信号。
一.实验原理
振荡电路有RC正弦波振荡电路、桥式振荡电路、移相式振荡电路和双T网络式振荡电路等多种形式。
其中应用最广泛的是RC桥式振荡电路,电路如图
1.电路分析
RC桥式振荡电路由RC串并联选频网络和同相放大电路组成,图中RC选频网络形成正反馈电路,决定振荡频率
、
、
形成负反馈回路,决定起振的幅值条件,
该电路的振荡频率,D1、D2为稳压管。
=
①
起振幅值条件
②
式中
,
为二极管的正向动态电阻
2.电路参数确定
(1)确定R、C值
根据设计所要求的振荡频率
,由式①先确定RC之积,即
RC=
③
为了使选频网络的选频特性尽量不受集成运算放大器的输入电阻
和输出电阻
的影响,应使R满足下列关系式:
>>R>>
一般
约为几百千欧以上,而
仅为几百欧以下,初步选定R之后,由式③算出电容C的值,然后再算出R取值能否满足振荡频率的要求
(2)确定
、
电阻
和
应由起振的幅值条件来确定,由式②可知
≥2
通常取
=(2.1~2.5)
,这样既能保证起振,也不致产生严重的波形失真。
此外,为了减小输入失调电流和漂移的影响,电路还应满足直流平衡条件,即:
R=
//
(3)确定稳幅电路
通常的稳幅方法是利用
随输出电压振幅上升而下降的自动调节作用实现稳幅。
图①中稳幅电路由两只正反向并联的二极管
、
和电阻
并联组成,利用二极管正向动态电阻的非线性以实现稳幅,为了减小因二极管特性的非线性而引起的波形失真,在二极管两端并联小电阻
。
实验证明,取
≈
时,效果最佳。
(1)经典振荡电路实际出来的正弦波:
由于理论与实际的差别,实际的波形实践起来效果并不理想,比如振荡频率不高及停振等,尤其是在使用LM324制作振荡器时波形出现严重失真。
所以在接连电路前,我们组查阅资料,整理出了常见的正弦波失真问题及解决方法:
1削波失真:
该种失真的明显特点是波形顶部变得平直。
波形的幅度很大,接近电源电压。
造成这种失真的原因,大多是反馈电阻值过大,使电路的增益过大,致使输出电压峰值太大,严重时会随着反馈电阻值的增大,输出波形将变得极像方波。
解决这种失真的方法:
减小反馈网络的总电阻而过分地减小又将使电路不能起振,因此它的大小非常关键,在不确定电阻值大小的情况下,可先使用电位器代替,通过细调电位器,将波形调到一个最好效果即可。
2停振现象:
在实际制作中,由于元器件本身的质量和精度问题,也会使振荡器的制作效果大打折扣在电路中,我们需要调节同轴双联电位器来改变输出正弦波的频率。
顾名思义,双联同轴电位器是由两个电位器组成,通过调节同一个轴达到同步调节两个电阻值的目的器件。
但在实际中,我们发现,双联同轴电位器的两个电阻值并不能时刻保持相等,而是有一个差值,有时候这个差值很大,可达数干欧姆。
差值的存在造成了振荡器在高频时出现停振现象,也就是说。
振荡器的输出信号不能达到较高的频率。
在这种情况下,我们当然可以更换精度和质量更好的双联同轴电位器来解决。
但为节省成本,我们在实践中发现,如果用两个小、电阻分别与双联同轴电位器的两个可变电阻串联,停振问趣即可得蓟狼好的解决,从而使得振荡器的频率得到显著提高。
③“刺突状”失真:
这种失真是在使用集成运放LM324制作正弦波振荡器时无法避免的棘手问题。
一个简单有效的解决办法是,用一只适当阻值的电阻连接在输出端与负电源v之间,这样可以改善输出端波形的失真,而且随着频率的改变信号的幅度基本稳定。
④稳幅:
由于Uo与Uf具有良好的线性关系,所以为了稳定输出电压的幅度。
一般在电路中加入非线性环节。
这里.在回路串联两个反向并联的二极管,利用电流增大时二极管动态电阻减少的特点。
加入非线性环节。
从而使输出电压稳定。
于是我们设计的最终的得到适合要求的桥式震荡电路为:
由于实验需要,我们对经典振荡又做了一点修改,使它的产生波形幅值可调并且能消除其波形发生时的突刺壮失真
两级放大部分:
由于芯片324的局限性(增益带宽积)限制,从经典振荡出来的正弦波的幅值在高频段远远没有达到其幅值,故需要用放大器来增加其带宽,由于两级放大的带宽更大,所以采用两级放大。
由于实验的需要,我们把两级放大改为可调的两级放大器:
经过两级放大之后,虽然幅值达到3Vpp,但是它的负载能力有限,由于LM324输出电流有限,一般仅为几十毫安,在电流一定的情况下,为了提高电路的输出功率,一种有效的做法是减小电路的输出阻抗。
一种简单的办法是使用电压跟随器,因为电压跟随器的特点是输入阻抗高,输出阻抗小,可以起到阻抗变换及隔离作用。
跟随器电路如下:
于是,整个电路各个部分组合一起,我们得到最初的电路方案:
但是根据实验需要,我们最终采用的方案如下:
并且我们的仿真电路,实验电路都是按这个图形来实现连线,各个元件参数也是同上图一致。
()
实物线路图:
如下
实验结果:
低频段:
最低频率时
频率288Hz幅值3Vpp失真率3.54%
高频段:
正弦波发生器出来的波形为:
但是经过两级放大之后,波形出现三角波失真:
于是我们经过各种努力,查找相应的资料知道324的部分参数如下:
LM324是四通用运算放大器集成电路。
可在收录机和音响系统中用作音调控制电路,也可广泛用于通信、仪器仪表中。
该电路的特点如下:
内含相位校正回路,外围元件少;
即可双电源工作,也可单电源工作,工作电源电压范围宽;
单电源:
VCC=3.0~30.0V;
双电源:
VCC=±1.5~±15V;
输入电压范围几乎可低至零电平;
输出电压范围宽,可从0V~VCC-1.5V;
消耗电流小:
ICC=0.6mA(RL=∞);
采用双列直插14封装(DIP14);
LM324管脚图
运放应用中的一些实际问题
1不能调零:
此时应检查运算放大器是否工作于闭环的负反馈状态。
如果接线有错误,或是虚焊点,以及组件内部损坏,也会使调零电位器失去作用。
如果关断电源又重新接通后即恢复正常(可以调零),则可能是组件出现“堵塞”现象。
2、组件突然损坏
最常见的是组件输出端不慎对地短路或接到某一个电源造成过电流;接入电容负载也容易产生瞬时大电流;电源极性接反或电压值接错也会产生过电流损坏
3、“堵塞”现象:
“堵塞”现象又叫“阻塞”或“自锁”现象:
闭环工作的运算放大器突然发生工作不正常,输出电压接近于两个极限状态之一,此时组件内部的输出管不是处于饱和状态,就是处于截止状态。
发生“堵塞”时,放大器不能调零,信号也可能加不进去,人们往往误认为组件已损坏。
其实只要切断电源,重新接通,或把组件两个输入端短路一下,就可使电路恢复正常工作。
“堵塞”是由于输入信号过大或受强干扰的影响,使组件内部某些管子进入饱和状态,从而使负反馈变成正反馈而引起的。
在比例运算中,去掉后,电路靠正反馈仍能维持较大的电压输出。
要使电路恢复正常,唯有运放反相输入端电压,这就需要切断电源电压,或将N点对地短路才行。
为了防止堵塞现象,应防止组件输入管饱和,因此必须在输入端加限幅保护。
有的组件内部已设置有防止堵塞的电路
工作时产生自激振荡:
表现为工作不稳定。
人体或金属物体靠近时,变化尤为显著,用示波器可以看出有振荡波。
应检查是否按规定的部位和参数接入RC校正(补偿)网络;负反馈是否太强;输出端是否接有电容性负载。
接线太长引起杂散电容增大也会使电路工作不稳定。
为了进一步抑制振荡,可重新调整RC补偿元件的参数。
例如,减小补偿电阻的阻值,加大补偿电容的容量直到完全消除自激现象为止。
此外,应在印刷电路板插座上正负电源接线端接上几十微法的电解电容和0.1μF的陶瓷电容相并联
在实验过程中我们经过各种调整,优化电路图,并通过电位器调节以寻找最优的波形,在过程中不断地出现停振,堵塞等现象,我们通过整整两周的下午晚上课余时间,最终因为324放大器的局限性我们无法达到100KHz不失真波形。
最终所得的最高不失真波形如下
最高频率为:
68KHz。
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