RC桥式振荡电路.docx
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RC桥式振荡电路.docx
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RC桥式振荡电路
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
1.1课程设计的目的………………………………………………………………1
1.2课程设计的任务与要求………………………………………………………1
1.3课程设计的技术指标…………………………………………………………1
2、设计方案与比较,并选定一种方案………………………………1
2.1常见的RC正弦波振荡电路设计与特点………………………………………1
2.1.1RC移相振荡电路…………………………………………………………1
2.1.2RC串并联网络的文氏电桥振荡电路……………………………………2
2.1.3双T选频网络振荡电路……………………………………………………3
2.1.4选定电路方案………………………………………………………………3
2.2正弦波振荡电路的基本工作原理……………………………………………32.2.1产生正弦振荡的条件…………………………………………………………4
2.2.2正弦波振荡电路的组成判断及分类……………………………………4
2.2.3判断电路是否振荡的方法………………………………………………4
2.2.4正弦波振荡电路的检验…………………………………………………4
3、器件的选用与说明…………………………………………………43.1器件的清单及所用设备…………………………………………………………4
3.2器件的选择………………………………………………………………………5
3.3电路组成…………………………………………………………………………5
3.4RC串并联网络的选频特性……………………………………………………6
3.5RC桥式正弦波振荡电路的振荡频率和起振条件……………………………8
3.5.1振荡频率…………………………………………………………………8
3.5.2起振条件…………………………………………………………………8
3.6振荡电路中的负反馈…………………………………………………………9
4、制作与调试及电路仿真……………………………………………9
4.1电路的制作……………………………………………………………………9
4.2电路的调试……………………………………………………………………10
4.3电路仿真………………………………………………………………………10
5、实验分析与结果…………………………………………………13
5.1理论数据处理…………………………………………………………………13
5.2实验数据处理…………………………………………………………………13
5.3理论数据与实验数据的对比………………………………………………14
5.4误差分析……………………………………………………………………14
6、小结………………………………………………………………14
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、电路方案设计与比较
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R
>>Ri。
振荡频率
;
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。
图A
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。
图B
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。
图C
2.1.4选定电路方案
综合以上叙述:
选用RC串并联网络的文氏电桥振荡电路。
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
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、器件的选用与说明
3.1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
HG2022
一台
数字万用表
标准型
一个
集成运算放大器
UA741CD
一个
面包板
SYB-130
一个
电容
104(0.1μf)
两个
滑动变阻器(R'')
10k
一个
电阻(R1、R2)
1.5K
两个
电阻(RF)
1.2K
一个
电阻(R')
1.8K
一个
导线
——
若干
3.2器件的选择
R1=R2=R=1.5K,RF=1.2K,R''=[0,10k],
R'=1.8K,C1=C2=C=0.1μf,两台5v稳压电源,集成运算放大器一个
3.3电路组成
图XX_01是RC桥式振荡电路的原理电路,这个电路由两部分组成,即放大电路
和选频网络
。
选频网络(即反馈网络)的选频特性已知,在
处,RC串并联反馈网络的
,
,根据振荡平衡条件
和
,可知放大电路的输出与输入之间的相位关系应是同相,放大电路的电压增益不能小于3,即用增益为3(起振时,为使振荡电路能自行建立振荡,
应大于3)的同相比例放大电路即可。
根据这个原理组成的电路如图XX_01所示,由于Z1、Z2和R1、Rf正好形成一个四臂电桥,电桥的对角线顶点接到放大电路的两个输入端,因此这种振荡电路常称为RC桥式振荡电路。
3.4RC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。
图a
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,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)< 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 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。 由特性曲线图可知,当ω=ω0=1/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 当输入信号 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。 3.5RC桥式正弦波振荡电路的振荡频率和起振条件 3.5.1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 3.5.2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>2R' 3.6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、制作与调试及电路仿真 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。 4.3电路仿真分析 在电路中,运算放大器741和电阻构成正常的负反馈放大电路,而R1,C1,R2,C2则构成RC串并联选频网络,同时又由该选频网络作为反馈网络形成正反馈环节。 其R1,C1的反馈电压作为输入代替放大器的输入信号。 示波器波形图 频率计测得的频率 反向波形图 采用参数扫描还可以对振荡频率进行分析,同时改变选频网络的电阻R1、R2(或同时改变C1,C2),即可改变震荡输出频率。 RC正弦波振荡电路失真图 五、实验分析与结果 5.1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: Au>3 得RF'>3.6K,R''>2.4K Aumax=1+(1.2+)/1.8=7.22 ∴理论放大倍数为3 5.2实验数据处理 用万用表测得R1=R2=R=1.51k,RF=1.21K,R''=[0,9.98k], R'=1.79K,C1=C2=C=0.1μF; 由f0=1/(2πRC)得f0=1/(2π×1510×10^(-7))=1055Hz 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+9.98)/1.79=7.25 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 5.3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1055Hz;放大倍数Au的理论范围为[3,7.22],实际范围为[3.08,7.25];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。 5.4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、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,用multism11.电路仿真软件实现电路。 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、它不需要外接输入信号就能直接将直流能源转换成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出的电路。 2、当|A|>3时,电路才会产生振荡; 3、该放大电路为同相电压串联负反馈电路,带负载能力强; 4、各器件参数使用要恰当,否则的不到完整的正弦波; 5、最大正弦波的频率为f0=1/(2*pi*RC)。 6、RC正弦波振荡电路一般用于产生低于1MHz的正弦波。 原因是要提高其振荡频率,必须减小R和C的值。 为时一周的课题设计已经结束了,在这短短的一周的时间里,通过做这次课题设计我认识到了自己很多不足之处。 以前学的都是课本上的理论知识,而现在要一个人独自的设计电路,完成课题设计,尤其是那个multsim电路仿真软件得自己去琢磨怎么怎么用。 真的让我感到很吃力! 还好不懂的还可以和同学一起商量。 在这次的课程设计中,我还学会了应用Multisim软件绘制电路图以及进行模拟仿真,这也是一个重要的收获。 通过这次课题设计,真让我觉得纸上谈兵是太没用了,我们学知识要学以致用,这样才能体现知识的价值。 课题设计做完后,让我长舒了一口气,心里非常的有自豪感。 以后得增强自己的动手实践能力。 相信有志者事竟成!
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