RC正弦波振荡器课程设计.doc

通信专业课程设计二 太原科技大学太原科技大学 课课 程程 设设 计 论计 论 文 文 设计设计 论文论文 题目 题目 RCRC 正弦波振荡器的设计正弦波振荡器的设计 姓姓 名名 姚青叶姚青叶 学学 号号 200915030131200915030131 班班 级级 通信通信 091501091501 学学 院院 电子信息工程学院电子信息工程学院 指导教师指导教师 郭一娜郭一娜 2013 年 1 月 4 日 太原科技大学课程设计 论文 任务书 学院 直属系 电子信息工程学院 时间 2012 年 12 月 19 日 学 生 姓 名姚青叶指 导 教 师郭一娜 设计 论文 题目RC 正弦波振荡器 主要研 究内容 本设计的主要电路采用文氏电桥振荡电路 如图 1 1 文氏桥振荡 电路由放大电路和选频网络两部分组成 施加正反馈就产生振荡 振 荡频率由 RC 网络的频率特性决定 研究方法 方案一 采用硅二极管来组成限幅电路 方案二 采用发光二极管 LED 组成限幅电路 方案三 在放大电路的负反馈回路里采用非线性元件来自动调整 反馈的强弱以维持输出电压恒定 文氏电桥振荡电路起振条件为 振荡频率为 主要技术 指标 或研 究目标 本设计的主要电路采用文氏电桥振荡电路 如图 1 1 文氏桥振荡 电路由放大电路和选频网络两部分组成 施加正反馈就产生振荡 振 荡频率由 RC 网络的频率特性决定 教研室 意见 教研室主任 专业负责人 签字 年 月 日 姚青叶 RC 正弦波振荡器 RC 正弦波振荡器 摘要 本设计的主要电路采用文氏电桥振荡电路 如图 1 1 文氏桥振荡电路由放 大电路和选频网络两部分组成 施加正反馈就产生振荡 振荡频率由 RC 网络的 频率特性决定 它的起振条件为 振荡频率为 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 2 RC 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 关键词关键词 文氏电桥 振荡频率 LM741CN JFET 姚青叶 RC 正弦波振荡器 0 目 录 摘 要 I 第 1 章 系统方案选择和论证 1 1 1 系统基本方案 1 1 1 1 正弦波振荡电路的选择与论证 2 1 1 2 稳幅控制的选择与论证 2 1 1 3 运算放大器的选择 2 1 1 4 最终的方案选择 2 第 2 章 主要电路设计 8 2 1 文氏电桥振荡电路的设计与主要特性 8 2 1 1 RC 选频网络及其特性 9 2 1 2 集成运放电路 11 2 1 3 分立电路 12 2 2 RC 文氏桥振荡电路的稳幅过程 13 2 2 1 热敏电阻的稳幅过程 13 2 2 2 JFET 的稳幅过程 14 2 3 振荡频率和输出幅度的计算 15 第 3 章 系统测试 15 3 1 正弦波 15 3 2 正弦波转化为方波 15 3 3 方波转化为三角波 16 3 4 三角波转化为正弦波 17 第 4 章 结论 18 心得体会 18 参考文献 19 附录 元件清 单 20 姚青叶 RC 正弦波振荡器 1 第 1 章 系统方案选择和论证 1 1 系统基本方案 1 1 1 正弦波振荡电路的选择与论证 本设计选用文氏电桥振荡电路 如图 1 1 图 1 1 RC 桥式振荡电路 这种电路的特点是 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 振荡频率由 RC 网络的频率特性决定 它的起 振条件为 它的振荡频率为 1 1 2 稳幅控制的选择与论证 姚青叶 RC 正弦波振荡器 2 方案一 采用硅二极管来组成限幅电路 这种电路的温度特性较差 温度 升高输出振幅下降 几乎没有实用价值 故不采用 方案二 采用发光二极管 LED 组成限幅电路 LED 是利用其正向电压与稳定 的温度特性 它的正向电压比通常的硅二极管大 温度特性比三个串联的二极 管要稳定的多 但该种电路的振幅稳定度和波形失真率都不太好 故不采用此 方案 方案三 在放大电路的负反馈回路里采用非线性元件来自动调整反馈的强 弱以维持输出电压恒定 例如 在图 1 1 所示的电路中 Rf 可用一温度系数为 负数的热敏电阻代替 当输出电压 V0 增加时 通过负反馈回路的电流 If 也 随之增加 结果使热敏电阻的阻值减小 负反馈加强 放大电路的增益下降 从而使输出电压 V0 下降 反之 当 V0 下降时 由于热敏电阻的自动调整作用 将使 V0 回升 因此 可以维持输出电压的恒定 也可利用 JTFET 工作在可变 电阻区 当 JFET 的漏源电压 Vds 较小时 它的漏源电阻 Rds 可通过栅极电压来 改变 因此 可利用 JFET 进行稳幅 该电路频率稳定度由使用的电容的温度系 数决定 而振幅稳定度和波形失真率都得到改善 方案四 采用可编程模拟电路提供单片机正弦振荡器的设计方案 1 1 3 运算放大器的选择 考虑到综合性能和题目要求的关系这里我们选用 LM741CN 作为运算放大 1 1 4 最终的方案选择 文氏电桥振荡电路适用的频率范围为几赫兹到几百千赫兹 可调范围宽 电路简单易调整 同时波形失真系数为千分之几 很适合我们题目的要求 故 采用文氏电桥振荡电路以及利用非线性元件来控制电压 起到稳幅的作用 选 用 LM741CN 作为运算放大器 正弦波发生器的工作原理 姚青叶 RC 正弦波振荡器 3 图 1 2 正弦波发生器的工作原理 1 产生正弦波振荡的条件 在正弦波振荡电路中 一要反馈信号能取代输入信 号 而若要如此 电路中必须引入正反馈 二要有外加的选频网络 用以确 定振荡频率 正弦波振荡的平衡条件为 AF 1 写成模与相角的形式为使输出量在 合闸后能够有一个从小到大直至平衡在 一定幅值的过程 2 正弦波振荡电路的组成 a 放大电路 b 选频网络 c 正反馈网络 d 稳幅环节 3 判断电路是否可能产生正弦波的方法和步骤 a 观察电路是否包含了放大电路 选频网络 正反馈网络和稳幅环节四部 分 b 判断放大电路能否正常工作 即是否有合适的静态工作点且动态信号是 否 能输入 输出和放大 c 利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦振荡的相位条件 d 判断电路是否满足正弦振荡波的幅值条件 即是否满足起振条件 4 RC 桥式正弦波振荡电路 由 RC 串并联选频网络和同相比例运算电路所构成 正反馈网络的反馈电压 Uf 是同相比例运算电路的输入电压 因而要把同相比例运算电路作为整体看成 电压放大电路 它的比例系数是电压放大倍数 根据起振条件和幅值平衡条件 Au U0 Up 1 Rf Rl 3 Rf 2R1 姚青叶 RC 正弦波振荡器 4 正弦波 方波工作原理 图 1 3 正弦波 方波工作原理 在 RC 桥式正弦波振荡电路后加一个过零比较器 过零比较器的阈值电压 Ut 0V 集成运放工作在开环状态 其输出电压为 Uom或 Uom 当输入电压 ui0V 时 U0 U0m 其中 RC 回路既作为延迟环节 又作为反馈网络 通过 RC 充放电实现输出状态 的自动转换 方波 三角波工作原理 姚青叶 RC 正弦波振荡器 5 图 1 4 方波 三角波工作原理 在方波发生电路中 当过零比较器的阈值电压数值较小时 可将电容两端 的电压看成近似三角波 但是 一方面这个三角波的线性度较差 另一方面带 负载后使电路的性能产生变化 只要将方波电压作为积分运算电路的输入 在 其输出就得到三角波电压 三角波 正弦波工作原理 在三角波电压为固定频率或频率变化范围很小的情况下 可以考虑采用低 通滤波器的方法将三角波变换为正弦波 低通滤波器的通带截止频率应大于三 角波的基波频率且小于三角波的三次谐波频率 工作原理图 图 1 5 工作原理图 姚青叶 RC 正弦波振荡器 6 第 2 章 主要电路设计 2 1 文氏电桥振荡电路的设计与主要特性 RC 文氏电桥振荡电路是以 RC 选频网络为负载的振荡器 其模型框图如图 2 1 RC 选频网络 放大 图 2 1 RC 振荡器框图 这个电路由两部分组成 即放大电路和选频网络 放大电路由集成运放所 组成的电压串联负反馈放大电路 取其输入阻抗高和输出阻抗低的特点 而选 频网络则由 Z1 Z2 组成 同时兼做正反馈网络 由图 1 1 可知 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 桥式振荡电路由此得来 2 1 1 RC 选频网络及其特性 如图 2 2 a 姚青叶 RC 正弦波振荡器 7 图 2 2 Rc 选频网络 RC 选频网络的传输函数为 令 R1 R2 R C1 C2 C RC 串并联选频网络具有选频作用 它的频率响应特性由明显的峰值 反馈网络的反馈系数为 2 1 姚青叶 RC 正弦波振荡器 8 当 o 谐振频率 1 RC 时 Fv 1 3 f 0 1 幅频特性曲线 如图 2 2 b 由上式 o时 Fv o 1 3 最大 o时 当 Fv 0 由上图可见 当时 达到最大值并等于 1 3 相位移为 00 输出 电压与输入电压同相 对于该频率 所取的输出电压即幅度是最大的 所以 RC 串并联网络具有选频作用 2 相频特性曲线 如图 2 2 b R1 C1与R1串联 Xc1 Xc2 R2 C2与R2并联 R1 则 vo超前vs相位 0 时 2 o时 增大 Xc1 R1 C1与R1串联 R1 Xc2 R2 C2与R2并联 Xc2 则 vo滞后vo相位 时 2 o 时 vo与vo同相 姚青叶 RC 正弦波振荡器 9 2 1 2 集成运放电路 如图 2 3 图 2 3 集成运放文氏电桥振荡器 1 正反馈支路 运放 端 o 1 RC 时 相位平衡 f 0 由振幅平衡条件 AvFv 1 已知 Fv F 1 3 故要求 Av 3 Av应 反馈量 2 负反馈支路 运放 端 作用 改善波形 稳定振幅 Rt 热敏电阻 进行温度补偿 F R1 Rt R1 3 总反馈系数 姚青叶 RC 正弦波振荡器 10 2 2 注意 运放的 Ri Ro均与 RC 网络并接 对网络的影响较大 2 1 3 分立电路 如图 2 4 图 2 4 分立器件文氏电桥振荡器 注意 1 为满足相位条件 2n 放大器应为 2 级 或偶数级 姚青叶 RC 正弦波振荡器 11 2 VT1的Ri小 VT2的Ro对网络影响较大 可采用场效应管 2 2 RC 文氏桥振荡电路的稳幅过程 2 2 1 热敏电阻的稳幅过程 RC 桥式振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻 Rf 实现的 Rf 是负温度系数热 敏电阻 当输出电压升高 Rf 上所加的电压升高 即温度升高 Rf 的阻值减小 负反馈增强 输出幅度下降 反之输出幅度增加 若热敏电阻是负温度系数 应放置在 R1 的位置 1 若该电路 RF 为一固定电阻 放大器 Au 为常数 起振时 则要求 振荡平衡 则要求 只有当运算放大器进入非线性工作区才能使增益下降 达到平衡条件 从而产生严重失真现象 2 若该电路 RF 为一负温度系数的热敏电阻 起振时 由于信号较弱 热敏电阻 RF 处于冷态 阻值比较大 放大器 Au 值较大满 足 很快振荡建立 振荡平衡 随信号增强 热敏电阻 RF 温度升高 阻值减小 放大器 Au 值自动下 降 在运算放大器还末进入非线性工作区时 达到平衡条件 2 2 2 JFET 的稳幅过程 利用 JFET 工作在可变电阻区 当 JFET 的漏源电压 Vds 较小时 它的漏源 电阻 Rds 可通过栅极电压来改变 如图 1 6 图中负反馈网络由 Rp3 R3 和 JFET 的漏源电阻 Rds 组成 正常工作时 输出电压经二极管 D 整流和 R4 C3 滤波后 通过 R4 R5 Rp4 为 JFET 栅极提供控制电压 当幅值增大时 Vgs 变 负 Rds 将自动加大以加强负反馈 反之亦然 这样 达到自动稳幅的目的 电路调整时 一般只需调整 Rp3 或 Rp4 就可使失真最小 2 3 振荡频率和输出幅度的计算 姚青叶 RC 正弦波振荡器 12 从正弦稳态的工作情况来看 振荡频率是由相位平衡条件所决定的 由 RC 选频网络的选频特性可知 只有当 o 1 RC f 0 a 0 时 才满足 相位平衡条件 所以振荡频率由式 fo 1 2 RC 决定 当适当调整负反馈的强 弱 使 Av 的值在起振时略大于 3 时 达到稳幅时 Av 3 输出波形为正弦波 失 真很小 如图 2 5 此时 电路的频率由电阻 R1 Rp1 R2 Rp2 C11 C12 C13 C21 C22 C23 决定 即 fo 1 2 RC 根 据题目要求 电路的频率范围为 10Hz 10000Hz 电阻取值如图 2 5 当开关打 在 C13 和 C23 上时 由 fo 1 2 RC 可得此时电路振荡频率最低约为 10Hz 当 开关打在 C11 和 C21 上时 由 fo 1 2 RC 可知此时电路振荡频率最高约为 10000Hz 而输出电压约为 1V 即输出幅度为 2Vp p 图 2 5 JFET 稳幅音频信号产生电路 姚青叶 RC 正弦波振荡器 13 第 3 章 系统测试 3 1 正弦波 3 1 正弦波 3 2 正弦波转化为方波 3 2 正弦波转化为方波 姚青叶 RC 正弦波振荡器 14 3 3 方波转化为三角波 图 3 3 方波转化为三角波 3 4 三角波转化为正弦波 姚青叶 RC 正弦波振荡器 15 图 3 4 三角波转化为正弦波 姚青叶 RC 正弦波振荡器 16 第 4 章 结论 4 1 心得体会 这次的课程设计历时两个星期左右 通过这两个星期的学习和努力 设计 也基本上完成了 在这两个两个星期的学习过程中 我发现了自身的很多不足 自己知识上存在很多的漏洞 看到了自己在知识合理综合运用能力方面还是比 较缺乏 虽然知道这份设计其中必定依然存在许许多多的错误和毛病 但在完 成的时候始终还是会有那么一点点的欣慰 因为真正的用心做了 努力的付出 过 最后做的或许还是很差强人意 希望老师可以原谅 以后我一定会更加努 力的 在将近两个多星期的时间里 我真正的体会到了学习的乐趣 翻阅资料 复习以前学过的相关学科知识 奔波于图书管和自习室 上网查找相关资料 为了完成这次课程设计确实很辛苦 但苦中有乐 当翻了好多资料终于找 到 RC 文氏电桥正弦波振荡电路的资料时 心中不免一阵兴奋 开心不已 生活 就是这样 汗水预示着结果也见证着收获 只有劳动才能让我们感到充实 虽 然这只是一次简单的课程设计 但平心而论 也耗费了不少的时间和心血 这 就让我不得不佩服那些搞电子电路设计前辈们 他们为我们做出了多么大的贡 献 奉献了多少时间和心血啊 这次的课程设计让我认识到自己在学习上的不足 如以前学过的电路分析 基础 模拟电子技术基础 数字电子基础 还有电子电工实习上所学到的东西 在这次的课程设计上都有运用 但当要用到这些知识时我明显的感觉到基础知 识的缺乏 以致做的很吃力 这让我明白了 我一定要付出更多的努力 学好 每一门学科 为以后的学习和工作打下坚实的基础 这次的课程设计 不仅使我在知识上获得了收获 精神上更是获得了更大的激 励 让我明白了学无止尽的道理 我们每个人都不应该满足于现有的成就 人 生就像是在攀登 当你攀登到一座山峰的顶端时 你会发现还有更多更高的山 峰在等着你 挫折是一份财富 经历是一份拥有 这次的课程