RC桥式 正弦波振荡器

1 实验六 RC 桥式正弦波振荡器桥式正弦波振荡器 一 实验目的一 实验目的 1 研究 RC 桥式振荡器中 RC 串 并联网络的选频特性 2 研究负反馈网络中稳幅环节的稳幅功能 3 掌握 RC 桥式振荡器的工作原理及调测技术 4 进一步掌握用双踪示波器测相位差的方法 5 掌握信号频率的几种常用测量方法 二 实验原理二 实验原理 RC 桥式振荡器的实验电路如图 1 所示 图 a RC 桥式振荡器基本原理 电路 R 10k 100k RP 5 1k R1 vo R2 5 1k R 10k C C 2 图 b Multisim 仿真电路图 图 1 RC 桥式振荡器 该电路由三部分组成 作为基本放大器的运放 具有选频功能的正反馈网络 具有 稳幅功能的负反馈网络 1 RC 串并联正反馈网络的选频特性 电路结构如图 2 所示 一般取两电阻值和两电容值分别相等 由分压关系可得正反 馈网络的反馈系数表达式 RCj R Cj R RCj R Cj R Cj R Cj R ZZ Z V V F i F 1 1 1 1 1 1 21 2 3 RCj RCj RCjRCRCj RCj RCjRCj RCj RCj R Cj RCj RCj R 1 3 1 21 1 1 1 1 2 2 令 则上式为 RC 1 0 0 0 3 1 j F 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 如图 3 和图 4 所示 2 0 0 2 3 1 F 3 arctg 0 0 F 由特性曲线图可知 当 0时 正反馈系数达最大值为 1 3 且反馈信号与输入信 号同相位 即 F 0 满足振荡条件中的相位平衡条件 此时电路产生谐振 0 1 RC 为振荡电路的输出正弦波的角频率 即谐振频率 fo为 F 90 90 图 4 相频特性曲线图 3 幅频特性曲线 0 1 3 F 0 F V 图 2 i V 1 Z 2 Z 4 iD vD ID2 ID1 VD1 VD2 Q1 Q2 图 5 RC fo 2 1 当输入信号的角频率低于 0时 反馈信号的相位超前 相位差 F为正值 而当 i V 输入信号的角频率高于 0时 反馈信号的相位滞后 相位差 F为负值 2 带稳幅环节的负反馈支路 由上分析可知 正反馈选频网络在满足相位平衡的条件下 其反馈量为最大 是三 分之一 因此为满足幅值平衡条件 这样与负反馈网络组成的负反馈放大器的放大倍数 应为三倍 为起振方便应略大于三倍 由于放大器接成同相比例放大器 放大倍数需满 足 1 故2 为此 线路中设置电位器进行调节 VF A 3 1 R Rf 1 R Rf 为了输出波形不失真且起振容易 在负反馈支路中接入非线性器件来自动调节负反 馈量 是非常必要的 方法可以有很多种 有接热敏电阻的 有接场效应管的 压控器 件 本实验是利用二极管的非线性特性来实现稳幅的 其稳幅原理可从二极管的伏安特 性曲线得到解答 如图 5 所示 在二极管伏安特性曲线的弯曲部分 具有非线性特性 从图中可以看出 在 Q 点 2 PN 结的等效动态电阻为 而在 Q 点 2 2 Qdi dv r D D d 1 PN 结的等效动态电阻为 显然 1 1 Qdi dv r D D d 1d r 也就是说 当振荡器的输出电压幅度增大时 2d r 二极管的等效电阻减少 负反馈量增大 从而抑制 输出正弦波幅度的增大 达到稳幅的目的 通过 Rp调节负反馈量 将振荡器输出正弦波 控制在较小幅度 正弦波的失真度很小 振荡频率接近估算值 反之则失真度增大 且 振荡频率偏低 这是在实验中应当注意的 三 预习要求三 预习要求 1 复习运放组成的正弦波振荡器的基础知识 理解实验电路的工作原理 5 2 要求 fo 1600Hz 且取 R 10k 计算电容 C 取多大值 取标称值 3 计算 f 5 fo和 f fo时 vf与 vi相位差的值 5 1 F 4 复习用示波器测量相位差的方法 5 实验中怎样判断振荡电路满足了振荡条件 6 影响振荡频率 f0的主要因素是什么 四 实验内容四 实验内容 1 参照图 1 b 建立仿真电路 用示波器观察输出波形 注意在调整 RP大小的时 候 将调整幅度 Increment 由原来系统默认的 5 减小到 1 否则增益太大 不能获得较 为理想的输出正弦波 2 根据起振要求 电压负反馈电路的电压放大倍数要略大于 3 调节电位器 Rp 使 电路起振且输出良好 尽可能取小的幅值 使输出失真较小 的正弦波 测取输出正弦 波的电压有效值 Vo 3 测量振荡频率 fo 1 用示波器测取 fo 用示波器内的光标测量功能读出 T 计算获得 fo 2 用函数信号发生器的频率计功能测量振荡频率 f0 振荡电路的输出电压与函数信号发生器的 计数器输入 端连接 按下函数信号发 生器的 外测频率 各相关控制键后 在函数信号发生器的 5 位 LED 显示器上显示被测 6 信号的频率 f0 4 把 R 为 5 1k 电阻换成 20k 电阻 调节 RW 观察稳幅效果 去掉两个二极管 2 接回 5 1k 电阻 再细调电位器 RW 观察输出波形的稳幅情况 5 去掉其他元件 仅留 RC 串并联正反馈网络 测试此网络的选频特性 1 测量 F和 i的相位差 用示波器测试相位差的方法参见实验三 注意若 vF超前 则 F为正 vF滞后 则 F为负 将测试结果填入表 1 表 1 f0 Hz f f0时 F f f0时 F 5 1 f 5f0时 F 理论值 测试值 2 测量反馈系数 F 函数信号发生器输出信号加到 RC 串并联正反馈网络的输入端 i 改变输入信号频率 用交流毫伏表测出 Vi VF 由公式计算 结果记入表 2 i F V V F F 表 2 f Hz Vi Hz VF Hz F 实际测量 F 理论估算 f f0时 f f0时 5 1 f 5f0时 五 实验总结五 实验总