基于Multisim仿真实验的RC振荡电路设计与研究.doc

邯郸学院本科毕业论文邯郸学院本科毕业论文 题题 目目 基于 Multisim 仿真实验的 RC 振荡电路设计与研 究 学学 生生 韩 川 指导教师指导教师 张劼 教授教授 李洁 助教助教 年年 级级 2007 级级 专专 业业 物理学 系系 部部 物理与电气工程系 邯郸学院物理与电气工程系 2011 年 5 月 郑重声明郑重声明 本人的毕业论文 设计 是在指导教师张劼教授的指导下独立撰写完成的 如有剽窃 抄袭 造假等违反学术道德 学术规范和侵权的行为 本人愿意承 担由此产生的各种后果 直至法律责任 并愿意通过网络接受公众的监督 特 此郑重声明 毕业论文 设计 作者 签名 年 月 日 I 摘摘 要要 RC 振荡电路在振荡电路中占有很重要的位置 研究此基本电路 设计出装置 简单 性能更加良好的 RC 振荡电路 是有重要意义的 为了更好的说明实验现象 本文采用 Multisim 软件进行仿真 获取中电路输出的波形图 通过对数据及图像的分析 加深对 RC 振荡电路的理解 并对电路中的选频网络进行了改进 从而增强了振荡电路频率的稳定性 也能更加抵制振荡信号中的谐波分量 关键词关键词 RC 振荡电路 正弦振荡 Multisim 软件 仿真分析 II RC oscillating circuit design and research based on the Multisim simulation experiment Chuan Han Directed by Prof Jie Zhang Abstract RC oscillating circuit in the oscillating circuit it occupies a very important position Sinusoidal oscillator circuit is in no plus input signal rely on circuit self excited oscillation surfaces sinusoidal output Studying the basic circuit design a simple device performance more good RC oscillating circuit is of great significance In order to explain the experimental phenomena this design uses a Multisim software simulation the output waveform obtained circuit diagrams based on the analysis of the data and image deepen the understanding of RC oscillating circuit and the frequency selective network of circuit improved thereby enhancing the oscillating circuit frequency stability also can even more to fight the harmonic wave of oscillating signal Key words RC concussion circuit sine concussion Multisim software simulation 目 录 摘要摘要 I 外文页外文页 II 1 1 引言引言 1 2 2 对对 RCRC 振荡电路进行研究的目的意义及振荡电路进行研究的目的意义及 MULTISIM 软件介绍软件介绍 1 2 1 对 RC 振荡电路进行研究的目的意义 1 2 2 MULTISIM软件简介 1 3 3 RCRC 振荡电路简介振荡电路简介 1 3 1 正弦波振荡电路简介 2 3 2 正弦波振荡电路分类 2 4 4 RCRC 桥式正弦波振荡电路仿真分析桥式正弦波振荡电路仿真分析 2 4 1 RC 桥式正弦波振荡电路原理电路 2 4 2 RC 桥式正弦波振荡电路的选频特性 2 4 3 起振过程分析 3 4 4 振荡波形分析 3 4 5 起振周期测量 4 5 5 RCRC 振荡电路的改进振荡电路的改进 5 5 1 RC 选频网络 5 5 2 三种正反馈选频网络的比较 6 5 3 元件比值对网络自身性能的影响 7 5 4 元件比值对桥式 RC 振荡器的影响 9 5 5 两种改进 RC 振荡电路的仿真图 10 6 6 结论结论 11 参考文献参考文献 11 致谢致谢 12 1 基于基于 Multisim 仿真实验的仿真实验的 RCRC 振荡电路设计与研究振荡电路设计与研究 1 引言 振荡器是许多电子系统的重要组成部分 从微处理器的时钟产生到蜂窝电话中的载波合成 振荡器 无处不在 而且 在不同的应用中 其要求的结构和性能参数差别很大 振荡器一般分为 RC 振荡器 LC 振荡器 石英晶体振荡器等 相对于石英晶体振荡器而言 RC 振荡器的振荡频率容易受到电源电压波动 温度变化和工艺偏差的影响 然而 结构相对简单 片上电阻电容的应用 面积小 成本低 外围元件少 等特点使得 RC 振荡器在市场上依然具有很大的吸引力 它主要应用于对振荡频率的精度和稳定度要求不 高的领域 目前 囯内外对振荡器的研究主要集中于石英晶体振荡器等元件 向片式化 小型化 高频化和更 好频率特性发展 此外 振荡器还有新的发展动向 如视频发生器等振荡器的研究与应用 对于 RC 振荡电路的研究 用传统方法精确分析起振 振幅 振荡频率的大小等都是十分困难的 而 用 Multisim 软件则可灵活方便的进行仿真分析 本文用 Multisim 对 RC 振荡电路的起振过程及频率特性进 行仿真分析 2 对 RC 振荡电路进行研究的目的意义及 Multisim 软件介绍 2 12 1 对对 RCRC 振荡电路进行研究的目的意义振荡电路进行研究的目的意义 RC 振荡电路在振荡电路中 它占有很重要的位置 这是因为它以阻 容元件为选频网络 制造上方 便 而用途又极其广泛 随着科学实验和生产技术的发展 对这种振荡电路的性能提出了更高的要求 举例来说 如遥测遥控系统中由于受控内容增多 则编码仪号的频率秋定度就得相应提高 又如生产上 自动控制的精度的提高 与自动检测仪器的性能有密切的关系 许多检测仪器的性能 又取决于它所用 的仗号沉的料度 低频振荡器是许多电子测务设备中的一个重要组成部分 因此 研究此基本电路 设 计出装置简单 性能更加良好的 RC 振荡电路 是有重要意义的 为了更好的说明实验现象 此设计采用 Multisim 软件进行仿真 获取中电路输出的波形图 通过对数据及图像的分析 加深对 RC 振荡电路的理 解 并对电路中的选频网络进行了改进 从而增强了振荡电路频率的稳定性 也能更加抵制振荡信号中 的谐波分量 2 22 2 MultisimMultisim 软件简介软件简介 Multisim 是 Interactive Image Technologies Electronics Workbench 公司推出的以 Windows 为基 础的仿真工具 适用于板级的模拟 数字电路板的设计工作 它包含了电路原理图的图形输入 电路 硬件描述语言输入方式 具有丰富的仿真分析能力 Multisim 软件的功能 通过直观的电路图捕捉环境 轻松设计电路 通过交互式 SPICE 仿真 迅速了解电路行为 借助高级电路分析 理解基本设计特征 通过一个工具链 无缝地集成电路 设计和虚拟测试 通过改进 整合设计流程 减少建模错误并缩短上市时间 Multisim 软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真 能够快速 轻松 高效地对电路进行设计和 验证 凭借 NI Multisim 您可以立即创建具有完整组件库的电路图 并利用工业标准SPICE 模拟 器模仿电路行为 借助专业的高级SPICE 分析和虚拟仪器 您能在设计流程中提早对电路设计进行 的迅速验证 从而缩短建模循环 与NI Labview 和 Signalexpress 软件的集成 完善了具有强大技 术的设计流程 从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量 2 3 RC 振荡电路简介 3 13 1 正弦波振荡电路简介正弦波振荡电路简介 正弦波振荡电路是在没有外加输入信号的情况下 依靠电路自激振荡面产生正弦波输出电压的电路 振荡器是许多电子系统的重要组成部分 从微处理器的时钟产生到蜂窝电话中的载波合成 振荡器无处 不在 而且 在不同的应用中 其要求的结构和性能参数差别很大 振荡器一般分为 RC 振荡器 L C 振 荡器 石英晶体振荡器等 相对于石英晶体振荡器而言 RC 振荡器的振荡频率容易受到电源电压波动 温度变化和工艺偏差的影响 然而 结构相对简单 片上电阻电容的应用 面积小 成本低 外围元件 少等特点使得 RC 振荡器在市场上依然具有很大的吸引力 它主要应用于对振荡频率的精度和稳定度要求 不高的领域 正弦波振荡电路广泛应用于量测 遥控 通讯 自动控制 热处理和超声波电焊等加工设备之中 也作为模拟电子电路的测试信号 3 23 2 正弦波振荡电路分类正弦波振荡电路分类 正弦波振荡电路常用选频网络所用元件来命名 分为 RC 正弦波振荡电路 LC 正弦波振荡电路和石 英晶体正弦波振荡电路三种类型 RC 正弦波振荡电路的振荡频率较低 一般在 1MHz 以下 LC 正弦波振荡电路的振荡频率多在 1MHz 以上 石英晶体正弦波振荡电路也可等效为 LC 正弦波振荡电路 4 RC 桥式正弦波振荡电路仿真分析 4 14 1 RCRC 桥式正弦波振荡电路原理电路桥式正弦波振荡电路原理电路 打开 Multisim10 1 在绘图编辑器中选择集成运放 直流电源 二极管 电阻 电容 创建 RC 桥式 正弦波振荡电路 如图 4 1 所示 标出电路中的结点编号 4 在电路中 运放 741 和电阻 R3 Rf1 Rf2 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 上的反馈电压作为输入代替放大器的输入信号 D1 D2 起稳 幅作用 图 4 1 RC 桥式正弦波振荡电路原理电路 4 24 2 RCRC 桥式正弦波振荡电路的选频特性桥式正弦波振荡电路的选频特性 在图 4 1 中 移去导线 ab 和 cd 将选频网络从振荡电路中分离出来 经 b 点向选频网络输入正弦信 a b c d 3 号 分析 RC 桥式正弦波振荡电路选频网络的频率特性 分析结果 由幅频特性曲线指针处读得特征频率 f0 161 921Hz 理论计算的值为 Hz RC f23 159 101 010102 1 2 1 63 0 仿真与理论计算基本吻合 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 即可改变振荡输出的频率 4 34 3 起振过程分析起振过程分析 根据起振条件 选频网络的反馈系数 只要负反馈放大器的放大倍数 A 大于 3 即 1 AF 3 1 max F Rf1 接入电阻 与 Rf2 的和略大于 R3 的两倍 就可产生正弦波振荡 振荡频率由 RC 选频网络确定 2 运行并双击示波器图标 XSC1 可以看出电路慢慢地振荡起来 逐渐产生越来越大的振荡输出如图 4 2 所示 由于在 R3 支路中增加反并联二极管 利用二极管电流增大动态电阻减小的特性构成稳幅环节 从而得到稳定的正弦波输出 图 4 1 中二极管 Dl 和 D2 用以改善输出电压波形 稳定输出幅度 起振时 由于集成运放的输出电 压很低 Dl 和 D 2 接近于开路 R3 D1 D2 并联电路的等效电阻近似等于 R3 电路产生振1 AF 荡 随着集成运放输出电压的增大 当 3 上的分压超过二极管的正向导通电压时 流过 3 上的电流被分 流 负反馈支路的反馈系数增大 迫使 逐渐等于 1 最终电路进入稳幅工作状态 AF 4 44 4 振荡波形分析振荡波形分析 仿真电路如图 4 1 所示 启动仿真开关 双击 XSC1 双踪示波器 调节时基控制刻度为 500 s div 调节电位器 RP 的阻值 按 A 键 按 A 健 电阻百分比增大 按 a 键 电阻百分比减少 当增大 RP 电阻 百分比至一定时 电路不能振荡 百分比约为 65 时 电路能振荡且输出波形较好 如图 4 3 所示 当 减小 RP 电阻百分比至 30 时 输出波形产生严重失真 如图 4 4 所示 图 4 2 RC 振荡电路起振波形图 4 图 4 3 RC 振荡电路稳定波形图 图 4 4 RC 振荡电路失真波形图 4 54 5 起振周期测量起振周期测量 调整示波器面板参数 将示波器水平灵敏度设置为 2 ms Div 开启仿真开关 拖动垂直坐标线 1 和 2 如图 4 5 所示 可测得 2 T 12 618ms 则振荡周期 T 6 309ms 在测量误差范围内与理论值 是一致的 msRCT28 6 2 5 图 4 5 RC 振荡电路稳定时周期测量图 5 RC 振荡电路的改进 5 15 1 RCRC 选频网络选频网络 设电阻 R1 R2 R 电容 C1 C2 C 他们组成一个 RC 串并联移相网络 它的输入端是上面的那个 R1 上边 而它的输出端是中间 这个 RC 电路的输入端接的就是运算放大器的输出端 而这个 RC 电路的输 出端接的就是运算放大器的输入端 这样就构成了一个闭环 如图 5 1 所示 图 5 1 RC 选频网络图 RC 串并联网络的相频特性是 仅对一个频率是零相移 对低于此频率和高于此频率分别呈 RC 1 0 正相移和负相移 这样一来 仅对这个 结合两级同相放大器能实现正反馈 因为正反馈的条件是放 0 6 大器的相移 反馈网络的相移 360 RC 串并联网络的幅频特性是 对频率传输系数最大 等于 0 1 3 而对其它频率的传输系数都是小于 1 3 的 所以只要放大器的电压放大倍数大于 3 就能起振 而 运算放大器的电压放大倍数是远大于 3 的 这样一来 起振是没有问题 但是会带来严重的失真 解决 办法是 设法使运算放大器的电压放大倍数稍稍大于 3 就行 这可以通过调整和来决定 图 5 2 f R R 是常见的 RC 振荡电路的选频网络 图 5 3 是当信号频率足够低时 网络的简化电路 此时R C 1 超前于 图 5 4 是当信号频率足够高时 网络的简化电路 此时滞后于 图 f U 0 UR C 1 f U 0 U 5 5 和图 5 6 是两种改进的选频网络的简化电路 图 5 2 常见的 RC 选频电路 图 5 3 RC 选频低频时的等效电路 图 5 4 RC 选频低频时的等效电 路 图 5 5 改进的 RC 选频电路 1 图 5 6 改进的 RC 选频电路 2 5 25 2 三种正反馈选频网络的比较三种正反馈选频网络的比较 现将图 5 2 图 5 5 和图 5 6 三种选频网络进行比较 三种 RC 选频网络的电压传输 或电压反馈 系数 F V0 Vf 表达式分别为 5 1 21 12 1 2 2 1 2 1 1 1 RC RCj C C R R F 7 5 2 11 22 11 22 1 2 5 1 1 1 RC RCj CR CR C C F 5 3 22 11 22 11 2 1 6 1 1 1 RC RCj CR CR R R F 当 R1 R2 R C1 C2 C 电压传输系数的最大值 振荡频率 3 1 max6max5max2 FFF RC 1 02 网络在振荡时的相移 构成 RC 振荡器的放大器为无相移放大器 其电压放大系数均为0 2 Av 3 因此 a d e 三种网络是等价的 而对于 R1 R2 C1 C2的情况 为了便于研究 图 5 2 网络 令 R2 nR1 nR C1 nC2 nC 图 5 5 网络 令 R1 nR2 nR C1 nC2 nC 图 5 6 网络 令 R2 nR1 nR C2 nC1 nC 此时由 5 1 5 2 5 3 式可以得 5 4 2 max2 n n F 5 5 1 2 2 max5 nn n F 5 6 1 2 2 max6 nn n F 不难看出 当元件比值 n 由零变到无限大时 三种网络的均从 0 上升并趋于 1 由 5 4 5 5 5 6 max F 式可得下表 可以看出 在相同的 n 之下 第图 5 5 图 5 6 网络的要大一些 对于桥式 RC 振荡器 max F 来说 若无相移放大器的电压放大系数 Av 一定时 正反馈网络的的增大 意味着负反馈网络的电压 max F 反馈系数日可相应地增大 从而导致桥式 RC 振荡器的性能有相应的改善 由表 5 1 可知 对于图 5 2 网 络取 n 4 对于图 5 5 5 6 网络取 n 3 的二较之取 n 1 的增大约三倍 这就是说 图 5 5 5 6 网 max F 络优于图 5 2 网络之处在于为获得相同的改善结果 元件比值可以小些 表 5 1 三种 RC 选频网络的电压传输 或电压反馈 系数 n n1 12 23 34 45 56 67 78 8 F F2max 2max 1 30 50 60 670 710 750 780 8 F F3 4max 3 4max 1 30 570 690 760 80 840 860 88 5 35 3 元件比值对网络自身性能的影响元件比值对网络自身性能的影响 增大元件比值 除了使增大之外 对正反馈选频网络自身的其他性能亦有相应的改善 由 max F 5 1 5 2 和 5 3 式求得选频网络的电压传输系数的表达式为 8 5 7 2 4 3 02 4 3 02 2 4 3 2 4 3 2 1 1 Q F 式中 nRC 1 4 3 02 5 8 2 2 n n Q 5 9 1 2 2 4 3 nn n Q 所以选网络的通带就为 5 10 4 3 2 0 4 3 2 Q f B 式中为网络的固有频率 由 5 8 5 9 和 5 10 式可以计算网络的通频带 如表 5 2 所示 0 f 表 5 2 三种选频网络的通频带 n n1 12 23 34 45 56 67 78 8 B B2 2 3 0 f2 0 f1 67 0 f1 49 0 f1 4 0 f1 33 0 f1 28 0 f1 25 0 f B B3 4 3 4 3 0 f1 75 0 f1 45 0 f1 3 0 f1 25 0 f1 19 0 f1 16 0 f1 14 0 f 虽然由于 RC 选频网络的 Q 值过小 使得其幅频特性们相烦待性曲线仍然很平坦 但当元件比值增大 到如图 5 2 网络取 n 4 图 5 5 5 6 网络取 n 3 见表 5 2 通频效已然缩窄了一半 幅频特性曲线与相频 特性曲线变得陡峭了 选频网络对振荡信号中的二次谐波分量的抑制 或衰减 量表达式为 2 5 11 2 4 3 2 2 max4 3 2 4 3 2 4 3 2 2 3 1 1 4 3 02 Q F F 由 5 2 式 5 9 式和 5 11 式可计算出选频网络对二次谐波分量的衰减 列于表 5 3 由表 5 3 看出 尽管因 Q 值过小 使得对二次谐波的衰减是很不够的 当 n 8 时 衰减亦不足 5 5dB 但图 5 5 图 5 6 网络略优于图 5 2 网络 表 5 3 选频网络对二次谐波分量的衰减 n n1 12 23 34 45 56 67 78 8 22 0 89 0 80 740 70 680 660 650 64 4 23 0 89 0 760 690 660 640 620 610 6 4 4dB 如果回路的 Q 等于 1 3 RC 振荡器的反馈电路的固定本领和 LC 振荡器中振荡回路一样 可见 常常 用固定本领来表叙振荡器的振频稳定度 9 由 5 1 5 2 和 5 3 式可分别推导出三种选频网络对传输信号的相移的表达式 因 则可 2 2 将相移表达式对 求偏导数 注意取绝对值 后乘以 并考虑到 便可求得 nRC 1 4 3 02 5 12 2 2 2 22 n n Q 5 13 1 2 2 2 2 4 34 3 nn n Q 由 5 12 和 5 13 式可得表 5 4 之中的数据 可知图 5 2 网络取 n 4 图 4 5 图 4 6 网络取 n 3 比 n 1 时固定本领已提高了一倍 表 5 4 选频电路的固定本领 n n1 12 23 34 45 56 67 78 8 2 0 6711 21 341 421 51 561 6 4 3 0 671 141 381 521 61 681 721 76 因此 选用合适的选频网络和增大元件比值 可以使网络自身的 Q 位增大 幅频与相频特性曲线变 陡峭 通频带变窄 加强对传输信号的谐波分量的抑制 增大固定本领 5 45 4 元件比值对桥式元件比值对桥式 RCRC 振荡器的影响振荡器的影响 由于 Q 值过小 使一般的 RC 振荡器的线路具有非常低的频率稳定度 而在桥式 RC 振荡器中 除 了由选频网络引入正反馈使其自激之外 还引入了一定的负反馈 引入负反馈之后 RC 振荡器固有频率 并不改变 而使振荡信号的谐波分量下降 固定木领增高 频率稳定度有很大的提高 特别值得注意的 是 选用合适的选频网络或增大元件比值能改善桥式 RC 振荡器的性能 通常 桥式 RC 振荡器负反馈网络是无相移的 即电压反馈系数为实数 且其极限值为 若 max F 设桥式 RC 振荡器所使用无相移放大器的电压放大系数为 Av 那么在稳定振荡的请况下 且当时 可将 5 1 5 2 和 5 3 式写成如下通用表 Av F 1 4 3 2max4 3 2 max4 3 2 FAv max4 3 24 3 2 F 达式 式中已由 5 4 和 5 5 式给出 Q 已由 5 8 和 5 9 式给出 三种网络的 x 分别为 jQx F F 1 max max F 和 那么正负反馈网络总的反馈系数为 21 21 1 RC CR 11 22 1 CR CR 22 11 1 CR CR 则可由上式求网络总的相移径运算 前文己叙 可得 jQx F F 1 max 223 max maxmax xAvFAv AvxFxAvF arctg 桥式 RC 振荡器的固定本领 5 14 AvFmax4 3 2 2 4 3 2 2 现令 Av 100 由 5 4 5 5 和 5 14 式算出固定本领值 如表 5 5 所示 可以看出 取 n 3 比 n 1 图 5 2 网络的固定本领增大 3 24 倍 而图 5 5 图 5 6 网络则要提高 4 28 倍 这说明增大元件比值能显 10 著地提高振频稳定度 选用图 5 5 图 5 6 网络亦能提高振频稳定度 表 5 5 RC 振荡电路的固定本领 n n1 12 23 34 45 56 67 78 8 2 22507290100113122128 4 3 226595116128140148155 由式 5 12 和 5 13 式可知 那么正 负反馈网络共同决定均等效 Q 就为 0 2 1 Q 5 15 AvFQmax4 3 2 2 4 3 2 同样令 Av 100 时 由 5 4 5 5 5 15 和 5 10 式可算出正 负反馈网络共同决定的通频带 又由 5 4 5 5 5 15 和 5 11 式可以求得对二次谐波分量的衰减 就图 5 2 网络而言 取 n 3 比 n 1 的通频率变 窄了 3 2 倍 而就图 5 5 5 6 网络来说 则变窄了 4 33 倍 或者说 若产生 1KHz 的信号 图 5 2 网络 的通频率由 90Hz 变窄为 28Hz 而图 5 5 5 6 网络的则由 90Hz 变窄为 21Hz 当然 随着元件比值的增 大 幅频与相频特性曲线将变得更加陡峭了 取 n 3 相对于取 n 1 图 5 2 网络的震荡器对第二次谐波的 衰减更优于 10dB 与图 5 5 5 6 网络更优了 12 6dB 5 55 5 两种改进两种改进 RCRC 振荡电路的仿真图振荡电路的仿真图 图 5 7 和图 5 8 是改进后的 RC 振荡电路的仿真图 图 5 7 改进后的 RC 振荡电路的仿真图 1 11 图 5 8 改进后的 RC 振荡电路的仿真图 2 6 结论 以上分析表明 对于采用深度负反馈使其性能远胜于其他 RC 振荡的桥式 RC 振荡器来说 当增大正 反馈选频网络的元件 电