正弦波振荡电路设计

武汉理工大学专业课程设计（一）课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导老师： 刘辛 工作单位：武汉理工大学理学院 题目：正弦波振荡电路设计初始条件：直流可调稳压电源一台、示波器一台、万用表一块、面包板一块、元器件若干、剪刀、镊子等必备工具要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求以及说明书撰写等具体要求）1、 技术要求：设计一个正弦波振荡电路，使它能输出频率一定的正弦波信号，振荡频率测量值与理论值的相对误差小于5%，电源电压变化1V时，振幅基本稳定，振荡波形对称，无明显非线性失真。2、 主要任务：（一）设计方案（1） 按照技术要求，提出自己的设计方案（多种）并进行比较；（2） 以模拟器件电路为主，设计一个正弦波振荡电路（实现方案）；（3） 依据设计方案，进行预答辩；（二）实现方案（4） 根据设计的实现方案，画出电路逻辑图和装配图；（5） 查阅资料，确定所需各元器件型号和参数；（6） 在面包板上组装电路；（7） 自拟调整测试方法，并调试电路使其达到设计指标要求；（8） 撰写设计说明书，进行答辩。3、 撰写课程设计说明书：封面：题目，学院，专业，班级，姓名，学号，指导教师，日期任务书目录（自动生成）正文：1、技术指标；2、设计方案及其比较；3、实现方案；4、调试过程及结论；5、心得体会；6、参考文献成绩评定表时间安排：课程设计时间：17周18周17周：明确任务，查阅资料，提出不同的设计方案（包括实现方案）并答辩；18周：按照实现方案进行电路布线并调试通过；撰写课程设计说明书。指导教师签名： 年 月 日系主任（或负责老师）签名： 年 月 日正弦波振荡电路1.技术指标1.1初始条件直流可调稳压电源一台、示波器一台、万用表一块、面包板一块、元器件若干、剪刀、镊子等必备工具。1.2技术要求设计一个正弦波振荡电路，使它能输出频率一定的正弦波信号，振荡频率测量值与理论值的相对误差小于5%，电源电压变化1V时，振幅基本稳定，振荡波形对称，无明显非线性失真。1.3正弦波振荡电路原理正弦波振荡电路是一个没有输入信号，依靠自激振荡产生正弦波输出信号的电路。正弦波振荡电路也称为正弦波振荡器，其实质是放大器引正反馈的结果。正弦波振荡电路一般由放大电路、选频网络、正反馈电路、稳幅环节四部分组成。选频网络通常不是独立存在，有时和正反馈网络合二为一，有时和放大电路合二为一。其基本原理如下：在直流电源闭合的瞬间，频率丰富的干扰信号串入振荡电路的输入端，经过放大后出现在电路的输出端，但是由于幅值很小而频率又杂，不是所要求的信号。此信号再经过选频及正反馈网络把某一频率信号筛选出来（而其他信号被抑制），再送回放大电路的输入端，整个电路的回路增益应略大于1，这样不断循环放大，得到失真的输出信号，最后经稳幅环节可输出一个频率固定、幅值稳定的正弦波信号。总的来说，正弦波振荡电路大致作用过程如图1所示： 稳幅环节选频及正反馈网络放大器 干扰信号 正弦波信号 图1 正弦波振荡电路作用过程2.设计方案及其比较正弦波振荡电路的类型根据选频网络的组成元件可大致分为RC正弦波振荡电路、LC正弦波振荡电路、石英晶体正弦波振荡电路三种。其中RC正弦波振荡电路一般用来产生1Hz到1MHz范围内的低频信号，而LC和石英晶体正弦波振荡电路则一般用来产生1MHz以上的高频信号。对于产生高频信号的LC正弦波振荡电路，主要有变压器耦合式LC振荡器和三点式LC振荡器两大类。其中变压器耦合式LC振荡器又可分为共发射极LC振荡器和共基极LC振荡器；而三点式LC振荡器又可分为电感三点式LC振荡器和电容三点式LC振荡器。而对于产生低频信号的RC正弦波振荡电路，主要有RC文氏桥振荡电路和双T型RC振荡电路两类。2.1方案一电感三点式振荡器图2 电感三点式振荡器电路 图 3 交流通路相位条件：如图2所示，当线圈L1上端电位为“+”时，L2下端点位为“-”，此时L1与L2公共端电位低于L1上端电位而高于L2下端电位，即Vf与Vo反相，经过倒相放大后，形成正反馈，既满足相位条件。振幅条件：适当选择L2和L1的比值，使AvF1，满足振幅条件，即电路可以振荡。由于反馈电压Vf取自L2两端，故改变线圈抽头位置，可调节振荡器的输出幅度。L2越大，反馈越强，振荡输出越大，反之，L2越小，反馈越小，不易起振。电路振荡频率为其中M是L1与L2之间的互感系数。2.2方案二电容三点式振荡器图 4 电容三点式振荡器电路图 5 交流通路相位条件：当线圈1端电位为“+”时，3端电位为“-”，此电压经C1和C2分压后，2端电位低于1端而高于3端，即Vf与Vo反相，经V倒相放大后，使1端获得“+”电位，形成正反馈，满足相位条件。振幅条件：适当选择C1和C2的数值，使电路具有足够大的放大倍数，即可产生振荡，电路振荡频率为其中为串联电容。2.3方案比较（1）对于电感三点式振荡器优点：工作频率范围为几百kHz到几MHz。 缺点：反馈信号取自于L2，其对f0的高次谐波的阻抗较大，因而引起振荡回路的谐波分量增大，使输出波形不理想，即波形失真较大。（2）对于电容三点式振荡器优点：输出波形好，电路的频率稳定度高，工作频率可高达几十MHz到几百MH的高频波段范围。缺点：调节不方便。3.实现方案图6 RC文氏桥振荡电路原理图3.1原理与说明如图6所示，RC串并联构成选频网络，其中R1与R2阻值相等，均为10k，C1与C2容值相等，均为0.033uf,Rp和R3构成反馈网络，R3阻值取15k,R4、D1、D2构成稳幅电路，R4阻值取15k,调节Rp可改变反馈系数，从而改变放大电路的电压增益满足振荡的幅度条件，二极管利用其稳压特性来限制输出幅度，改善输出波形，避免失真。由图4所示RC串并联电路可得 其中，令则得 （1）当上式分母中虚部系数为零时，RC串并联网络的相角为零。满足这个条件的频率可由式（1）求出：或 （2）将（2）代入（1）中有 （3） 由上可得： （4） （5）由式（4）及式（5）可知，当或 （6）幅频响应的幅值为最大，即 （7）而相频响应的相位角为零，即 （8）起振条件：|AF|1 ，A33.2布线图图 7 布线图4.调试过程及结论4.1调试过程首先，用两根导线从面包板引出地线和输出端，然后打开直流电源调至12v电压输出，再分别引出+12v、-12v和接地三根导线端，将+12v和-12v分别接入运算放大器的4端和11端，尤其注意极性，上端接正极，下端接负极，打开示波器，红夹子接输出端，黑夹子接地线，如图8所示，接通后发现波形较粗，调整示波器的周期、幅度至波形适中，此时波形失真，用螺丝刀调整电位器大小并观察波形变化，直至波形不再有肉眼可分辨的失真，调整示波器使其显示出周期、频率、峰峰值，如图9所示，记下数据后，再根据元件参数计算出理论值，并比较。 图 8 完整电路 图 9 显示数据4.2设计结论由公式计算出频率的理论值为480Hz,比实际值461.3Hz稍大。5.心得体会三个学期，不长不短，感觉模拟电子技术这门课程真的很重要。好像这个学期一直在围着它转，从最开始的理论课，到后来的实验课，再到后来的电子线路辅助设计选修课，以及这次的课程设计。这个过程中，真的学了很多东西，不再是理论计算，而是真正的需要自己动手、动脑，提案、答辩、调试、撰写，每一步都需要自己亲自去完成，其中有甜有苦，有时候为了一个问题会纠结很久很久，有时候会因为问题得到解决而高兴好久。那种亲自去播种后所得到的收获，不管多少，总是很让人享受的。调试那天，因为示波器与实验课的示波器稍有差别，便不敢随便调弄，调整波形时便有点束手束脚的感觉。尤其是频率实际值的得出，并不知道示波器可以直接显示数据，便根据所选择的档位去数格子计算频率，后来经过老师提点，并亲自师范，才知道。另外，在撰写这篇说明书时也遇到了瓶颈，很多要求并不知道该如何去设置，例如行间距、居中标页码等，都是自己一点点摸索、试探的，确实耗费了很久的时间，但是也相应地掌握了编辑文档的一些必备技能。总的来说，对自己在这一过程中的表现并不满意，确实看到了进步的自己，但是总感觉自己应该做得更好，不应该做得这么吃力，说到底，可能还是功夫下得少。6.参考文献1吴友宇.模拟电子技术基础.北京：清华大学出版社，20092周新民.工程实践与训练教程.武汉：武汉理工大学