电02陈天一电路原理仿真实验

1、2009010889 电 91电路原理实验一、问题简介电桥又称电桥振荡电路, 是利用 RC 串并联实现的振荡电路。桥振荡电路由两部分组成：即放大电路和选频网络。由集成组成的电压串联负反馈放大电路，取其输入电阻高、输出电阻低的特点。由文桥选频电路和同相比例器组成的正发生器，如图 1。（1）若取R1=15k，试分析该振荡电路的起振条件（Rf 的取值）；（2）观察 Rf 取不同值时，同相输入端和输出端的电压波形；的非线性环节（如图2 所示），（3）若在反馈回路中加入由二极管观察R2 取不同值时，同相输入端和输出端的电压波形。也可同时改变Rf和R2的值。图1二、理论分析通常，选取C1 =C2 =C,R

2、1 =R2 =R 。因为 RC 串联并联选频网络在正振荡电路中既为选频网络，又为正反馈网络，所以其输入电压为Uo ，输入电压为U f 。1wCR ，因此，U 超前U ，当频率趋近于零时，相位超当信号频率足够低，fo前趋近于+90° ，且 U f趋近于零。1wCR ，因此，U 滞后U ，当频率趋近于无穷大时，当信号频率足够高时，fo2009010889 电 91相位滞后趋近于-90° ，且 U f趋近于零。当信号频率从零逐渐变化到无穷大时，U f 的相位将从+90° 逐渐变化到-90° 。因此，对于 RC 串并联选频网络，必定一个频率 fo ，当 f =

3、fo 时，U f 与Uo 同相。通过以下计算，可以求出 RC 串并联选频网络的频率特性和 fo 。1RF = U fUo=jwC1jwC1jwCR + R整理，可得1F =1wRC3 + j(wRC -)1令w =，则oRC12p RCf =o代入上式，得出1F =ffo )3 + j(-fof频幅特性为1=Fffo )232 + (-fof相频特性为1ffojF =-arctan(-)3 fof当 f = f 时， F = 1 ，o3= 1 U，j =0°。即 UfoF32009010889 电 91因为当 f = f 时， F = 1 ，所以o3A = Au = 3上式表明，只要

4、为 RC 串并联选频网络匹配一个电压放大倍数等于 3（即输出电压与输入电压同相，且放大倍数的数值为 3）的放大电路就可以虑到起振条件，所选放大电路的电压放大倍数应略大于 3。正振荡电路，考正反馈网络的反馈电压U f 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= 1 + Rf ³ 3= UoAuURP3Rf ³ 2R3Rf 的取值要略大于2R3 。由于Uo 与U f 具有良线性，所以为了输出电压的幅值，路中加入非线性环节。例如，在 Rf 回路串联两个并联的二极管和一个电阻，利用电流增大

5、时二极管动态电阻减小、电流减小时二极管动态电阻增大的特点，加入非线性环节，从而使输出电压。此时比例系数为+ rdR4A = 1 + RfuR3所以只需使Rf + rdR4Au = 1 +³ 3即可R3也就是Rf + rdR4 ³ 2R3三、内容1、 电路结构：用 Multisim 搭建电路如图 2 所示，这里为了避免重复搭建电路的麻烦， 将非线性环节也加入到初始电路中，运用开关将其在不需要接入电路时，将开关闭合，将其短路。当需要引入非线性环节时，则将开关闭合，并联的二极管接入电路中，电路中各个元件的参数如下：R1 = R2 = 10kW C1 = C2 = 10nFR3 =

6、 15kW运算放大器选用 OPAMP_5T_VIRTUAL 型号，并且采用 12V 直流稳压电源为运算放大2009010889 电 91器供电，二极管型号选用 DIODE_VIRTUAL，其中 Rf 与 R4 的阻值待定。图 22、数据分析：根据理论计算的结果，要想使电路产生正振荡，必须有 Rf³ 2R3 ，首先取Rf = 2R3 ，用 4CHANNEL 示波器测量输出信号，得到的结果如下图 3图 32009010889 电 91由上图可知，电路中的输出信号并未产生正振荡。30.1 kW ,30.5 kW ,31 kW ,35 kW ,50再逐步增加反馈电阻 Rf 的阻值，让其分别取

7、kW ,100 kW 。用示波器观察输出波形。当 Rf=30.1 kW 时，输出信号刚好起振，幅值为 12.056V，周期为 630.000us2009010889 电 91当 Rf=30.5 kW 时，输出信号正常起振，但是波形有截止失真。幅值为 12.057V，周期为 630.000us当 Rf=31 kW 时，输出信号正振荡，幅值为 12.056V，周期为 690.000us2009010889 电 91当 Rf=35 kW 时，输出信号正振荡，幅值为 12.056V，周期为 660.000us当 Rf=50 kW 时，输出信号正振荡，幅值为 12.064V，周期为 750.000us2

8、009010889 电 91当 Rf=100 kW 时，输出信号正振荡，幅值为 12.071V，周期为 1.031ms将上述数据总结如下：从上述数据可以看出，在 Rf=30.1 kW 时，电路刚好发生正振荡，其幅值为12.056V 周期为 630us，在逐渐增大 Rf 的过程中，发现振荡波形的幅值基本保持在12V 左右不变，而周期随着 Rf 阻值的增大而增大。并且，在 Rf 阻值增大的过程中，发现电路由开始接通到波形的时间逐渐缩短。由于输出信号的幅值一直保持在 12V 左右，考虑应该是运算放大器的电源电压所限， 于是增大运算放大器的电源电压到 15V，其他参数不改变，重新对 Rf=30.1 k

9、W 的情，结果如下图：由此上述结果可以看出，此时的幅值已提高到 15.055V，近似等于电源电压，证明了之前的猜想。Rf/ kW输出信号幅值/V周期300030.112.056630.000us30.512.057630us3112.056690us5012.064750us10012.0711.031ms2009010889 电 913、 引入非线性元件：在原电路中引入非线性元件二极管，重新进行上述实验，电路图如下此时，保持 Rf=25 kW ,改变 R4 的值当 R4=15 kW 时，输出信号为正振荡，幅值 1.067V，周期 630.000us2009010889 电 91当 R4=20

10、 kW 时，输出信号为正振荡，幅值 1.444V，周期 630.000us当 R4=25 kW 时，输出信号为正振荡，幅值 1.624V，周期 630.000us2009010889 电 91当 R4=30 kW 时，输出信号为正振荡，幅值 1.731V，周期 630.000us当 R4=100 kW 时，输出信号为正振荡，幅值 2.052V，周期 630.000us2009010889 电 91当 R4=500 kW 时，输出信号为正振荡，幅值 2.147V，周期 630.000us当 R4=100 M W 时，输出信号为正振荡，幅值 2.170V，周期 630.000us200901088

11、9 电 91当 Rf=30 kW ，R4=20 kW 时，输出信号为正振荡，幅值 15.054V，周期 630.210us将上述数据总结如下：从上表可以看出，当固定 Rf=25 kW 时，随着 R4 电阻的增加，输出信号的幅值逐渐增大，并接近 2.170V，并且周期始终为 630us，这是由于此时等效的电阻为二极管的内阻和 R4 并联的缘故，因为二极管的内阻较小，所以此时等效的电阻约为二极管的内阻。但当改变 Rf=30 kW ,R4=30 kW 时，输出信号的幅值又变为最大值，即15V 左右，但周期仍为 630us 左右。结果分析四、由上述结果可以看出，当反馈回路满足 Rf ³ 2R3 时，电路的输出信号会产生正弦Rf/ kWR4/ kW输出信号幅值/V周期25151.067630us25201.444630us25251.624630us25301.731630us251002.052630us255002.147630us25100M2.170630us303015.054630.210us2009010889 电 91波振荡，当增大 Rf 的阻值时，相当于增大了反馈回路的 F，又因为引入的是负反馈，所以对于电路中的杂志信号抑制能力增强，使正反馈的滤波信号更加清晰，也改变了输出信号的幅值，但对于输出信号的周期无影