高压正弦发生器

1、 辽 宁 工 业 大 学 模拟电子技术基础 课程设计（论文） 题目：高压正弦发生器设计 院（系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：2013.07.012013.07.12课程设计（论文）任务及评语院（系）： 教研室学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目高压正弦发生器课程设计（论文）任务设计参数：1 设计并制作一台高压信号发生器。包括正弦信号产生电路和高压放大电路部分。2 线性失真度不大于0.5%3 输出正弦信号频率范围10Hz1KHz可调，输出信号幅度1-100V可调。设计要求：1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等

2、，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩 ：总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 摘要本文中介绍了一种基于运算放大器的文氏电桥正弦波发生器。经测试，该发生器能产生频率为100-1000Hz的正弦波，且能在较小的误差范

3、围内将振幅限制在2.5V以内。无论是从数学意义上还是从实际的意义上，正弦波都是最基本的波形之一在数学上，任何其他波形都可以表示为基本正弦波的傅里叶组合;从实际意义上来讲，它作为测试信号、参考信号以及载波信号而被广泛的应用。在运算放大电路中，最适于发生正弦波的是文氏电桥振荡器和正交振荡器。 关键词：运算放大器；文氏电桥；电桥振荡器；振荡电路目录第1章 高压正弦发生器方案论证- 1 -1.1 高压正弦发生器的应用意义- 1 -1.2 高压正弦发生器设计要求及技术指标- 1 -1.3 设计方案论证- 2 -1.4总体设计方案框图及分析- 4 -第2章 高压正弦发生器各单元电路设计- 5 -2.1正弦

4、波发生电路的设计- 5 -2.2 输出级反相比例放大器电路设计- 8 -2.3 稳压电源设计- 8 -第3章 高压正弦发生器整体电路设计- 11 -3.1 整体电路图及工作原理- 11 -3.2 电路参数计算- 12 -3.3整机电路性能分析- 12 -第4章 设计总结- 14 -参考文献- 15 -附录- 16 -第1章 高压正弦发生器方案论证1.1 高压正弦发生器的应用意义高压正弦波发生器广泛应用于工业生产、科学实验和日常生活等各个领域中。而且高压正弦波发生电路常常作为信号源被广泛应用于无线电通信以及自动测量和自动控制等系统中。电子技术实验中经常使用中的低频信号发生器就是一种正弦波振荡电路

5、。大功率正弦波振荡电路还可以直接为工业生产提供能源，例如高频加热炉的高频电源。此外如超声波探伤，无线电和广播电视信号发生器的发送和接收等，都离不开高压正弦波振荡电路。1.2 高压正弦发生器设计要求及技术指标1 设计要求（1）分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。（2）确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。（3）设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。（4）组成系统。在一定幅面的图纸上

6、合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。2 技术指标（1）设计并制作一台高压信号发生器。包括正弦信号产生电路和高压放大电路部分。（2）线性失真度不大于0.5%（3）输出正弦信号频率范围10Hz1KHz可调，输出信号幅度1-100V可调。1.3 设计方案论证高压正弦发生器由正弦波振荡电路和运算放大电路两部分构成。其中，正弦振荡电路主要通过放大电路，反馈网络，选频网络和稳幅环节产生正弦信号，而运算放大电路将正弦振荡电路产生的正弦波的峰值进行放大，从而达到输出高压的目的。正弦振荡电路通过RC振荡电路来产生正弦信号。运算放大电路可以是同相放大电路，也可以是反相放大

7、电路。同比例放大电路电路图如1所示， 图1同相比例放大电路表1同相比例放大电路特性主要闭环特征理想运放实际运放闭环增益A=1+Rf/R1输入电阻R i=无穷输出电阻Roc=0图中，R s为信号源内阻，R p为消除基流对输出失调影响的平衡电阻，R p=Rs-R1/Rf，若算出是负值，则将R p改为R s串接，并满足R p + R s=R1/Rf。同相比例放大电路的电路特性如1表所示。同比例放大电路的最大优点就是输入电阻高。由于同相比例放大电路的反相输入端不是“虚地“，其电位随同相端的信号电位变化，使运放承受着一个共模输入电压，信号源的幅度受到限制，不可超过共模电压范围，否则将带来很大误差，甚至于

8、不能正常工作。反相比例放大电路图如2所示，2反相比例放大电路表2反相比例放大电路特性主要闭环特征理想运放实际运放闭环增益A=-Rf/R1输入电阻RI=R1输出电阻Roc=0其中，反相比例放大电路特征如2表所示，从表看出反相比例放大电路具有如下重要特征：（1）在深度负反馈情况工作时，电路的放大倍数仅由外接电阻Rf、R1的值确定。（2）因同相端接地，则反相端电位为“虚地”，因此，对前级信号源而言，其负载不是运算本身的输入电阻，而是电路的闭环输入电阻R1。（3）运放的输出电阻也由于深度负反馈而大为减小。由上述两种放大电路的分析，采用反相放大电路对正弦信号进行放大比较好。1.4总体设计方案框图及分析1

9、 总体设计方案框图RC串并联反馈及选频网络(10Hz1kHz)高压正弦信号集成电路放大电路高压放大装置稳幅及反馈控制电路(1V100V)图3 总体设计方案框图 2 原理分析 通过RC串并联反馈及选频电路，集成电路放大电路，稳幅及反馈控制电路，产生正弦信号，正弦信号的峰值为U o，通过反比例放大电路对峰值进行放大，产生高压正弦放大信号。 第2章 高压正弦发生器各单元电路设计2.1正弦波发生电路的设计 RC桥式振荡电路 本设计方案采用RC选频网络构成的RC振荡电路，它一般用于产生1HZ1MHZ的低频信号，由RC选频网络组成的常用正弦波振荡电路有多种形式，如：桥式振荡电路、移相式振荡电路和双T网络式

10、电路等类型，因为其中桥式振荡频率稳定、输出波形失真小等优点，所以在本设计方案中正弦波的产生采用的是桥式振荡电路。RC桥式振荡电路的原理电路如图3所示，这个电路是由RC串并联选频网络和放大电路结合起来而构成。 放大电路为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。由图可知，选频网络则由RC串并联电路组成，同时兼作正反馈网络。选频网络、和、形成一个四壁电桥，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。 选频作用及参数公式 图3中所表示的RC串并联选频网络的选频网络具有选频作用，它的频率响应是不均匀的。（1）其中，、分别为RC串联和并联所产生的阻抗

11、，则有：= =（2）反馈网络的反馈系数为：=/（+）（3）若当=或=1/(2RC)时：=1/3, = 图3 RC桥式振荡电路 建立振荡所谓建立振荡，就是要使电路自激，从而产生持续的振荡，由直流电变为交流电。对于RC振荡电路来说，直流电源即是能源。当RC振荡器接通电源后，由于电路中存在噪声，它的频谱分布很广，其中也包括有=这样一个频率成分。这种微弱的信号，经过放大，通过正反馈的选频网络，在加至运放的同相输入端，又一次放大选频，这样循环往复使输出幅度愈来愈大，最后受电路中非线性元件的限制，使振荡幅度自动地稳定下来，开始时， =略大于3,达到稳定平衡状态时： =3, =1/3(=)。前以提及，从正弦

12、稳态的工作情况来说，振荡频率是由相位平衡条件所决定的，这是一个重要概念。只有=，=，=，时才满足相位平衡条件，所以振荡频率取决于：=1/(2RC)。振荡器要输出正弦波，还要求放大器的增益必须满足起振条件且工作在线性区。否则要么不起振，要么输出波形出现非线性失真，使用时应注意。 双T型RC正弦波振荡电路如图4所示电路为双T型RC正弦波振荡器，其双T网络接在负反馈回路中。要求=R，=C，=，=2C，使其对频率为=1/(2RC)的信号呈现的负反馈最弱，因此，在由与组成的正反馈回路作用下，电路产生振荡，振荡频率：=1/(2RC)，改变R或C可得到不同的振荡频率。正反馈量要适当，过弱不易起振，过强将使输

13、出波形失真。经验表明，取=10，=2R时电路容易起振，且输出波形较好。按图中所示参数设置，可得到500HZ正弦波输出。图4双T形RC正弦波振荡器分析比较：由于该双T型RC正弦波振荡电路所用器件较为复杂，考虑到设计方案简便性，故不采用此方案，选取RC桥式振荡电路。2.2 输出级反相比例放大器电路设计反相放大电路通过反馈电阻Rf和R1对输入信号进行放大，其中R1=1Kohm、Rf=2Kohm、Rp=3Kohm。电路如图5所示，图5反相比例放大电路2.3 稳压电源设计电源是电子电路和电力系统中不可缺少的重要组成部分，目前，集成稳压器已在电源设备中得到了广泛应用。按工作方式分，稳压电源有连续调整式和开

14、关调整式两大类，而开关式稳压电源因其具有高效率、低输出电压、大电流的特点，其应用越来越广。按照输出量分，有高电压、大电流、低电压和小电流之分，而在大多数稳压电源中，高电压/小电流和低电压/大电流常是同时成对出现。采用集成运放组成的稳压电源，在该方面具有特别灵活多变、适应性广的有点。1 串联反馈型稳压电路原理（1）调整环节调整环节是由调整管（单个三极管或复合管）构成，其基极受比较放大器的输出电压控制，通过调整管集电极和发射极之间的压降变化来抵消输出电压的变化。因此，设计时必须保证调整管工作在放大区，以实现其调整作用。同时因调整管与负载是串联的，流过的电流比较大，则其参数必须满足负载电流和功率要求

15、，且保证调整管在最不利的情况下，仍然能正常工作。（2）比较放大环节比较放大环节的作用是把输出电压较小的变化进行放大后去控制调整管，以达到稳压输出的目的。比较放大器的增益越高，对调整管的控制作用越灵敏，输出电压越稳定。因此，要挺高Vo的稳定性，关键在于提高比较放大器的增益。同时还要考虑电路的温度稳定性，所以常选用差动放大器（分立元件电路）或者集成运算放大器作为比较放大环节。（3）基准环节基准电压一般由稳压管提供稳压直流电压，作为比较放大器的基准，故应当尽量稳定。为了保证基准电压恒定稳压管必须工作在稳压区，因此，要选择合适的限流电阻R，保证稳压管工作电流最大时，小于其允许电流I zmax；工作电流

16、最小时，大于其最小稳定工作电流I zmin。为了减小温度变化的影响，尽量选用其零温度系数的稳压管。（4）取样环节该环节是由取样电阻串联而成的电阻分压器。取样电阻应选用材料相同、温度系数较小的金属膜电阻，因其温度性能好。取样值应根据基准电压V ref考虑，保证比较放大器工作在放大区。为了使输出电压可调，在分压电阻之间串接电位器R w。根据给定电压调节范围，可定出各电阻的取值。取样环节比较放大环节基准环节调整环节图6 串联反馈式稳压电路原理图2 稳压电源电路直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路和稳压电路三大部分组成，如图7所示。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直

17、流电，经滤波后，稳压电路再把不稳定的直流电压变为稳定的直流。 图7 稳压电源第3章 高压正弦发生器整体电路设计3.1 整体电路图及工作原理1整体电路图电路图如图3.1所示，图3.1整体电路图2工作原理本设计方案采用RC选频网络构成的RC桥式振荡电路，通过调节桥式电路的电阻与电感来改变输出的频率范围，桥式振荡电路与一个反向比例放大器串接在一起，通过调节反向比例放大器的电阻比值来实现电压幅度的变化。然后再外加一个正负12V的稳压电源来实现一个输出频率为101000HZ、峰值从1V到100V可调的、失真小于0.5%的高精度正弦激励信号。3.2 电路参数计算桥式振荡电路（1）由图3.1可知在=时，经R

18、C反馈网络传输到运算放大器同相端的电压与输出电压同相，即有：=0°，+=2n ，满足相位平衡条件因而有可能振荡。为了能起振 =3,即2，可选=3,=1,反馈系数=1/3；（2）由于使输出幅度越来越大，最后受电路中非线性元件的限制，使振荡幅度自动稳定下来。此时=3达到=1；（3）当选取R=1,C=1F时频率=1/(2RC)159HZ，适当调整负反馈的强弱，使略大于3时，其输入波形为正弦波；（4）、分别为RC串联和并联所产生的阻抗，则有： = =3.3整机电路性能分析根据设计流程可知，在一个高压正弦信号发生器中，RC桥式振荡电路充当调频的角色，而反向比例放大器则是用来实现稳幅变化，通过调

19、节电路参数，可以输出1-100V，10-1000HZ可调正弦波信号，由于工作电压稳定，线性失真不超过0.5%，该电路具有结构简单元件易选的特点，使得整机电路具有良好的性能，因此该电路在实际应用中会发挥巨大的作用。经仿真后由示波器得到的波形如图6所示。图6可以看出，所设计的正弦波发生器在较小的误差范围内符合参数要求，可以产生符合要求的正弦波形。第4章 设计总结由于近代的科学教育太注重教材和书本知识，使得科学的本质被淹没在一般的科学知识的细枝末节之中了，所以非常期待通过本次课设能收获更多实际操作能力。课设过程中，通过几天在图书馆和上网查阅资料，不仅促进了对电子技术知识的掌握，而且还提高了理论联系实际、综合运用基础知识和专业