正弦滤波器.docx

目录

目录 i
1 设计任务与要求 1
1.1 设计任务 1
1.2 基本要求 1
2 制作方案 1
2.1 背景介绍 1
2.2 理论分析 4
2.3 理论计算 8
2.4 仿真结果 8
2.5 设计过程中遇到的问题 9
3 心得体会 11

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正弦信号发生器的设计

1 设计任务与要求
1.1 设计任务
在了解信号处理与信号产生电路的基本概念和工作原理（最主要的时RC正弦波振荡电路）后，设计一个并制作一个输出频率为1KHz的正弦波产生器
1.2 基本要求
1、 用RC正弦波振荡电路制作的正弦波产生器的工作电压为+12V和-12V,能够稳定地产生频率为1KHz的正弦波。
2、 要求先经过理论计算出能构成正弦波发生器所需要的电阻、电容元件的参数值，然后根据计算出参数值画出原理图并在orCAD里面进行仿真（用电压探针跟踪输出电压，设置合理的仿真类型和参数）观察输出电压随时间的变化曲线，看是否能达到预期的要求（产生频率为1KHz的正弦波）。
2 制作方案
2.1 背景介绍
自激振荡的条件：正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正弦交流信号。它的频率范围很广，可以从一赫以下到几百兆以上；输出功率可以从几毫瓦到几十千瓦；输出的交流电能是从电源的直流电能转换而来的。
常用的正弦波振荡器和其特点有如下几种：LC振荡电路，输出功率大、频率高；RC振荡电路,输出功率小、频率低；石英晶体振荡电路：频率稳定度高。这些振荡电路的应用有：无线电通讯、广播电视，工业上的高频感应炉、超声波发生器、正弦波信号发生器、半导体接近开关等。
自激振荡就是无需输入信号，自发产生一定大小、一定频率交流信号的电路

特点:
(1)正反馈;
(2)输入信号等于零;
(3)基本放大电路输入信号和反馈信号相等.
1) 自激（平衡）条件：

相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；幅度条件表明反馈放大器要产生自激振荡，还必须有足够的反馈量(可以通过调整放大倍数A 或反馈系数F 达到)。
2) 起振的条件
设：uo 是振荡电路输出电压的幅度，
U 是要求达到的输出电压幅度。
起振时uo≈0，达到稳定振荡时uo =U，起振过程中 uo<U，要求AF> 1，此时可以使输出电压的幅值不断增大。
3) 稳幅的条件
稳定振荡时 uo = U，要求AF = 1，使输出电压的幅度得以稳定。
从AF >1 到AF = 1的过程，就是自激振荡建立的过程。
起始信号的产生：在电源接通时，会在电路中激起一个微小的扰动信号，它是个非正弦信号，含有一系列频率不同的正弦分量。
4) 选出所需的频率的方法
选频网络: 保证输出为单一频率的正弦波。典型的选频网络有：RC选频网络，LC选频网络。
正弦波振荡：

电路的组成：
放大电路: 放大信号。
反馈网络: 必须是正反馈，反馈信号即是放大电路的输入信号。
选频网络: 保证输出为单一频率的正弦波。
稳幅环节: 使电路能从½AuF>1 ，过渡到AuF=1，从而达到稳幅振荡。
2.2 理论分析
RC振荡电路
1. 电路结构

RC选频网络
正反馈网络
RC选频网络
正反馈网络
同相比例电路

目的：选出单一频率的信号。
用正反馈信号 uf 作为输入信号。

2. RC串并联选频网络的选频特性
传递函数（分析振荡的条件）：

令

目的：

由此可得RC串并联选频网络的幅频响应和相频相应：

分析上式可知：仅当W = Wo时，且Ψf= 0o时且Fv = 1/3 时达最大值，即网络具有选频特性，fo决定于RC。
3. 振荡条件
AA
Av

用瞬时极性判断方法，电路满足相位平衡条件（正反馈）
∅a+∅b=2nπ
若放大电路的增益为：Av=1+RfR1=3
则振荡电路满足的振幅平衡条件是：Av×Fv=3×13=1
电路可以输出频率为 fo=12πR C的正弦波
RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波。
4. 振荡电路的稳幅
由于起振条件是：| AF|>1
热敏电阻具有负温度系数，利用它的非线性可以自动稳幅：在起振时，由于 uo很小，流过RF的电流也很小，于是发热少，阻值高，使RF >2R1；即½AuF½1。随着振荡幅度的不断加强，uo增大，流过RF 的电流也增大，Rf受热而降低其阻值，使得Au下降，直到Rf=2R1时，稳定于|AuF|=1，振荡稳定。
5. 知识扩展：振荡频率的调整

振荡频率：
改变开关K的位置可改变选频网络的电阻，实现频率粗调；改变电容C 的大小可实现频率的细调。
2.3 理论计算
由题目要求可知，需要做一个频率为 1KHz 的正弦波发生器，由理论分析可知，，要让fo=1KHz，取电容C的值为0.01uF，可计算出 R ≈ 15.9K,然后取 Rf = 2K,R1 = 1K,便可以按照上述理论图在orCAD里画出图形，设置合理的仿真参数，进行仿真。
2.4 仿真结果
在orCAD里画出的图形如图21所示：

图21 仿真原理图
仿真结果如图22所示：
图22 仿真结果图

由上述的仿真结果可知：输出电压Vo随着时间的变化具有周期性，并且周期几乎在1ms左右，产生的波形也比较稳定，几乎可以达到设计任务的要求。
2.5 设计过程中遇到的问题
在出现正确的仿真图之前，曾经出现过以下错误：
图23 错误的结果图
由错误的运行结果可以看出，产生的输出波形是一条直线，显然不能达到理想要求。
出现错误的结果后，检查电路的连接，发现电路的连接并没有问题，后来经过同学的帮忙，发现错误的原因如下图(仿真参数没有设置正确):
图24 错误设置图
正确的设置方法如下图所示：
图25 正确仿真参数设置图
按照上图的设置方式，再次进行仿真时，便可得到正确的波形图

3 心得体会
虽然在整个过程中，遇到过很多的小问题，有时候百度下或者多想下就能解决，如果还不能解决的话，也可以去找同学及老师的帮忙，这样无论运到什么问题都可以解决了。要学好模电这门课，光光上课听听是没有用的，还要课后花很多时间消化的，仔细一点，用心一点，这样才能真正地学到知识。

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