模拟电路设计.doc

学号：
0909131027
2010 - 2011学年 第 2 学期

模拟电子课程设计报告

题 目： 正弦波振荡器的设计
专 业： 电气工程系通信工程
班 级： 09通信（1）班
姓 名： 李涛
指导教师： 周珍艮

电气工程系
2011年5月25日

课 程 设 计 任 务 书
学生班级： 09通信（1）班 学生姓名： 李涛
学 号： 0909131027 设计名称： 正弦波振荡器的设计
起止日期： 2011-5-23 ~2011-5-28 指导教师： 周珍艮

设计要求：
设计一个正弦波振荡器，给出具体的分析计算过程，给出电路参数，并给出电路图。
性能指标：1、振荡频率：1kHz
2、振幅稳定
3、波形对称，无明显非线性失真
实验概要目录：
1、设计任务与要求………………………………………………………5
1.1课程设计的目的……………………………………………………5
1.2课程设计的任务与要求……………………………………………5
1.3课程设计的技术指标………………………………………………5
2 、设计方案与比较………………………………………………………5
2.1常见的RC正弦波振荡电路设计与特点……………………………6
2.1.1RC移相振荡电路…………………………………………………6
2.1.2RC串并联网络的文氏电桥振荡电路……………………………6
2.1.3双T选频网络振荡电路…………………………………………6
2.2正弦波振荡电路的基本工作原理……………………………………7
2.2.1产生正弦振荡的条件……………………………………………7
2.2.2正弦波振荡电路的组成判断及分类……………………………8
2.2.3判断电路是否振荡的方法………………………………………8
2.2.4正弦波振荡电路的检验…………………………………………8
3、电路原理及分析…………………………………………………………9
3.1电路组成………………………………………………………………9
3.2RC串并联网络的选频特性……………………………………………9
3.3RC桥式正弦波振荡电路的振荡频率和起振条件……………………13
3.3.1振荡频率…………………………………………………………13
3.3.2起振条件…………………………………………………………13
3.4振荡电路中的负反馈…………………………………………………13
4、制作与调试………………………………………………………………14
4.1电路的制作……………………………………………………………14
4.2电路的调试……………………………………………………………14
5、参数计算及器件选择……………………………………………………15
5.1器件的选抒……………………………………………………………15
5.2理论数据处理…………………………………………………………15
5.3实验数据处理…………………………………………………………16
5.4理论数据与实验数据的对比…………………………………………16
5.5误差分析………………………………………………………………17
6、器件清单及所用设备……………………………………………………17
7、小结………………………………………………………………………17
8、参考文献…………………………………………………………………18

一、设计任务与要求
1.1 课程设计的目的
1.掌握由集成运算放大器组成RC 桥式正弦波振荡电路的工作原理和电路结构。
2.研究RC 桥式振荡器中RC 串、并联网络的选频特性。
3.掌握RC 桥式正弦波振荡电路的调测技术。
4.进一步掌握用双踪示波器测相位差的方法。
5.掌握常用元器件的识别和测试。
6.熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法。
1.2 课程设计的任务与要求
1.设计一个f0=1KHz的RC桥式正弦波振荡电路。
2.掌握RC桥式正弦波振荡电路的工作原理。
1.3 课程设计的技术指标
1.示波器的调试。
2.输出波形：正弦波。
3.输出频率范围：在1000Hz（±100Hz ）范围内可调。
4.输入电压5V 的对称电压。
二、设计方案与比较
2.1 常见的RC 正弦波振荡电路的设计方案与特点比较
常见的RC 正弦波振荡电路有桥式、移相式和双T 式三种振荡电路。
2.1.1 RC 移相振荡电路
RC 移相振荡电路原理图如下图A 所示，电阻选择R》Ri 振荡频率；起振条件是基本放大电路A 的电压放大倍数 |A|> 29 ；电路特点是结构简单，但选频作用差，振幅不稳，频率调节不便，频率范围是几赫兹到十几千赫兹，一般用于频率固定且稳定性要求不高的场合。
2.1.2 RC 串并联网络的文氏电桥振荡电路
RC 串并联网络振荡电路的振荡频率；起振条件是|A|> 3 ；电路的特点是：能连续改变振荡频率，便于加负反馈稳幅，振荡波形稳定不失真。
2.1.3 双T 选频网络振荡电路
双T 选频网络振荡器原理如下图B所示。电路的振荡频率是; 起振条件是, |A|> l；电路的特点：选频特性好，调频比较困难，适于产生单一频率的振荡。

2.2 正弦波振荡电路的基木工作原理
2.2.1产生正弦振荡的条件
正弦波产生电路的目的就是使电路产生一定频率和幅度的正弦波，我们一般在放大电路中引入正反馈，并创造条件，使其产生稳定可靠的振荡。正弦波产生电路的基本结构是：引入正反馈的反馈网络和放人电路。其中：接入正反馈是产生振荡的首要条件，它又被称为相位条件：产生振荡必须满足幅度条件；要保证输出波形为单一频率的正弦波，必须具有选频特性；同时它还应具有稳幅特性。因此，正弦波产生电路一般包括：放大电路、反馈网络、选频网络、稳幅电路个部分。
2.2.2正弦波振荡电路的组成判断及分类
(l）放大电路：保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，电路获得一定幅值的输出值，实现自由控制。
(2）选频网络：确定电路的振荡频率，是电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。
(3）正反馈网络：引入正反馈，使放人电路的输入信号等于其反馈信号。
（4）稳幅环节：也就是非线性环节，作用是输出信号幅值稳定。
2.2.3 判断电路是否振荡的方法
(1）是否满足相位条件，即电路是否是止反馈，只有满足相位条件才可能产生振荡；
(2）放大电路的结构是否合理，有无放大能力，静态工作是否合适；
(3）是否满足幅度条件。
2.2.4 正弦波振荡电路的检验
(l)|AF|< 1 ，则电路不可能振荡；
(2)|AF|> 1 ，则电路能够振荡，但是会出现明显的非线性失真，需要加强稳幅环节的作用；
(3)|AF|=1 ，则电路能够振荡。
振荡电路在起振过程中，要求|AF|> 1 ，这样才能保证振荡信号的幅度不断加大。而在起振过程完成后，必须使|AF|=1 ，电路能够维持振荡。
三、电路原理及分析
3.1 电路组成

图中集成运放A 作为放大电路，RC 串并联网络是选频网络，而且，当时，它是一个接成正反馈的反馈网络。另外Rf和R1支路引入一个负反馈。由上图可见，RC 串并联网络中的串联支路和并联支路，以及负反馈支路中的Rf和R1 ，正好组成了一个电桥的四个臂，构成了RC 桥式正弦波振荡电路。
3.2 RC 串并联网络的选频特性
图a是RC 串并联网络的结构，图中R1和C1串联，R2和C2并联，构成了RC 串并联网络的结构。U0 和Uf 分别是RC 串并联网络的输入和输出信号。

假设U 的频率可以调整。当信号的频率很低时，对于串联支路来说，有，对于并联支路来说，有，因此电路变成图b的形态。这时，Uf 比U0超前某一角度，这一角度小于900。
当信号的频率很高时，对于串联支路来说，有，对于并联支路来说，有，这时，Uf比U0 滞后某一角度，这一角度也小于900。
根据上面的讨论，我们知道，当RC 串并联网络输入信号U 的频率从低频到高频连续变化时，其输出信号Uf与输入信号U 之间之问将产生一个从超前900 到滞后900 连续变化的信号。因此，一定存在着某一频率，使得与之间既不超前，也不滞后，两者相位相同。
下面对RC 串并联网络的频率进行定量分析。
在电路中，Z1为R1、C1的串联阻抗，则
Z2为R2、C2的并联阻抗，则
电路的传输增益可表示为
即（通常，取R1= R2 = R , C1=C2= C)

由上式可得RC串并联正反馈网络的幅频特性和相频特性的表达式和相应曲线。

由特性曲线图可知，当时，正反馈系数||达最大值为 l / 3 , 且反馈信号Uf 与输入信号U同相位，即，满足振荡条件巾的相位平衡条件，此时电路产生谐振为振荡电路的输出正弦波的角频率，即谐振频率f0为

当输入信号的角频率低于时，反馈信号的相位超前，相位差为正值；而当输入信号的角频率高于时，反馈信号的相位滞后，相位差势为负值。
正是利用RC 串并联网络这一选频特性，构成了RC 桥式正弦波振荡电路。
3.3 RC 桥式正弦波振荡电路的振荡频率和起振条件
3.3.1 振荡频率
为了判断电路是否满足产生振荡的相位平衡条件，可假设在集成运放的同相输入端将电路断开，并加上输入电压U0由于输入电压加在同相输入端，故集成运放的输出电压与输入电压同相，及。由上面的分析知道，当f = fo 时，RC 串并联网络的相位移，因此，在f=fo 时，, 电路满足相位平衡条件，由此可知，电路的振荡频率为
3.3.2 起振条件
为了满足起振的幅值条件|AF|> 1 ，已经知道当f = fo 时||=1/3，由此可以求得振荡电路的起振条件为
|A|> 3 （放大倍数A 应略大于3 )
根据同相比例运算电路输出电旅与输入电压之间的比例系数为|A|=1+RF/R＇ 为了达到
|A|=l+RF/R＇>3
负反馈支路的参数应满足关系

3.4 振荡电路中的负反馈
根据以上分析可知，RC串并联网络振荡电路中，只要达到|A|> 3 ，即可满足正弦波振荡的起振条件。但|A|值又不能太大，否则振荡太强，将超出放大电路的线性区而产生严重的失真。放大电路中引入了较深的电压串联负反馈，它的作用不仅可以提高放大倍数的稳定性，改善振荡电路的输出波形，而且能够进一步提高放大电路的输入电阻，降低输出电阻，从而减小了放大电路对RC 串并联网络选频特性的影响，提高了振荡电路的带负载能力。所以，振荡电路的振荡频率即为RC串并联网络的，调节R 和C 就可以改变振荡频率。
改变电阻阻值的大小可以调节负反馈的深度。愈小，则负反馈系数愈大，负反馈深度愈深，放大电路的电压放大倍数愈小；反之，愈大，则负反馈系数F 愈小，即负反馈深度愈弱，放大电路的电压放大倍数愈大。如果电压放大倍数太大，则可能输出幅度太大，是振荡波形产生明显的非线性失真，应调节的阻值，使振荡电路产生稳定而失真较小的正弦波信号。
四、制作与调试
4.1 电路的制作
① 器件准备，面包板一个、各种型号的电阻、一个5K 的电位器、两个0.1uF的电容、一个集成运算放大器、导线若干；
② 用导线将上述元件连成3.1 中图〔a）的电路图；
③ 把面包板接到稳压电源接口上，集成运算放大器的7 号端口接到电源的正极，4 号端口接到电源的负极；
④ 调节示波器，使其稳定，将集成运算放大器的6 号端口接到示波器上；
⑤ 检查一下电路是否正确。
4.2 电路的调试
① 打开稳压电源和示波器，观察波形状态：
② 若波形呈一条直线时，可能放大倍数太小，增大电位器的阻值，提高电路的放人倍数；
③ 若波形失真时，可能放人倍数太大，电路工作在非线性区（|AF|> l ) , 减小电位器的阻值，降低电路的放大倍数即可；
④ 若波形为正弦波时，说明电路工作在线性区，调节的阻值，获得所需要频率的正弦波；
⑤ 若波形总是出现失真或无波形，就要考虑电路是否正确或元件的参数是否满足要求。
五、参数计算及器件选择
5.1 器件的选择
，,,,，集成运算放大器一个
5.2 理论数据处理
由得则产生频率为 的正弦波
由电路放大倍数有：
得,
Aumax =l+(1.2+5)/1.8=4.44
理论放大倍数为3<Au<4.44
5.3 实验数据处理
用万用表测得 , , , , ；
由得则产生频率为的正弦波
由电路放大倍数有：
得,
Aulnax =l+(1.21十4.98)/1.79 = 4.45
刚好要出现波形时，测得电位器 ,得

实际放大倍数为
5.4 理论数据与实验数据的对比
由上面的数据进行对比可知中心频率理论数据为1062Hz ，买验数据为1068Hz ；放大倍数Au 的理论范围为[3,4.44]，实际范围为［3.08 ,4.45] ；起振时的Au 理论数据为3，实验数据为3.08,所有数据均在误差范围之内，即实验数据均符合要求。

5.5 误差分析
1.万用表测量电阻存在误差；
2.示波器可能使用比较久了，波形会由误差；
3.电路中各种器件存在误差等。
六、器件清单及所用设备
名称
型号
数量
稳压电源
MCH-3050-H
两台
双踪示波器
HG2022
一台
数字万用表
标准型
一个
集成运算放大器
UA741CN
一个
面包板
SYB-130
一个
电容
104
两个
电位器
502
一个
电阻
1.5K
两个
电阻
1.2K
一个
电阻
1.8K
一个
导线
——
若干
七、小结
通过本次实验，使我学会了集成运算放大器组成RC 桥式正弦波振荡电路的工作原理和电路结构，了解了RC 桥式振荡器中RC 串并联网络的选频特性，熟悉了常用仪表，了解电路调试的基本方法，进一步掌握了用双踪示波器测相位差的方法。总之，收获很大。
RC 桥式正弦波振荡电路有以下特点：1、|A|> 3 时，电路才会产生振荡；2、该放大电路为同相电压串联负反馈电路，带负载能力强；3、各器件参数使用要恰当，否则得不到完整的正弦波；4、最大正弦波的频率为
八、参考文献
① 童诗白、华成英主编，《模拟电子技术基础》（第四版），高等教育出版社，2006.5
② 杨素行主编，《模拟电子技术基础简明教程》（第三版），高等教育出版社，2006.5
③ 赵淑范、董鹏中主编，《电子技术实验与课程设计》（第二版），清华大学出版社，2010.2

指导教师评语及设计成绩

课程设计成绩：

指导教师：

日期： 年 月 日

20