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RC正弦波振荡电路

1技术指标

设计、组装、调试RC正弦波振荡电路，使其能产生幅度稳定的低频振荡。

2设计方案及其比较

2.1方案一

图2.1.1是RC桥式振荡电路的原理电路，这个电路由两部分组成，即放大电路和选频网络。

R3、R4、RV1、D1、D2组成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。

而电阻R1和一个电容C1串联，将另一个电阻R2与另一个电容C2并联组成RC串并联选频率网络，同时兼有正反馈网络功能。

图2.1.1RC文氏桥式振荡电路原理图

1　放大电路：

利用LM324运算放大器，正常工作下将输入信号进行放大。

LM324每一组有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“V0”为输出端。

1、2、3脚是一组，5、6、7脚是一组，8、9、10脚是一组，12、13、14是一组，剩下的两个脚是电源，1、7、8、14是各组放大器的输出脚，其他的就是输入脚。

一般采用双电源供电，这时它的4脚接正电源+12V，11脚接负电源-12V。

2　选频率网络及正反馈网络：

有频率公式

（1）

假设所需的低频频率为100Hz，则计算出

（2）

选用常见的电容0.1uF,则电阻应为16k。

3　稳定幅度环节：

本实验采用反向并联二极管的稳定幅度电路，利用电流增大时二极管的动态电阻减小，电流减小时二极管动态电阻增大的特性，加入非线性环节，从而使输出时电压稳定。

可调电阻RV1用来调节增益的大小来满足振幅平衡条件。

R4给二极管提供微小的导通电压，防止交越失真。

4　器件计算：

闭环增益：

（3）

而振幅平衡条件：

（4）

（5）

（6）

为此合理选择RV1和R3，使

（7）

保证环路增益大于1，所以R3选用10k，则RV1选择可调10k电阻。

2.2方案二

正弦波振荡器由放大电路、选频网络、正反馈电路和稳幅环节四部分组成。

电路接通后，频率丰富的干扰信号传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，不是所要求的输出信号。

R1、R2、C1、C2组成选频兼正反馈网络，有频率公式

（8）

然后根据所需的频率选择R、C的值。

把某一频率的信号筛选出来，再进行放大，整个电路的回路增益略大于1，不断地循环放大，得到失真的输出信号，最后经过稳幅环节可以输出一个频率稳定、幅值稳定的正弦波信号。

图2.2.1方案二原理图

2.3方案三

此方案利用RC移相式正弦振荡电路。

因为每节RC电路都是相位超前电路，相移小于90°。

当相位移接近90°时，其频率必须是很低的，这样R两端输出电压与输入电压的幅值比接近零，所以，利用3节RC移相网络，其最大相移可以接近270°，因此，有可能在特定频率f0下移相180°，即

（9）

考虑到放大电路产生的相移

（10）

所以则有

（11）

显然只要适当调节Rf的值，使AV适当，就可同时满足相位和振幅条件，产生正弦振荡。

这种振荡电路的振荡频率

（12）

此时反馈系数

（13）

要满足起振条件

（14）

则电路产生振荡。

图2.3.1移相式正弦波振荡电路

2.4方案比较

表1方案比较表

方案

主要原理

振荡频率

起振公式

电路特点

方案一

RC串并联（文氏）选频网络

电路简单易懂，方便加负反馈稳幅，容易调出稳定的正弦波。

方案二

RC串并联（文氏）选频网络

利用三极管放大，稳定性较好，也较容易调出波形。

方案三

RC移相式振荡电路

简便，但选频作用差，振幅不稳，频率调节不便。

3实现方案

3.1器件清单

表2器件清单表

元器件

规格

个数

运放

LM324

2片

电阻

10k

4个

15k

4个

20k

5个

多圈可调电位器

50k

1个

瓷介电容

0.1uF（103）

2个

二极管

N4007S

3个

3.2方案原理

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。

正弦波电路由放大电路、正反馈网络和选频率网络组成。

通常为了稳定输出信号电压幅度的目的，会加上稳定幅度电路。

将电阻R1和一个电容C1串联，将另一个电阻R2与另一个电容C2并联组成RC串并联选频率网络，同时兼有正反馈网络功能。

当

（15）

幅频响应有最大值为

且

（16）

反馈系数与频率f0的大小无关；改变频率不会影响反馈系数和相角，在调节R和C的参数时，可实现频率谐振；在频率谐振的过程中，电路不会停止振荡，也不会使输出幅度改变。

因此该选频网络决定信号发生器的输出信号频率。

为满足振幅平衡条件

（17）

加入R3和RV1支路，构成电压负反馈。

（18）

为了稳定输出信号电压幅度，在负反馈中加上反向并联二极管。

利用电流增大时二极管的动态电阻减小，电流减小时二极管动态电阻增大的特性，加入非线性环节，从而使输出时电压稳定。

3.3方案原理图及仿真

图3.3.1实验原理图

图3.3.2实验仿真波形

3.4电路实现过程

振荡的能源是电源，激励信号源是电路中的噪声，它的频率丰富，包含频率成分f0，但由于噪声极其微弱，在振荡建立期间，应该使信号做增幅振荡；当合理选择了R3和RV1，可使AF≥3,保证环路增益大于1，这样频率为

信号就会通过正反馈而使的信号不断增大，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，电路进入等幅度振荡。

除f0之外的信号由于不满足振荡平衡条件，将不会再出现。

4调试过程及结论

4.1组装

按照方案原理及现有的元件组成以下实物图：

图4.1.1实验实物连接图

4.2调试过程

本组按照实现方案连接好元件，接通电源及示波器后，第一次就出现了波形。

图4.2.1整体实验实物图

刚开始RV1的值较大，波形不是规则的正弦波，慢慢的减小阻值，波形也随着慢慢改变，幅度慢慢减小，同时波峰变得更圆滑，波形越来越对称。

最后RV1接近20k，即2R3时，波形达到最好状态，再调节基本无变化。

（a）RV1约为50k时（b）RV1减为30k时

（c）RV1变为20k时（d）RV1减到最小时

图4.2.2波形变化图

4.3问题及解决方法

第一次操作的很成功，但是忘记拍照片。

可是当第二次接上电源后，波形完全是杂乱的。

我们以为是受到别的信号的干扰，逐一的排除，波形还是不改变。

后来经过老师的指导，调节示波器的扫描电平，将波形调回到正确的形式。

在调节的过程中，出现了波形幅度始终不变化的问题，经过排查，是可调电位器坏了，之前调到了它的极限值，失去了变化的功能。

4.4设计结论

通过实验的设计及实现过程，得出结论如下：

1）正弦波振荡电路时正反馈电路，产生振荡的平衡条件是

（19）

由两部分组成，幅度平衡条件

（20）

和相位平衡条件

（21）

2）正弦波振荡电路在满足相位平衡条件的频率下，起振的幅度条件是

（22）

振荡发生后要增加稳定幅度环节。

3）正弦波振荡电路由放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节四个部分组成。

4）RC正弦波发生电路是低频振荡的发生电路，它由RC串并联网络（文氏桥式）构成选频网络，其振荡频率为

（23）

5心得体会

本次我们的设计题目是RC正弦振荡电路，由放大电路、选频网络、正反馈网络、稳幅环节组成。

由于电路中存在噪声，它的频谱分布很广，其中也包括

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，使输出幅度越来越大，最后受到电路中非线性元件的限制，使振荡幅度自动的稳定下来，因此得到一个稳定的正弦输出。

经过这次电子综合实训，不仅让我们更好地掌握了书本理论知识，更加的锻炼了我们的动手能力。

同时在这过程中，我们会遇到问题，会去思考，会去查阅资料，也增长了我们课外知识。

刚开始选这个课题，觉得相对简单，主要是已经经过很系统的理论学习，想来也不会有多大的问题。

开始写设计方案时，第一个想到的就是书中的例题，简单易懂易操作，第二个正好是之前做电子线路辅助设计时的一个例题，可是再去找其他方案时，就有点棘手，原理不太懂，所以原理图还有点难画。

后来仔细的钻研了书，查阅网上的资料，还是画出了基本的原理图。

接着，一个个的进行仿真，前两个很容易的调出了正弦波，第三个方案一直没有调出正弦波，后来查了一些资料知道相移式选频作用较差，振幅不够稳定，所以一直没有调出波形。

本来这些知识只是书本上的，但做完这次实验，经过自己从设计到布线到调试到总结，亲自验证了电路的作用。

这次实验也让我明白了做事情之前，要有一个整体的统筹，规划，大致的步骤。

接着将计划详细化一步步的测试、改进、再测试，直到最后完成。

虽然说这次的实验简单，能力也没有得到太大的锻炼，但是我觉得这只是一个开始，有了这一次的经历。

为以后课程设计还是毕业设计，打下一个夯实的基础。

最后，来总结一下值得注意的地方：

一设计之前一定要充分弄懂原理，在此基础上，提出合理可行的方案；二在实际操作布线时，一定要认真仔细，一步错便会功亏一篑，有的时候就是一点的小错误导致整个实验的失败；三便是要善于发现问题，提出问题，而且还要积极地去解决它们，从中你会收获很多。

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，2009

[2]康光华．《电子技术基础（模拟部分）》（第五版）．武汉：

高等教育出版社，2009