RC桥式振荡电路.docx

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RC桥式振荡电路

设计题目:

f0=1KHz的RC桥式正弦波振荡电路

目录

1、设计任务与要求……………………………………………………1

1．1课程设计的目的………………………………………………………………1

1．2课程设计的任务与要求………………………………………………………1

1．3课程设计的技术指标…………………………………………………………1

2、设计方案与比较，并选定一种方案………………………………1

2.1常见的RC正弦波振荡电路设计与特点………………………………………1

2.1.1RC移相振荡电路…………………………………………………………1

2.1.2RC串并联网络的文氏电桥振荡电路……………………………………2

2.1.3双T选频网络振荡电路……………………………………………………3

2.1.4选定电路方案………………………………………………………………3

2.2正弦波振荡电路的基本工作原理……………………………………………32.2.1产生正弦振荡的条件…………………………………………………………4

2.2.2正弦波振荡电路的组成判断及分类……………………………………4

2.2.3判断电路是否振荡的方法………………………………………………4

2.2.4正弦波振荡电路的检验…………………………………………………4

3、器件的选用与说明…………………………………………………43.1器件的清单及所用设备…………………………………………………………4

3.2器件的选择………………………………………………………………………5

3.3电路组成…………………………………………………………………………5

3.4RC串并联网络的选频特性……………………………………………………6

3.5RC桥式正弦波振荡电路的振荡频率和起振条件……………………………8

3.5.1振荡频率…………………………………………………………………8

3.5.2起振条件…………………………………………………………………8

3.6振荡电路中的负反馈…………………………………………………………9

4、制作与调试及电路仿真……………………………………………9

4.1电路的制作……………………………………………………………………9

4.2电路的调试……………………………………………………………………10

4.3电路仿真………………………………………………………………………10

5、实验分析与结果…………………………………………………13

5.1理论数据处理…………………………………………………………………13

5.2实验数据处理…………………………………………………………………13

5.3理论数据与实验数据的对比………………………………………………14

5.4误差分析……………………………………………………………………14

6、小结………………………………………………………………14

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、电路方案设计与比较

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。

2.1.1RC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。

图A

2.1.2RC串并联网络的文氏电桥振荡电路

RC串并联网络振荡电路原理图如下图B所示。

电路的振荡频率f0=1/（2πRC）；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。

图B

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C所示。

电路的振荡频率是f0=1/5RC；起振条件是R'﹤R/2，|A|﹥1；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。

图C

2.1.4选定电路方案

综合以上叙述：

选用RC串并联网络的文氏电桥振荡电路。

2.2正弦波振荡电路的基本工作原理

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大电路。

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

（1）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，使放大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，即电路是否是正反馈，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

（1）|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，需要加强穏幅环节的作用；

（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、器件的选用与说明

3.1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

UA741CD

一个

面包板

SYB-130

一个

电容

104（0.1μf）

两个

滑动变阻器（R＇＇）

10k

一个

电阻（R1、R2）

1.5K

两个

电阻（RF）

1.2K

一个

电阻（R＇）

1.8K

一个

导线

——

若干

3.2器件的选择

R1=R2=R=1.5K，RF=1.2K，R＇＇=[0，10k]，

R＇=1.8K，C1=C2=C=0.1μf，两台5v稳压电源,集成运算放大器一个

3.3电路组成

图XX_01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

。

选频网络（即反馈网络）的选频特性已知，在

处，RC串并联反馈网络的

，

，根据振荡平衡条件

和

，可知放大电路的输出与输入之间的相位关系应是同相，放大电路的电压增益不能小于3，即用增益为3（起振时，为使振荡电路能自行建立振荡，

应大于3）的同相比例放大电路即可。

根据这个原理组成的电路如图XX_01所示，由于Z1、Z2和R1、Rf正好形成一个四臂电桥，电桥的对角线顶点接到放大电路的两个输入端，因此这种振荡电路常称为RC桥式振荡电路。

3.4RC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。

U和Uf分别是RC串并联网络的输入和输出信号。

图a

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1/（ωC1）>>R1,对于并联支路来说，有1/（ωC2）>>R2,这时，Uf比U超前某一角度，这一角度小于90º。

当信号的频率很高时，对于串联支路来说，有1/（ωC1）<

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之间之间将产生一个从超前90º到滞后90º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

Z1=R1+1/（jωC1）

Z2为R2、C2的并联阻抗，则

Z2=R2∥1/（jωC2）=R2/（1+jωR2C2）

电路的传输增益

可表示为

=Uf/U=Z2/（Z1+Z2）

即（通常，取R1=R2=R,C1=C2=C）

令

，则上式为

由此可得

的幅频特性为

|

|=

的相频特性为

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ω＝ω0＝1/RC时，正反馈系数|

|达最大值为1/3，且反馈信号Uf与输入信号U同相位，即φF＝0，满足振荡条件中的相位平衡条件，此时电路产生谐振ω＝ω0＝1/RC为振荡电路的输出正弦波的角频率，即谐振频率fo为

当输入信号

的角频率低于ω0时，反馈信号的相位超前，相位差φF为正值；而当输入信号的角频率高于ω0时，反馈信号的相位滞后，相位差φF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。

3.5RC桥式正弦波振荡电路的振荡频率和起振条件

3.5.1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U。

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ΨA=0。

由上面的分析知道，当f=f0时，RC串并联网络的相位移ΨF=0,因此，在f=f0时，ΨA+ΨF=0，电路满足相位平衡条件，由此可知，电路的振荡频率为

3.5.2起振条件

为了满足起振的幅值条件|AF|>1，已经知道当f=f0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压与输入电压之间的比例系数为|A|=1+RF/R＇,为了达到

|A|=1+RF/R＇>3

负反馈支路的参数应满足关系

RF>2R＇

3.6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RF或R＇阻值的大小可以调节负反馈的深度。

RF愈小，则负反馈系数F=R＇/（R＇+RF）愈大，负反馈深度愈深，放大电路的电压放大倍数愈小；反之，RF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RF和R＇的阻值，使振荡电路产生稳定而失真较小的正弦波信号。

四、制作与调试及电路仿真

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0.1μF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R＇＇的阻值，提高电路的放大倍数；

③若波形失真时，可能放大倍数太大，电路工作在非线性区（|AF|>1）,减小电位器R＇＇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R＇＇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。

4.3电路仿真分析

在电路中，运算放大器741和电阻构成正常的负反馈放大电路，而R1，C1，R2，C2则构成RC串并联选频网络，同时又由该选频网络作为反馈网络形成正反馈环节。

其R1，C1的反馈电压作为输入代替放大器的输入信号。

示波器波形图

频率计测得的频率

反向波形图

采用参数扫描还可以对振荡频率进行分析，同时改变选频网络的电阻R1、R2（或同时改变C1，C2）,即可改变震荡输出频率。

RC正弦波振荡电路失真图

五、实验分析与结果

5.1理论数据处理

由f0=1/（2πRC）得f0=1/（2π×1500×10^（-7））=1062Hz

则产生频率为1062Hz的正弦波

由电路放大倍数有：

Au>3

得RF＇>3.6K，R＇＇>2.4K

Aumax=1+（1.2+）/1.8=7.22

∴理论放大倍数为3

5.2实验数据处理

用万用表测得R1=R2=R=1.51k，RF=1.21K，R＇＇=[0，9.98k]，

R＇=1.79K，C1=C2=C=0.1μF；

由f0=1/（2πRC）得f0=1/（2π×1510×10^（-7））=1055Hz

则产生频率为1068Hz的正弦波

由电路放大倍数有：

有：

Au>3

得RF＇>3.58K，R＇＇>2.37K

Aumax=1+（1.21+9.98）/1.79=7.25

刚好要出现波形时，测得电位器R＇＇=2.53K,

得Au=1+（1.21+2.53）/1.79=3.08；

∴实际放大倍数为3.08

5.3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f0理论数据为1062Hz，实验数据为1055Hz；放大倍数Au的理论范围为[3,7.22],实际范围为[3.08,7.25]；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。

5.4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、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，用multism11.电路仿真软件实现电路。

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、它不需要外接输入信号就能直接将直流能源转换成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出的电路。

2、当|A|>3时，电路才会产生振荡；

3、该放大电路为同相电压串联负反馈电路，带负载能力强；

4、各器件参数使用要恰当，否则的不到完整的正弦波；

5、最大正弦波的频率为f0=1/（2*pi*RC）。

6、RC正弦波振荡电路一般用于产生低于1MHz的正弦波。

原因是要提高其振荡频率，必须减小R和C的值。

为时一周的课题设计已经结束了，在这短短的一周的时间里，通过做这次课题设计我认识到了自己很多不足之处。

以前学的都是课本上的理论知识，而现在要一个人独自的设计电路，完成课题设计，尤其是那个multsim电路仿真软件得自己去琢磨怎么怎么用。

真的让我感到很吃力！

还好不懂的还可以和同学一起商量。

在这次的课程设计中，我还学会了应用Multisim软件绘制电路图以及进行模拟仿真，这也是一个重要的收获。

通过这次课题设计，真让我觉得纸上谈兵是太没用了，我们学知识要学以致用，这样才能体现知识的价值。

课题设计做完后，让我长舒了一口气，心里非常的有自豪感。

以后得增强自己的动手实践能力。

相信有志者事竟成!