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1、 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书目 录第1章 摘要2第2章 引言2 第3章 基本原理2 3.1 基本文氏振荡器23.2 振荡条件4第4章 参数设计及运算5 4.1 结构设计6 4.2 参数计算7第5章 结论 9心得体会 11参考文献 11第1章 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围内将振幅限制在2.5V以内。第2章 引言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
2、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。第3章 基本原理3.1 基本文氏振荡器 基本文氏电桥反馈型振荡电路如图1所示，它由放大器即运算放大器与具有频率选择性的反馈网络构成，施加正反馈就产生振荡。运算放大器施加负反馈就为放大电路的工作方式，施加正反馈就为振荡电路的工作方式。图中电路既应用了经由R3和R4的负反馈，也应用了经由串并联RC网络的正反馈。电路的特性行为取决于是正反馈还是负反馈占优势。图1将这个电路看作一个同相放大器，它对Vp进行放大，其放大倍数为在这里为了简化我们假设运算放大器是理想的。令，R1=R2=R,C1=C2=C。反过来，Vp
3、是由运算放大器本身通过两个RC网络产生的，其值为VP=ZP/(ZP+Z1)Vo。式中Zp=R1/j2fC，。展开后可以得到上式中。信号经过整个环路的总增益是或者表示为这是一个带通函数，因为它在高频和低频处均趋于零。它的峰值出现在处，其值为为实数表明了一个频率为的信号经过环回路一周后，其净相移为零。根据的大小，可有三种不同的可能性：1） 1，也就是A3VV。从直观上即可看出，这一扰动每次环绕回路后均会被减小，直至其降到零为止。这时可以认为回路的负反馈（通过）胜过了正反馈（通过），使其成为一个稳定的系统。2） 1，也即A3VV。这时正反馈超过了负反馈，说明频率为的扰动会被再生的放大，导致整个电路进
4、入一个幅度不断增长的震荡过程中。此时电路时不稳定的。3） =1，或A=3VV 。这种情况称为中性的稳定状态，因为此时正负反馈量相等。任何频率为的扰动首先被放大3VV 倍，然后再缩小1/3VV，这就说明一旦电路工作它就会无限的持续下去3.2 振荡条件放大电路的反馈回路网络采用R和C串并联回路，具有频率选择性，由和设定放大电路的增益。图2图1的电路可以考虑为四端子桥式网络，电路平衡的条件是运算放大器各自输入端的电位相等，即。图2中运算放大器的同向输入端电压等于RC网络构成的分压电路的分压比与输出电压相乘的电压，即反向输入端电压为：若运算放大器的放大倍数足够大，则和相等，因此，仅取实部为 （振幅条件
5、）若虚部为0，求出谐振频率，则有由此得到（频率条件）由于一般取，则得到振幅条件频率条件 根据以上的计算，振荡开始的振幅条件为A3，即运算放大器的增益为3倍以上就能振荡。因此，改变振幅稳定电路的电阻和中的任何一个，若控制A3，就成为一个振荡电路。第4章 参数设计及运算4.1 结构设计为了使文氏电桥振荡电路能产生振荡，非常重要的是正反馈的作用是输出不饱和，为此，在负反馈侧接入限幅和自动增益控制电路。最简单的就是接入二极管。图3如图3所示电路，应用了一个简单的二极管-电阻器网络来控制的有效值。信号较小时不起作用。从而有2，也就是说此事振荡在积累。当振荡不断地增长，这两个二极管以交替半周导通的方式逐渐
6、进入导通状态。在二极管充分导通的限制下，会变小使2。然而，在此极限值到达之前，振幅会自动地稳定在二极管导通的某个中间电平上，正好满足=2。上述电路的一个缺点是输出电压对二极管的正向压降非常灵敏。对电路进行改进，采用发光二极管，这里不是利用其发光性质，而是利用其正向电压与稳定的温度特性，正向电压比通常的硅二极管大，而且，温度特性比二级管串联稳定得多。电路图设计如图4。 图4由于该电路是采用单电源工作，因此，运算放大器的输出含有（1/2）的直流。就是隔断该直流成分的电容。4.2 参数计算先讨论振荡频率为1kHz时常数与元器件的选择。首先，由于运算放大器为单电源工作，偏置电阻是使运算放大器同向输入端
7、的电平为2，其电阻分压，不管为何阻值，这里设为15k。于是，该值的12即为7.5k。R=7.5k时计算电容C的值，即=1/6.28*103*7.5*103=0.0212F这个非常接近E6系列的值0.022F。电容不是一种，这样振荡频率就会有些偏移，但频率正好为1kHz时，7.5k电阻R采用6.8k固定电阻加1k半固定电阻即可。对于标准的文氏电桥振荡电路，RC网络损耗达到1/3，若运算放大器的增益A不到3以上，则能开始振荡。因此，增益设定电阻的关系是：若=1k，则要为2k以上。有标准E12系列可知，最近值是=2.2k。然而，若按照原样，则振荡输出饱和达到运算放大器的最大输出振幅，因此，用LED与
8、电阻进行限幅。与LED串联的电阻也与电阻的阻值有关，考虑到LED正向电压的分散性，采用可调电阻（2.7k固定电阻+5k可调电阻）。用于补偿可变幅度较大的分散性及调整波形的失真。振荡频率时隔直电容的容抗（1/）足够小。这里（1/5）以下的频率作为截止频率。1/2=0.796*10-61kHz时取1（110即可），又实际要求为100Hz-1000Hz，则取=10。要使输出在100Hz到1kHz范围内则R要在7.5到75之间可变，在原电路图中加入可变电阻即可。在电路图中，运算放大器使用LF356N，运算放大器的种类没有特别的要求。由以上分析可得最后设计电路，如图5所示。图5第5章 结论经仿真后由示波
9、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。心得体会两周的课程设计结束了，我们的任务也圆满完成了。作为一个大三学生，我觉得这样的课程设计还是十分有用的。在过去的学习中，我们学到的都是专业理论知识，而现在课程设计就是专业知识综合运用的实践训练。通过这次的课程设计，我深深地体会到，做任何事情都必须耐心细致，高度负责，认真对待。但是这次课程设计也让我发现自己所掌握的知识是如此的贫乏，仅仅只是冰山一角，而且实际运用专业知识的能力是如此的不足。另外，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。参考文献1. 基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计2. 模拟电子技术3. 电路理论4. 数字电子技术5. 振荡电路的设计与应用 共 11 页 第11 页
