電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告—實(shí)驗(yàn)9集成運(yùn)算放大器組成的RC文氏電橋振蕩器

1、電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí) 驗(yàn) 名 稱：集成運(yùn)算放大器組成的RC文氏電橋振蕩器系 別：班 號：實(shí)驗(yàn)者姓名：學(xué) 號：實(shí) 驗(yàn) 日 期：實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成日期：目錄一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)原理31、產(chǎn)生自激振蕩的條件32、RC 串-并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性43、自動(dòng)穩(wěn)幅5三、實(shí)驗(yàn)儀器6四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容71、電路分析及參數(shù)計(jì)算72、振蕩器參數(shù)測試83、振幅平衡條件的驗(yàn)證94、觀察自動(dòng)穩(wěn)幅電路作用10五、誤差分析10六、實(shí)驗(yàn)心得11一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握產(chǎn)生自激振蕩的振幅平衡條件和相位平衡條件。2、了解文氏電橋振蕩器的工作原理及起振條件和穩(wěn)幅原理。二、實(shí)驗(yàn)原理1、產(chǎn)生自激振蕩的條件所謂振蕩器是指在接通電源后，能自動(dòng)產(chǎn)生所需的信號的

2、電路，如多諧振蕩器、正弦波振蕩器等。當(dāng)放大器引入正反饋時(shí)，電路可能產(chǎn)生自激振蕩，因此，一般振蕩器都由放大器和正反饋網(wǎng)絡(luò)組成。其框圖如圖1 所示。振蕩器產(chǎn)生自激震蕩必須滿足兩個(gè)基本條件：（1）振幅平衡條件：反饋信號的振幅應(yīng)該等于輸入信號的振幅，即：VF = Vi 或 |AF| = 1（2）相位平衡條件：反饋信號與輸入信號應(yīng)同相位，其相位差應(yīng)為： = A + F = ±2n （n = 0、1、2）為了振蕩器容易起振，要求|AF|>1，即：電源接通時(shí)，反饋信號應(yīng)大于輸入信號，電路才能振蕩，而當(dāng)振蕩器起振后，電路應(yīng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)使反饋信號的振幅應(yīng)該等于輸入信號的幅度，這種自動(dòng)調(diào)節(jié)功能稱為穩(wěn)

3、幅功能。電路振蕩產(chǎn)生的信號為矩形波信號，這種信號包含著多種諧波分量，故也稱為多諧振蕩器。為了獲得單一頻率的正弦信號，要求在正反饋網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性，以便從多諧信號中選取所需的正弦信號。本實(shí)驗(yàn)采用RC串-并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為正反饋的選頻網(wǎng)絡(luò)，其與負(fù)反饋的穩(wěn)幅電路構(gòu)成一個(gè)四臂電橋，如圖3 所示，故又稱為文氏電橋振蕩器。2、RC 串-并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性RC 串-并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)如圖2（a）所示，其電壓傳輸系數(shù)為：當(dāng)R1= R2= R， C1= C2= C時(shí)，則上式為：若令上式虛部為零,即得到諧振頻率fo為：當(dāng)f=fo時(shí)，傳輸系數(shù)最大，且相移為0，即：Fmax=1/3，F(xiàn)=0傳輸系數(shù) F 的幅頻特性和相頻特性如圖2（b

4、）（c）所示。由此可見，RC 串-并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性。對頻率fo而言，為了滿足振幅平衡條件|AF|=1，要求放大器|A|=3。為滿足相位平衡條件：A+F=2n，要求放大器為同相放大。3、自動(dòng)穩(wěn)幅由運(yùn)算放大器組成的RC 文氏電橋振蕩器原理圖如圖3所示，RC串-并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)輸出接放大器同相端，構(gòu)成正反饋，并具有選頻作用。RF和R1分壓輸出接放大器的反相端，構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋，以控制放大器的增益。負(fù)反饋系數(shù)為：在深度負(fù)反饋情況下：因此，改變RF或者R1就可以改變放大器的電壓增益。由振蕩器起振條件，要求|AF（+）|>1，當(dāng)起振后，輸出電壓幅度將迅速增大，以至進(jìn)入放大器的非線性區(qū)，造成輸出波形產(chǎn)生

5、平頂削波失真現(xiàn)象。為了能夠獲得良好的正弦波，要求放大器的增益能自動(dòng)調(diào)節(jié)，以便在起振時(shí)，有|AF（+）|>1；起振后，有|AF（+）|=1，達(dá)到振幅平衡條件。那么如何能自動(dòng)地改變放大器的增益呢？由于負(fù)反饋放大器的增益完全由反饋系數(shù)VF（-）決定。因此，若能自動(dòng)改變RF和R1的比值，就能自動(dòng)穩(wěn)定輸出幅度，使波形不失真。自動(dòng)穩(wěn)幅的方法很多，通常可以利用二極管、穩(wěn)壓管和熱敏電阻的非線性特征，或場效應(yīng)管的可變電阻特性來自動(dòng)地穩(wěn)定振蕩器的幅度。下面以二極管為例說明其穩(wěn)幅原理。二極管穩(wěn)幅原理如圖4 所示，當(dāng)電路接通電源時(shí)，由于設(shè)計(jì)時(shí)令RF>3R1，則在fo點(diǎn)VF >Vi，滿足起振條件，振蕩

6、器振蕩，由二極管正相特性曲線（如圖5）可見，由于起振時(shí)，Vo 較小，二極管兩端的電壓較小，二極管工作在Q1 點(diǎn)則其等效的直流電阻較大；隨著振蕩器輸出電壓Vo 增大，二極管兩端的電壓較大，二極管由Q1 上升到Q2 點(diǎn)，則其等效的直流電阻較?。挥蓤D4 可見，二極管D1、D2 并聯(lián)在RF兩端，隨著 Vo的逐漸增大，RD減少，從而使總的反饋電阻RF減小，負(fù)反饋增強(qiáng)，放大器增益下降，達(dá)到自動(dòng)穩(wěn)幅的目的。三、實(shí)驗(yàn)儀器1、示波器 1臺2、函數(shù)信號發(fā)生器 1臺3、直流穩(wěn)壓電源 1臺4、數(shù)字萬用表 1臺5、多功能電路實(shí)驗(yàn)箱 1臺6、交流毫伏表 1臺四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、電路分析及參數(shù)計(jì)算分析圖6 振蕩器電路的工作原理

7、，并進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。圖 6 電路中，運(yùn)算放大器和RF1、RF2 及RW構(gòu)成同相放大器，調(diào)整RW即可調(diào)整放大器的增益；RC 串-并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)；選頻網(wǎng)絡(luò)的輸出端經(jīng)R2、R3 構(gòu)成分壓電路分壓送運(yùn)算放大器的同相端，構(gòu)成正反饋，D1、D2 為穩(wěn)幅二極管。在不接穩(wěn)幅二極管時(shí)，在諧振頻率點(diǎn)，正反饋系數(shù)為：F（+）=VF（+）Vo=13·R2R2+R3而負(fù)反饋系數(shù)為：F（-）=RwRF1+RF2+Rw（1）為保證電路能穩(wěn)定振蕩，則要求：F（+）=F（-）由此，根據(jù)電路參數(shù)，計(jì)算Rw的理論值是0.628k；（2）同相放大器的電壓增益AVF = 33；（3）電路的振蕩頻率fo =1.6KHz；2

8、、振蕩器參數(shù)測試（1）按圖6 搭接電路，（D1、D2 不接，K 撥向1）經(jīng)檢查無誤后，接通±12V 電源；（2）調(diào)節(jié)Rw，用示波器觀察輸出波形，在輸出為最佳正弦波，測量輸出電壓Vp-p；Vp-p為20.5V實(shí)驗(yàn)中觀察到的正弦波形：（3）測量Rw值；Rw為0.6201k（4）用李薩茹圖形法測量振蕩頻率；fo為1.5853KHz李薩茹圖形測量信號頻率方法：將示波器CH1 接振蕩器輸出，CH2 接信號發(fā)生器正弦波輸出，令示波器工作在“外掃描X-Y”方式；當(dāng)調(diào)節(jié)信號發(fā)生器頻率時(shí)，若信號發(fā)生器頻率與振蕩器頻率相同時(shí)，示波器將出現(xiàn)一橢圓；通過此方法可測量未知信號頻率。實(shí)驗(yàn)中觀察到的李薩如圖形：3

9、、振幅平衡條件的驗(yàn)證在振蕩器電路中，調(diào)節(jié)Rw，使輸出波形為最佳正弦波時(shí)，保持Rw不變，將開關(guān)K 撥向2 位置，則，即輸入正弦信號（頻率為振蕩頻率，幅度Vip-p=100mV）則電路變?yōu)橥喾糯笃?，用毫伏表測量Vi、Vo、VA、VF，填入表1；將電路恢復(fù)為振蕩器（開關(guān)K撥向1 位置），調(diào)節(jié)Rw，使輸出波形略微失真，再將開關(guān)撥向2 位置，電路又變?yōu)橥喾糯笃?，用毫伏表測量Vi、Vo、VA、VF，填入表1；將電路恢復(fù)為振蕩器（開關(guān)K撥向1 位置），調(diào)節(jié)Rw，使輸出波形停振，再將開關(guān)撥向2 位置，電路又變?yōu)橥喾糯笃?，用毫伏表測量Vi、Vo、VA、VF，填入表1；表 1：振幅平衡條件驗(yàn)證工作狀態(tài)測量值

10、測量計(jì)算值Vip-p（mV）Vi(mV)Vo（V）VA（V）VF（mV）A=Vo/ViF(+)=VF/VoAF（+）良好正弦波10035.901.18720.397435.8433.070.03020.9987略微失真10035.921.20460.403336.3533.540.03021.0129停振10035.951.18860.397835.8633.060.03020.9984良好正弦波時(shí)理論值10035.361.16690.389035.36330.030314、觀察自動(dòng)穩(wěn)幅電路作用在圖 6 基礎(chǔ)上，接入穩(wěn)幅二極管D1、D2，調(diào)節(jié)電位器Rw，觀察輸出波形的變化情況，測量出輸出正弦波電壓Vop-p 的變化范圍。變化范圍是1.90V20.5V五、誤差分析良好正弦波時(shí)的相對誤差：A的誤差：|33.07-33|/33=0.22%F（+）的誤差：|0.0302-0.0303|/0.0303=0.4%AF（+）的誤差：|0.9987-1|/1=0.13%誤差來源：（1）電阻不精確，電容容值不精確，造成RC文氏電橋振蕩器震蕩特性不好；（2）運(yùn)放不是理想運(yùn)放。六、實(shí)驗(yàn)心得本次實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)了由運(yùn)放組成的