高壓正弦發(fā)生器

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué)模擬電子技術(shù)與基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)與基礎(chǔ)課程設(shè)計（論文）課程設(shè)計（論文）題目：題目：高壓正弦發(fā)生器的設(shè)計高壓正弦發(fā)生器的設(shè)計院（系）：院（系）： 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 測控技術(shù)與儀器測控技術(shù)與儀器112112 學(xué)學(xué) 號：號： 110301049110301049 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 干彪干彪 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： （簽字）起止時間：起止時間：2013.7.1-2013.7.122013.7.1-2013.7.12 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文） 第 I 頁 共 21 頁課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語課程設(shè)計（論

2、文）任務(wù)及評語院（系）：電子與信息工程學(xué)院 教研室：電子信息工程學(xué) 號110301049學(xué)生姓名干彪專業(yè)班級測控技術(shù)與儀器課程設(shè)計（論文）題目高壓正弦發(fā)生器高壓正弦發(fā)生器課程設(shè)計（論文）任務(wù)設(shè)計參數(shù)：1.設(shè)計并制作一臺高壓信號發(fā)生器。包括正弦信號產(chǎn)生電路和高壓放大電路部分。2.線性失真度不大于 0.5%3.輸出正弦信號頻率范圍 10Hz1KHz 可調(diào)，輸出信號幅度 1-100V 可調(diào)。設(shè)計要求：1 .分析設(shè)計要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2 .確定合理的總體方案。對各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本

3、的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。3 .設(shè)計各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個設(shè)計。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說明。指導(dǎo)教師評語及成績成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文） 第 II 頁 共 21 頁摘摘 要要本次課程設(shè)計內(nèi)容是：設(shè)計高壓正弦發(fā)生器，此高壓正弦發(fā)生器必須包括兩部分電路。一是正弦信號產(chǎn)生電路由運算放大器和一般的 RC 振蕩器組成實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)，二是高壓放大部分由電壓跟隨器及三極管放大電路

4、和反相比例運算放大器電路實現(xiàn)了高壓調(diào)頻的效果。要求輸出頻率可調(diào)，輸出幅度可調(diào)。所以本次設(shè)計是由正弦信號產(chǎn)生電路和電壓跟隨器及三極管放大電路還有反相比例運算放大器的電路三部分構(gòu)成。特點是：正弦信號產(chǎn)生部分，其中頻率調(diào)節(jié)功能是通過調(diào)節(jié)雙聯(lián)可變電容其實現(xiàn)的。電壓跟隨器是為了增大下一級的輸入電阻減小輸出電阻，同時作為緩沖級，是高壓放大部分不受信號產(chǎn)生部分的影響，同時共射極放大電路放大正弦電壓信號，是信號幅度增強，信號更容易被高壓部分采集。關(guān)鍵字：正弦信號； 電壓跟隨器； 反相比例放大器；高壓信號； 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計 說 明 書 （論文）第 III 頁 共 21 頁目錄摘 要-II

5、第 1 章 緒論 .1第 2 章 總體方案設(shè)計 .22.1 高壓正弦發(fā)生器的設(shè)計要求和技術(shù)指標(biāo) .22.2 方案論證與選擇 .22.3 總體設(shè)計方案框圖及分析 .4第 3 章 高壓正弦發(fā)生器各單元電路 .63.1 正弦波發(fā)生電路的設(shè)計 .63.2 電壓跟隨器及放大電路 .83.3 反相比例運算放大電路 .9第 4 章 高壓正弦發(fā)生器整體電路設(shè)計 .114.1 整體電路及工作原理 .114.2 電路參數(shù)計算 .124.3 整體電路分析 .14第 5 章 課程設(shè)計總結(jié) .15本科生課程設(shè)計（論文）第 1 頁 共 21 頁第 1 章 緒論高壓正弦波發(fā)生器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實驗和日常生活等各個領(lǐng)

6、域中。而且高壓正弦波發(fā)生電路常常作為信號源被廣泛應(yīng)用于無線電通信以及自動測量和自動控制等系統(tǒng)中。電子技術(shù)實驗中經(jīng)常使用中的低頻信號發(fā)生器就是一種正弦波振蕩電路。大功率正弦波振蕩電路還可以直接為工業(yè)生產(chǎn)提供能源，例如高頻加熱爐的高頻電源。此外如超聲波探傷，無線電和廣播電視信號發(fā)生器的發(fā)送和接收等，都離不開高壓正弦波振蕩電路。另外據(jù)國家電網(wǎng)安全操作規(guī)程的規(guī)定，高壓驗電器在使用前必須在有電的高壓線路或工頻高壓發(fā)生器上進(jìn)行實驗，確認(rèn)高壓驗電器工作良好后再進(jìn)行對高壓線路驗電檢測。高壓正弦發(fā)生器，具有對驗電器啟動電壓的檢測功能，該發(fā)生器可以輸出純正弦波 50Hz 工頻高壓，更真實的模擬了國家電網(wǎng)電壓的電氣

7、參數(shù)，開機輸出低電壓功能，確保操作人員更安全。該發(fā)生器同時可以產(chǎn)生 10HZ-1KHZ，同時幅值在 1-100 伏的交流電壓，可以滿足不同的實驗室工程技術(shù)等使用需要，為人們的生產(chǎn)生活帶來了極大的方便。本科生課程設(shè)計（論文）第 2 頁 共 21 頁第 2 章 總體方案設(shè)計2.1 高壓正弦發(fā)生器的設(shè)計要求和技術(shù)指標(biāo)設(shè)計要求：(1)分析設(shè)計要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。(2)確定合理的總體方案。對各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。(3)設(shè)

8、計各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個設(shè)計。(4)組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說明。設(shè)計參數(shù)：(1)設(shè)計并制作一臺高壓信號發(fā)生器。包括正弦信號產(chǎn)生電路和高壓放大電路部分。(2)線性失真度不大于 0.5%.(3)輸出正弦信號頻率范圍 10Hz1KHz 可調(diào)，輸出信號幅度 1-100V 可調(diào)。2.2 方案論證與選擇高壓正弦發(fā)生器由正弦波振蕩電路和運算放大電路兩部分構(gòu)成.其中正弦振蕩電路主要通過放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)產(chǎn)生正弦信號，而運算放大電路將正弦振蕩電路產(chǎn)生的正弦波的峰值進(jìn)行放大

9、，從而達(dá)到輸出高壓的目的。2.2.1 正弦波產(chǎn)生方案的選擇：方案一：使用 RC 橋式振蕩電路。該電路以 RC 串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)，以電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路為放大環(huán)節(jié)，具有振蕩頻率穩(wěn)定，帶負(fù)載能力強，輸出電壓失真小，實現(xiàn)簡單，易于調(diào)試等優(yōu)點。本科生課程設(shè)計（論文）第 3 頁 共 21 頁圖 2.1 RC 振蕩電路產(chǎn)生正弦波方案二：使用 LC 振蕩電路與 RC 橋式正弦波電路的組成。該電路原則在本質(zhì)上是相同的，只是選頻網(wǎng)絡(luò)采用 LC 電路。在 LC 振蕩電路中，引入正反饋后，使反饋電壓作為放大電路的輸入電壓，以維持輸出電壓，從而現(xiàn)成正弦波振蕩。由于LC 正弦波振蕩電路的振蕩頻率較高，

10、所以放大電路多采用分立元件電路，必要時還應(yīng)采用共基電路。采用三極管等分立元件實現(xiàn)，使用靈活，成本比集成運放芯片小的多，但電路設(shè)計難度大，實際調(diào)試過程也比較復(fù)雜，因此選擇方案一。2.2.2 放大電路方案的選擇：方案一正弦信號產(chǎn)生后經(jīng)變壓器放大后,送入運放直接放大，優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)簡單，缺點由于信號的頻率變化較大，變壓器中容易產(chǎn)生漏感，結(jié)果引起較大的感抗，信號輸出后受到較大影響。如圖 2.2.2 所示:圖 2.2 變壓器實現(xiàn)放大高壓集成運放構(gòu)成的放大和幅值可調(diào)電路變壓器放大本科生課程設(shè)計（論文）第 4 頁 共 21 頁方案二該方案中在正弦信號產(chǎn)生電路和高壓放大電路之間加入了電壓跟隨器，是高壓放大部分

11、不受正弦震蕩部分影響，同時起緩沖作用，另外加了共射極放大，是信號的幅值變化范圍更大，又由于共射集放大電路的 Vo 和 Vi 反相，所以用一個反相電路，使 Vo 和 Vi 同相 ,因此采用方案二。原理圖如圖 2.2.3 所示:圖 2.3 模擬電路實現(xiàn)的放大電路2.3 總體設(shè)計方案框圖及分析2.3.1 總體設(shè)計方案框圖電壓跟隨作為緩沖級高壓集成運放構(gòu)成的放大和幅值可調(diào)電路放大倍數(shù)為1 的反相放大電路共射極電壓放大RC 串并聯(lián)反饋及選頻網(wǎng)絡(luò)(10Hz1kHz)集成電路放大電路穩(wěn)幅及反饋控制電路(1V100V)高壓放大裝置高壓正弦信號本科生課程設(shè)計（論文）第 5 頁 共 21 頁2.3.2 原理分析高

12、壓正弦發(fā)生器主要由三部分組成.正弦信號產(chǎn)生部分，通過 RC 串并聯(lián)反饋及選頻電路，集成電路放大電路，穩(wěn)幅及反饋控制電路，產(chǎn)生正弦信號，正弦信號的峰值為 Uo，通過反比例放大電路對峰值進(jìn)行放大，產(chǎn)生高壓正弦放大信號。其中頻率調(diào)節(jié)功能是通過調(diào)節(jié)雙聯(lián)可變電容其實現(xiàn)的。電壓跟隨器是為了增大下一級的輸入電阻減小輸出電阻，同時作為緩沖級，是高壓放大部分不受信號產(chǎn)生部分的影響，同時共射極放大電路放大正弦電壓信號，使信號幅度增強，信號更容易被高壓部分采集,在將信號送給放大電路前,經(jīng)過反相放大電路,使輸出電壓與輸入電壓相位相同。 本科生課程設(shè)計（論文）第 6 頁 共 21 頁第 3 章 高壓正弦發(fā)生器各單元電路

13、3.1 正弦波發(fā)生電路的設(shè)計本設(shè)計采用 RC 選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的 RC 振蕩電路，它一般用于產(chǎn)生1HZ1MHZ 的低頻信號，由 RC 選頻網(wǎng)絡(luò)組成的常用正弦波振蕩電路有多種形式，如：橋式振蕩電路、移相式振蕩電路和雙 T 網(wǎng)絡(luò)式電路等類型，因為其中橋式振蕩頻率穩(wěn)定、輸出波形失真小等優(yōu)點，所以在本設(shè)計方案中正弦波的產(chǎn)生采用的是橋式振蕩電路。RC 橋式振蕩電路的原理電路如圖 3.1.1 所示，這個電路是由 RC 串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)和放大電路結(jié)合起來而構(gòu)成。 放大電路為由集成運放所組成的電FVAVAV壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路，取其輸入阻抗高和輸出阻抗低的特點。由圖可知，選頻網(wǎng)絡(luò)則由 RC 串并聯(lián)電路組成，同時兼作

14、正反饋網(wǎng)絡(luò)。選頻網(wǎng)絡(luò)、和FVZ1Z2、形成一個四壁電橋，電橋的對角線頂點接到放大電路的兩個輸入端，橋RfR1式振蕩電路由此得來。圖 3.1 RC 振蕩電路原理圖本科生課程設(shè)計（論文）第 7 頁 共 21 頁圖 3.2 RC 振蕩電路仿真圖因為要求輸出信號的頻率在 10Hz1KHz 之間可調(diào),所以在此原理上加以改進(jìn),使其成為頻率可調(diào)的振蕩電路.原理圖如圖 3.1.2 所示, 可變電阻器 R10，和 R1 構(gòu)成同軸雙調(diào)電位器，它們和 C2 ,C1 構(gòu)成串并聯(lián)文氏橋正弦信號發(fā)生器，運放 741 同相端接選頻網(wǎng)絡(luò)的腰，實現(xiàn)同時調(diào)節(jié)電路的頻率。而反相輸入端由場效應(yīng)管 VT 組成的穩(wěn)幅電路來穩(wěn)定幅值，從運

15、算放大器輸出的正弦信號經(jīng)二極管 VD1，VD2 整流后，加至 VT 的柵極，如果輸出信號的幅值發(fā)生波動，則場效應(yīng)管的源極漏極阻抗相應(yīng)會發(fā)生改變，比如，當(dāng)幅值增加時，柵源電壓變負(fù)，將增強負(fù)反饋，反之亦然。結(jié)果引起運放相應(yīng)發(fā)生變化，從而信號穩(wěn)定輸出。本科生課程設(shè)計（論文）第 8 頁 共 21 頁3.3 頻率可調(diào)正弦波震蕩電路 3.2 電壓跟隨器及放大電路運算放大器 LM324 構(gòu)成電壓跟隨器，實現(xiàn)電壓跟隨緩沖，增加輸入電阻減小輸出電阻，R1 是基極偏置電阻，R2 是集電極的偏置電阻，作用是為三極管9018 提供可靠的靜態(tài)工作點，保證電壓放大順利進(jìn)行。R3 是發(fā)射極反饋電阻，是電路更穩(wěn)定，C1 是旁

16、路電容。C2 是耦合電容。正弦信號由此處輸出是和輸入信號是反相的。本科生課程設(shè)計（論文）第 9 頁 共 21 頁3.4 電壓跟隨器及其放大電路原理圖3.3 反相比例運算放大電路該部分為高壓電路放大部分，運算放大器采用高壓運放 3580J，耐壓值最高在 150 伏，因此運算放大器的電源應(yīng)該為正負(fù) 150 伏，使用時應(yīng)將外殼接地。該電路構(gòu)成反相比例運算放大電路，增益 A=-Rf/R2,其中 R1 是可調(diào)電阻器，R2 阻值不變，因此可以實現(xiàn)增益不斷調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)正弦信號的幅值不斷變化。因為是反相比例運算放大電路，所以經(jīng)共射極后的信號到此處和輸入信號同相。至此達(dá)到本次課設(shè)的全部技術(shù)參數(shù)要求。本科生課程

17、設(shè)計（論文）第 10 頁 共 21 頁圖 3.5 反相比例運算放大電路原理圖本科生課程設(shè)計（論文）第 11 頁 共 21 頁第 4 章 高壓正弦發(fā)生器整體電路設(shè)計4.1 整體電路及工作原理如圖 4.1.1 電路由運放 741 等構(gòu)成頻率可調(diào)的正弦信號經(jīng)運放的 8 腳輸入至運放 LM324 的同相輸入端，進(jìn)行電壓跟隨，同時是下一放大極不受信號發(fā)生電路的影響，信號進(jìn)入由三極管 9018 構(gòu)成的共射極放大，信號至此反相，有輸入值耐高壓運放的反響輸入端，信號和輸入信號同相，幅值被放大。同時調(diào)節(jié) R12可以調(diào)節(jié)信號的幅值，調(diào)節(jié)同軸可變電阻可以調(diào)節(jié)頻率。4.1 整體電路原理圖本科生課程設(shè)計（論文）第 12

18、 頁 共 21 頁圖 4.2 高壓正弦發(fā)生器仿真效果圖4.2 電路參數(shù)計算由圖 3.1 可知在=時，經(jīng) RC 反饋網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭\算放大器同相端0RC1的電壓與輸出電壓同相，即有：=0，+=2n ，滿足相位平衡條VfVofaf件因而有可能振蕩。為了能起振 =3,即2，可選AVRRf111Rf1R1=3,=1,反饋系數(shù)=1/3；Rf1R1FV（2）由于使輸出幅度越來越大，最后受電路中非線性元件的限制，使振蕩幅度自動穩(wěn)定下來。此時=3 達(dá)到=1；AVAVFV（3）當(dāng)選取 R=1,C=1F 時頻率=1/(2RC)159HZ，適當(dāng)調(diào)整負(fù)反f0本科生課程設(shè)計（論文）第 13 頁 共 21 頁饋的強弱，使略大

19、于 3 時，其輸入波形為正弦波；AV（4）、分別為 RC 串聯(lián)和并聯(lián)所產(chǎn)生的阻抗，則有： Z1Z2= =Z1SCR1SCSCR1Z2SCRSCR11SCRR1頻率調(diào)節(jié)：C5=C6=0.56UFf=當(dāng) f=10HZ 時，代入公式 R=R=28.4 千歐姆當(dāng) f=1000HZ 時，同理R=284 千歐姆。所以調(diào)節(jié)雙軸滑動電位器在 28-284 千歐姆時，可調(diào)節(jié)頻率在 10-1000HZ.幅值調(diào)節(jié)由于頻率變化范圍比較大，所以選擇頻帶較寬的三極管 9018.設(shè)正弦信號的幅值為 Vi=10mv,經(jīng)過三極管放大 50 倍。則Vi1=1050MV=0.5V。該信號經(jīng)過高耐壓運算放大器 3583 進(jìn)行幅值放大

20、。Vo=(-R12/R13)Vi1。R13=20 歐姆時，代入公式，VO1=1V.R13=2000 歐姆時，VO1=100V.實現(xiàn)了幅值可調(diào)。由圖 3.1 可知在=時，經(jīng) RC 反饋網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭\算放大器同相端0RC1的電壓與輸出電壓同相，即有：=0，+=2n ，滿足相位平衡條VfVofaf件因而有可能振蕩。為了能起振 =3,即2，可選AVRRf111Rf1R1=3,=1,反饋系數(shù)=1/3；Rf1R1FV（2）由于使輸出幅度越來越大，最后受電路中非線性元件的限制，使振蕩本科生課程設(shè)計（論文）第 14 頁 共 21 頁幅度自動穩(wěn)定下來。此時=3 達(dá)到=1；AVAVFV（3）當(dāng)選取 R=1,C=1F

21、 時頻率=1/(2RC)159HZ，適當(dāng)調(diào)整負(fù)反f0饋的強弱，使略大于 3 時，其輸入波形為正弦波；AV（4）、分別為 RC 串聯(lián)和并聯(lián)所產(chǎn)生的阻抗，則有： Z1Z2= =Z1SCR1SCSCR1Z2SCRSCR11SCRR14.3 整體電路分析根據(jù)設(shè)計流程可知，在一個高壓正弦信號發(fā)生器中，RC 橋式振蕩電路充當(dāng)調(diào)頻的角色，而反向比例放大器則是用來實現(xiàn)穩(wěn)幅變化，通過調(diào)節(jié)電路參數(shù)，可以輸出 1-100V，10-1000HZ 可調(diào)正弦波信號，由于工作電壓穩(wěn)定，線性失真不超過0.5%，該電路具有結(jié)構(gòu)簡單元件易選的特點，使得整機電路具有良好的性能，正弦信號發(fā)生電路、電壓跟隨器及單管放大電路及的反響比例

22、運算放大器的電路組成的高壓正弦發(fā)生電路，解決了不少實驗上遇到的困難。高壓正弦發(fā)生器主要由三部分組成，即正弦信號產(chǎn)生部分，其中頻率調(diào)節(jié)功能是通過調(diào)節(jié)雙聯(lián)可變電容其實現(xiàn)的。 。電壓跟隨器是為了增大下一級的輸入電阻減小輸出電阻，同時作為緩沖級，是高壓放大部分不受信號產(chǎn)生部分的影響，同時共射極放大電路放大正弦電壓信號，是信號幅度增強，信號更容易被高壓部分采集。正弦信號發(fā)生發(fā)生器，通過調(diào)節(jié)可變電阻器 R10，和 R1 構(gòu)成的同軸雙調(diào)電位器，C2 ,C1 構(gòu)成串并聯(lián)文氏橋正弦信號發(fā)生器，運放 741 同相端接選頻網(wǎng)絡(luò)的腰，實現(xiàn)同時調(diào)節(jié)電路的頻率。從而可以輸出穩(wěn)定的正弦信號；而運算放大器，由 LM324 構(gòu)

23、成電壓跟隨器，實現(xiàn)電壓跟隨緩沖，可以確保輸出信號和輸入信號是反向的；最后高壓放大電路部分中 R1 是可調(diào)電阻器，R2 阻值不變，因此可以實現(xiàn)增益不斷調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)正弦信號的幅值不斷變化。本科生課程設(shè)計（論文）第 15 頁 共 21 頁第 5 章 課程設(shè)計總結(jié)由于近代的科學(xué)教育太注重教材和書本知識，使得科學(xué)的本質(zhì)被淹沒在一般的科學(xué)知識的細(xì)枝末節(jié)之中了，所以非常期待通過本次課設(shè)能收獲更多實際操作能力。課設(shè)過程中，通過幾天在圖書館和上網(wǎng)查閱資料，不僅促進(jìn)了對電子技術(shù)知識的掌握，而且還提高了理論聯(lián)系實際、綜合運用基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識以及分析問題、解決問題的能力，在培養(yǎng)創(chuàng)新能力的同時，也更好地激發(fā)了學(xué)習(xí)電子技術(shù)基礎(chǔ)的興趣。設(shè)計是實驗中的一種類型，它能較全面的考查學(xué)