基于運算放大器的正弦波發(fā)生器

1、目 錄第1章 引言···············································2第2章 摘要2第

2、3章 設(shè)計目的及設(shè)計要求2 第4章 基本原理3 4.1 基本文氏振蕩器34.2 振蕩條件3 4.3 振蕩頻率與振蕩波形5第5章 參數(shù)設(shè)計及運算6 5.1 器件選擇6 5.2 參數(shù)計算6 5.3 波形仿真圖9 第6章 結(jié)論及誤差分析13心得體會 14 參考文獻 15 第1章 引言 毫無疑問，無論是從數(shù)學(xué)的意義上還是從實際的意義上，正弦波都是最基本的波形之一在數(shù)學(xué)上，任何其他波形都可以表示為基本正弦波的傅立葉組合；而從實際意義上來講，它作為測試信號、參考信號以及載波信號而被廣泛地應(yīng)用。盡管正弦波本身非常簡單，但是，如果對其純度要求較高，那么正弦波的產(chǎn)生也是一項具有挑戰(zhàn)的工作。在運算放大器電路中，最

3、適于發(fā)生正弦波的是文氏電橋振蕩器和正交振蕩器，本課程設(shè)計采用的是文氏電橋振蕩器產(chǎn)生正弦波。 第2章 摘要 本文中介紹了一種基于運算放大器的文氏電橋正弦波發(fā)生器。經(jīng)測試，該發(fā)生器能產(chǎn)生頻率 為100-1000Hz的正弦波，且能在較小的誤差范圍內(nèi)將振幅限制在2.5V以內(nèi)，通過電位器的調(diào)節(jié)使頻率在100HZ-1000HZ內(nèi)變化。無論是從數(shù)學(xué)意義上還是從實際的意義上，正弦波都是最基本的波形之一在數(shù)學(xué)上，任何其他波形都可以表示為基本正弦波的傅里葉組合;從實際意義上來講，它作為測試信號、參考信號以及載波信號而被廣泛的應(yīng)用。在運算放大電路中，最適于發(fā)生正弦波的是文氏電橋振蕩器與正交振蕩器,本文將對文氏橋振蕩

4、器進行討論。第3章 設(shè)計目的及要求3.1、設(shè)計目的：（1）.掌握波形產(chǎn)生電路的設(shè)計、組裝和調(diào)試的方法；（2）.熟悉集成電路：集成運算放大器LN356N。并掌握其工作原理，組成文氏電橋振路。3.2、設(shè)計要求：（1）設(shè)計波形產(chǎn)生電路。（2)信號頻率范圍：100Hz1000Hz。(3)信號波形：正弦波。(4)畫出波形產(chǎn)生電路原理圖，寫出終結(jié)報告。 第4章 基本原理4.1正弦振蕩器的組成（1) 放大電路：放大信號（2) 反饋網(wǎng)絡(luò)：必須是正反饋，反饋信號即是放大電路的輸入信號（3) 選頻網(wǎng)絡(luò)：保證輸出為單一頻率的正弦波，即使電路只在某一特定頻率下滿足自激振蕩條件（4）穩(wěn)幅環(huán)節(jié):使電路能從|AF|>

5、1過渡到|AF|=1，從而達到穩(wěn)幅振蕩4.2 基本文氏振蕩器圖一 基本文氏電橋反饋型振蕩電路如圖1所示，它由放大器即運算放大器與具有頻率選擇性的反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，施加正反饋就產(chǎn)生振蕩。運算放大器施加負反饋就為放大電路的工作方式，施加正反饋就為振蕩電路的工作方式。圖中電路既應(yīng)用了經(jīng)由R3和R4的負反饋，也應(yīng)用了經(jīng)由串并聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)的正反饋。電路的特性行為取決于是正反饋還是負反饋占優(yōu)勢。這個電路有兩部分組成，即方框里的放大電路和由R1、R2、C1和C2組成的選頻網(wǎng)絡(luò)。下面首先分析一下RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性，由圖一可得反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)為假設(shè)R1=R2=R，且C1=C2=C。那么上式的反饋系數(shù)表達式

6、可表示為 （1.1)就實際的頻率而言，可用，則得若令，則上式變?yōu)?(1.2)由此可得RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的幅頻響應(yīng)及相頻響應(yīng)(1.3）（1.4）又是（1.2）可知，當(dāng)時，幅頻響應(yīng)的幅值為最大，即 （1.5）而相頻響應(yīng)得相位角為零，即（1.6)這就是說，當(dāng)時(在實際應(yīng)用中，有時為了選擇和調(diào)節(jié)參數(shù)的方便以及減少元件參數(shù)的種類，取)，輸出電壓的幅值最大，并且輸出電壓時輸入電壓的1/3，同時輸出電壓與輸入電壓同相位。4.3振蕩的建立與穩(wěn)定由圖知，時，經(jīng)RC選頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭\放同相端的電壓與同相，這樣，放大電路和有Z1、Z2組成的反饋網(wǎng)絡(luò)剛好形成正反饋系統(tǒng)，因而有可能振蕩。所謂建立振蕩，就是要是電路自激，從

7、而產(chǎn)生持續(xù)的振蕩，由直流電變?yōu)榻涣麟?。對于RC振蕩電路來說，直流電源就是能源。由于電路中存在噪聲，它的頻譜分布很廣，其中也包括有這樣的頻率成分。這種微弱的信號，經(jīng)過放大，通過正反饋的選頻網(wǎng)絡(luò)，使輸出幅度愈來愈大，最后受電路中的非線性元件的限制，使振蕩幅度自動的穩(wěn)定下來，開始時，略大于3，達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)時。3.3振蕩頻率與振蕩波形 前已提及，從正弦波的工作情況來看，振蕩頻率是由相位平衡條件所決定的。從上式可以看出，只有當(dāng)，時，才滿足相位平衡條件，所以振蕩頻率可以表示為：。當(dāng)適當(dāng)調(diào)整負反饋的強弱，使得的值略大于3時，其輸出波形為弦波，如果的值遠大于3時，則因振幅的增長，致使放大器件工作在非線性區(qū)

8、域，輸出波形將嚴重失真。 在一個實際的回路中，由于元件值的變化很難保持該橋的平衡，為了使打開電源后振蕩能夠自動的運行，并且其振幅保持在運算放大器的飽和度極限之外，從而避免過度的的畸變，必須要有某些措施保證，要達到這兩個目的，可通過讓比值與幅度有關(guān)，以使得在低信號電平時比2略大以保證振蕩開始，而在高信號電平時比值略小于2以限制振蕩幅度。然后，振蕩一旦開始，它就會不斷增長，并且自動穩(wěn)定在某個中間幅度電平，此處正好比值為2。幅度穩(wěn)定可以采取很多方式，它們都是利用非線性元件，根據(jù)信號的幅度來減小或增大。 總結(jié)如下：1） A3VV。從直觀上即可看出，這一擾動每次環(huán)繞回路后均會被減小，直至其降到零為止。這

9、時可以認為回路的負反饋（通過）勝過了正反饋（通過和），使其成為一個穩(wěn)定的系統(tǒng)。2） A3VV。這時正反饋超過了負反饋，說明頻率為的擾動會被再生的放大，導(dǎo)致整個電路進入一個幅度不斷增長的振蕩過程中。此時電路是不穩(wěn)定的。3） A=3VV 。這種情況稱為中性的穩(wěn)定狀態(tài)，因為此時正負反饋量相等。任何頻率為的擾動首先被放大3VV 倍，然后再縮小1/3VV，這就說明一旦電路工作它就會無限的持續(xù)下去。 還可以采取正交振蕩器來完成正弦波的產(chǎn)生，由于需要采用兩個運算放大器，所以為了方便分析，這里采用文氏橋振蕩器。 第5章 參數(shù)設(shè)計及運算5.1器件選擇集成運算放大器（LF356N),二極管（BREAK），示波器(

10、XSC1),固定電容（1nF),可變電容（09nF),及各種型號電阻。 5.2參數(shù)計算5.2.1和頻率有關(guān)參數(shù)的設(shè)計 根據(jù)穩(wěn)定振蕩條件： ,在選頻網(wǎng)絡(luò)中，選擇,根據(jù)頻率的變化范圍計算可變電容器值如下; 同理 所以選擇可變電容器的范圍在之間變化,與電容并聯(lián)，總電容在內(nèi)變化，而且保持兩個可變電容同時變化。5.2.2、負反饋回路參數(shù)設(shè)計 根據(jù)振蕩條件 在這由于實際運算放大器的特性并不理想，開環(huán)增益有限，故要適當(dāng)消弱負反饋，才能真正滿足振蕩的幅值條件便于起振。因此，實際選用的的阻值應(yīng)比理論值計算值略為大些，或者是的理論計算值略為小些，這里取，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電阻選擇 由上邊分析的頻率計算公式，設(shè)計要求的頻率為

11、100HZ到1000HZ，經(jīng)參數(shù)計算，取R為158，則電容C的取值為1到10變化，所以我們采用一個可變電容器來實現(xiàn)此功能。5.2.3穩(wěn)幅電路的設(shè)計及參數(shù)計算為了采取穩(wěn)幅措施，可以加入二極管進行穩(wěn)幅。圖二這是一個自動振幅控制電路，當(dāng)信號較小時，二極管截止，因此100電阻不起作用，從而,也就是此時振蕩在積累，當(dāng)振蕩不斷地增長，這兩個二極管以交替半周導(dǎo)通的方式逐漸進入導(dǎo)通的狀態(tài)，在二極管充分導(dǎo)通的限制下，的值會變?yōu)椴⒙?lián)以后的電阻，使得比值減小，然而，在此極限到達之前，振幅會自動的穩(wěn)定在二極管導(dǎo)通的某個中間電平上，這里正好滿足。 但是上述電路的缺點是電壓幅值對二極管壓降非常靈敏，所以我們可以采取另一種

12、穩(wěn)幅措施。圖三雖然下面這種方法仍然應(yīng)用了二極管，但是它是利用了一個二極管限幅器更為簡便的控制振幅，通常，輸出信號較小時二極管截止，使得=2.21>2。振蕩振幅不斷增大，直至二極管在交替出現(xiàn)的輸出波形峰值處導(dǎo)通。由于箝位網(wǎng)絡(luò)的對稱性，這些峰值也是對稱的，即.可以考慮當(dāng)D2開始導(dǎo)通的時刻來估算的值，假設(shè)經(jīng)過D2的電流可以忽略不計，將D2陽極的電壓記為，D2的陰極電壓記為,已知,利用KCL定律可以寫出，此時可以解的方程，,解得,所以取=49.6，.5.3波形仿真圖上述三個電路圖的仿真波形圖分別如下圖一對應(yīng)仿真圖由于圖一僅僅是一個簡單的放大電路，放大倍數(shù)接近3，所以是一個幅值無限增大的過程，出現(xiàn)

13、了如圖所示的只能觀察到有限個有限幅值的波形。圖二對應(yīng)仿真圖由于圖一的振幅不能穩(wěn)定，所以我們采取了加入二極管來進行穩(wěn)幅。使得加入的電阻和二極管支路路與原支路并聯(lián)，使振幅自動的穩(wěn)定在二極管導(dǎo)通的某個中間電平上。圖三對應(yīng)仿真圖（頻率為1000HZ）當(dāng)電容C3和C4取最小值0時，總電容為1nF,由仿真波形圖可以讀出頻率與幅值，頻率為1000HZ，幅值為2.395V.圖三對應(yīng)仿真圖（100HZ)當(dāng)電容C3和C4取最大值9nF時，總電容為10nF,通過仿真圖可以讀出頻率與幅值，頻率為100HZ,幅值為2.395V 第6章 結(jié)論及誤差分析針對題目對頻率及幅值的要求，最終把圖三當(dāng)做設(shè)計電路，可以達到頻率為10

14、0HZ到1000HZ的要求，幅值基本在2.5V左右。由于在圖三計算時，忽略了流經(jīng)二極管D2的電流，所以導(dǎo)致了誤差的產(chǎn)生，雖然由此,解得,所以取=49.6，.仍然有誤差，在誤差允許范圍內(nèi)。心得體會經(jīng)歷了短短五天的課程設(shè)計，我覺得自己收獲了不少。在過去的學(xué)習(xí)中，我們學(xué)到的都是專業(yè)理論知識，而現(xiàn)在課程設(shè)計就是專業(yè)知識的綜合運用。通過這次的課程設(shè)計，我深深地體會到，做任何事情都必須耐心細致，高度負責(zé)，認真對待。在設(shè)計的過程中，也遇到了一些問題，經(jīng)過一遍一遍修改電路，查出原因所在，這也暴露出在前期的學(xué)習(xí)過程中學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識不扎實，通過這次課程設(shè)計，知道了如何提高電路的性能等等，通過查詢資料，也了解了正弦波產(chǎn)生方法。從理論到實踐，在這段日子里，但是可以學(xué)到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。我還懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到了許多問題，但最終都是通過自己的努力解決了問題。此次設(shè)計也讓我明白了有什么不懂不明白的地方要及時請教或上網(wǎng)查詢