模擬電子課程設計報告
題目： 正弦波振盪器的設計
專業： 電氣工程系通訊工程
班級： 09通訊（1）班
姓名： 李濤
指導教師： 周珍艮
電氣工程系
2023年5月25日
課程設計任務書
學生班級： 09通訊（1）班學生姓名： 李濤
學號： 0909131027 設計名稱： 正弦波振盪器的設計
起止日期： 2011-5-23 ~2011-5-28 指導教師： 周珍艮
一、設計任務與要求
1.1 課程設計的目的
1.掌握由整合運算放大器組成rc 橋式正弦波振盪電路的工作原理和電路結構。
2.研究rc 橋式振盪器中rc 串、併聯網路的選頻特性。
3.掌握rc 橋式正弦波振盪電路的調測技術。
4.進一步掌握用雙蹤示波器測相位差的方法。
5.掌握常用元器件的識別和測試。
6.熟悉常用儀表，了解電路除錯的基本方法。
1.2 課程設計的任務與要求
1.設計乙個f0=1khz的rc橋式正弦波振盪電路。
2.掌握rc橋式正弦波振盪電路的工作原理。
1.3 課程設計的技術指標
1.示波器的除錯。
2.輸出波形：正弦波。
3.輸出頻率範圍：在1000hz（±100hz ）範圍內可調。
4.輸入電壓5v 的對稱電壓。
二、設計方案與比較
2.1 常見的rc 正弦波振盪電路的設計方案與特點比較
常見的rc 正弦波振盪電路有橋式、移相式和雙t 式三種振盪電路
2.1.1 rc 移相振盪電路
rc 移相振盪電路原理圖如下圖a 所示，電阻選擇r》ri 振盪頻率；起振條件是基本放大電路a 的電壓放大倍數 |a|> 29 ；電路特點是結構簡單，但選頻作用差，振幅不穩，頻率調節不便，頻率範圍是幾赫茲到十幾千赫茲，一般用於頻率固定且穩定性要求不高的場合。
2.1.2 rc 串並聯網路的文氏電橋振盪電路
rc 串並聯網路振盪電路的振盪頻率；起振條件是|a|> 3 ；電路的特點是：能連續改變振盪頻率，便於加負反饋穩幅，振盪波形穩定不失真。
2.1.3 雙t 選頻網路振盪電路
雙t 選頻網路振盪器原理如下圖b所示。電路的振盪頻率是; 起振條件是, |a|> l；電路的特點：選頻特性好，調頻比較困難，適於產生單一頻率的振盪。
2.2 正弦波振盪電路的基木工作原理
2.2.1產生正弦振盪的條件
正弦波產生電路的目的就是使電路產生一定頻率和幅度的正弦波，我們一般在放大電路中引入正反饋，並創造條件，使其產生穩定可靠的振盪。正弦波產生電路的基本結構是：引入正反饋的反饋網路和放人電路。
其中：接入正反饋是產生振盪的首要條件，它又被稱為相位條件：產生振盪必須滿足幅度條件；要保證輸出波形為單一頻率的正弦波，必須具有選頻特性；同時它還應具有穩幅特性。
因此，正弦波產生電路一般包括：放大電路、反饋網路、選頻網路、穩幅電路個部分。
2.2.2正弦波振盪電路的組成判斷及分類
(l）放大電路：保證電路能夠有從起振到動態平衡的過程，電路獲得一定幅值的輸出值，實現自由控制。
(2）選頻網路：確定電路的振盪頻率，是電路產生單一頻率的振盪，即保證電路產生正弦波振盪。
(3）正反饋網路：引入正反饋，使放人電路的輸入訊號等於其反饋訊號。
（4）穩幅環節：也就是非線性環節，作用是輸出訊號幅值穩定。
2.2.3 判斷電路是否振盪的方法
(1）是否滿足相位條件，即電路是否是止反饋，只有滿足相位條件才可能產生振盪；
(2）放大電路的結構是否合理，有無放大能力，靜態工作是否合適；
(3）是否滿足幅度條件。
2.2.4 正弦波振盪電路的檢驗
(l)|af|< 1 ，則電路不可能振盪；
(2)|af|> 1 ，則電路能夠振盪，但是會出現明顯的非線性失真，需要加強穩幅環節的作用；
(3)|af|=1 ，則電路能夠振盪。
振盪電路在起振過程中，要求|af|> 1 ，這樣才能保證振盪訊號的幅度不斷加大。而在起振過程完成後，必須使|af|=1 ，電路能夠維持振盪。
三、電路原理及分析
3.1 電路組成
圖中整合運放a 作為放大電路，rc 串並聯網路是選頻網路，而且，當時，它是乙個接成正反饋的反饋網路。另外rf和r1支路引入乙個負反饋。由上圖可見，rc 串並聯網路中的串聯支路和併聯支路，以及負反饋支路中的rf和r1 ，正好組成了乙個電橋的四個臂，構成了rc 橋式正弦波振盪電路。
3.2 rc 串並聯網路的選頻特性
圖a是rc 串並聯網路的結構，圖中r1和c1串聯，r2和c2併聯，構成了rc 串並聯網路的結構。u0 和uf 分別是rc 串並聯網路的輸入和輸出訊號。
假設u 的頻率可以調整。當訊號的頻率很低時，對於串聯支路來說，有，對於併聯支路來說，有，因此電路變成圖b的形態。這時，uf 比u0超前某一角度，這一角度小於900。
當訊號的頻率很高時，對於串聯支路來說，有，對於併聯支路來說，有，這時，uf比u0 滯後某一角度，這一角度也小於900。
根據上面的討論，我們知道，當rc 串並聯網路輸入訊號u 的頻率從低頻到高頻連續變化時，其輸出訊號uf與輸入訊號u 之間之問將產生乙個從超前900 到滯後900 連續變化的訊號。因此，一定存在著某一頻率，使得與之間既不超前，也不滯後，兩者相位相同。
下面對rc 串並聯網路的頻率進行定量分析。
在電路中，z1為r1、c1的串聯阻抗，則
z2為r2、c2的併聯阻抗，則
電路的傳輸增益可表示為
即（通常，取r1= r2 = r , c1=c2= c)
由上式可得rc串並聯正反饋網路的幅頻特性和相頻特性的表示式和相應曲線。
由特性曲線圖可知，當時，正反饋係數||達最大值為 l / 3 , 且反饋訊號uf 與輸入訊號u同相位，即，滿足振盪條件巾的相位平衡條件，此時電路產生諧振為振盪電路的輸出正弦波的角頻率，即諧振頻率f0為
當輸入訊號的角頻率低於時，反饋訊號的相位超前，相位差為正值；而當輸入訊號的角頻率高於時，反饋訊號的相位滯後，相位差勢為負值。
正是利用rc 串並聯網路這一選頻特性，構成了rc 橋式正弦波振盪電路。
3.3 rc 橋式正弦波振盪電路的振盪頻率和起振條件
3.3.1 振盪頻率
為了判斷電路是否滿足產生振盪的相位平衡條件，可假設在整合運放的同相輸入端將電路斷開，並加上輸入電壓u0由於輸入電壓加在同相輸入端，故整合運放的輸出電壓與輸入電壓同相，及。由上面的分析知道，當f = fo 時，rc 串並聯網路的相位移，因此，在f=fo 時，, 電路滿足相位平衡條件，由此可知，電路的振盪頻率為
3.3.2 起振條件
為了滿足起振的幅值條件|af|> 1 ，已經知道當f = fo 時||=1/3，由此可以求得振盪電路的起振條件為
a|> 3 （放大倍數a 應略大於3 )
根據同相比例運算電路輸出電旅與輸入電壓之間的比例係數為|a|=1+rf/r＇ 為了達到
|a|=l+rf/r＇>3
負反饋支路的引數應滿足關係
3.4 振盪電路中的負反饋
根據以上分析可知，rc串並聯網路振盪電路中，只要達到|a|> 3 ，即可滿足正弦波振盪的起振條件。但|a|值又不能太大，否則振盪太強，將超出放大電路的線性區而產生嚴重的失真。放大電路中引入了較深的電壓串聯負反饋，它的作用不僅可以提高放大倍數的穩定性，改善振盪電路的輸出波形，而且能夠進一步提高放大電路的輸入電阻，降低輸出電阻，從而減小了放大電路對rc 串並聯網路選頻特性的影響，提高了振盪電路的帶負載能力。
所以，振盪電路的振盪頻率即為rc串並聯網路的，調節r 和c 就可以改變振盪頻率。
改變電阻阻值的大小可以調節負反饋的深度。愈小，則負反饋係數愈大，負反饋深度愈深，放大電路的電壓放大倍數愈小；反之，愈大，則負反饋係數f 愈小，即負反饋深度愈弱，放大電路的電壓放大倍數愈大。如果電壓放大倍數太大，則可能輸出幅度太大，是振盪波形產生明顯的非線性失真，應調節的阻值，使振盪電路產生穩定而失真較小的正弦波訊號。
四、製作與除錯
4.1 電路的製作
① 器件準備，麵包板乙個、各種型號的電阻、乙個5k 的電位器、兩個0.1uf的電容、乙個整合運算放大器、導線若干；
② 用導線將上述元件連成3.1 中圖〔a）的電路圖；
③ 把麵包板接到穩壓電源介面上，整合運算放大器的7 號埠接到電源的正極，4 號埠接到電源的負極；
④ 調節示波器，使其穩定，將整合運算放大器的6 號埠接到示波器上；
⑤ 檢查一下電路是否正確。
4.2 電路的除錯
① 開啟穩壓電源和示波器，觀察波形狀態：
② 若波形呈一條直線時，可能放大倍數太小，增大電位器的阻值，提高電路的放人倍數；
③ 若波形失真時，可能放人倍數太大，電路工作在非線性區（|af|> l ) , 減小電位器的阻值，降低電路的放大倍數即可；
④ 若波形為正弦波時，說明電路工作**性區，調節的阻值，獲得所需要頻率的正弦波；
⑤ 若波形總是出現失真或無波形，就要考慮電路是否正確或元件的引數是否滿足要求。
五、引數計算及器件選擇
5.1 器件的選擇，, , ,，整合運算放大器乙個
5.2 理論資料處理
由得則產生頻率為的正弦波
由電路放大倍數有：
得, aumax =l+(1.2+5)/1.8=4.44
理論放大倍數為35.3 實驗資料處理
用萬用表測得, , , ,；
由得則產生頻率為的正弦波
由電路放大倍數有：
得, aulnax =l+(1.21十4.98)/1.79 = 4.45
剛好要出現波形時，測得電位器,得
實際放大倍數為
5.4 理論資料與實驗資料的對比
由上面的資料進行對比可知中心頻率理論資料為1062hz ，買驗資料為1068hz ；放大倍數au 的理論範圍為[3,4.44]，實際範圍為［3.08 ,4.
45] ；起振時的au 理論資料為3，實驗資料為3.08,所有資料均在誤差範圍之內，即實驗資料均符合要求。
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