實驗十 基于運放信號發(fā)生器實驗(400HZ~100KHZ)

1、任務(wù)書【實驗名稱】基于運放的信號發(fā)生器設(shè)計【設(shè)計任務(wù)】本課題要求使用集成運算放大器制作正弦波發(fā)生器，在沒有外加輸入信號的情況下，依靠電路自激振蕩而產(chǎn)生正弦波輸出電路?！驹O(shè)計要求】1、 采用經(jīng)典振蕩電路，產(chǎn)生正弦信號，頻率范圍400Hz100kHz2、雙電源供電3、信號經(jīng)過放大、驅(qū)動電路，可在1K負(fù)載條件下： （1）正弦波最大峰-峰值3V，幅值可調(diào)，諧波失真小于3% 【提供元器件】1、運算放大器LM3244、二極管5、電阻 電容 電位器 同軸電位器 一 設(shè)計思路與解決方法模電實驗報告設(shè)計要求：采用經(jīng)典振蕩電路，產(chǎn)生正弦信號，頻率范圍100Hz100kHz解決方案：使用運算放大器LM324，組成由

2、基本放大電路，選頻網(wǎng)絡(luò)，正反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的經(jīng)典振蕩電路，產(chǎn)生自激振蕩的正弦波。使用同軸電位器，對信號的頻率范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其在100Hz100kHz時可產(chǎn)生幅值不變的正弦波。設(shè)計要求：雙電源供電解決方案：選取數(shù)電箱的兩個15V電壓輸出，將第一組的+15V端接在LM324的4管腳（即運放器的Vcc端）；第一組的-15V接在第二組的+15V端，再將第二組的+15V端接地； 第二組的-15V端接在LM324的11管腳（即運放器的GND端）設(shè)計要求：信號經(jīng)過放大、驅(qū)動電路，可在1K負(fù)載條件下： （1）正弦波最大峰-峰值3V，幅值可調(diào)，諧波失真 3%2.1經(jīng)典振蕩器部分經(jīng)典振蕩器部分由基本放大電路，選頻網(wǎng)

3、絡(luò)，正反饋網(wǎng)絡(luò)組成。其中，基本放大電路作用：使電路獲得一定幅值的輸出量；選頻網(wǎng)絡(luò)作用：確定電路的振蕩頻率，保證電路產(chǎn)生正弦波振蕩；正反饋網(wǎng)絡(luò)作用：在振蕩電路中,當(dāng)沒有輸入信號的情況下,輸入正反饋信號作為輸入信號。一 實驗原理振蕩電路有RC正弦波振蕩電路、橋式振蕩電路、移相式振蕩電路和雙T網(wǎng)絡(luò)式振蕩電路等多種形式。其中應(yīng)用最廣泛的是RC橋式振蕩電路，電路如圖 1 電路分析RC橋式振蕩電路由RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)和同相放大電路組成，圖中RC選頻網(wǎng)絡(luò)形成正反饋電路，決定振蕩頻率、形成負(fù)反饋回路，決定起振的幅值條件， 該電路的振蕩頻率，D1、D2為穩(wěn)壓管。=起振幅值條件式中 ，為二極管的正向動態(tài)電阻2 電

4、路參數(shù)確定（1） 確定R、C值根據(jù)設(shè)計所要求的振蕩頻率，由式先確定RC之積，即 RC=為了使選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性盡量不受集成運算放大器的輸入電阻和輸出電阻的影響，應(yīng)使R滿足下列關(guān)系式：R一般約為幾百千歐以上，而僅為幾百歐以下，初步選定R之后，由式算出電容C的值，然后再算出R取值能否滿足振蕩頻率的要求（2） 確定、電阻和應(yīng)由起振的幅值條件來確定，由式可知2通常取=（2.12.5），這樣既能保證起振，也不致產(chǎn)生嚴(yán)重的波形失真。此外，為了減小輸入失調(diào)電流和漂移的影響，電路還應(yīng)滿足直流平衡條件，即：R=/（3） 確定穩(wěn)幅電路通常的穩(wěn)幅方法是利用隨輸出電壓振幅上升而下降的自動調(diào)節(jié)作用實現(xiàn)穩(wěn)幅。圖中穩(wěn)幅電路

5、由兩只正反向并聯(lián)的二極管、和電阻并聯(lián)組成，利用二極管正向動態(tài)電阻的非線性以實現(xiàn)穩(wěn)幅，為了減小因二極管特性的非線性而引起的波形失真，在二極管兩端并聯(lián)小電阻。實驗證明，取時，效果最佳。（1） 經(jīng)典振蕩電路實際出來的正弦波： 由于理論與實際的差別，實際的波形實踐起來效果并不理想，比如振蕩頻率不高及停振等，尤其是在使用LM324制作振蕩器時波形出現(xiàn)嚴(yán)重失真。所以在接連電路前，我們組查閱資料，整理出了常見的正弦波失真問題及解決方法： 削波失真： 該種失真的明顯特點是波形頂部變得平直。波形的幅度很大，接近電源電壓。造成這種失真的原因，大多是反饋電阻值過大，使電路的增益過大，致使輸出電壓峰值太大，嚴(yán)重時會隨

6、著反饋電阻值的增大，輸出波形將變得極像方波。解決這種失真的方法：減小反饋網(wǎng)絡(luò)的總電阻 而過分地減小又將使電路不能起振，因此它的大小非常關(guān)鍵，在不確定電阻值大小的情況下，可先使用電位器代替，通過細(xì)調(diào)電位器，將波形調(diào)到一個最好效果即可。 停振現(xiàn)象： 在實際制作中，由于元器件本身的質(zhì)量和精度問題，也會使振蕩器的制作效果大打折扣在電路中，我們需要調(diào)節(jié)同軸雙聯(lián)電位器來改變輸出正弦波的頻率。顧名思義，雙聯(lián)同軸電位器是由兩個電位器組成，通過調(diào)節(jié)同一個軸達(dá)到同步調(diào)節(jié)兩個電阻值的目的器件。但在實際中，我們發(fā)現(xiàn)，雙聯(lián)同軸電位器的兩個電阻值并不能時刻保持相等，而是有一個差值，有時候這個差值很大，可達(dá)數(shù)干歐姆。差值的

7、存在造成了振蕩器在高頻時出現(xiàn)停振現(xiàn)象，也就是說。振蕩器的輸出信號不能達(dá)到較高的頻率。在這種情況下，我們當(dāng)然可以更換精度和質(zhì)量更好的雙聯(lián)同軸電位器來解決。但為節(jié)省成本，我們在實踐中發(fā)現(xiàn)，如果用兩個小、電阻分別與雙聯(lián)同軸電位器的兩個可變電阻串聯(lián)，停振問趣即可得薊狼好的解決，從而使得振蕩器的頻率得到顯著提高?！按掏粻睢?失真： 這種失真是在使用集成運放LM324制作正弦波振蕩器時無法避免的棘手問題。一個簡單有效的解決辦法是，用一只適當(dāng)阻值的電阻連接在輸出端與負(fù)電源v 之間，這樣可以改善輸出端波形的失真，而且隨著頻率的改變信號的幅度基本穩(wěn)定。 穩(wěn)幅：由于Uo與Uf 具有良好的線性關(guān)系，所以為了穩(wěn)定輸出

8、電壓的幅度。一般在電路中加入非線性環(huán)節(jié)。這里在回路串聯(lián)兩個反向并聯(lián)的二極管，利用電流增大時二極管動態(tài)電阻減少的特點。加入非線性環(huán)節(jié)。從而使輸出電壓穩(wěn)定。 于是我們設(shè)計的最終的得到適合要求的橋式震蕩電路為：由于實驗需要，我們對經(jīng)典振蕩又做了一點修改，使它的產(chǎn)生波形幅值可調(diào)并且能消除其波形發(fā)生時的突刺壯失真兩級放大部分：由于芯片324的局限性（增益帶寬積）限制，從經(jīng)典振蕩出來的正弦波的幅值在高頻段遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到其幅值，故需要用放大器來增加其帶寬，由于兩級放大的帶寬更大，所以采用兩級放大。由于實驗的需要，我們把兩級放大改為可調(diào)的兩級放大器：經(jīng)過兩級放大之后，雖然幅值達(dá)到3Vpp，但是它的負(fù)載能力有限，

9、由于LM324輸出電流有限，一般僅為幾十毫安，在電流一定的情況下，為了提高電路的輸出功率，一種有效的做法是減小電路的輸出阻抗。一種簡單的辦法是使用電壓跟隨器，因為電壓跟隨器的特點是輸入阻抗高，輸出阻抗小，可以起到阻抗變換及隔離作用。跟隨器電路如下：于是，整個電路各個部分組合一起，我們得到最初的電路方案：但是根據(jù)實驗需要，我們最終采用的方案如下：并且我們的仿真電路，實驗電路都是按這個圖形來實現(xiàn)連線，各個元件參數(shù)也是同上圖一致。（）實物線路圖：如下實驗結(jié)果：低頻段：最低頻率時頻率288Hz 幅值3Vpp 失真率 3.54%高頻段：正弦波發(fā)生器出來的波形為：但是經(jīng)過兩級放大之后，波形出現(xiàn)三角波失真：

10、于是我們經(jīng)過各種努力，查找相應(yīng)的資料知道324的部分參數(shù)如下：LM324 是四通用運算放大器集成電路?？稍谑珍洐C和音響系統(tǒng)中用作音調(diào)控制電路，也可廣泛用于通信、儀器儀表中。該電路的特點如下：內(nèi)含相位校正回路，外圍元件少；即可雙電源工作，也可單電源工作，工作電源電壓范圍寬；單電源：VCC=3.030.0V；雙電源：VCC=1.515V；輸入電壓范圍幾乎可低至零電平；輸出電壓范圍寬，可從0VVCC-1.5V；消耗電流?。篒CC=0.6mA(RL=)；采用雙列直插14 封裝（DIP14）；LM324管腳圖 運放應(yīng)用中的一些實際問題1不能調(diào)零：此時應(yīng)檢查運算放大器是否工作于閉環(huán)的負(fù)反饋狀態(tài)。如果接線有

11、錯誤，或是虛焊點，以及組件內(nèi)部損壞，也會使調(diào)零電位器失去作用。如果關(guān)斷電源又重新接通后即恢復(fù)正常（可以調(diào)零），則可能是組件出現(xiàn)“堵塞”現(xiàn)象。、組件突然損壞最常見的是組件輸出端不慎對地短路或接到某一個電源造成過電流；接入電容負(fù)載也容易產(chǎn)生瞬時大電流；電源極性接反或電壓值接錯也會產(chǎn)生過電流損壞、“堵塞”現(xiàn)象：“堵塞”現(xiàn)象又叫“阻塞”或“自鎖”現(xiàn)象：閉環(huán)工作的運算放大器突然發(fā)生工作不正常，輸出電壓接近于兩個極限狀態(tài)之一，此時組件內(nèi)部的輸出管不是處于飽和狀態(tài)，就是處于截止?fàn)顟B(tài)。發(fā)生“堵塞”時，放大器不能調(diào)零，信號也可能加不進(jìn)去，人們往往誤認(rèn)為組件已損壞。其實只要切斷電源，重新接通，或把組件兩個輸入端短

12、路一下，就可使電路恢復(fù)正常工作。“堵塞”是由于輸入信號過大或受強干擾的影響，使組件內(nèi)部某些管子進(jìn)入飽和狀態(tài)，從而使負(fù)反饋變成正反饋而引起的。在比例運算中，去掉后，電路靠正反饋仍能維持較大的電壓輸出。要使電路恢復(fù)正常，唯有運放反相輸入端電壓，這就需要切斷電源電壓，或?qū)點對地短路才行。為了防止堵塞現(xiàn)象，應(yīng)防止組件輸入管飽和，因此必須在輸入端加限幅保護(hù)。有的組件內(nèi)部已設(shè)置有防止堵塞的電路工作時產(chǎn)生自激振蕩：表現(xiàn)為工作不穩(wěn)定。人體或金屬物體靠近時，變化尤為顯著，用示波器可以看出有振蕩波。應(yīng)檢查是否按規(guī)定的部位和參數(shù)接入校正（補償）網(wǎng)絡(luò)；負(fù)反饋是否太強；輸出端是否接有電容性負(fù)載。接線太長引起雜散電容增大也會使電路工作不穩(wěn)定。 為了進(jìn)一步抑制振蕩，可重新調(diào)整補償元件的參數(shù)。例如，減小補償電阻的阻值，加大補償電容