RC正弦波振蕩器課程設(shè)計(jì)

1、沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書摘 要振蕩器是一種在沒有外加激勵信號，而自動的將直流電源產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為具有一定頻率、一定幅度和一定波形的交流信號的電路。振蕩器一般由晶體管等有源器件和具有選頻能力的無源網(wǎng)絡(luò)所組成。振蕩器的種類很多，根據(jù)工作原理來分，可分為反饋式振蕩器和負(fù)阻式振蕩器兩大類。根據(jù)所產(chǎn)生波形的不同，可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器。根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所采用的器件來分，可分為LC振蕩器、晶體振蕩器以及RC振蕩器等。正弦波振蕩器在無線電技術(shù)中應(yīng)用非常廣泛。在通信系統(tǒng)中，可用來產(chǎn)生發(fā)射極部分的載波信號和接收機(jī)中的本地震蕩信號。在電子測量儀器中，可用來各種頻段的正弦波信號。本課程主要研究

2、RC正弦波振蕩器的電路設(shè)計(jì)與proteus軟件仿真。濾波器是對波進(jìn)行過濾的器件。它的作用實(shí)質(zhì)上是“選頻”，即允許某一部分的信號順利通過。在無線電技術(shù)、自動測量和控制系統(tǒng)中，常被用來對模擬信號進(jìn)行處理，如數(shù)據(jù)傳送、抑制干擾。濾波器根據(jù)工作信號的頻率范圍，可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。本課程主要是對帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真。關(guān)鍵詞：RC正弦波振蕩器；濾波器；proteus仿真目 錄1 緒 論12 設(shè)計(jì)任務(wù)22.1課程設(shè)計(jì)的目的22.2課程設(shè)計(jì)任務(wù)與要求22.3課程設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)23 RC正弦波振蕩器工作原理33.1 電路原理及元件選擇33.2 參數(shù)計(jì)算34 4階帶通濾波器工作原

3、理54.1 電路原理及元件選擇54.2 參數(shù)計(jì)算55 Proteus軟件介紹66電路仿真與結(jié)果分析76.1 RC正弦波振蕩器仿真與結(jié)果分析7 6.2 4階帶通濾波器器仿真與結(jié)果分析7致謝10參考文獻(xiàn)11II1 緒 論本次課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括RC正弦波振蕩器電路和高階帶通濾波器電路的設(shè)計(jì)與仿真兩部分。RC正弦波振蕩器電路由四部分組成：放大電路，反饋網(wǎng)絡(luò)，選頻網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。其中放大電路和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成正反饋系統(tǒng)，共同滿足AF=1。選頻網(wǎng)絡(luò)由電阻和電容元件組成，作用是實(shí)現(xiàn)單一頻率的正弦波振蕩。穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的作用是使振蕩幅度達(dá)到穩(wěn)定，通?？梢岳梅糯笤姆蔷€性特性來實(shí)現(xiàn)。我們知道，負(fù)反饋放大電路產(chǎn)生自激振

4、蕩的條件是AF=1，那是因?yàn)樵诜糯箅娐分?，為了改善性能，引入的是?fù)反饋，而在振蕩電路中，我們的目的就是要產(chǎn)生正弦波振蕩，因此有意識的將反饋接成正反饋。帶通濾波器的作用是實(shí)現(xiàn)某一段頻率范圍內(nèi)的信號通過，而將此頻帶以外的信號阻斷。帶通濾波器經(jīng)常用于抗干擾設(shè)備中，以便接收某一頻帶范圍之內(nèi)的信號，而消除低頻段和高頻段的干擾和噪聲。從原理上說，將一個通帶截止頻率為f2的低通濾波器與一個通帶截止頻率為f1的高通濾波器串聯(lián)起來，當(dāng)滿足條件f2>f1時，即可構(gòu)成帶通濾波器。當(dāng)輸入信號通過電路時，低通濾波器將f>f2的高頻信號阻斷，而高通濾波器將f<f1的高頻信號阻斷，最后，只有頻率范圍在f1

5、<f<f2的信號才能通過電路，于是電路成為一個帶通濾波器。根據(jù)以上原理組成的帶通濾波器輸入端的電阻R和電容C組成低通電路，另一個電容C和電阻R2組成高通電路，二者串聯(lián)起來接在運(yùn)放的同相輸入端，輸出端通過電阻R3引回一個反饋，這樣就組成了一個簡單的帶通濾波器。本次課程為了濾波器的性能更好，我們設(shè)計(jì)了一個4階帶通濾波器。2 設(shè)計(jì)任務(wù)2.1課程設(shè)計(jì)的目的通過課程設(shè)計(jì)，使課本所學(xué)知識得到實(shí)際應(yīng)用的同時，增強(qiáng)學(xué)生的動手能力和獨(dú)立思考能力，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和愛好。通過軟件Proteus仿真來使電路達(dá)到所要求的技術(shù)指標(biāo)，以此鍛煉學(xué)生設(shè)計(jì)和調(diào)試電路的能力。2.2課程設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.2.1 任務(wù)

6、研究RC正弦波振蕩器和高階(3階以上)濾波器電路的原理及其應(yīng)用。2.2.2 要求 1認(rèn)真領(lǐng)會所選課程設(shè)計(jì)題目含意，查閱和運(yùn)用相關(guān)技術(shù)資料，鍛煉獨(dú)立思考的能力；2利用軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真，認(rèn)真記錄數(shù)據(jù)和波形，要準(zhǔn)確、規(guī)范、獨(dú)立完成仿真內(nèi)容,自覺培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)作風(fēng)；3認(rèn)真完成課程設(shè)計(jì)論文（應(yīng)包含電路圖、元器件清單、仿真調(diào)試及設(shè)計(jì)總結(jié)等）。 2.3課程設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo) 對于RC正弦波振蕩器來說，頻率為2100Hz；對于高階濾波器來說，設(shè)計(jì)一個4階中心頻率為9050HZ的帶通濾波器。 3 RC正弦波振蕩器工作原理3.1 電路原理及元件選擇3.1.1 電路原理振蕩電路的原理圖如圖3.1所示。其中集成運(yùn)

7、放A作為放大電路，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是選頻網(wǎng)絡(luò)，而且當(dāng)f=f0時，它是一個接成正反饋的反饋網(wǎng)絡(luò)。另外，和支路引入一個負(fù)反饋。由圖可見，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的串聯(lián)支路和并聯(lián)支路，以及負(fù)反饋中的和，正好組成一個電橋的四個臂，因此這種電路又稱為文式電橋振蕩電路。圖3.1 RC正弦波振蕩器原理圖3.1.2 元件選擇 RC正弦波振蕩器元器件選擇如表3.1所示。表3.1 RC正弦波振蕩器元器件選擇電阻電容二極管 運(yùn)算放大器電源5個2個2個1個2個3.2 參數(shù)計(jì)算3.2.1 振蕩頻率 為了判斷電路是否滿足振蕩的相位平衡條件，可假設(shè)在集成運(yùn)放的同相輸入端將電路斷開，并加上輸入電壓Ui。由于輸入電壓加在同相輸入端，故集

8、成運(yùn)放的輸出電壓與輸入電壓相同，即A=0。已知當(dāng)f=f0時，A+F=0,電路滿足相位平衡條件。由此可知，電路的振蕩頻率為: (3.1)根據(jù)給定頻率2100HZ，設(shè)定C=100nF，由（3.1）得R=7600。3.2.2 起振條件 震蕩的幅度平衡條件為，已知當(dāng)f=f0時，,由此可以求得起振條件為 (3.2) 已知同相比例運(yùn)算電路輸出電壓與輸入電壓之間的比例系數(shù)為1+,為了達(dá)到 1+>3 （3.3） 負(fù)反饋支路的參數(shù)應(yīng)滿足關(guān)系 >2 （3.4） 4 4階帶通濾波器工作原理4.1 電路原理及元件選擇4.1.1 電路原理如圖4.1所示，電路以集成運(yùn)放為中心，輸入端的電容C和電阻R組成低通電

9、路，另一個電容C和電阻R2組成高通電路，兩者結(jié)合起來接在運(yùn)放的同相輸入端，輸出端通過一個電阻R3引回一個反饋。圖4.1 帶通濾波器原理圖4.1.2 元件選擇 帶通濾波器電路元器件選擇如表4.1所示。表4.1 4階帶通濾波器元器件選擇電阻電容 運(yùn)算放大器電源10個4個2個4個 4.2 參數(shù)計(jì)算 我們在這里設(shè)定濾波器的中心頻率f0=9050HZ，電容C=10nF，根據(jù) （4.1）計(jì)算得R=1760。5 Proteus軟件介紹Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將

10、電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。 Proteus軟件具有其它EDA工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能是：（1）原理布圖（2）PCB自動或人工布線（3）SPICE電路仿真革命性的特點(diǎn)1互動的電路仿真用戶甚至可以實(shí)時采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達(dá)，LED，LCD，AD/DA，

11、部分SPI器件，部分IIC器件。2仿真處理器及其外圍電路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機(jī)。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境。Proteus可提供的仿真元器件資源：仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件，有30多個元件庫，可提供的仿真儀表資源 ：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器、信號發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個電路中隨意的調(diào)用。除了現(xiàn)實(shí)存在的儀器外，Proteus還

12、提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實(shí)時地顯示出來，其作用與示波器相似，但功能更多。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標(biāo)，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗。這些都盡可能減少了儀器對測量結(jié)果的影響。此外，Proteus可提供的調(diào)試手段 Proteus提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。6 電路仿真與結(jié)果分析6.1 RC正弦波振蕩器仿真與結(jié)果分析6.1.1 電路仿真 RC正弦波振蕩器電路仿真如圖6.1所示。圖6.1 RC正弦波振蕩器仿真圖6.1.2 結(jié)果分析 如圖6.2所示，仿真結(jié)果為一條正弦波。圖6.2 RC正弦波振蕩器仿真結(jié)果6.

13、2 4階帶通濾波器器仿真與結(jié)果分析6.2.1 電路仿真4階帶通濾波器電路仿真如圖6.3所示。圖6.3 4階帶通濾波器仿真圖6.2.2 結(jié)果分析 如圖6.4所示 ，藍(lán)色為輸入波形，黃色為輸出波形，當(dāng)輸入頻率為100HZ時，輸出為直線，滿足帶通的要求。圖6.4 4階帶通濾波器結(jié)果圖 如圖6.5所示，當(dāng)輸入頻率為10000時，輸出為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，滿足設(shè)計(jì)要求。圖6.5 4階帶通濾波器結(jié)果圖如圖6.6所示，當(dāng)輸入頻率為100000HZ時，輸出幾乎衰減為一條直線，滿足帶通設(shè)計(jì)要求。圖6.6 4階帶通濾波器結(jié)果圖致謝本次課程設(shè)計(jì)共歷時3周，第一周完成了軟件（proteus）安裝和軟件學(xué)習(xí),為后兩周的學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。第二周我們按要求完成了兩種電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試，雖然在調(diào)試過程中遇到了一些問題，但我們通過努力思考，積極尋求老師幫助，讓問題得到了及時的解決。第三周是電路仿真與論文撰寫，在調(diào)試好電路的基礎(chǔ)上，電路仿真很順利的出了結(jié)果，接下來是論文的撰寫，雖然已不是第一次撰寫論文，但很多細(xì)節(jié)還是容易忽略，我們本著認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，經(jīng)過反復(fù)修改，最終完成了撰寫。通過這次課程設(shè)計(jì)，不僅使以前學(xué)過的知識的到了鞏固和實(shí)際應(yīng)用，而且在調(diào)試電路的過程中，培養(yǎng)了我們耐心認(rèn)真的品質(zhì)，在參數(shù)計(jì)算的過程中，培養(yǎng)了我們求實(shí)精確的品格，