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1、東 北 石 油 大 學(xué)MATLAB電氣應(yīng)用訓(xùn)練課 程 MATLAB電氣應(yīng)用訓(xùn)練 題 目 院 系 電氣信息工程學(xué)院自動(dòng)化系 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 李宏玉 劉超 2014年 3月 07日MATLAB電氣應(yīng)用訓(xùn)練任務(wù)書(shū)課程 MATLAB電氣應(yīng)用訓(xùn)練 題目 壓 控 震 蕩 器 專(zhuān)業(yè) 自 動(dòng) 化 姓名 劉 月 瑩 學(xué)號(hào) 090601140708 主要內(nèi)容：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，運(yùn)用所學(xué)的模擬電子技術(shù)及電路基礎(chǔ)等知識(shí)，一臺(tái)基于集成運(yùn)算放大器的壓控振蕩器，使其波形穩(wěn)定、頻率和幅度可方便調(diào)節(jié)。基本要求：1. 設(shè)計(jì)壓控振蕩器電路圖。2. 接通電源后電路能自激起振，振蕩波形正負(fù)半周對(duì)稱(chēng)，無(wú)明顯失真。3.

2、 用示波器觀測(cè)輸出電壓波形，通過(guò)調(diào)試獲得滿(mǎn)意正弦波信號(hào)，頻率在1Hz到1MHz之間。4. 測(cè)量和計(jì)算輸出電壓的幅頻特性和振蕩頻率主要參考資料：1 黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽電路設(shè)計(jì)J.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.2 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)J.北京：高等教育出版社，2001. 3 張鳳言.電子電路基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，1995.4 楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程M.北京：高等教育出版社，2002.5 岳怡.數(shù)字電路與數(shù)字電子技術(shù)J.西安工業(yè)大學(xué)出版社，2004.6 路勇.電子電路實(shí)驗(yàn)及仿真M.清華大學(xué)出版社，2004.7 張俊漠.單片機(jī)中級(jí)教程原理與應(yīng)用M.北京航天航空大

3、學(xué)出版社，2006.完成期限 2012.2.202012.3.1 指導(dǎo)教師 李宏玉 劉超 專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人 2012年 3 月1 日目 錄1 任務(wù)和要求12 總體方案設(shè)計(jì)與選擇22.1 題目剖析及分析22.2 當(dāng)前實(shí)現(xiàn)此方案的方法23 電路總原理框圖設(shè)計(jì)24 電路計(jì)算和設(shè)計(jì)34.1 震蕩的平衡條件34.2 震蕩的起振條件44.3 RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)44.4 RC橋式振蕩電路65 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案76 設(shè)計(jì)總結(jié)7參考文獻(xiàn)91 任務(wù)和要求 (1)任務(wù)：設(shè)計(jì)一臺(tái)基于集成運(yùn)算放大器的波形穩(wěn)定、頻率和幅度可方便調(diào)節(jié)的壓控振蕩器。 (2)振蕩器性能要求Ø 設(shè)計(jì)壓控振蕩器電路圖。Ø 接通電源后電路

4、能自激起振，振蕩波形正負(fù)半周對(duì)稱(chēng)，無(wú)明顯失真。Ø 用示波器觀測(cè)輸出電壓波形，通過(guò)調(diào)試獲得滿(mǎn)意正弦波信號(hào)，頻率在1Hz到1MHz之間。Ø 測(cè)量和計(jì)算輸出電壓的幅頻特性和振蕩頻率。2 總體方案設(shè)計(jì)與選擇2.1 題目剖析及分析隨著集成電路的的迅速發(fā)展，用集成電路可以很方便地構(gòu)成各種壓控振蕩器。用集成電路實(shí)現(xiàn)的壓控振蕩器與其它振蕩器相比，其波形質(zhì)量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標(biāo)都有了很大提高。從結(jié)構(gòu)上看，正弦波壓控振蕩器是一個(gè)沒(méi)有輸入信號(hào)的，帶選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大器。即在放大器的輸入端外加輸入信號(hào)Ui為一定頻率和幅度的正弦波，此信號(hào)經(jīng)放大器放大器放大后產(chǎn)生輸出信號(hào)Uo，而Uo又作為反

5、饋網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)，在反饋網(wǎng)絡(luò)輸出產(chǎn)生反饋信號(hào)Uf。如果Uf和原來(lái)的輸入信號(hào)Ui大小相等且相位相同，由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成一閉環(huán)系統(tǒng)，在沒(méi)有外加輸入信號(hào)的情況下，輸出端可維持一定頻率和幅度的信號(hào)Uo輸出，從而實(shí)現(xiàn)了自激振蕩。為了使振蕩電路得輸出為一個(gè)固定頻率的正弦波，要求自激振蕩只能在某一頻率上產(chǎn)生，而在其他頻率上不產(chǎn)生，因此圖1 所示的閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)必須含有一個(gè)選頻網(wǎng)絡(luò)，使得只有選頻網(wǎng)絡(luò)中心頻率上的信號(hào)才滿(mǎn)足Ui和Uf相同的條件而產(chǎn)生自激振蕩，其他頻率的信號(hào)不能滿(mǎn)足Ui和Uf相同的條件而不能產(chǎn)生振蕩。選頻網(wǎng)絡(luò)可以包含在放大器內(nèi)，也可以在反饋網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。作為正弦波壓控振蕩器電路應(yīng)避免放大器進(jìn)入非線性區(qū)工

6、作，因?yàn)榉糯笃鞴ぷ髟诜蔷€性區(qū)，輸出波形將會(huì)失真，因此振蕩電路中應(yīng)設(shè)法在放大器沒(méi)有進(jìn)入非線性區(qū)之前，使波形穩(wěn)定，也就是說(shuō)，振蕩電路中還應(yīng)有穩(wěn)復(fù)環(huán)節(jié)。 圖1 正反饋放大器電路原理如上分析可見(jiàn)，正弦波反饋振蕩電路是一個(gè)將反饋信號(hào)作為作為輸入電壓來(lái)維持一定輸出電壓的閉環(huán)正反饋系統(tǒng)。振蕩環(huán)路內(nèi)存在微弱的電擾動(dòng)，可以作為放大器的初始輸入信號(hào)。擾動(dòng)的信號(hào)經(jīng)選頻網(wǎng)絡(luò)選頻，使得只有某一頻率的信號(hào)能反饋到放大器的輸入端，而其他頻率的信號(hào)被抑制。這一頻率分量經(jīng)放大后，又通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)回送到輸入端，再經(jīng)放大、反饋，使回送到輸入端的信號(hào)幅度進(jìn)一步增大，最后當(dāng)反饋電壓正好等于原輸入電壓時(shí)，振蕩器幅度不再增大從而進(jìn)入平衡狀態(tài)

7、。綜上所述，正弦波壓控振蕩電路一般由放大器、反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)組成。其中，放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成正反饋系統(tǒng)，選頻網(wǎng)絡(luò)的作用是實(shí)現(xiàn)單一頻率的正弦波，它可提在放大電路中，也可以設(shè)置在反饋網(wǎng)絡(luò)中，振蕩頻率的大小由選頻網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)數(shù)決定，穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的作用是穩(wěn)定振蕩幅度并改善振蕩波形，通?？梢杂梅糯笃鞯姆蔷€性特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.2當(dāng)前實(shí)現(xiàn)此方案常用的方法目前能夠用于設(shè)計(jì)壓控振蕩器的常用方案通常有以下四種：（1）RC串并聯(lián)橋式電路該振蕩電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)方便。一般用于輸出固定頻率，且且頻率范圍在1KHz到1MHz之間。與本次課程設(shè)計(jì)契合。（2）電感三點(diǎn)式LC振蕩電路該電路中電感元件對(duì)高次諧波呈現(xiàn)高阻抗，不

8、能抑制高次諧波的反饋，因此振蕩電路輸出信號(hào)中的高次諧波成分較多，信號(hào)波形較差。（3）電容三點(diǎn)式振蕩電路該電路通過(guò)改變電容大小來(lái)調(diào)節(jié)振蕩頻率可，同時(shí)也會(huì)改變反饋信號(hào)的大小，因而會(huì)使輸出信號(hào)發(fā)生變化，甚至可能會(huì)使振蕩電路停振。所以這種電路的調(diào)節(jié)很不方便。（4）石英晶體振蕩電路石英晶體工作時(shí)，必須要有合適的激勵(lì)電平。激勵(lì)電平過(guò)大，頻率穩(wěn)定度變壞，甚至可能將晶片振壞，激勵(lì)電平過(guò)小，則噪聲影響大，振蕩輸出幅度減小，甚至停振。根據(jù)以上所有的分析我選擇RC橋式振蕩電路作為本次課程設(shè)計(jì)的電路原理圖。3 電路總原理框圖設(shè)計(jì)從結(jié)構(gòu)上看，正弦波壓控振蕩器是一個(gè)沒(méi)有輸入信號(hào)的，帶選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大器電路原理如圖1所

9、示。4 單元電路設(shè)計(jì)4.1震蕩的平衡條件當(dāng)反饋信號(hào)Uf等于放大信號(hào)Uo時(shí)，振蕩電路的輸出電壓不再發(fā)生變化，電路達(dá)到平衡狀態(tài)，因此將Uf=Ui稱(chēng)為振蕩平衡的條件。因?yàn)閁f和Ui是復(fù)數(shù)，所以?xún)烧呦嗟仁侵复笮∠嗟榷蚁辔灰蚕嗤?。振蕩的平衡條件為：因此，振蕩的平衡條件應(yīng)當(dāng)包括振幅平衡條件和相位平衡條件兩個(gè)方面。（1） 振幅平衡條件：上式說(shuō)明，放大器與反饋網(wǎng)絡(luò)組成的閉合環(huán)路中，環(huán)路總的傳輸系數(shù)應(yīng)等于1，使反饋電壓與輸入電壓大小相等。（2） 相位平衡條件： （n = 0, 1, 2, ×××）上式說(shuō)明，放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)的總相位移必須等于2的整數(shù)倍，時(shí)反饋電壓與輸入電壓相位相同

10、，一保證正反饋。作為一個(gè)振蕩電路，相位平衡條件和振幅平衡條件必須同時(shí)得到滿(mǎn)足。利用振幅平衡條件可以確定振蕩電路的輸出信號(hào)幅度；利用相位條件可以確定振蕩信號(hào)的頻率。4.2 震蕩的起振條件為使振蕩電路在接通直流電源后能夠自動(dòng)起振，則在相位上要求反饋電壓與輸入電壓同相，在幅度要求UfUi，因此振蕩的起振條件也包括相位條件和振幅條件兩個(gè)方面，即振幅條件為相位起振條件為： （n = 0, 1, 2, ×××）由以上分析可知，要使振蕩電路能夠起振，在開(kāi)始時(shí)，必須滿(mǎn)足起振后，振蕩幅度不再敘述增大，使放大器工作到非線性區(qū)，以至放大倍數(shù)下降，直到，振蕩幅度不再增大，振蕩進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)

11、。4.3 RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò) RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)由相同的RC組成的串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。 圖2 C串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)Z1為RC串并聯(lián)電路，Z2為RC串并聯(lián)電路。由圖2 可得串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的電壓傳輸系數(shù)Fu為 作出幅頻特性和相頻特性曲線如圖3。 （a）RC串并聯(lián)幅頻特性 （b）RC串并聯(lián)相頻特性圖3 幅頻特性和相頻特性曲線由圖3可見(jiàn)，當(dāng)w = w0 時(shí)，½Fu½達(dá)到最大值并等于1/3，相位移j 為0，輸出電壓與輸入電壓同相，所以，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有頻作用。4.4 RC橋式振蕩電路將RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)和放大器結(jié)合起來(lái)即可構(gòu)成RC振蕩電路，放大器件可采用集成運(yùn)算放大器。 如圖4所

12、示為由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的RC橋式振蕩電路。 圖4RC橋式振蕩電路圖中RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)接在運(yùn)算放大器的輸出端和輸入端之間，構(gòu)成正反饋，Rf、R1接在運(yùn)算放大器的輸出端和反向輸入端之間，構(gòu)成負(fù)反饋。振蕩信號(hào)由同相端輸入，故構(gòu)成同相放大器，輸出電壓Uo與輸入電壓Ui同相。根據(jù)運(yùn)算放大器輸入端“虛斷”可得In0則有i1i根據(jù)運(yùn)算放大器輸入端“虛短”可得 UidUi所以可求得輸入電壓與輸出電壓關(guān)系為： U0=(1+)Uid所以閉環(huán)電路放大倍數(shù)為： Au=1+而RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)在w = w0= 1/RC 時(shí)，½Fu½= ，j = 0º，所以，只要=1+()>3，即

13、，Rf>2R1振蕩電路就能滿(mǎn)足自激振蕩的振幅和相位起振條件，產(chǎn)生自激振蕩?？傻米约ふ袷庮l率為：f0=。圖中Rf為具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，用以改善振蕩波形、穩(wěn)定振幅。因?yàn)槿绻霉潭娮?，則放大器的增益為常數(shù)，為了保證起振，則要求必須大于3，這樣隨著振蕩幅度的不斷增大，只有當(dāng)運(yùn)算當(dāng)運(yùn)算大器進(jìn)入非線性工作區(qū)才能使增益下降，然后達(dá)到振幅平衡的條件，這樣震蕩波形會(huì)嚴(yán)重失真。而Rf為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻電阻，可以根據(jù)溫度的變化自行改變阻值的大小，使振蕩很快建立，在運(yùn)算放大器還未進(jìn)入線性工作區(qū)時(shí)，振蕩電路即達(dá)到平衡條件，使振蕩電路輸出穩(wěn)定的波形。5 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案我選擇RC 橋式振蕩電路作為本次課程設(shè)

14、計(jì)的電路原理圖。并選擇阻值為16K的電阻與0.01的電容器構(gòu)成RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)和放大器連結(jié)合組成正反饋網(wǎng)絡(luò)；選擇阻值分別為10K和1.2K串聯(lián)并和放大器結(jié)合組成負(fù)反饋。晶體管T1、T2連接構(gòu)成二級(jí)放大器。由圖5知2R1=2.4，Rf=10,則Rf>2R1，滿(mǎn)足起振條件。計(jì)算可得振蕩頻率f0=1KHz。根據(jù)所選元件和原理圖得到如圖5所示的完整實(shí)現(xiàn)電路圖。 圖5完整實(shí)現(xiàn)電路圖根據(jù)電路圖焊接元件，圖中Rf為一可調(diào)電阻，相當(dāng)于一個(gè)具有負(fù)溫度系數(shù)的電阻，接通電路，調(diào)節(jié)Rf ，經(jīng)過(guò)調(diào)試獲得合適的波形。6 設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我了解了壓控振蕩器在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，使我在選擇壓控震蕩器時(shí)更加明

15、確哪種振蕩器更合適，同時(shí)讓我更好地掌握了各種電路的分析、調(diào)試與計(jì)算方法，收悉了振蕩電路的各種原理和壓控振蕩器的使用方法，更深刻地理解了課本知識(shí)。在此次作課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我深深地感受到自己所學(xué)知識(shí)的有限和對(duì)所學(xué)知識(shí)的生疏，明確了不僅要學(xué)課本知識(shí)，還要再通過(guò)圖書(shū)館和網(wǎng)絡(luò)等各種渠道來(lái)擴(kuò)充自己的知識(shí)，并且要學(xué)會(huì)對(duì)所學(xué)內(nèi)容的取舍及分析?？傊瑥闹形覍W(xué)到了如何對(duì)待遇到的困難。增強(qiáng)了對(duì)所學(xué)知識(shí)的思考整合能力，培養(yǎng)了自己的思維能力。在做課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，老師給了很大的自由發(fā)揮的空間，可以自己選題，讓我自己運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去分析和解決實(shí)際問(wèn)題。這次課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)了我一絲不茍的科學(xué)態(tài)度和做學(xué)問(wèn)應(yīng)有的耐心及恒心，也使我認(rèn)識(shí)到做事要不畏困難和迎難而上的重要要性。參考文獻(xiàn)1 黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽電路設(shè)計(jì)J.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.2 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)J.北京：高等教育出版社，2001. 3 張鳳言.電子電路基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，1995.4 楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程M.北京：高等教育出版社，2002.5 岳怡.數(shù)字電路與數(shù)字電子技術(shù)J.西安工業(yè)大學(xué)出版社，2004.6 路勇.電子電路實(shí)驗(yàn)及仿真M.清華大學(xué)出版社，2004.7 張俊漠.單片機(jī)中級(jí)教程原理與應(yīng)用M.北京航天航空大學(xué)出版社，2006.東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)表課程名稱(chēng)MATLAB電