RC電容震蕩器電路課程設計

年4月19日RC電容震蕩器電路課程設計文檔僅供參考摘要本次課程設計的目標是設計一個RC電容振蕩電路。RC振蕩電路由放大電路和選頻網絡兩部分組成,施加正反饋就產生振蕩，振蕩頻率由RC網絡的頻率特性決定。它的起振條件為：Rf>2R1，振蕩頻率為：fo=1/2πRC。運算放大器選用LM741CN,采用非線性元件來自動調節(jié)反饋的強弱以維持輸出電壓的恒定，進而達到自動穩(wěn)幅的目的，這樣便能夠保證輸出幅度為2Vp-p；而頻率范圍的確定是根據式fo=1/2πRC以及題目給出的頻率范圍來確定電阻R或電容C的值，進而使其滿足題目的要求。關鍵詞：RC振蕩電路、振蕩頻率、輸出幅度目錄1設計任務與要求 11.1課程設計的目的 11.2課程設計的任務與要求 11.3課程設計的技術指標 12電路原理及分析 22.1電路組成 22.2正弦波振蕩電路的基本工作原理 32.2.1產生正弦振蕩的條件 32.2.2正弦波振蕩=電路的組成判斷及分類 32.2.3判斷電路是否振蕩的方法 32.2.4正弦波振蕩電路的檢驗 42.3振蕩電路中的負反饋 42.4RC串并聯網絡的選頻特性 43、設計方案與比較 73.1RC移相振蕩電路 73.2RC串并聯網絡的文氏電橋振蕩電路 73.3雙T選頻網絡振蕩電路 74參數計算及器件選擇 84.1器件的選擇 84.2理論數據處理 84.3實驗數據處理 84.4理論數據與實驗數據的對比 84.5誤差分析 85仿真與調試 95.1仿真軟件Multisim11.0 95.2電路的仿真 115.3仿真電路的調試和結果 116實物圖 137結論和心得總結 14致謝 16參考文獻 17附錄 181設計任務與要求1.1課程設計的目的1.掌握由集成運算放大器組成RC正弦波振蕩電路的工作原理和電路結構。2.掌握RC橋式正弦波振蕩電路的仿真調測。3.進一步掌握用雙蹤示波器的使用方法。4.掌握常見元器件的識別和測試。5.熟悉常見儀表。6.掌握電路板的焊接，以及元件在電路板上的插法。1.2課程設計的任務與要求1．設計一個f0=1.6KHz的RC正弦波振蕩電路。2．對設計電路進行仿真。3．按照完成的仿真電路進行實物焊接。4．焊接后的電路板在示波器上進行檢測。5．進行課程設計總結。1.3課程設計的技術指標要求輸出波形：正弦波。2．輸出頻率：1.6KHz。2電路原理及分析本次課程設計主要是是設計一個RC正弦波振蕩器，電路圖如下：2.1電路組成(1)放大電路具有一定的電壓放大倍數．其作用是對選擇出來的某一頻率的信號進行放大。根據電路需要可采用單級放大電路或多級放大電路。(2)反饋網絡是反饋信號所經過的電路，其作用是將輸出信號反饋到輸入端，引入自激振蕩所需的反饋，一般反饋網絡由線性元件R.L和C按需要組成。(3)選頻網絡具有選頻的功能，其作用是選出指定頻率的信號，以便使正弦波振蕩電路實現單一頻率振蕩。選頻網絡分為LC選頻網絡和RC選頻網絡。使用LC選頻網絡的正弦波振蕩電路，稱為LC振蕩電路；使用RC選頻網絡的正弦波振蕩電路，稱為RC振蕩電路。選頻網絡能夠設置在放大電路中，也能夠設置在反饋網絡中。(4)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)具有穩(wěn)定輸出信號幅值的作用，以便使電路達到等幅振蕩，因此穩(wěn)幅環(huán)節(jié)是正弦波振蕩電路的重要組成部分。2.2正弦波振蕩電路的基本工作原理2.2.1產生正弦振蕩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，一般在放大電路中引入正反饋，并創(chuàng)造條件，使其產生穩(wěn)定可靠的振蕩。正弦波產生電路的基本結構是：引入正反饋的反饋網絡和放大電路。其中：接入正反饋是產生振蕩的首要條件，它又被稱為相位條件；產生振蕩必須滿足幅度條件；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(wěn)幅特性。因此，正弦波產生電路一般包括：放大電路、反饋網絡、選頻網絡、穩(wěn)幅電路部分。2.2.2正弦波振蕩=電路的組成判斷及分類（1）放大電路：保證電路能夠有從起振到動態(tài)平衡的過程，電路獲得一定幅值的輸出值，實現自由控制。（2）選頻網絡：確定電路的振蕩頻率，是電路產生單一頻率的振蕩，即保證電路產生正弦波振蕩。（3）正反饋網絡：引入正反饋，使放大電路的輸入信號等于其反饋信號。（4）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：也就是非線性環(huán)節(jié)，作用是輸出信號幅值穩(wěn)定。2.2.3判斷電路是否振蕩的方法（1）是否滿足相位條件，即電路是否正反饋，只有滿足相位條件才可能產生振蕩；（2）放大電路的結構是否合理，有無放大能力，靜態(tài)工作是否合適；（3）是否滿足幅度條件。2.2.4正弦波振蕩電路的檢驗(1)|AF|<1，則電路不可能振蕩；(2)|AF|>1，則電路能夠振蕩，可是會出現明顯的非線性失真，需要加強穏幅環(huán)節(jié)的作用；(3)|AF|=1，則電路能夠振蕩。振蕩電路在起振過程中，要求|AF|>1，這樣才能保證振蕩信號的幅度不斷加大。而在起振過程完成后，必須使|AF|=1，電路能夠維持振蕩。2.3振蕩電路中的負反饋根據以上分析可知，RC串并聯網絡振蕩電路中，只要達到|A|>3，即可滿足正弦波振蕩的起振條件。但|A|值又不能太大，否則振蕩太強，將超出放大電路的線性區(qū)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，它的作用不但能夠提高放大倍數的穩(wěn)定性，改進振蕩電路的輸出波形，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串并聯網絡選頻特性的影響，提高了振蕩電路的帶負載能力。因此，振蕩電路的振蕩頻率即為RC串并聯網絡的f0=1/2πRC，調節(jié)R和C就能夠改變振蕩頻率。改變電阻RF或R＇阻值的大小能夠調節(jié)負反饋的深度。RF愈小，則負反饋系數F=R＇/(R＇+RF)愈大，負反饋深度愈深，放大電路的電壓放大倍數愈??；反之，RF愈大，則負反饋系數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，是振蕩波形產生明顯的非線性失真，應調節(jié)RF和R＇的阻值，使振蕩電路產生穩(wěn)定而失真較小的正弦波信號。2.4RC串并聯網絡的選頻特性假設U的頻率能夠調整。當信號的頻率很低時，對于串聯支路來說，有1/(ωC1)>>R1,對于并聯支路來說，有1/(ωC2)>>R2。這時，Uf比U超前某一角度，這一角度小于90o。當信號的頻率很高時，對于串聯支路來說，有1/(ωC1)<<R1,對于并聯支路來說，有1/(ωC2)<<R2。這時，Uf比U滯后某一角度，這一角度也小于90o。我們知道，當RC串并聯網絡輸入信號U的頻率從低頻到高頻連續(xù)變化時，其輸出信號Uf與輸入信號U之間將產生一個從超前90o到滯后90o連續(xù)變化的信號。因此，一定存在著某一頻率，使得與之間既不超前，也不滯后，兩者相位相同。下面對RC串并聯網絡的頻率進行定量分析。在電路中，Z1為R1、C1的串聯阻抗，則Z1=R1+1/(jωC1)Z2為R2、C2的并聯阻抗，則Z2=R2∥1/(jωC2)=R2/(1+jωR2C2)電路的傳輸增益可表示為=Uf/U=Z2/(Z1+Z2)即（一般，取R1=R2=R,C1=C2=C）令，則上式為由此可得的幅頻特性為||=的相頻特性為由上式可得RC串并聯正反饋網絡的幅頻特性和相頻特性的表示式和相應曲線。ωωφF-9090相頻特性曲線幅頻特性曲線ω01/3ωω0由特性曲線圖可知，當ω＝ω0＝1/RC時，正反饋系數||達最大值為1/3，且反饋信號Uf與輸入信號U同相位，即φF＝0，滿足振蕩條件中的相位平衡條件，此時電路產生諧振ω＝ω0＝1/RC為振蕩電路的輸出正弦波的角頻率，即諧振頻率fo為當輸入信號的角頻率低于ω0時，反饋信號的相位超前，相位差φF為正值；而當輸入信號的角頻率高于ω0時，反饋信號的相位滯后，相位差φF為負值。正是利用RC串并聯網絡這一選頻特性，構成了RC正弦波振蕩電路。3、設計方案與比較常見的RC正弦波振蕩電路的設計方案與特點比較常見的RC正弦波振蕩電路有橋式、移相式和雙T式三種振蕩電路。3.1RC移相振蕩電路RC移相振蕩電路原理，電阻選擇R>>Ri。振蕩頻率f0=1/（2π√6RC）；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(wěn)，頻率調節(jié)不便，頻率范圍是幾赫茲到十幾千赫茲，一般用于頻率固定且穩(wěn)定性要求不高的場合。3.2RC串并聯網絡的文氏電橋振蕩電路RC串并聯網絡振蕩電路原理，電路的振蕩頻率f0=1/（2πRC）；起振條件是|A|﹥3；電路的特點是：能連續(xù)改變振蕩頻率，便于加負反饋穩(wěn)幅，振蕩波形穩(wěn)定不失真。3.3雙T選頻網絡振蕩電路雙T選頻網絡振蕩器原理，電路的振蕩頻率是f0=1/5RC；起振條件是R'﹤R/2，|A|﹥1；電路的特點：選頻特性好，調頻比較困難，適于產生單一頻率的振蕩。4參數計算及器件選擇4.1器件的選擇購買的各種元件中，選出合適的方便制作電路的各個元件R1=R2=R3=R4=3K，Rw=[0，10K]，50%C1=C2=33nf，集成運算放大器一個，二極管兩個4.2理論數據處理由f0=1/(2πRC)得f0=1/（2π×3000×33^(-9)）=1607.6Hz則產生頻率為1607.6Hz的正弦波4.3實驗數據處理仿真得到的數據為1.60KHz4.4理論數據與實驗數據的對比理論數據與實際數據很接近可是并不相同4.5誤差分析1.電阻值存在輕微誤差。2.示波器可能使用比較久了，波形會有誤差。3.電路中電容存在輕微誤差。4.導線之間相互影響。5.外界噪聲，溫度等因素的影響。5仿真與調試5.1仿真軟件Multisim11.0NIMultisim軟件是一個專門用于電子電路仿真與設計的EDA工具軟件。作為Windows下運行的個人桌面電子設計工具，NIMultisim是一個完整的集成化設計環(huán)境。NIMultisim計算機仿真與虛擬儀器技術能夠很好地解決理論教學與實際動手實驗相脫節(jié)的這一問題。學員能夠很方便地把剛剛學到的理論知識用計算機仿真真實的再現出來，而且能夠用虛擬儀器技術創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。NIMultisim軟件絕對是電子學教學的首選軟件工具。NIMultisim11.0具有以下特點：1)直觀的圖形界面整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標可用導線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數據、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的。2)豐富的元器件提供了世界主流元件提供商的超過17000多種元件，同時能方便的對元件各種參數進行編輯修改，能利用模型生成器以及代碼模式創(chuàng)立模型等功能，創(chuàng)立自己的元器件。3)非常強大的仿真能力以SPICE3F5和Xspice的內核作為仿真的引擎，經過Electronicworkbench帶有的增強設計功能將數字和混合模式的仿真性能進行優(yōu)化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、電路向導等功能。4)豐富的測試儀器提供了22種虛擬儀器進行電路動作的測量：Multimeter(萬用表)、FunctionGeneratoer(函數信號發(fā)生器)、Wattmeter(瓦特表)、Oscilloscope(示波器)、BodePlotter(波特儀)、WordGenerator(字符發(fā)生器)、LogicAnalyzer(邏輯分析儀)、LogicConverter(邏輯轉換儀)、DistortionAnalyer(失真度儀)、SpectrumAnalyzer(頻譜儀)、NetworkAnalyzer(網絡分析儀)、MeasurementPribe(測量探針)、FourChannelOscilloscope(四蹤示波器)、FrequencyCounter(頻率計數器)、IVAnalyzer(伏安特性分析儀)、AgilentSimulatedInstruments(安捷倫仿真儀器)、AgilentOscilloscope(安捷倫示波器)、TektronixSimulatedOscilloscope(泰克仿真示波器)、Voltmeter(伏特表)、Ammeter(安培表)、CurrentProbe(電流探針)、LabVIEWInstrument(LabVIEW儀器)、這些儀器的設置和使用與真實的一樣，動態(tài)互交顯示。除了Multisim提供的默認的儀器外，還能夠創(chuàng)立LabVIEW的自定義儀器，使得圖形環(huán)境中能夠靈活地可升級地測試、測量及控制應用程序的儀器。5)完備的分析手段Multisimt提供了許多分析功能：DCOperatingPointAnalysis（直流工作點分析）、ACAnalysis（交流分析）、TransientAnalysis（瞬態(tài)分析）、FourierAnalysis（傅里葉分析）、NoiseAnalysis（噪聲分析）、DistortionAnalysis（失真度分析）、DCSweepAnalysis（直流掃描分析）、DCandACSensitvityAnalysis（直流和交流靈敏度分析）、ParameterSweepAnalysis（參數掃描分析）、TemperatureSweepAnalysis（溫度掃描分析）、TransferFunctionAnalysis（傳輸函數分析）、WorstCaseAnalysis（最差情況分析）PoleZeroAnalysis（零級分析）、MonteCarloAnalysis（蒙特卡羅分析）、TraceWidthAnalysis（線寬分析）、NestedSweepAnalysis（嵌套掃描分析）、BatchedAnalysis（批處理分析）、UserDefinedAnalysis（用戶自定義分析），它們利用仿真產生的數據執(zhí)行分析，分析范圍很廣，從基本的到極端的到不常見的都有，并能夠將一個分析作為另一個分析的一部分的自動執(zhí)行。集成LabVIEW和Signalexpress快速進行原型開發(fā)和測試設計，具有符合行業(yè)標準的交互式測量和分析功能。6)獨特的射頻(RF)模塊提供基本射頻電路的設計、分析和仿真。射頻模塊由RF-specific（射頻特殊元件，包括自定義的RFSPICE模型）、用于創(chuàng)立用戶自定義的RF模型的模型生成器、兩個RF-specific儀器（SpectrumAnalyzer頻譜分析儀和NetworkAnalyzer網絡分析儀）、一些RF-specific分析（電路特性、匹配網絡單元、噪聲系數）等組成。7)強大的MCU模塊支持4種類型的單片機芯片,支持對外部RAM、外部ROM、鍵盤和LCD等外圍設備的仿真，分別對4種類型芯片提供匯編和編譯支持；所建項目支持C代碼、匯編代碼以及16進制代碼,并兼容第三方工具源代碼；包含設置斷點、單步運行、查看和編輯內部RAM、特殊功能寄存器等高級調試功能。8)完善的后處理對分析結果進行的數學運算操作類型包括算術運算、三角運算、指數運行、對數運算、復合運算、向量運算和邏輯運算等。9)詳細的報告能夠呈現材料清單、元件詳細報告、網絡報表、原理圖統(tǒng)計報告、多余門電路報告、模型數據報告、交叉報表7種報告。10)兼容性好的信息轉換提供了轉換原理圖和仿真數據到其它程序的方法，能夠輸出原理圖到PCB布線（如Ultiboard、OrCAD、PADSLayout、P-CAD和Protel）；輸出仿真結果到MathCAD、Excel或LabVIEW；輸出網絡表文件；向前和返回注；提供InternetDesignSharing。5.2電路的仿真仿真電路如下圖：5.3仿真電路的調試和結果5.3.1調試使仿真輸出波形為正弦波5.3.2仿真運行結果如下：第一個圖為輸出波形在頻率計中測量的頻率第二個圖為示波器輸出波形6實物圖如上圖，得到了正弦波，說明了電路起振，并有穩(wěn)定的正弦波形輸出，與仿真波形基本一致，并不完全相同說明有噪聲，溫度等外界因素的影響。下圖為焊接后的電路板7結論和心得總結這次的課程設計歷時三個星期左右，經過這三個星期的學習和努力，設計也基本上完成了。在這三個星期的學習過程中，我發(fā)現了自身的很多不足，自己知識上存在很多的漏洞，看到了自己在知識合理綜合運用能力方面還是比較缺乏。雖然知道這份設計其中必定依然存在許許多多的錯誤和毛病，但在完成的時候始終還是會有那么一點點的欣慰，因為真正的用心做了，努力的付出過。最后做的或許還是很差強人意，希望老師能夠原諒，以后我一定會更加努力的！在將近兩個多星期的時間里，我真正的體會到了學習的樂趣：翻閱資料，復習以前學過的相關學科知識，奔波于圖書管和自習室，上網查找相關資料……為了完成這次課程設計確實很辛苦，但苦中有樂，每當解決了一個問題，攻克了一個難關，都感到欣喜異常這次的課程設計讓我認識到自己在學習上的不足，如以前學過的電路分析基礎、模擬電子技術基礎、數字電子基礎，還有電子電工實習上所學到的東西在這次的課程設計上都有運用，但當要用到這些知識時我明顯的感覺到基礎知識的缺乏，以致做的很吃力，這讓我明白了：我一定要付出更多的努力，學好每一門學科，為以后的學習和工作打下堅實的基礎。經過本次實驗，使我學會了集成運算放大器組成RC正弦波振蕩電