高壓正弦發(fā)生器.doc

遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （論文）遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 課程設(shè)計(jì)（論文）題目： 高壓正弦發(fā)生器 院（系）： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 電氣工程及其自動(dòng)化123班 學(xué) 號(hào)： 120303079 學(xué)生姓名： 于國濤 指導(dǎo)教師： （簽字）教師職稱： 起止時(shí)間： 2014.7.12014.7.11 - 16 -遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （論文）課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語院（系）：電子與信息工程學(xué)院 教研室： 電子信息工程學(xué) 號(hào)120303079學(xué)生姓名于國濤專業(yè)班級(jí)電氣123課程設(shè)計(jì)（論文）題目高壓正弦發(fā)生器課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)設(shè)計(jì)參數(shù)：（1）設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)高壓信號(hào)發(fā)生器。包括正弦信號(hào)產(chǎn)生電路和高壓放大電路部分。（2）線性失真度不大于0.5%。（3）輸出正弦信號(hào)頻率范圍10Hz1KHz可調(diào)，輸出信號(hào)幅度1-100V可調(diào)。設(shè)計(jì)要求：1 .分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2 .確定合理的總體方案。對(duì)各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。3 .設(shè)計(jì)各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個(gè)設(shè)計(jì)。4 .組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號(hào)的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說明。進(jìn)度計(jì)劃第1天：集中學(xué)習(xí)；第2天：收集資料；第3天：方案論證；第4天：選擇器件進(jìn)行單元電路設(shè)計(jì)；第5天：單元電路設(shè)計(jì)及仿真；第6天：整體電路設(shè)計(jì)并仿真；第7天：電路焊接制板；第8天：焊接調(diào)試；第9天：完善設(shè)計(jì)；第10天：答辯。指導(dǎo)教師評(píng)語及成績 平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：成績：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算摘要本次課程設(shè)計(jì)內(nèi)容是：設(shè)計(jì)高壓正弦發(fā)生器，此高壓正弦發(fā)生器必須包括兩部分電路。一是正弦信號(hào)產(chǎn)生電路由運(yùn)算放大器和一般的RC振蕩器組成實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)，產(chǎn)生10HZ1KHZ正弦信號(hào)；二是高壓放大部分由電壓跟隨器和反相比例運(yùn)算放大器電路實(shí)現(xiàn)了高壓調(diào)頻的效果，使信號(hào)幅度1V100V可調(diào)。所以本次設(shè)計(jì)是由正弦信號(hào)產(chǎn)生電路、電壓跟隨器和反相比例運(yùn)算放大器的電路三部分構(gòu)成。經(jīng)過Multisim仿真，驗(yàn)證了輸出正弦信號(hào)頻率范圍10Hz1KHz可調(diào)，輸出信號(hào)幅度1-100V可調(diào)的指標(biāo)，基本滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過焊接、調(diào)試后，實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，設(shè)計(jì)基本達(dá)到了預(yù)期要求。特點(diǎn)是：正弦信號(hào)產(chǎn)生部分，其中頻率調(diào)節(jié)功能是通過調(diào)節(jié)雙聯(lián)可變電容其實(shí)現(xiàn)的。電壓跟隨器是為了增大下一級(jí)的輸入電阻減小輸出電阻，同時(shí)作為緩沖級(jí)，是高壓放大部分不受信號(hào)產(chǎn)生部分的影響，同時(shí)共射極放大電路放大正弦電壓信號(hào)，是信號(hào)幅度增強(qiáng)，信號(hào)更容易被高壓部分采集。 關(guān)鍵詞：高壓正弦發(fā)生器；運(yùn)算放大器；RC振蕩電路；電壓跟隨器；反相比例放大器。目錄第1章 高壓正弦發(fā)生器方案論證- 1 -1.1 高壓正弦發(fā)生器的應(yīng)用意義- 1 -1.2 高壓正弦發(fā)生器設(shè)計(jì)要求及技術(shù)指標(biāo)- 1 -1.2.1設(shè)計(jì)要求- 1 -1.2.2技術(shù)指標(biāo)- 1 -1.3 設(shè)計(jì)方案論證- 2 -1.3.1放大部分- 2 -1.3.2 正弦波產(chǎn)生方案的選擇：- 4 -1.4總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析- 4 -1.4.1總體設(shè)計(jì)方案框圖- 4 -1.4.2原理分析- 5 -第2章 高壓正弦發(fā)生器各單元電路設(shè)計(jì)- 6 -2.1正弦波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)- 6 -2.1.1 RC橋式振蕩電路- 6 -2.1.2 選頻作用及參數(shù)公式- 7 -2.1.3 建立振蕩- 8 -2.2電壓跟隨器及放大電路- 9 -2.3 輸出級(jí)反相比例放大器電路設(shè)計(jì)- 9 -第3章 高壓正弦發(fā)生器整體電路設(shè)計(jì)- 10 -3.1 整體電路圖及工作原理- 10 -3.1.1整體電路圖- 10 -3.1.2工作原理- 10 -3.2 電路參數(shù)計(jì)算- 11 -3.3整機(jī)電路性能分析- 11 -第4章 設(shè)計(jì)總結(jié)- 13 -參考文獻(xiàn)- 14 -附錄- 15 -第1章 高壓正弦發(fā)生器方案論證1.1 高壓正弦發(fā)生器的應(yīng)用意義高壓正弦波發(fā)生器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和日常生活等各個(gè)領(lǐng)域中。而且高壓正弦波發(fā)生電路常常作為信號(hào)源被廣泛應(yīng)用于無線電通信以及自動(dòng)測量和自動(dòng)控制等系統(tǒng)中。電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常使用中的低頻信號(hào)發(fā)生器就是一種正弦波振蕩電路。大功率正弦波振蕩電路還可以直接為工業(yè)生產(chǎn)提供能源，例如高頻加熱爐的高頻電源。此外如超聲波探傷，無線電和廣播電視信號(hào)發(fā)生器的發(fā)送和接收等，都離不開高壓正弦波振蕩電路。另外據(jù)國家電網(wǎng)安全操作規(guī)程的規(guī)定，高壓驗(yàn)電器在使用前必須在有電的高壓線路或工頻高壓發(fā)生器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)高壓驗(yàn)電器工作良好后再進(jìn)行對(duì)高壓線路驗(yàn)電檢測。高壓正弦發(fā)生器，具有對(duì)驗(yàn)電器啟動(dòng)電壓的檢測功能，該發(fā)生器可以輸出純正弦波50Hz工頻高壓，更真實(shí)的模擬了國家電網(wǎng)電壓的電氣參數(shù)，開機(jī)輸出低電壓功能，確保操作人員更安全。1.2 高壓正弦發(fā)生器設(shè)計(jì)要求及技術(shù)指標(biāo)1.2.1設(shè)計(jì)要求（1）分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。（2）確定合理的總體方案。對(duì)各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。（3）設(shè)計(jì)各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個(gè)設(shè)計(jì)。（4）組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號(hào)的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說明。1.2.2技術(shù)指標(biāo)（1）設(shè)計(jì)并制作高壓信號(hào)發(fā)生器。包括正弦信號(hào)產(chǎn)生電路和高壓放大電路部分。（2）線性失真度不大于0.5%（3）輸出正弦信號(hào)頻率范圍10Hz1KHz可調(diào)，輸出信號(hào)幅度1-100V可調(diào)。1.3 設(shè)計(jì)方案論證1.3.1放大部分方案一：正弦振蕩電路通過RC振蕩電路來產(chǎn)生正弦信號(hào)。運(yùn)算放大電路可以是同相放大電路，也可以是反相放大電路。同比例放大電路電路圖如1.1所示： 圖1.1同相比例放大電路表1同相比例放大電路特性主要閉環(huán)特征理想運(yùn)放實(shí)際運(yùn)放閉環(huán)增益A=1+Rf/R1輸入電阻R i=無窮輸出電阻Roc=0圖中，R s為信號(hào)源內(nèi)阻，R p為消除基流對(duì)輸出失調(diào)影響的平衡電阻，R p=Rs-R1/Rf，若算出是負(fù)值，則將R p改為R s串接，并滿足 + =R1/Rf。同相比例放大電路的電路特性如表1所示。同比例放大電路的最大優(yōu)點(diǎn)就是輸入電阻高。由于同相比例放大電路的反相輸入端不是“虛地“，其電位隨同相端的信號(hào)電位變化，使運(yùn)放承受著一個(gè)共模輸入電壓，信號(hào)源的幅度受到限制，不可超過共模電壓范圍，否則將帶來很大誤差，甚至于不能正常工作。方案二：反相比例放大電路圖如1.2所示：AR1RfRpViVo圖1.2反相比例放大電路表2反相比例放大電路特性主要閉環(huán)特征理想運(yùn)放實(shí)際運(yùn)放閉環(huán)增益A=-Rf/R1輸入電阻RI=R1輸出電阻Roc=0從表看出反相比例放大電路具有如下重要特征：（1）在深度負(fù)反饋情況工作時(shí)，電路的放大倍數(shù)僅由外接電阻Rf、R1的值確定。（2）因同相端接地，則反相端電位為“虛地”，因此，對(duì)前級(jí)信號(hào)源而言，其負(fù)載不是運(yùn)算本身的輸入電阻，而是電路的閉環(huán)輸入電阻R1。（3）運(yùn)放的輸出電阻也由于深度負(fù)反饋而大為減小。由上述兩種放大電路的分析，采用反相放大電路對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行放大比較好。1.3.2 正弦波產(chǎn)生方案的選擇：方案一：使用RC橋式振蕩電路。該電路以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)，以電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路為放大環(huán)節(jié)，具有振蕩頻率穩(wěn)定，帶負(fù)載能力強(qiáng)，輸出電壓失真小，實(shí)現(xiàn)簡單，易于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。方案二：使用LC振蕩電路與RC橋式正弦波電路的組成。該電路原則在本質(zhì)上是相同的，只是選頻網(wǎng)絡(luò)采用LC電路。在LC振蕩電路中，引入正反饋后，使反饋電壓作為放大電路的輸入電壓，以維持輸出電壓，從而現(xiàn)成正弦波振蕩。由于LC正弦波振蕩電路的振蕩頻率較高，所以放大電路多采用分立元件電路，必要時(shí)還應(yīng)采用共基電路。采用三極管等分立元件實(shí)現(xiàn)，使用靈活，成本比集成運(yùn)放芯片小的多，但電路設(shè)計(jì)難度大，實(shí)際調(diào)試過程也比較復(fù)雜，因此選擇方案一。1.4總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析1.4.1總體設(shè)計(jì)方案框圖RC串并聯(lián)反饋及選頻網(wǎng)絡(luò)(10Hz1kHz)高壓正弦信號(hào)集成電路放大電路高壓放大裝置穩(wěn)幅及反饋控制電路(1V100V)圖1.3總體設(shè)計(jì)方案框圖 1.4.2原理分析 高壓正弦發(fā)生器主要由三部分組成：正弦信號(hào)產(chǎn)生部分，通過RC串并聯(lián)反饋及選頻電路，集成電路放大電路，穩(wěn)幅及反饋控制電路，產(chǎn)生正弦信號(hào)，正弦信號(hào)的峰值為Uo，通過反比例放大電路對(duì)峰值進(jìn)行放大，產(chǎn)生高壓正弦放大信號(hào)。其中頻率調(diào)節(jié)功能是通過調(diào)節(jié)雙聯(lián)可變電容其實(shí)現(xiàn)的。電壓跟隨器是為了增大下一級(jí)的輸入電阻減小輸出電阻，同時(shí)作為緩沖級(jí)，是高壓放大部分不受信號(hào)產(chǎn)生部分的影響，在將信號(hào)送給放大電路,經(jīng)過反相放大使電壓增大。第2章 高壓正弦發(fā)生器各單元電路設(shè)計(jì)2.1正弦波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)2.1.1 RC橋式振蕩電路 本設(shè)計(jì)方案采用RC選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的RC振蕩電路，它一般用于產(chǎn)生1HZ1MHZ的低頻信號(hào)，因?yàn)闃蚴秸袷庮l率穩(wěn)定、輸出波形失真小等優(yōu)點(diǎn)，所以在本設(shè)計(jì)方案中正弦波的產(chǎn)生采用的是橋式振蕩電路。RC橋式振蕩電路的原理電路如圖2.1所示，這個(gè)電路是由RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)和放大電路結(jié)合起來而構(gòu)成。 放大電路為由集成運(yùn)放所組成的電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路，取其輸入阻抗高和輸出阻抗低的特點(diǎn)。由圖可知，選頻網(wǎng)絡(luò)則由RC串并聯(lián)電路組成，同時(shí)兼作正反饋網(wǎng)絡(luò)。選頻網(wǎng)絡(luò)、和、形成一個(gè)四壁電橋，電橋的對(duì)角線頂點(diǎn)接到放大電路的兩個(gè)輸入端，橋式振蕩電路由此得來。圖2.1RC振蕩電路圖因?yàn)橐筝敵鲂盘?hào)的頻率在10Hz1KHz之間可調(diào),所以在此原理上加以改進(jìn),使其成為頻率可調(diào)的振蕩電路.原理圖如圖4所示,可變電阻器R2和R7用同軸雙調(diào)電位器，它們和C2,C1構(gòu)成串并聯(lián)文氏橋正弦信號(hào)發(fā)生器，運(yùn)放741同相端接選頻網(wǎng)絡(luò)的腰，實(shí)現(xiàn)同時(shí)調(diào)節(jié)電路的頻率。經(jīng)仿真后，如圖2.2所示：圖2.2RC振蕩電路仿真圖2.1.2 選頻作用及參數(shù)公式 圖2.1中所表示的RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻網(wǎng)絡(luò)具有選頻作用，它的頻率響應(yīng)是不均勻的。（1）其中，、分別為RC串聯(lián)和并聯(lián)所產(chǎn)生的阻抗，則有：= =（2）反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)為： =/（+）（3）若當(dāng)=或=1/(2RC)時(shí)： =1/3, = 2.1.3 建立振蕩所謂建立振蕩，就是要使電路自激，從而產(chǎn)生持續(xù)的振蕩，由直流電變?yōu)榻涣麟?。?duì)于RC振蕩電路來說，直流電源即是能源。當(dāng)RC振蕩器接通電源后，由于電路中存在噪聲，它的頻譜分布很廣，其中也包括有=這樣一個(gè)頻率成分。這種微弱的信號(hào)，經(jīng)過放大，通過正反饋的選頻網(wǎng)絡(luò)，在加至運(yùn)放的同相輸入端，又一次放大選頻，這樣循環(huán)往復(fù)使輸出幅度愈來愈大，最后受電路中非線性元件的限制，使振蕩幅度自動(dòng)地穩(wěn)定下來，開始時(shí)， =略大于3。達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)時(shí)： =3,= (=)。前以提及，從正弦穩(wěn)態(tài)的工作情況來說，振蕩頻率是由相位平衡條件所決定的，這是一個(gè)重要概念。只有=，=，=，時(shí)才滿足相位平衡條件，所以振蕩頻率取決于： =1/(2RC)。振蕩器要輸出正弦波，還要求放大器的增益必須滿足起振條件且工作在線性區(qū)。否則要么不起振，要么輸出波形出現(xiàn)非線性失真，使用時(shí)應(yīng)注意。2.2電壓跟隨器及放大電路運(yùn)算放大器LM324構(gòu)成電壓跟隨器，實(shí)現(xiàn)電壓跟隨緩沖，增加輸入電阻減小輸出電阻。圖2.3 電壓跟隨器電路2.3 輸出級(jí)反相比例放大器電路設(shè)計(jì)該部分為高壓電路放大部分，運(yùn)算放大器采用高壓運(yùn)放3580J，耐壓值最高在150伏，因此運(yùn)算放大器的電源應(yīng)該為正負(fù)150伏，使用時(shí)應(yīng)將外殼接地。該電路構(gòu)成反相比例運(yùn)算放大電路，增益A=-Rf/R1,其中R3是可調(diào)電阻器，R1阻值不變，因此可以實(shí)現(xiàn)增益不斷調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)的幅值不斷變化。至此達(dá)到本次課設(shè)的全部技術(shù)參數(shù)要求。圖2.4 反相比例放大電路第3章 高壓正弦發(fā)生器整體電路設(shè)計(jì)3.1 整體電路圖及工作原理3.1.1整體電路圖電路圖如圖3.1.1所示：圖3.1整體電路圖3.1.2工作原理本設(shè)計(jì)方案采用RC選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的RC橋式振蕩電路，通過調(diào)節(jié)橋式電路的電阻與電感來改變輸出的頻率范圍，橋式振蕩電路與一個(gè)反向比例放大器串接在一起，通過調(diào)節(jié)反向比例放大器的電阻比值來實(shí)現(xiàn)電壓幅度的變化。然后再外加一個(gè)正負(fù)150V的穩(wěn)壓電源來實(shí)現(xiàn)一個(gè)輸出頻率為101KHZ、峰值從1V到100V可調(diào)的、失真小于0.5%的高精度正弦激勵(lì)信號(hào)。3.2 電路參數(shù)計(jì)算橋式振蕩電路（1）由圖3.1可知在=時(shí)，經(jīng)RC反饋網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭\(yùn)算放大器同相端的電壓與輸出電壓同相，即有： =0，+=2n ，滿足相位平衡條件因而有可能振蕩。為了能起振 =3,即2，可選=37,=15,反饋系數(shù)=1/3；（2）由于使輸出幅度越來越大，最后受電路中非線性元件的限制，使振蕩幅度自動(dòng)穩(wěn)定下來。此時(shí)=3達(dá)到=1；（3）當(dāng)選取R=4.8,C=33nF時(shí)頻率=1/(2RC)1KHZ，適當(dāng)調(diào)整負(fù)反饋的強(qiáng)弱，使略大于3時(shí)，其輸入波形為正弦波；（4）、分別為RC串聯(lián)和并聯(lián)所產(chǎn)生的阻抗，則有： = =3.3整機(jī)電路性能分析根據(jù)設(shè)計(jì)流程可知，在一個(gè)高壓正弦信號(hào)發(fā)生器中，RC橋式振蕩電路充當(dāng)調(diào)頻的角色，而反向比例放大器則是用來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅變化，通過調(diào)節(jié)電路參數(shù)，可以輸出1-100V，10-1000HZ可調(diào)正弦波信號(hào)，由于工作電壓穩(wěn)定，線性失真不超過0.5%，該電路具有結(jié)構(gòu)簡單元件易選的特點(diǎn)，使得整機(jī)電路具有良好的性能，因此該電路在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)發(fā)揮巨大的作用。經(jīng)仿真后由示波器得到的波形如圖3.2所示：圖3.2電路仿真可以看出，所設(shè)計(jì)的正弦波發(fā)生器在較小的誤差范圍內(nèi)符合參數(shù)要求，可以產(chǎn)生符合要求的正弦波形。第4章 設(shè)計(jì)總結(jié)由于近代的科學(xué)教育太注重教材和書本知識(shí)，使得科學(xué)的本質(zhì)被淹沒在一般的科學(xué)知識(shí)的細(xì)枝末節(jié)之中了，所以非常期待通過本次課設(shè)能收獲更多實(shí)際操作能力。課設(shè)過程中，通過幾天在圖書館和上網(wǎng)查閱資料，不僅促進(jìn)了對(duì)電子技術(shù)知識(shí)的掌握，而且還提高了理論聯(lián)系實(shí)際、綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)以及分析問題、解決問題的能力，在培養(yǎng)創(chuàng)新能力的同時(shí)，也更好地激發(fā)了學(xué)習(xí)電子技術(shù)基礎(chǔ)的興趣。設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)中的一種類型，它能較全面的考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)知識(shí)和基本技能，分析問題和解決問題的能力以及創(chuàng)造能力。通過對(duì)模擬電子技術(shù)課程的進(jìn)一步學(xué)習(xí)，知道了要