文氏電橋正弦波發(fā)生器

1、 燕 山 大 學 課 程 設 計 說 明 書目 錄第1章 摘要2第2章 引言2 第3章 基本原理2 3.1 基本文氏振蕩器23.2 振蕩條件4第4章 參數(shù)設計及運算5 4.1 結構設計6 4.2 參數(shù)計算7第5章 結論 9心得體會 11參考文獻 11第1章 摘要本文中介紹了一種基于運算放大器的文氏電橋正弦波發(fā)生器。經(jīng)測試，該發(fā)生器能產(chǎn)生頻率為100-1000Hz的正弦波，且能在較小的誤差范圍內將振幅限制在2.5V以內。第2章 引言無論是從數(shù)學意義上還是從實際的意義上，正弦波都是最基本的波形之一在數(shù)學上，任何其他波形都可以表示為基本正弦波的傅里葉組合;從實際意義上來講，它作為測試信號、參考信號以

2、及載波信號而被廣泛的應用。在運算放大電路中，最適于發(fā)生正弦波的是文氏電橋振蕩器和正交振蕩器。第3章 基本原理3.1 基本文氏振蕩器 基本文氏電橋反饋型振蕩電路如圖1所示，它由放大器即運算放大器與具有頻率選擇性的反饋網(wǎng)絡構成，施加正反饋就產(chǎn)生振蕩。運算放大器施加負反饋就為放大電路的工作方式，施加正反饋就為振蕩電路的工作方式。圖中電路既應用了經(jīng)由R3和R4的負反饋，也應用了經(jīng)由串并聯(lián)RC網(wǎng)絡的正反饋。電路的特性行為取決于是正反饋還是負反饋占優(yōu)勢。圖1將這個電路看作一個同相放大器，它對Vp進行放大，其放大倍數(shù)為在這里為了簡化我們假設運算放大器是理想的。令，R1=R2=R,C1=C2=C。反過來，Vp

3、是由運算放大器本身通過兩個RC網(wǎng)絡產(chǎn)生的，其值為VP=ZP/(ZP+Z1)Vo。式中Zp=R1/j2fC，。展開后可以得到上式中。信號經(jīng)過整個環(huán)路的總增益是或者表示為這是一個帶通函數(shù)，因為它在高頻和低頻處均趨于零。它的峰值出現(xiàn)在處，其值為為實數(shù)表明了一個頻率為的信號經(jīng)過環(huán)回路一周后，其凈相移為零。根據(jù)的大小，可有三種不同的可能性：1） 1，也就是A3VV。從直觀上即可看出，這一擾動每次環(huán)繞回路后均會被減小，直至其降到零為止。這時可以認為回路的負反饋（通過）勝過了正反饋（通過），使其成為一個穩(wěn)定的系統(tǒng)。2） 1，也即A3VV。這時正反饋超過了負反饋，說明頻率為的擾動會被再生的放大，導致整個電路進

4、入一個幅度不斷增長的震蕩過程中。此時電路時不穩(wěn)定的。3） =1，或A=3VV 。這種情況稱為中性的穩(wěn)定狀態(tài)，因為此時正負反饋量相等。任何頻率為的擾動首先被放大3VV 倍，然后再縮小1/3VV，這就說明一旦電路工作它就會無限的持續(xù)下去3.2 振蕩條件放大電路的反饋回路網(wǎng)絡采用R和C串并聯(lián)回路，具有頻率選擇性，由和設定放大電路的增益。圖2圖1的電路可以考慮為四端子橋式網(wǎng)絡，電路平衡的條件是運算放大器各自輸入端的電位相等，即。圖2中運算放大器的同向輸入端電壓等于RC網(wǎng)絡構成的分壓電路的分壓比與輸出電壓相乘的電壓，即反向輸入端電壓為：若運算放大器的放大倍數(shù)足夠大，則和相等，因此，僅取實部為 （振幅條件

5、）若虛部為0，求出諧振頻率，則有由此得到（頻率條件）由于一般取，則得到振幅條件頻率條件 根據(jù)以上的計算，振蕩開始的振幅條件為A3，即運算放大器的增益為3倍以上就能振蕩。因此，改變振幅穩(wěn)定電路的電阻和中的任何一個，若控制A3，就成為一個振蕩電路。第4章 參數(shù)設計及運算4.1 結構設計為了使文氏電橋振蕩電路能產(chǎn)生振蕩，非常重要的是正反饋的作用是輸出不飽和，為此，在負反饋側接入限幅和自動增益控制電路。最簡單的就是接入二極管。圖3如圖3所示電路，應用了一個簡單的二極管-電阻器網(wǎng)絡來控制的有效值。信號較小時不起作用。從而有2，也就是說此事振蕩在積累。當振蕩不斷地增長，這兩個二極管以交替半周導通的方式逐漸

6、進入導通狀態(tài)。在二極管充分導通的限制下，會變小使2。然而，在此極限值到達之前，振幅會自動地穩(wěn)定在二極管導通的某個中間電平上，正好滿足=2。上述電路的一個缺點是輸出電壓對二極管的正向壓降非常靈敏。對電路進行改進，采用發(fā)光二極管，這里不是利用其發(fā)光性質，而是利用其正向電壓與穩(wěn)定的溫度特性，正向電壓比通常的硅二極管大，而且，溫度特性比二級管串聯(lián)穩(wěn)定得多。電路圖設計如圖4。 圖4由于該電路是采用單電源工作，因此，運算放大器的輸出含有（1/2）的直流。就是隔斷該直流成分的電容。4.2 參數(shù)計算先討論振蕩頻率為1kHz時常數(shù)與元器件的選擇。首先，由于運算放大器為單電源工作，偏置電阻是使運算放大器同向輸入端

7、的電平為2，其電阻分壓，不管為何阻值，這里設為15k。于是，該值的12即為7.5k。R=7.5k時計算電容C的值，即=1/6.28*103*7.5*103=0.0212F這個非常接近E6系列的值0.022F。電容不是一種，這樣振蕩頻率就會有些偏移，但頻率正好為1kHz時，7.5k電阻R采用6.8k固定電阻加1k半固定電阻即可。對于標準的文氏電橋振蕩電路，RC網(wǎng)絡損耗達到1/3，若運算放大器的增益A不到3以上，則能開始振蕩。因此，增益設定電阻的關系是：若=1k，則要為2k以上。有標準E12系列可知，最近值是=2.2k。然而，若按照原樣，則振蕩輸出飽和達到運算放大器的最大輸出振幅，因此，用LED與

8、電阻進行限幅。與LED串聯(lián)的電阻也與電阻的阻值有關，考慮到LED正向電壓的分散性，采用可調電阻（2.7k固定電阻+5k可調電阻）。用于補償可變幅度較大的分散性及調整波形的失真。振蕩頻率時隔直電容的容抗（1/）足夠小。這里（1/5）以下的頻率作為截止頻率。1/2=0.796*10-61kHz時取1（110即可），又實際要求為100Hz-1000Hz，則取=10。要使輸出在100Hz到1kHz范圍內則R要在7.5到75之間可變，在原電路圖中加入可變電阻即可。在電路圖中，運算放大器使用LF356N，運算放大器的種類沒有特別的要求。由以上分析可得最后設計電路，如圖5所示。圖5第5章 結論經(jīng)仿真后由示波器得到的波形如圖6所示。圖6可以看出，所設計的正弦波發(fā)生器在較小的誤差范圍內符合參數(shù)要求，可以產(chǎn)生符合要求的正弦波形。心得體會兩周的課程設計結束了，我們的任務也圓滿完成了。作為一個大三學生，我覺得這樣的課程設計還是十分有用的。在過去的學習中，我們學到的都是專業(yè)理論知識，而現(xiàn)在課程設計就是專業(yè)知識綜合運用的實踐訓練。通過這次的課程設計，我深深地體會到，做任何事情都必須耐心細致，高度負責，認真對待。但是這次課程設計也讓我發(fā)現(xiàn)自己所掌握的知識是如此的貧乏，僅僅只是冰山一角，而且實際運用專業(yè)知識的能力