matlab電氣訓(xùn)練模板

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)院自動化系 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號 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)書課程 MATLAB電氣應(yīng)用訓(xùn)練 題目 壓 控 震 蕩 器 專業(yè) 自 動 化 姓名 劉 月 瑩 學(xué)號 090601140708 主要內(nèi)容：根據(jù)設(shè)計要求，運用所學(xué)的模擬電子技術(shù)及電路基礎(chǔ)等知識，一臺基于集成運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)半周對稱，無明顯失真。3.

2、 用示波器觀測輸出電壓波形，通過調(diào)試獲得滿意正弦波信號，頻率在1Hz到1MHz之間。4. 測量和計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.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽電路設(shè)計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.電子電路實驗及仿真M.清華大學(xué)出版社，2004.7 張俊漠.單片機中級教程原理與應(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)計與選擇22.1 題目剖析及分析22.2 當(dāng)前實現(xiàn)此方案的方法23 電路總原理框圖設(shè)計24 電路計算和設(shè)計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 實現(xiàn)設(shè)計方案76 設(shè)計總結(jié)7參考文獻(xiàn)91 任務(wù)和要求 (1)任務(wù)：設(shè)計一臺基于集成運算放大器的波形穩(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)半周對稱，無明顯失真。Ø 用示波器觀測輸出電壓波形，通過調(diào)試獲得滿意正弦波信號，頻率在1Hz到1MHz之間。Ø 測量和計算輸出電壓的幅頻特性和振蕩頻率。2 總體方案設(shè)計與選擇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沒有輸入信號的，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Ui為一定頻率和幅度的正弦波，此信號經(jīng)放大器放大器放大后產(chǎn)生輸出信號Uo，而Uo又作為反

5、饋網(wǎng)絡(luò)的輸入信號，在反饋網(wǎng)絡(luò)輸出產(chǎn)生反饋信號Uf。如果Uf和原來的輸入信號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)，在沒有外加輸入信號的情況下，輸出端可維持一定頻率和幅度的信號Uo輸出，從而實現(xiàn)了自激振蕩。為了使振蕩電路得輸出為一個固定頻率的正弦波，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)必須含有一個選頻網(wǎng)絡(luò)，使得只有選頻網(wǎng)絡(luò)中心頻率上的信號才滿足Ui和Uf相同的條件而產(chǎn)生自激振蕩，其他頻率的信號不能滿足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，因為放大器工作在非線性區(qū)，輸出波形將會失真，因此振蕩電路中應(yīng)設(shè)法在放大器沒有進(jìn)入非線性區(qū)之前，使波形穩(wěn)定，也就是說，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，正弦波反饋振蕩電路是一個將反饋信號作為作為輸入電壓來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，可以作為放大器的初始輸入信號。擾動的信號經(jīng)選頻網(wǎng)絡(luò)選頻，使得只有某一頻率的信號能反饋到放大器的輸入端，而其他頻率的信號被抑制。這一頻率分量經(jīng)放大后，又通過反饋網(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，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€性特性來實現(xiàn)。2.2當(dāng)前實現(xiàn)此方案常用的方法目前能夠用于設(shè)計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)計契合。（2）電感三點式LC振蕩電路該電路中電感元件對高次諧波呈現(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中的高次諧波成分較多，信號波形較差。（3）電容三點式振蕩電路該電路通過改變電容大小來調(diào)節(jié)振蕩頻率可，同時也會改變反饋信號的大小，因而會使輸出信號發(fā)生變化，甚至可能會使振蕩電路停振。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，必須要有合適的激勵電平。激勵電平過大，頻率穩(wěn)定度變壞，甚至可能將晶片振壞，激勵電平過小，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)計的電路原理圖。3 電路總原理框圖設(shè)計從結(jié)構(gòu)上看，正弦波壓控振蕩器是一個沒有輸入信號的，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4.1震蕩的平衡條件當(dāng)反饋信號Uf等于放大信號Uo時，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稱為振蕩平衡的條件。因為Uf和Ui是復(fù)數(shù)，所以兩者相等是指大小相等而且相位也相同。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方面。（1） 振幅平衡條件：上式說明，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，時反饋電壓與輸入電壓相位相同

10、，一保證正反饋。作為一個振蕩電路，相位平衡條件和振幅平衡條件必須同時得到滿足。利用振幅平衡條件可以確定振蕩電路的輸出信號幅度；利用相位條件可以確定振蕩信號的頻率。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，在開始時，必須滿足起振后，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，當(dāng)w = w0 時，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)合起來即可構(gòu)成RC振蕩電路，放大器件可采用集成運算放大器。 如圖4所

12、示為由集成運算放大器構(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)運算放大器輸入端“虛斷”可得In0則有i1i根據(jù)運算放大器輸入端“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，½Fu½= ，j = 0º，所以，只要=1+()>3，即

13、，Rf>2R1振蕩電路就能滿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。因為如果用固定電阻，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)運算當(dāng)運算大器進(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，在運算放大器還未進(jìn)入線性工作區(qū)時，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 實現(xiàn)設(shè)計方案我選擇RC 橋式振蕩電路作為本次課程設(shè)

14、計的電路原理圖。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)成二級放大器。由圖5知2R1=2.4，Rf=10,則Rf>2R1，滿足起振條件。計算可得振蕩頻率f0=1KHz。根據(jù)所選元件和原理圖得到如圖5所示的完整實現(xiàn)電路圖。 圖5完整實現(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)于一個具有負(fù)溫度系數(shù)的電阻，接通電路，調(diào)節(jié)Rf ，經(jīng)過調(diào)試獲得合適的波形。6 設(shè)計總結(jié)通過這次課程設(shè)計我了解了壓控振蕩器在結(jié)構(gòu)上的特點，使我在選擇壓控震蕩器時更加明

15、確哪種振蕩器更合適，同時讓我更好地掌握了各種電路的分析、調(diào)試與計算方法，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。在此次作課程設(shè)計過程中，我深深地感受到自己所學(xué)知識的有限和對所學(xué)知識的生疏，明確了不僅要學(xué)課本知識，還要再通過圖書館和網(wǎng)絡(luò)等各種渠道來擴充自己的知識，并且要學(xué)會對所學(xué)內(nèi)容的取舍及分析?？傊?，從中我學(xué)到了如何對待遇到的困難。增強了對所學(xué)知識的思考整合能力，培養(yǎng)了自己的思維能力。在做課程設(shè)計過程中，老師給了很大的自由發(fā)揮的空間，可以自己選題，讓我自己運用所學(xué)知識去分析和解決實際問題。這次課程設(shè)計培養(yǎng)了我一絲不茍的科學(xué)態(tài)度和做學(xué)問應(yīng)有的耐心及恒心，也使我認(rèn)識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.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽電路設(shè)計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.電子電路實驗及仿真M.清華大學(xué)出版社，2004.7 張俊漠.單片機中級教程原理與應(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)計成績評價表課程名稱MATLAB電