電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-實(shí)驗(yàn)9集成運(yùn)算放大器組成的RC文氏電橋振蕩器

電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱：集成運(yùn)算放大器組成的RC文氏電橋振蕩器系別：班號(hào)：實(shí)驗(yàn)者姓名：學(xué)號(hào)：實(shí)驗(yàn)日期：實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成日期：目錄TOC\o"1-5"\h\z一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?3\o"CurrentDocument"二、實(shí)驗(yàn)原理 31、產(chǎn)生自激振蕩的條件 3\o"CurrentDocument"2、RC串-并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性 43、自動(dòng)穩(wěn)幅 5三、實(shí)驗(yàn)儀器 6\o"CurrentDocument"四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 7\o"CurrentDocument"1、電路分析及參數(shù)計(jì)算 72、振蕩器參數(shù)測(cè)試 83、振幅平衡條件的驗(yàn)證 9\o"CurrentDocument"4、觀察自動(dòng)穩(wěn)幅電路作用 10\o"CurrentDocument"五、誤差分析 10\o"CurrentDocument"六、實(shí)驗(yàn)心得 11實(shí)驗(yàn)?zāi)繉?shí)驗(yàn)?zāi)?、掌握產(chǎn)生自激振蕩的振幅平衡條件和相位平衡條件。2、了解文氏電橋振蕩器的工作原理及起振條件和穩(wěn)幅原理二、實(shí)驗(yàn)原理振蕩的條件振蕩的條件所謂振蕩器是指在接通電源后，能自動(dòng)產(chǎn)生所需的信號(hào)的電路，如多諧振蕩器、正弦波振蕩器等。當(dāng)放大器引入正反饋時(shí)，電路可能產(chǎn)生自激振蕩，因此，一般振蕩器都由放當(dāng)放大器引入正反饋時(shí)，電路可能產(chǎn)生自激振蕩，因此，一般振蕩器都由放大器和正反饋網(wǎng)絡(luò)組成。其框圖如圖1所示。振蕩器產(chǎn)生自激震蕩必須滿足兩個(gè)基本條件：（1）振幅平衡條件：反饋信號(hào)的振幅應(yīng)該等于輸入信號(hào)的振幅，即：VF=Vi或|AF|=1（2）相位平衡條件：反饋信號(hào)與輸入信號(hào)應(yīng)同相位，其相位差應(yīng)為：0=0A+0F=±2nn（n=0、1、2 ）為了振蕩器容易起振，要羽AF|>1,即：電源接通時(shí)，反饋信號(hào)應(yīng)大于輸入

信號(hào)，電路才能振蕩，而當(dāng)振蕩器起振后，電路應(yīng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)使反饋信號(hào)的振幅應(yīng)該等于輸入信號(hào)的幅度，這種自動(dòng)調(diào)節(jié)功能稱為穩(wěn)幅功能。電路振蕩產(chǎn)生的信號(hào)為矩形波信號(hào)，這種信號(hào)包含著多種諧波分量，故也稱為多諧振蕩器。為了獲得單一頻率的正弦信號(hào)，要求在正反饋網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性，以便從多諧信號(hào)中選取所需的正弦信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)采用RC串-并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為正反饋的選頻網(wǎng)絡(luò)，其與負(fù)反饋的穩(wěn)幅電路構(gòu)成一個(gè)四臂電橋，如圖3所示，故又稱為文氏電橋振蕩器。RC串-并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性RC串-并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性RC串-并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)如圖2(a)所示，其電壓傳輸系數(shù)為：R2F(+)=VF(+)二 1+jwR2c2=VO 1 R2 /[R1c2 1、R1+ + (1+ +)+/(wc2R1- )jwc1jwR2c2 R2c1 wc1R2當(dāng)R1=R2=R,C1=C2=C時(shí)，則上式為：F(+)- 1 ]3+j(wRc- )wRc若令上式虛部為零，即得到諧振頻率fo為：f°=—2兀RC當(dāng)f=f。時(shí)，傳輸系數(shù)最大，且相移為0,即：Fmax=1/3，申卩=0傳輸系數(shù)F的幅頻特性和相頻特性如圖2(b)(c)所示。由此可見(jiàn)，RC串-并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性。對(duì)頻率f。而言，為了滿足振幅平衡條件|AF|=1,要求放大器|A|=3。為滿足相位平衡條件：申A+G=2nn,要求放大器為同相放大。

3、自動(dòng)穩(wěn)幅由運(yùn)算放大器組成的RC文氏電橋振蕩器原理圖如圖3所示，RC串-并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)輸出接放大器同相端，構(gòu)成正反饋，并具有選頻作用。R/和R］分壓輸出接放大器的反相端，構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋，以控制放大器的增益。負(fù)反饋系數(shù)為：F=仏=R 在深度負(fù)反饋情況下:（-）VoR+心1FAf二丄二R+Rf二1+R

FF（-）Ri Ri因此，改變RF或者R1就可以改變放大器的電壓增益。由振蕩器起振條件，要求|AF（+）|>1,當(dāng)起振后,輸出電壓幅度將迅速增大，以至進(jìn)入放大器的非線性區(qū)，造成輸出波形產(chǎn)生平頂削波失真現(xiàn)象。為了能夠獲得良好的正弦波，要求放大器的增益能自動(dòng)調(diào)節(jié)，以便在起振時(shí)，有|AF（+）|>1；起振后，有|AF（+）|=1,達(dá)到振幅平衡條件。那么如何能自動(dòng)地改變放大器的增

益呢？由于負(fù)反饋放大器的增益完全由反饋系數(shù)VF（_）決定。因此，若能自動(dòng)改變R/和R］的比值，就能自動(dòng)穩(wěn)定輸出幅度，使波形不失真。自動(dòng)穩(wěn)幅的方法很多，通?？梢岳枚O管、穩(wěn)壓管和熱敏電阻的非線性特征，或場(chǎng)效應(yīng)管的可變電阻特性來(lái)自動(dòng)地穩(wěn)定振蕩器的幅度。下面以二極管為例說(shuō)明其穩(wěn)幅原理。二極管穩(wěn)幅原理如圖4所示，當(dāng)電路接通電源時(shí)，由于設(shè)計(jì)時(shí)令RF>3R1，則在fo點(diǎn)VF>Vi，滿足起振條件，振蕩器振蕩，由二極管正相特性曲線（如圖5）可見(jiàn)，由于起振時(shí)，Vo較小，二極管兩端的電壓較小，二極管工作在Q1點(diǎn)則其等效的直流電阻較大；隨著振蕩器輸出電壓Vo增大，二極管兩端的電壓較大，二極管由Q1上升到Q2點(diǎn)，則其等效的直流電阻較?。挥蓤D4可見(jiàn)，二極管D1、D2并聯(lián)在RF兩端，隨著Vo的逐漸增大，RD減少，從而使總的反饋電阻RF減小，負(fù)反饋增強(qiáng)，放大器增益下降，達(dá)到自動(dòng)穩(wěn)幅的目的。圖4圖4二極骨穩(wěn)幅底理圖圏5 ―極管特性弛銭實(shí)驗(yàn)儀器1、示波器1臺(tái)2、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1臺(tái)3、直流穩(wěn)壓電源1臺(tái)TOC\o"1-5"\h\z4、數(shù)字萬(wàn)用表 1臺(tái)5、多功能電路實(shí)驗(yàn)箱 1臺(tái)6、交流毫伏表 1臺(tái)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、電路分析及參數(shù)計(jì)算分析圖6振蕩器電路的工作原理，并進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。圖6電路中，運(yùn)算放大器和RF1、RF2及RW構(gòu)成同相放大器，調(diào)整RW即可調(diào)整放大器的增益；RC串-并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)；選頻網(wǎng)絡(luò)的輸出端經(jīng)R2、R3構(gòu)成分壓電路分壓送運(yùn)算放大器的同相端，構(gòu)成正反饋，D1、D2為穩(wěn)幅二極管。在不接穩(wěn)幅二極管時(shí)，在諧振頻率點(diǎn)，正反饋系數(shù)為：

F(+)F(+)VF 1R2(+)=一?■V 3R2+R3o而負(fù)反饋系數(shù)為：F(-)RF1+RF2+Rw(1)為保證電路能穩(wěn)定振蕩，則要求：F(+)二F(_)由此，根據(jù)電路參數(shù)，計(jì)算Rw的理論值是0.628kQ;(2)同相放大器的電壓增益Avf=33;(3)電路的振蕩頻率fo=1.6KHz;振蕩振蕩(1)按圖6搭接電路，(D1、D2不接，K撥向1)經(jīng)檢查無(wú)誤后，接通±12V電源;(2)調(diào)節(jié)Rw,用示波器觀察輸出波形，在輸出為最佳正弦波，測(cè)量輸出電壓Vp-p;Vp-p為20.5V實(shí)驗(yàn)中觀察到的正弦波形：(3)測(cè)量Rw值；Rw為0.6201kQ(4)用李薩茹圖形法測(cè)量振蕩頻率；fo為1.5853KHZ李薩茹圖形測(cè)量信號(hào)頻率方法：將示波器CH1接振蕩器輸出，CH2接信號(hào)發(fā)生器正弦波輸出，令示波器工作在“外掃描X-Y”方式；當(dāng)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器頻率時(shí)，若信號(hào)發(fā)生器頻率與振蕩器頻率相同時(shí)，示波器將出現(xiàn)一橢圓；通過(guò)此方法可測(cè)量未知信號(hào)頻率。實(shí)驗(yàn)中觀察到的李薩如圖形：3、振幅平衡條件的驗(yàn)證在振蕩器電路中，調(diào)節(jié)Rw，使輸出波形為最佳正弦波時(shí)，保持Rw不變，將開(kāi)關(guān)K撥向2位置，貝L即輸入正弦信號(hào)(頻率為振蕩頻率，幅度Vip-p=100mV)則電路變?yōu)橥喾糯笃?，用毫伏表測(cè)量Vi、Vo、VA、VF，填入表1；將電路恢復(fù)為振蕩器(開(kāi)關(guān)K撥向1位置)，調(diào)節(jié)Rw，使輸出波形略微失真，再將開(kāi)關(guān)撥向2位置，電路又變?yōu)橥喾糯笃?，用毫伏表測(cè)量Vi、Vo、VA、VF，填入表1；將電路恢復(fù)為振蕩器（開(kāi)關(guān)K撥向1位置），調(diào)節(jié)Rw，使輸出波形停振，再將開(kāi)關(guān)撥向2位置，電路又變?yōu)橥喾糯笃?，用毫伏表測(cè)量Vi、Vo、VA、VF，填入表1；表1：振幅平衡條件驗(yàn)證工作狀態(tài)測(cè)量值測(cè)量計(jì)算值V(mV)Vi(mV)Vo（V）VA（V）VF(mV)A二Vo/ViF二VF/Vo(+)AF(+)良好正弦波10035.901.18720.397435.8433.070.03020.9987略微失真停振良好正弦波時(shí)理論值10035.361.16690.389035.36330.030314、觀察自動(dòng)穩(wěn)幅電路作用在圖6基礎(chǔ)上，接入穩(wěn)幅二極管D1、D2，調(diào)節(jié)電位器Rw，觀察輸出波形的變化情況，測(cè)量出輸出正弦波電壓Vopp的變化范圍。op-p變化范圍是1?90V~20?5V五、誤差分析良好正弦波時(shí)的相對(duì)誤差：A的誤差：|33.07-33|/33=0.22%F（+）的誤差：|0.0302-0.0303|/0.0303=0.4%AF（+）的誤差:|0.9987-1|/1=0.13%誤差來(lái)源：電阻不精確，電容容值不精確，造成RC文氏電橋振蕩器震蕩特性不好；運(yùn)放不是理想運(yùn)放。六、實(shí)驗(yàn)心