高压正弦发生器

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学模拟电子技术与基础模拟电子技术与基础课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目：高压正弦发生器的设计高压正弦发生器的设计院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 测控技术与仪器测控技术与仪器112112 学学 号：号： 110301049110301049 学生姓名：学生姓名： 干彪干彪 指导教师：指导教师： （签字）起止时间：起止时间：2013.7.1-2013.7.122013.7.1-2013.7.12 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 第 I 页 共 21 页课程设计（论文）任务及评语课程设计（论

2、文）任务及评语院（系）：电子与信息工程学院 教研室：电子信息工程学 号110301049学生姓名干彪专业班级测控技术与仪器课程设计（论文）题目高压正弦发生器高压正弦发生器课程设计（论文）任务设计参数：1.设计并制作一台高压信号发生器。包括正弦信号产生电路和高压放大电路部分。2.线性失真度不大于 0.5%3.输出正弦信号频率范围 10Hz1KHz 可调，输出信号幅度 1-100V 可调。设计要求：1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本

3、的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。指导教师评语及成绩成绩： 指导教师签字： 年 月 日 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 第 II 页 共 21 页摘摘 要要本次课程设计内容是：设计高压正弦发生器，此高压正弦发生器必须包括两部分电路。一是正弦信号产生电路由运算放大器和一般的 RC 振荡器组成实现频率调节，二是高压放大部分由电压跟随器及三极管放大电路

4、和反相比例运算放大器电路实现了高压调频的效果。要求输出频率可调，输出幅度可调。所以本次设计是由正弦信号产生电路和电压跟随器及三极管放大电路还有反相比例运算放大器的电路三部分构成。特点是：正弦信号产生部分，其中频率调节功能是通过调节双联可变电容其实现的。电压跟随器是为了增大下一级的输入电阻减小输出电阻，同时作为缓冲级，是高压放大部分不受信号产生部分的影响，同时共射极放大电路放大正弦电压信号，是信号幅度增强，信号更容易被高压部分采集。关键字：正弦信号； 电压跟随器； 反相比例放大器；高压信号； 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）第 III 页 共 21 页目录摘 要-II

5、第 1 章 绪论 .1第 2 章 总体方案设计 .22.1 高压正弦发生器的设计要求和技术指标 .22.2 方案论证与选择 .22.3 总体设计方案框图及分析 .4第 3 章 高压正弦发生器各单元电路 .63.1 正弦波发生电路的设计 .63.2 电压跟随器及放大电路 .83.3 反相比例运算放大电路 .9第 4 章 高压正弦发生器整体电路设计 .114.1 整体电路及工作原理 .114.2 电路参数计算 .124.3 整体电路分析 .14第 5 章 课程设计总结 .15本科生课程设计（论文）第 1 页 共 21 页第 1 章 绪论高压正弦波发生器广泛应用于工业生产、科学实验和日常生活等各个领

6、域中。而且高压正弦波发生电路常常作为信号源被广泛应用于无线电通信以及自动测量和自动控制等系统中。电子技术实验中经常使用中的低频信号发生器就是一种正弦波振荡电路。大功率正弦波振荡电路还可以直接为工业生产提供能源，例如高频加热炉的高频电源。此外如超声波探伤，无线电和广播电视信号发生器的发送和接收等，都离不开高压正弦波振荡电路。另外据国家电网安全操作规程的规定，高压验电器在使用前必须在有电的高压线路或工频高压发生器上进行实验，确认高压验电器工作良好后再进行对高压线路验电检测。高压正弦发生器，具有对验电器启动电压的检测功能，该发生器可以输出纯正弦波 50Hz 工频高压，更真实的模拟了国家电网电压的电气

7、参数，开机输出低电压功能，确保操作人员更安全。该发生器同时可以产生 10HZ-1KHZ，同时幅值在 1-100 伏的交流电压，可以满足不同的实验室工程技术等使用需要，为人们的生产生活带来了极大的方便。本科生课程设计（论文）第 2 页 共 21 页第 2 章 总体方案设计2.1 高压正弦发生器的设计要求和技术指标设计要求：(1)分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。(2)确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。(3)设

8、计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。(4)组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。设计参数：(1)设计并制作一台高压信号发生器。包括正弦信号产生电路和高压放大电路部分。(2)线性失真度不大于 0.5%.(3)输出正弦信号频率范围 10Hz1KHz 可调，输出信号幅度 1-100V 可调。2.2 方案论证与选择高压正弦发生器由正弦波振荡电路和运算放大电路两部分构成.其中正弦振荡电路主要通过放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅网络环节产生正弦信号，而运算放大电路将正弦振荡电路产生的正弦波的峰值进行放大

9、，从而达到输出高压的目的。2.2.1 正弦波产生方案的选择：方案一：使用 RC 桥式振荡电路。该电路以 RC 串并联网络为选频网络和正反馈网络，以电压串联负反馈放大电路为放大环节，具有振荡频率稳定，带负载能力强，输出电压失真小，实现简单，易于调试等优点。本科生课程设计（论文）第 3 页 共 21 页图 2.1 RC 振荡电路产生正弦波方案二：使用 LC 振荡电路与 RC 桥式正弦波电路的组成。该电路原则在本质上是相同的，只是选频网络采用 LC 电路。在 LC 振荡电路中，引入正反馈后，使反馈电压作为放大电路的输入电压，以维持输出电压，从而现成正弦波振荡。由于LC 正弦波振荡电路的振荡频率较高，

10、所以放大电路多采用分立元件电路，必要时还应采用共基电路。采用三极管等分立元件实现，使用灵活，成本比集成运放芯片小的多，但电路设计难度大，实际调试过程也比较复杂，因此选择方案一。2.2.2 放大电路方案的选择：方案一正弦信号产生后经变压器放大后,送入运放直接放大，优点：电路结构简单，缺点由于信号的频率变化较大，变压器中容易产生漏感，结果引起较大的感抗，信号输出后受到较大影响。如图 2.2.2 所示:图 2.2 变压器实现放大高压集成运放构成的放大和幅值可调电路变压器放大本科生课程设计（论文）第 4 页 共 21 页方案二该方案中在正弦信号产生电路和高压放大电路之间加入了电压跟随器，是高压放大部分

11、不受正弦震荡部分影响，同时起缓冲作用，另外加了共射极放大，是信号的幅值变化范围更大，又由于共射集放大电路的 Vo 和 Vi 反相，所以用一个反相电路，使 Vo 和 Vi 同相 ,因此采用方案二。原理图如图 2.2.3 所示:图 2.3 模拟电路实现的放大电路2.3 总体设计方案框图及分析2.3.1 总体设计方案框图电压跟随作为缓冲级高压集成运放构成的放大和幅值可调电路放大倍数为1 的反相放大电路共射极电压放大RC 串并联反馈及选频网络(10Hz1kHz)集成电路放大电路稳幅及反馈控制电路(1V100V)高压放大装置高压正弦信号本科生课程设计（论文）第 5 页 共 21 页2.3.2 原理分析高

12、压正弦发生器主要由三部分组成.正弦信号产生部分，通过 RC 串并联反馈及选频电路，集成电路放大电路，稳幅及反馈控制电路，产生正弦信号，正弦信号的峰值为 Uo，通过反比例放大电路对峰值进行放大，产生高压正弦放大信号。其中频率调节功能是通过调节双联可变电容其实现的。电压跟随器是为了增大下一级的输入电阻减小输出电阻，同时作为缓冲级，是高压放大部分不受信号产生部分的影响，同时共射极放大电路放大正弦电压信号，使信号幅度增强，信号更容易被高压部分采集,在将信号送给放大电路前,经过反相放大电路,使输出电压与输入电压相位相同。 本科生课程设计（论文）第 6 页 共 21 页第 3 章 高压正弦发生器各单元电路

13、3.1 正弦波发生电路的设计本设计采用 RC 选频网络构成的 RC 振荡电路，它一般用于产生1HZ1MHZ 的低频信号，由 RC 选频网络组成的常用正弦波振荡电路有多种形式，如：桥式振荡电路、移相式振荡电路和双 T 网络式电路等类型，因为其中桥式振荡频率稳定、输出波形失真小等优点，所以在本设计方案中正弦波的产生采用的是桥式振荡电路。RC 桥式振荡电路的原理电路如图 3.1.1 所示，这个电路是由 RC 串并联选频网络和放大电路结合起来而构成。 放大电路为由集成运放所组成的电FVAVAV压串联负反馈放大电路，取其输入阻抗高和输出阻抗低的特点。由图可知，选频网络则由 RC 串并联电路组成，同时兼作

14、正反馈网络。选频网络、和FVZ1Z2、形成一个四壁电桥，电桥的对角线顶点接到放大电路的两个输入端，桥RfR1式振荡电路由此得来。图 3.1 RC 振荡电路原理图本科生课程设计（论文）第 7 页 共 21 页图 3.2 RC 振荡电路仿真图因为要求输出信号的频率在 10Hz1KHz 之间可调,所以在此原理上加以改进,使其成为频率可调的振荡电路.原理图如图 3.1.2 所示, 可变电阻器 R10，和 R1 构成同轴双调电位器，它们和 C2 ,C1 构成串并联文氏桥正弦信号发生器，运放 741 同相端接选频网络的腰，实现同时调节电路的频率。而反相输入端由场效应管 VT 组成的稳幅电路来稳定幅值，从运

15、算放大器输出的正弦信号经二极管 VD1，VD2 整流后，加至 VT 的栅极，如果输出信号的幅值发生波动，则场效应管的源极漏极阻抗相应会发生改变，比如，当幅值增加时，栅源电压变负，将增强负反馈，反之亦然。结果引起运放相应发生变化，从而信号稳定输出。本科生课程设计（论文）第 8 页 共 21 页3.3 频率可调正弦波震荡电路 3.2 电压跟随器及放大电路运算放大器 LM324 构成电压跟随器，实现电压跟随缓冲，增加输入电阻减小输出电阻，R1 是基极偏置电阻，R2 是集电极的偏置电阻，作用是为三极管9018 提供可靠的静态工作点，保证电压放大顺利进行。R3 是发射极反馈电阻，是电路更稳定，C1 是旁

16、路电容。C2 是耦合电容。正弦信号由此处输出是和输入信号是反相的。本科生课程设计（论文）第 9 页 共 21 页3.4 电压跟随器及其放大电路原理图3.3 反相比例运算放大电路该部分为高压电路放大部分，运算放大器采用高压运放 3580J，耐压值最高在 150 伏，因此运算放大器的电源应该为正负 150 伏，使用时应将外壳接地。该电路构成反相比例运算放大电路，增益 A=-Rf/R2,其中 R1 是可调电阻器，R2 阻值不变，因此可以实现增益不断调节，从而实现正弦信号的幅值不断变化。因为是反相比例运算放大电路，所以经共射极后的信号到此处和输入信号同相。至此达到本次课设的全部技术参数要求。本科生课程

17、设计（论文）第 10 页 共 21 页图 3.5 反相比例运算放大电路原理图本科生课程设计（论文）第 11 页 共 21 页第 4 章 高压正弦发生器整体电路设计4.1 整体电路及工作原理如图 4.1.1 电路由运放 741 等构成频率可调的正弦信号经运放的 8 脚输入至运放 LM324 的同相输入端，进行电压跟随，同时是下一放大极不受信号发生电路的影响，信号进入由三极管 9018 构成的共射极放大，信号至此反相，有输入值耐高压运放的反响输入端，信号和输入信号同相，幅值被放大。同时调节 R12可以调节信号的幅值，调节同轴可变电阻可以调节频率。4.1 整体电路原理图本科生课程设计（论文）第 12

18、 页 共 21 页图 4.2 高压正弦发生器仿真效果图4.2 电路参数计算由图 3.1 可知在=时，经 RC 反馈网络传输到运算放大器同相端0RC1的电压与输出电压同相，即有：=0，+=2n ，满足相位平衡条VfVofaf件因而有可能振荡。为了能起振 =3,即2，可选AVRRf111Rf1R1=3,=1,反馈系数=1/3；Rf1R1FV（2）由于使输出幅度越来越大，最后受电路中非线性元件的限制，使振荡幅度自动稳定下来。此时=3 达到=1；AVAVFV（3）当选取 R=1,C=1F 时频率=1/(2RC)159HZ，适当调整负反f0本科生课程设计（论文）第 13 页 共 21 页馈的强弱，使略大

19、于 3 时，其输入波形为正弦波；AV（4）、分别为 RC 串联和并联所产生的阻抗，则有： Z1Z2= =Z1SCR1SCSCR1Z2SCRSCR11SCRR1频率调节：C5=C6=0.56UFf=当 f=10HZ 时，代入公式 R=R=28.4 千欧姆当 f=1000HZ 时，同理R=284 千欧姆。所以调节双轴滑动电位器在 28-284 千欧姆时，可调节频率在 10-1000HZ.幅值调节由于频率变化范围比较大，所以选择频带较宽的三极管 9018.设正弦信号的幅值为 Vi=10mv,经过三极管放大 50 倍。则Vi1=1050MV=0.5V。该信号经过高耐压运算放大器 3583 进行幅值放大

20、。Vo=(-R12/R13)Vi1。R13=20 欧姆时，代入公式，VO1=1V.R13=2000 欧姆时，VO1=100V.实现了幅值可调。由图 3.1 可知在=时，经 RC 反馈网络传输到运算放大器同相端0RC1的电压与输出电压同相，即有：=0，+=2n ，满足相位平衡条VfVofaf件因而有可能振荡。为了能起振 =3,即2，可选AVRRf111Rf1R1=3,=1,反馈系数=1/3；Rf1R1FV（2）由于使输出幅度越来越大，最后受电路中非线性元件的限制，使振荡本科生课程设计（论文）第 14 页 共 21 页幅度自动稳定下来。此时=3 达到=1；AVAVFV（3）当选取 R=1,C=1F

21、 时频率=1/(2RC)159HZ，适当调整负反f0馈的强弱，使略大于 3 时，其输入波形为正弦波；AV（4）、分别为 RC 串联和并联所产生的阻抗，则有： Z1Z2= =Z1SCR1SCSCR1Z2SCRSCR11SCRR14.3 整体电路分析根据设计流程可知，在一个高压正弦信号发生器中，RC 桥式振荡电路充当调频的角色，而反向比例放大器则是用来实现稳幅变化，通过调节电路参数，可以输出 1-100V，10-1000HZ 可调正弦波信号，由于工作电压稳定，线性失真不超过0.5%，该电路具有结构简单元件易选的特点，使得整机电路具有良好的性能，正弦信号发生电路、电压跟随器及单管放大电路及的反响比例

22、运算放大器的电路组成的高压正弦发生电路，解决了不少实验上遇到的困难。高压正弦发生器主要由三部分组成，即正弦信号产生部分，其中频率调节功能是通过调节双联可变电容其实现的。 。电压跟随器是为了增大下一级的输入电阻减小输出电阻，同时作为缓冲级，是高压放大部分不受信号产生部分的影响，同时共射极放大电路放大正弦电压信号，是信号幅度增强，信号更容易被高压部分采集。正弦信号发生发生器，通过调节可变电阻器 R10，和 R1 构成的同轴双调电位器，C2 ,C1 构成串并联文氏桥正弦信号发生器，运放 741 同相端接选频网络的腰，实现同时调节电路的频率。从而可以输出稳定的正弦信号；而运算放大器，由 LM324 构

23、成电压跟随器，实现电压跟随缓冲，可以确保输出信号和输入信号是反向的；最后高压放大电路部分中 R1 是可调电阻器，R2 阻值不变，因此可以实现增益不断调节，从而实现正弦信号的幅值不断变化。本科生课程设计（论文）第 15 页 共 21 页第 5 章 课程设计总结由于近代的科学教育太注重教材和书本知识，使得科学的本质被淹没在一般的科学知识的细枝末节之中了，所以非常期待通过本次课设能收获更多实际操作能力。课设过程中，通过几天在图书馆和上网查阅资料，不仅促进了对电子技术知识的掌握，而且还提高了理论联系实际、综合运用基础知识和专业知识以及分析问题、解决问题的能力，在培养创新能力的同时，也更好地激发了学习电子技术基础的兴趣。设计是实验中的一种类型，它能较全面的考查学