RC正弦波振荡器课程设计

摘要振荡器是一种在没有外加激励信号，而自动的将直流电源产生的能量转化为具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流信号的电路。振荡器一般由晶体管等有源器件和具有选频能力的无源网络所组成。振荡器的种类很多，根据工作原理来分，可分为反馈式振荡器和负阻式振荡器两大类。根据所产生波形的不同，可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。根据选频网络所采用的器件来分，可分为LC振荡器、晶体振荡器以及RC振荡器等。正弦波振荡器在无线电技术中应用非常广泛。在通信系统中，可用来产生发射极部分的载波信号和接收机中的本地震荡信号。在电子测量仪器中，可用来各种频段的正弦波信号。本课程主要研究RC正弦波振荡器的电路设计与proteus软件仿真。滤波器是对波进行过滤的器件。它的作用实质上是“选频”，即允许某一部分的信号顺利通过。在无线电技术、自动测量和控制系统中，常被用来对模拟信号进行处理，如数据传送、抑制干扰。滤波器根据工作信号的频率范围，可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。本课程主要是对带通滤波器的设计与仿真。关键词：RC正弦波振荡器；滤波器；proteus仿真目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"绪论 1\o"CurrentDocument"设计任务 2课程设计的目的 2\o"CurrentDocument"课程设计任务与要求 2\o"CurrentDocument"课程设计技术指标 2\o"CurrentDocument"RC正弦波振荡器工作原理 3\o"CurrentDocument"电路原理及元件选择 3\o"CurrentDocument"参数计算 3\o"CurrentDocument"4阶带通滤波器工作原理 5\o"CurrentDocument"电路原理及元件选择 5\o"CurrentDocument"参数计算 5\o"CurrentDocument"Proteus软件介绍 6\o"CurrentDocument"6电路仿真与结果分析 7{\o"CurrentDocument"RC正弦波振荡器仿真与结果分析 7\o"CurrentDocument"4阶带通滤波器器仿真与结果分析 7\o"CurrentDocument"致谢 10\o"CurrentDocument"参考文献 111绪论本次课程设计的内容包括RC正弦波振荡器电路和高阶带通滤波器电路的设计与仿真两部分。RC正弦波振荡器电路由四部分组成：放大电路，反馈网络，选频网络，稳幅环节。其中放大电路和反馈网络构成正反馈系统，共同满足AF=1。选频网络由电阻和电容元件组成，作用是实现单一频率的正弦波振荡。稳幅环节的作用是使振荡幅度达到稳定，通常可以利用放大元件的非线性特性来实现。我们知道，负反馈放大电路产生自激振荡的条件是AF=—1,那是因为在放大电路中，为了改善性能，引入的是负反馈，而在振荡电路中，我们的目的就是要产生正弦波振荡，因此有意识的将反馈接成正反馈。带通滤波器的作用是实现某一段频率范围内的信号通过，而将此频带以外的信号阻断。带通滤波器经常用于抗干扰设备中，以便接收某一频带范围之内的信号，而消除低频段和高频段的干扰和噪声。从原理上说，将一个通带截止频率为f2的低通滤波器与一个通带截止频率为fl的高通滤波器串联起来，当满足条件f2>fl时，即可构成带通滤波器。当输入信号通过电路时，低通滤波器将f>f2的高频信号阻断，而高通滤波器将f<fl的高频信号阻断，最后，只有频率范围在fl<f<f2的信号才能通过电路，于是电路成为一个带通滤波器。根据以上原理组成的带通滤波器输入端的电阻R和电容C组成低通电路，另一个电容C和电阻R2组成高通电路，二者串联起来接在运放的同相输入端，输出端通过电阻R3引回一个反馈，这样就组成了一个简单的带通滤波器。本次课程为了滤波器的性能更好，我们设计了一个4阶带通滤波器。设计任务课程设计的目的通过课程设计，使课本所学知识得到实际应用的同时，增强学生的动手能力和独立思考能力，培养学生的学习兴趣和爱好。通过软件Proteus仿真来使电路达到所要求的技术指标，以此锻炼学生设计和调试电路的能力。课程设计任务与要求任务研究RC正弦波振荡器和高阶（3阶以上）滤波器电路的原理及其应用。要求1．认真领会所选课程设计题目含意，查阅和运用相关技术资料，锻炼独立思考的能力；2．利用软件进行电路设计和仿真，认真记录数据和波形，要准确、规范、独立完成仿真内容,自觉培养严谨求实的科学作风；3．认真完成课程设计论文（应包含电路图、元器件清单、仿真调试及设计总结等）。课程设计技术指标对于RC正弦波振荡器来说，频率为2100Hz；对于高阶滤波器来说，设计一个4阶中心频率为9050HZ的带通滤波器。RC正弦波振荡器工作原理电路原理及元件选择电路原理振荡电路的原理图如图所示。其中集成运放A作为放大电路，RC串并联网络是选频网络，而且当f=f时，它是一个接成正反馈的反馈网络。另外，和R'支路引入一个0f负反馈。由图可见，RC串并联网络中的串联支路和并联支路，以及负反馈中的Rf和R'，正好组成一个电桥的四个臂，因此这种电路又称为文式电桥振荡电路。图RC正弦波振荡器原理图元件选择RC正弦波振荡器元器件选择如表所示。表RC正弦波振荡器元器件选择电阻电容二极管运算放大器电源5个2个2个1个2个参数计算振荡频率为了判断电路是否满足振荡的相位平衡条件，可假设在集成运放的同相输入端将电路断开，并加上输入电压U。由于输入电压加在同相输入端，故集成运放的输出电压与i输入电压相同，即©A=0。已知当f二f时，©A+©F=0,电路满足相位平衡条件。由此可0知，电路的振荡频率为:0 2兀RC根据给定频率2100HZ，设定C=100nF,由（）得R=7600Q。起振条件1震荡的幅度平衡条件为A卞〉1，已知当f=f0时，F=-，由此可以求得起振条件为0 3:|>3UR已知同相比例运算电路输出电压与输入电压之间的比例系数为l+-f，为了达到R'R1+-f>3 （）R'负反馈支路的参数应满足关系R>2R' （）f4阶带通滤波器工作原理电路原理及元件选择电路原理如图所示，电路以集成运放为中心，输入端的电容C和电阻R组成低通电路，另一个电容C和电阻R2组成高通电路，两者结合起来接在运放的同相输入端，输出端通过一个电阻R3引回一个反馈。图带通滤波器原理图元件选择带通滤波器电路元器件选择如表所示。表4阶带通滤波器元器件选择电阻电容运算放大器电源10个4个2个4个参数计算我们在这里设定滤波器的中心频率f0=9050HZ，电容C=10nF，根据计算得R=1760Q。Proteus软件介绍Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：（1）原理布图（2）PCB自动或人工布线（3）SPICE电路仿真革命性的特点1．互动的电路仿真用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM,键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。2．仿真处理器及其外围电路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。Proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库，可提供的仿真仪表资源：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。此外，Proteus可提供的调试手段Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。电路仿真与结果分析RC正弦波振荡器仿真与结果分析电路仿真RC正弦波振荡器电路仿真如图所示。图RC正弦波振荡器仿真图图RC正弦波振荡器仿真图二 ;驴-jBiH」一歸工WI结果分析如图所示，仿真结果为一条正弦波。结果分析如图所示，仿真结果为一条正弦波。图RC正弦波振荡器仿真结果图RC正弦波振荡器仿真结果4阶带通滤波器器仿真与结果分析电路仿真4阶带通滤波器电路仿真如图所示。图4阶带通滤波器电路仿真如图所示。图4阶带通滤波器仿真图结果分析如图所示，蓝色为输入波形，黄色为输出波形，当输入频率为100HZ时，输出为直线，满足带通的要求。图4阶带通滤波器结果图图4阶带通滤波器结果图如图所示，当输入频率为10000时，输出为标准正弦波，满足设计要求。图4阶带通滤波器结果图图4阶带通滤波器结果图满足带通设计满足带通设计如图所示，当输入频率为100000HZ时，输出几乎衰减为一条直线,要求。图4阶带通滤波器结果图致谢本次课程设计共历时3周，第一周完成了软件(proteus)安装和软件学习，为后两周的学习打下了基础。第二周我们按要求完成了两种电路的设计与调试，虽然在调试过程中遇到了一些问题，但我们通过努力思考，积极寻求老师帮助，让问题得到了及时的解决。第三周是电路仿真与论文撰写，在调试好电路的基础上，电路仿真很顺利的出了结果，接下来是论文的撰写，虽然已不是第一次撰写论文，但很多细节还是容易忽略，我们本着认真严谨的态度，经过反复修改，最终完成了撰写。通过这次课程设计，不仅使以前学过的知识的到了巩固和实际应用，而且在调