RC电容震荡器电路课程设计

年4月19日RC电容震荡器电路课程设计文档仅供参考摘要本次课程设计的目标是设计一个RC电容振荡电路。RC振荡电路由放大电路和选频网络两部分组成,施加正反馈就产生振荡，振荡频率由RC网络的频率特性决定。它的起振条件为：Rf>2R1，振荡频率为：fo=1/2πRC。运算放大器选用LM741CN,采用非线性元件来自动调节反馈的强弱以维持输出电压的恒定，进而达到自动稳幅的目的，这样便能够保证输出幅度为2Vp-p；而频率范围的确定是根据式fo=1/2πRC以及题目给出的频率范围来确定电阻R或电容C的值，进而使其满足题目的要求。关键词：RC振荡电路、振荡频率、输出幅度目录1设计任务与要求 11.1课程设计的目的 11.2课程设计的任务与要求 11.3课程设计的技术指标 12电路原理及分析 22.1电路组成 22.2正弦波振荡电路的基本工作原理 32.2.1产生正弦振荡的条件 32.2.2正弦波振荡=电路的组成判断及分类 32.2.3判断电路是否振荡的方法 32.2.4正弦波振荡电路的检验 42.3振荡电路中的负反馈 42.4RC串并联网络的选频特性 43、设计方案与比较 73.1RC移相振荡电路 73.2RC串并联网络的文氏电桥振荡电路 73.3双T选频网络振荡电路 74参数计算及器件选择 84.1器件的选择 84.2理论数据处理 84.3实验数据处理 84.4理论数据与实验数据的对比 84.5误差分析 85仿真与调试 95.1仿真软件Multisim11.0 95.2电路的仿真 115.3仿真电路的调试和结果 116实物图 137结论和心得总结 14致谢 16参考文献 17附录 181设计任务与要求1.1课程设计的目的1.掌握由集成运算放大器组成RC正弦波振荡电路的工作原理和电路结构。2.掌握RC桥式正弦波振荡电路的仿真调测。3.进一步掌握用双踪示波器的使用方法。4.掌握常见元器件的识别和测试。5.熟悉常见仪表。6.掌握电路板的焊接，以及元件在电路板上的插法。1.2课程设计的任务与要求1．设计一个f0=1.6KHz的RC正弦波振荡电路。2．对设计电路进行仿真。3．按照完成的仿真电路进行实物焊接。4．焊接后的电路板在示波器上进行检测。5．进行课程设计总结。1.3课程设计的技术指标要求输出波形：正弦波。2．输出频率：1.6KHz。2电路原理及分析本次课程设计主要是是设计一个RC正弦波振荡器，电路图如下：2.1电路组成(1)放大电路具有一定的电压放大倍数．其作用是对选择出来的某一频率的信号进行放大。根据电路需要可采用单级放大电路或多级放大电路。(2)反馈网络是反馈信号所经过的电路，其作用是将输出信号反馈到输入端，引入自激振荡所需的反馈，一般反馈网络由线性元件R.L和C按需要组成。(3)选频网络具有选频的功能，其作用是选出指定频率的信号，以便使正弦波振荡电路实现单一频率振荡。选频网络分为LC选频网络和RC选频网络。使用LC选频网络的正弦波振荡电路，称为LC振荡电路；使用RC选频网络的正弦波振荡电路，称为RC振荡电路。选频网络能够设置在放大电路中，也能够设置在反馈网络中。(4)稳幅环节具有稳定输出信号幅值的作用，以便使电路达到等幅振荡，因此稳幅环节是正弦波振荡电路的重要组成部分。2.2正弦波振荡电路的基本工作原理2.2.1产生正弦振荡的条件正弦波产生电路的目的就是使电路产生一定频率和幅度的正弦波，一般在放大电路中引入正反馈，并创造条件，使其产生稳定可靠的振荡。正弦波产生电路的基本结构是：引入正反馈的反馈网络和放大电路。其中：接入正反馈是产生振荡的首要条件，它又被称为相位条件；产生振荡必须满足幅度条件；要保证输出波形为单一频率的正弦波，必须具有选频特性；同时它还应具有稳幅特性。因此，正弦波产生电路一般包括：放大电路、反馈网络、选频网络、稳幅电路部分。2.2.2正弦波振荡=电路的组成判断及分类（1）放大电路：保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，电路获得一定幅值的输出值，实现自由控制。（2）选频网络：确定电路的振荡频率，是电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。（3）正反馈网络：引入正反馈，使放大电路的输入信号等于其反馈信号。（4）稳幅环节：也就是非线性环节，作用是输出信号幅值稳定。2.2.3判断电路是否振荡的方法（1）是否满足相位条件，即电路是否正反馈，只有满足相位条件才可能产生振荡；（2）放大电路的结构是否合理，有无放大能力，静态工作是否合适；（3）是否满足幅度条件。2.2.4正弦波振荡电路的检验(1)|AF|<1，则电路不可能振荡；(2)|AF|>1，则电路能够振荡，可是会出现明显的非线性失真，需要加强穏幅环节的作用；(3)|AF|=1，则电路能够振荡。振荡电路在起振过程中，要求|AF|>1，这样才能保证振荡信号的幅度不断加大。而在起振过程完成后，必须使|AF|=1，电路能够维持振荡。2.3振荡电路中的负反馈根据以上分析可知，RC串并联网络振荡电路中，只要达到|A|>3，即可满足正弦波振荡的起振条件。但|A|值又不能太大，否则振荡太强，将超出放大电路的线性区而产生严重的失真。放大电路中引入了较深的电压串联负反馈，它的作用不但能够提高放大倍数的稳定性，改进振荡电路的输出波形，而且能够进一步提高放大电路的输入电阻，降低输出电阻，从而减小了放大电路对RC串并联网络选频特性的影响，提高了振荡电路的带负载能力。因此，振荡电路的振荡频率即为RC串并联网络的f0=1/2πRC，调节R和C就能够改变振荡频率。改变电阻RF或R＇阻值的大小能够调节负反馈的深度。RF愈小，则负反馈系数F=R＇/(R＇+RF)愈大，负反馈深度愈深，放大电路的电压放大倍数愈小；反之，RF愈大，则负反馈系数F愈小，即负反馈深度愈弱，放大电路的电压放大倍数愈大。如果电压放大倍数太大，则可能输出幅度太大，是振荡波形产生明显的非线性失真，应调节RF和R＇的阻值，使振荡电路产生稳定而失真较小的正弦波信号。2.4RC串并联网络的选频特性假设U的频率能够调整。当信号的频率很低时，对于串联支路来说，有1/(ωC1)>>R1,对于并联支路来说，有1/(ωC2)>>R2。这时，Uf比U超前某一角度，这一角度小于90º。当信号的频率很高时，对于串联支路来说，有1/(ωC1)<<R1,对于并联支路来说，有1/(ωC2)<<R2。这时，Uf比U滞后某一角度，这一角度也小于90º。我们知道，当RC串并联网络输入信号U的频率从低频到高频连续变化时，其输出信号Uf与输入信号U之间将产生一个从超前90º到滞后90º连续变化的信号。因此，一定存在着某一频率，使得与之间既不超前，也不滞后，两者相位相同。下面对RC串并联网络的频率进行定量分析。在电路中，Z1为R1、C1的串联阻抗，则Z1=R1+1/(jωC1)Z2为R2、C2的并联阻抗，则Z2=R2∥1/(jωC2)=R2/(1+jωR2C2)电路的传输增益可表示为=Uf/U=Z2/(Z1+Z2)即（一般，取R1=R2=R,C1=C2=C）令，则上式为由此可得的幅频特性为||=的相频特性为由上式可得RC串并联正反馈网络的幅频特性和相频特性的表示式和相应曲线。ωωφF-9090相频特性曲线幅频特性曲线ω01/3ωω0由特性曲线图可知，当ω＝ω0＝1/RC时，正反馈系数||达最大值为1/3，且反馈信号Uf与输入信号U同相位，即φF＝0，满足振荡条件中的相位平衡条件，此时电路产生谐振ω＝ω0＝1/RC为振荡电路的输出正弦波的角频率，即谐振频率fo为当输入信号的角频率低于ω0时，反馈信号的相位超前，相位差φF为正值；而当输入信号的角频率高于ω0时，反馈信号的相位滞后，相位差φF为负值。正是利用RC串并联网络这一选频特性，构成了RC正弦波振荡电路。3、设计方案与比较常见的RC正弦波振荡电路的设计方案与特点比较常见的RC正弦波振荡电路有桥式、移相式和双T式三种振荡电路。3.1RC移相振荡电路RC移相振荡电路原理，电阻选择R>>Ri。振荡频率f0=1/（2π√6RC）；起振条件是基本放大电路A的电压放大倍数|A|﹥29；电路特点是结构简单，但选频作用差，振幅不稳，频率调节不便，频率范围是几赫兹到十几千赫兹，一般用于频率固定且稳定性要求不高的场合。3.2RC串并联网络的文氏电桥振荡电路RC串并联网络振荡电路原理，电路的振荡频率f0=1/（2πRC）；起振条件是|A|﹥3；电路的特点是：能连续改变振荡频率，便于加负反馈稳幅，振荡波形稳定不失真。3.3双T选频网络振荡电路双T选频网络振荡器原理，电路的振荡频率是f0=1/5RC；起振条件是R'﹤R/2，|A|﹥1；电路的特点：选频特性好，调频比较困难，适于产生单一频率的振荡。4参数计算及器件选择4.1器件的选择购买的各种元件中，选出合适的方便制作电路的各个元件R1=R2=R3=R4=3K，Rw=[0，10K]，50%C1=C2=33nf，集成运算放大器一个，二极管两个4.2理论数据处理由f0=1/(2πRC)得f0=1/（2π×3000×33^(-9)）=1607.6Hz则产生频率为1607.6Hz的正弦波4.3实验数据处理仿真得到的数据为1.60KHz4.4理论数据与实验数据的对比理论数据与实际数据很接近可是并不相同4.5误差分析1.电阻值存在轻微误差。2.示波器可能使用比较久了，波形会有误差。3.电路中电容存在轻微误差。4.导线之间相互影响。5.外界噪声，温度等因素的影响。5仿真与调试5.1仿真软件Multisim11.0NIMultisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为Windows下运行的个人桌面电子设计工具，NIMultisim是一个完整的集成化设计环境。NIMultisim计算机仿真与虚拟仪器技术能够很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学员能够很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，而且能够用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。NIMultisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。NIMultisim11.0具有以下特点：1)直观的图形界面整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的。2)丰富的元器件提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创立模型等功能，创立自己的元器件。3)非常强大的仿真能力以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，经过Electronicworkbench带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。4)丰富的测试仪器提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量：Multimeter(万用表)、FunctionGeneratoer(函数信号发生器)、Wattmeter(瓦特表)、Oscilloscope(示波器)、BodePlotter(波特仪)、WordGenerator(字符发生器)、LogicAnalyzer(逻辑分析仪)、LogicConverter(逻辑转换仪)、DistortionAnalyer(失真度仪)、SpectrumAnalyzer(频谱仪)、NetworkAnalyzer(网络分析仪)、MeasurementPribe(测量探针)、FourChannelOscilloscope(四踪示波器)、FrequencyCounter(频率计数器)、IVAnalyzer(伏安特性分析仪)、AgilentSimulatedInstruments(安捷伦仿真仪器)、AgilentOscilloscope(安捷伦示波器)、TektronixSimulatedOscilloscope(泰克仿真示波器)、Voltmeter(伏特表)、Ammeter(安培表)、CurrentProbe(电流探针)、LabVIEWInstrument(LabVIEW仪器)、这些仪器的设置和使用与真实的一样，动态互交显示。除了Multisim提供的默认的仪器外，还能够创立LabVIEW的自定义仪器，使得图形环境中能够灵活地可升级地测试、测量及控制应用程序的仪器。5)完备的分析手段Multisimt提供了许多分析功能：DCOperatingPointAnalysis（直流工作点分析）、ACAnalysis（交流分析）、TransientAnalysis（瞬态分析）、FourierAnalysis（傅里叶分析）、NoiseAnalysis（噪声分析）、DistortionAnalysis（失真度分析）、DCSweepAnalysis（直流扫描分析）、DCandACSensitvityAnalysis（直流和交流灵敏度分析）、ParameterSweepAnalysis（参数扫描分析）、TemperatureSweepAnalysis（温度扫描分析）、TransferFunctionAnalysis（传输函数分析）、WorstCaseAnalysis（最差情况分析）PoleZeroAnalysis（零级分析）、MonteCarloAnalysis（蒙特卡罗分析）、TraceWidthAnalysis（线宽分析）、NestedSweepAnalysis（嵌套扫描分析）、BatchedAnalysis（批处理分析）、UserDefinedAnalysis（用户自定义分析），它们利用仿真产生的数据执行分析，分析范围很广，从基本的到极端的到不常见的都有，并能够将一个分析作为另一个分析的一部分的自动执行。集成LabVIEW和Signalexpress快速进行原型开发和测试设计，具有符合行业标准的交互式测量和分析功能。6)独特的射频(RF)模块提供基本射频电路的设计、分析和仿真。射频模块由RF-specific（射频特殊元件，包括自定义的RFSPICE模型）、用于创立用户自定义的RF模型的模型生成器、两个RF-specific仪器（SpectrumAnalyzer频谱分析仪和NetworkAnalyzer网络分析仪）、一些RF-specific分析（电路特性、匹配网络单元、噪声系数）等组成。7)强大的MCU模块支持4种类型的单片机芯片,支持对外部RAM、外部ROM、键盘和LCD等外围设备的仿真，分别对4种类型芯片提供汇编和编译支持；所建项目支持C代码、汇编代码以及16进制代码,并兼容第三方工具源代码；包含设置断点、单步运行、查看和编辑内部RAM、特殊功能寄存器等高级调试功能。8)完善的后处理对分析结果进行的数学运算操作类型包括算术运算、三角运算、指数运行、对数运算、复合运算、向量运算和逻辑运算等。9)详细的报告能够呈现材料清单、元件详细报告、网络报表、原理图统计报告、多余门电路报告、模型数据报告、交叉报表7种报告。10)兼容性好的信息转换提供了转换原理图和仿真数据到其它程序的方法，能够输出原理图到PCB布线（如Ultiboard、OrCAD、PADSLayout、P-CAD和Protel）；输出仿真结果到MathCAD、Excel或LabVIEW；输出网络表文件；向前和返回注；提供InternetDesignSharing。5.2电路的仿真仿真电路如下图：5.3仿真电路的调试和结果5.3.1调试使仿真输出波形为正弦波5.3.2仿真运行结果如下：第一个图为输出波形在频率计中测量的频率第二个图为示波器输出波形6实物图如上图，得到了正弦波，说明了电路起振，并有稳定的正弦波形输出，与仿真波形基本一致，并不完全相同说明有噪声，温度等外界因素的影响。下图为焊接后的电路板7结论和心得总结这次的课程设计历时三个星期左右，经过这三个星期的学习和努力，设计也基本上完成了。在这三个星期的学习过程中，我发现了自身的很多不足，自己知识上存在很多的漏洞，看到了自己在知识合理综合运用能力方面还是比较缺乏。虽然知道这份设计其中必定依然存在许许多多的错误和毛病，但在完成的时候始终还是会有那么一点点的欣慰，因为真正的用心做了，努力的付出过。最后做的或许还是很差强人意，希望老师能够原谅，以后我一定会更加努力的！在将近两个多星期的时间里，我真正的体会到了学习的乐趣：翻阅资料，复习以前学过的相关学科知识，奔波于图书管和自习室，上网查找相关资料……为了完成这次课程设计确实很辛苦，但苦中有乐，每当解决了一个问题，攻克了一个难关，都感到欣喜异常这次的课程设计让我认识到自己在学习上的不足，如以前学过的电路分析基础、模拟电子技术基础、数字电子基础，还有电子电工实习上所学到的东西在这次的课程设计上都有运用，但当要用到这些知识时我明显的感觉到基础知识的缺乏，以致做的很吃力，这让我明白了：我一定要付出更多的努力，学好每一门学科，为以后的学习和工作打下坚实的基础。经过本次实验，使我学会了集成运算放大器组成RC正弦波振荡电