RC正弦波振荡器课程设计

通信专业课程设计二

太原科技大学

课程设计（论文）设计(论文)题目：RC正弦波振荡器的设计

姓名姚青叶

学号 200915030131

班级通信091501

学院电子信息工程学院

指导教师郭一娜

2013年 1 月 4 日

太原科技大学课程设计（论文）任务书

学院（直属系）：电子信息工程学院时间： 2012年12月19日文氏电桥振荡电路起振条件为：振荡频率为：

RC 正弦波振荡器

摘要

本设计的主要电路采用文氏电桥振荡电路。如图1-1文氏桥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：，振荡频率为：。运算放大器选用LM741CN,采用非线性元件（如温度系数为负的热敏电阻或JFET）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，这样便可以保证输出幅度为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：文氏电桥、振荡频率、LM741CN、JFET

目录

摘要………………………………………………………………………………… I

第1章系统方案选择和论证 (1)

1.1系统基本方案 (1)

1.1.1 正弦波振荡电路的选择与论证 (2)

1.1.2 稳幅控制的选择与论证 (2)

1.1.3 运算放大器的选择 (2)

1.1.4 最终的方案选择 (2)

第2章主要电路设计 (8)

2.1文氏电桥振荡电路的设计与主要特性 (8)

2.1.1 RC选频网络及其特性..................................... . (9)

2.1.2 集成运放电路 (11)

2.1.3 分立电路 (12)

2.2 RC文氏桥振荡电路的稳幅过程 (13)

2.2.1 热敏电阻的稳幅过程 (13)

2.2.2 JFET的稳幅过程 (14)

2.3 振荡频率和输出幅度的计算 (15)

第3章系统测试 (15)

3.1正弦波 (15)

3.2正弦波转化为方波 (15)

3.3方波转化为三角波 (16)

3.4三角波转化为正弦波 (17)

第4章结论 (18)

心得体会 (18)

参考文献 (19)

附录：元件清单 (20)

第1章系统方案选择和论证

1.1 系统基本方案

1.1.1 正弦波振荡电路的选择与论证

本设计选用文氏电桥振荡电路。如图1.1。

图1.1 RC桥式振荡电路

这种电路的特点是：它由放大器即运算放大器与具有频率选择性的反馈网络构成，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：。它的振荡频率为：。

1.1.2 稳幅控制的选择与论证

方案一：采用硅二极管来组成限幅电路。这种电路的温度特性较差（温度升高输出振幅下降），几乎没有实用价值。故不采用。

方案二：采用发光二极管LED组成限幅电路。LED是利用其正向电压与稳定的温度特性，它的正向电压比通常的硅二极管大，温度特性比三个串联的二极管

要稳定的多。但该种电路的振幅稳定度和波形失真率都不太好，故不采用此方案。

方案三：在放大电路的负反馈回路里采用非线性元件来自动调整反馈的强弱以维持输出电压恒定。例如，在图1-1所示的电路中，Rf可用一温度系数为负数的热敏电阻代替。当输出电压|V0|增加时，通过负反馈回路的电流|If|也随之增加，结果使热敏电阻的阻值减小，负反馈加强，放大电路的增益下降，从而使输出电压|V0|下降;反之，当|V0|下降时，由于热敏电阻的自动调整作用，将使|V0|回升，因此，可以维持输出电压的恒定。也可利用JTFET工作在可变电阻区。当JFET的漏源电压Vds较小时，它的漏源电阻Rds可通过栅极电压来改变。因此，可利用JFET进行稳幅。该电路频率稳定度由使用的电容的温度系数决定，而振幅稳定度和波形失真率都得到改善。

方案四：采用可编程模拟电路提供单片机正弦振荡器的设计方案。

1.1.3 运算放大器的选择

考虑到综合性能和题目要求的关系这里我们选用LM741CN作为运算放大。

1.1.4 最终的方案选择

文氏电桥振荡电路适用的频率范围为几赫兹到几百千赫兹，可调范围宽，电路简单易调整，同时波形失真系数为千分之几。很适合我们题目的要求。故采用文氏电桥振荡电路以及利用非线性元件来控制电压，起到稳幅的作用。选用LM741CN作为运算放大器。

正弦波发生器的工作原理

图1.2正弦波发生器的工作原理

1.产生正弦波振荡的条件：在正弦波振荡电路中，一要反馈信号能取代输入信号，而若要如此，电路中必须引入正反馈；二要有外加的选频网络，用以确定振荡频率。正弦波振荡的平衡条件为:A F=1写成模与相角的形式为使输出量在合闸后能够有一个从小到大直至平衡在一定幅值的过程。

2.正弦波振荡电路的组成

a.放大电路

b.选频网络

c.正反馈网络

d.稳幅环节

3.判断电路是否可能产生正弦波的方法和步骤

a.观察电路是否包含了放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节四部分。

b.判断放大电路能否正常工作，即是否有合适的静态工作点且动态信号是否

能输入、输出和放大。

c.利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦振荡的相位条件。

d.判断电路是否满足正弦振荡波的幅值条件，即是否满足起振条件。

4.RC桥式正弦波振荡电路

由RC串并联选频网络和同相比例运算电路所构成。正反馈网络的反馈电压Uf是同相比例运算电路的输入电压，因而要把同相比例运算电路作为整体看成电压放大电路，它的比例系数是电压放大倍数，根据起振条件和幅值平衡条件

Au=U0/Up=1+R f/R l>=3

R f>=2R1

正弦波—方波工作原理

图1.3 正弦波—方波工作原理

在RC桥式正弦波振荡电路后加一个过零比较器。

过零比较器的阈值电压U t=0V。集成运放工作在开环状态，其输出电压为+U om 或-U om。当输入电压u i<0V时，U o=+U om;当u i>0V时，U0=-U0m。

其中RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充放电实现输出状态的自动转换。

方波—三角波工作原理

图1.4方波—三角波工作原理

在方波发生电路中，当过零比较器的阈值电压数值较小时，可将电容两端的电压看成近似三角波。但是，一方面这个三角波的线性度较差，另一方面带负载后使电路的性能产生变化。只要将方波电压作为积分运算电路的输入，在其输出就得到三角波电压。

三角波—正弦波工作原理

在三角波电压为固定频率或频率变化范围很小的情况下，可以考虑采用低通滤波器的方法将三角波变换为正弦波。低通滤波器的通带截止频率应大于三角波的基波频率且小于三角波的三次谐波频率。

工作原理图：

图1.5工作原理图

第2章. 主要电路设计

2.1 文氏电桥振荡电路的设计与主要特性

RC文氏电桥振荡电路是以RC选频网络为负载的振荡器，其模型框图如图2.1

图2.1 RC振荡器框图

这个电路由两部分组成，即放大电路和选频网络。放大电路由集成运放所组成的电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。而选频网络则由Z1、Z2组成，同时兼做正反馈网络。由图1-1可知，Z1、Z2和R1、Rf 正好形成一个四臂电桥电桥的对角线顶点接到放大电路的两个输入端，桥式振荡电路由此得来。

2.1.1 RC选频网络及其特性

如图2.2（a）

图2.2 Rc选频网络

RC选频网络的传输函数为：

令：R1=R2=R C1= C2=C

RC串并联选频网络具有选频作用，它的频率响应特性由明显的峰值。

反馈网络的反馈系数为：

（2.1）

当ω=ωo(谐振频率)=1/R C时,F v=1/3(φf=0)

(1)幅频特性曲线

如图2.2(b)

由上式：

ω=ωo时：F v(ωo)=1/3(最大)

ω<ωo时：当ω→0 ，F v(ω)→0

ω>ωo时：当ω→∞，F v(ω)→0

由上图可见,当时,达到最大值并等于1/3,相位移为00,输出电

压与输入电压同相,对于该频率,所取的输出电压即幅度是最大的,所以RC串并联网络具有选频作用.

(2)相频特性曲线

如图2.2（b）

①ω<ωo时(ω减小)

X c1>>R1 ,C1与R1串联→ X c1

X c2>>R2 ,C2与R2并联→ R1

则：v o超前v s相位φ(ω→0时,φ→+π/2)

②ω>ωo时(ω增大)

X c1<

X c2<

则：v o滞后v o相位-φ(ω→∞时,φ→-π/2)

③ω=ωo时，v o与v o同相

2.1.2 集成运放电路

如图2.3

图2.3集成运放文氏电桥振荡器

(1) 正反馈支路→运放+端

ω=ωo=1/RC时，相位平衡(φf=0)

由振幅平衡条件：A v F v=1

已知：F v'= F+=1/3

故要求：A v≥3(A v应≥反馈量)

(2) 负反馈支路→运放-端

作用：改善波形，稳定振幅，

R t(热敏电阻)进行温度补偿。

F-=R1/(R t+R1)

(3) 总反馈系数

（2.2）注意：运放的R i、R o均与RC网络并接，对网络的影响较大。

2.1.3 分立电路

如图2.4

图2.4 分立器件文氏电桥振荡器

注意：

(1)为满足相位条件(φ=2nπ)，放大器应为2级(或偶数级)；

(2)VT1的R i小，VT2的R o对网络影响较大，可采用场效应管。

2.2 RC文氏桥振荡电路的稳幅过程

2.2.1 热敏电阻的稳幅过程

RC桥式振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻Rf实现的。Rf是负温度系数热敏电阻，当输出电压升高，Rf上所加的电压升高，即温度升高，Rf的阻值减小，负反馈增强，输出幅度下降，反之输出幅度增加。若热敏电阻是负温度系数，应放置在R1的位置.

（1）若该电路RF为一固定电阻, 放大器Au为常数.

起振时:则要求

振荡平衡:则要求,只有当运算放大器进入非线性工作区才能使增益下降达到平衡条件,从而产生严重失真现象.

（2）若该电路RF为一负温度系数的热敏电阻

起振时:由于信号较弱,热敏电阻RF处于冷态,阻值比较大, 放大器Au值较大满

足,很快振荡建立.

振荡平衡: 随信号增强,热敏电阻RF温度升高,阻值减小, 放大器Au值自动下降,

在运算放大器还末进入非线性工作区时,达到平衡条件.

2.2.2 JFET的稳幅过程

利用JFET工作在可变电阻区，当JFET的漏源电压Vds较小时，它的漏源电阻Rds可通过栅极电压来改变。如图1-6。图中负反馈网络由Rp3、R3和JFET 的漏源电阻Rds组成。正常工作时，输出电压经二极管D整流和R4、C3滤波后，通过R4、R5、Rp4为JFET栅极提供控制电压。当幅值增大时，Vgs变负，Rds 将自动加大以加强负反馈。反之亦然。这样，达到自动稳幅的目的。

电路调整时，一般只需调整Rp3或Rp4，就可使失真最小。

2.3 振荡频率和输出幅度的计算

从正弦稳态的工作情况来看，振荡频率是由相位平衡条件所决定的，由RC 选频网络的选频特性可知，只有当ω=ωo=1/RC,θf=0°,θa=0°时，才满足相位平衡条件，所以振荡频率由式 fo=1/2πRC 决定。当适当调整负反馈的强弱，使Av的值在起振时略大于3时，达到稳幅时Av=3,输出波形为正弦波，失真很小。如图2.5 此时，电路的频率由电阻R1、Rp1、R2、Rp2、C11、C12、C13、C21、C22、C23决定，即fo=1/2πRC。根据题目要求，电路的频率范围为10Hz-10000Hz，电阻取值如图2.5。当开关打在C13和C23上时，由fo=1/2πRC 可得此时电路振荡频率最低约为10Hz，当开关打在C11和C21上时，由fo=1/2πRC可知此时电路振荡频率最高约为10000Hz。而输出电压约为1V，即输出幅度为2Vp-p

图2.5 JFET稳幅音频信号产生电路

第3章．系统测试3.1正弦波

3.1正弦波

3.2正弦波转化为方波

3.2正弦波转化为方波

3.3 方波转化为三角波

图3.3 方波转化为三角波3.4三角波转化为正弦波

图 3.4三角波转化为正弦波

第4章. 结论

4.1 心得体会

这次的课程设计历时两个星期左右，通过这两个星期的学习和努力，设计也基本上完成了。在这两个两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，希望老师可以原谅，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，当翻了好多资料终于找到RC文氏电桥正弦波振荡电路的资料时，心中不免一阵兴奋，开心不已。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。只有劳动才能让我们感到充实。虽然这只是一次简单的课程设计，但平心而论，也耗费了不少的时间和心血，这就让我不得不佩服那些搞电子电路设计前辈们，他们为我们做出了多么大的贡献，奉献了多少时间和心血啊！

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。

这次的课程设计，不仅使我在知识上获得了收获，精神上更是获得了更大的激励。让我明白了学无止尽的道理。我们每个人都不应该满足于现有的成就，人生就像是在攀登，当你攀登到一座山峰的顶端时，你会发现还有更多更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次的课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆。

感谢老师可以给我们这样的一个学习的机会。