RC正弦波振荡器设计实验

综合设计 正弦波振荡器的设计与测试
一．实验目的
1． 掌握运用Multisim 设计RC 振荡电路的设计方法 2． 掌握RC 正弦波振荡器的电路结构及其工作原理 3． 熟悉RC 正弦波振荡器的调试方法
4． 观察RC 参数对振荡器的影响，学习振荡器频率的测定方法 二．实验原理
在正弦波振荡电路中，一要反馈信号能够取代输入信号，即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：..
1AF = 起振条件为..
||1AF > 写成模与相角的形式：..
||1AF = 2A F n πψ+ψ=（n 为整数） 电路如图1所示：
1． 电路分析
RC 桥式振荡电路由RC 串并联选频网络和同相放大电路组成，图中RC 选频网络形成正反馈电路，
决定振荡频率0f 。

1R 、f R 形成负反馈回路，决定起振的幅值条件，1D 、2D 是稳幅元件。

该电路的振荡频率 ： 0f =RC
π21
① 起振幅值条件：311
≥+
=R R A f v ②
式中
d f r R R R //32+= ，d r 为二极管的正向动态电阻
2． 电路参数确定
（1） 根据设计所要求的振荡频率0f ，由式①先确定RC 之积，即 RC=
21
f π ③ 为了使选频网络的选频特性尽量不受集成运算放大器的输入电阻i R 和输出电阻o R 的影响，应使
R 满足下列关系式：i R >>R>>o R 一般i R 约为几百千欧以上，而o R 仅为几百欧以下，初步选定R 之后，由式③算出电容C 的值，然后再算出R 取值能否满足振荡频率的要求
（2） 确定1R 、f R ：电阻1R 、f R 由起振的幅值条件来确定，由式②可知f R ≥21R ， 通常
取f R =（2.1~2.5）1R ，这样既能保证起振，也不致产生严重的波形失真。

此外，为了减小输入失调电流和漂移的影响，电路还应满足直流平衡条件，即：
R=1R //f R
（3） 确定稳幅电路：通常的稳幅方法是利用v A 随输出电压振幅上升而下降的自动调节作用实
现稳幅。

图1中稳幅电路由两只正反向并联的二极管1D 、2D 和电阻3R 并联组成，利用二极管正向动态电阻的非线性以实现稳幅，为了减小因二极管特性的非线性而引起的波形失真，在二极管两端并联小电阻3R 。

实验证明，取3R ≈d r 时，效果最佳。

三．实验任务
1．预习要求
（1） 复习RC 正弦波振荡电路的工作原理。

（2） 掌握RC 桥式振荡电路参数的确定方法 2． 设计任务
设计一个RC 正弦波振荡电路。

其正弦波输出要求：
（1） 振荡频率：接近500Hz 或1kHz 左右，振幅稳定，波形对称，无明显非线性失真 （2）* 振荡频率：50Hz~1kHz 可调，其余同（1）
四．实验报告要求
1． 简述电路的工作原理和主要元件的作用 2． 电路参数的确定
3． 整理实验数据，并与理论值比较，分析误差产生的原因 4． 调试中所遇到的问题以及解决方法 五．思考题
1． 在RC 桥式振荡电路中，若电路不能起振，应调整哪个参数？若输出波形失真应如何调整？
2． 简述图-1中21D D 和的稳幅过程。

六．仪器与器件
仪器： 同实验2 单管
器件： 集成运算放大器μA741 二极管 1N4001 电阻 瓷片电容 若干
举例说明：实验内容 1.连接选频网络测量RC串并联选频电路的幅频特性和相频特性,
R2 33k R3
1k
C1
0.01uF
C2
0.1uF
C3
0.01uF
C4
0.1uF
R5
33k
R6
1k
5
4
XFG1
XBP1
IN OUT
XSC1
A B
Ext Trig
+
+
_
_+_
7 1
V: -40.4 mV
V(峰-峰): 667 mV
V(有效值): 236 mV
V(直流): 3.66 uV
I:
I(峰-峰):
I(有效值):
I(直流):
频率: 1.56 kHz V: -108 mV
V(峰-峰): 2.00 V
V(有效值): 707 mV
V(直流): 12.1 uV
I:
I(峰-峰):
I(有效值):
I(直流):
频率: 1.56 kHz
反馈系数：
.
.
.
1
//
1
111
//3()
f
o
R
U j C
F
U R R RC
j C j C RC
ω
ω
ωωω
===
+++-
令
1
o
RC
ω=，则
1
2
o f RC
π
=代入上式，得出：
.1
3()o
o
F
f f
j
f f
=
+-
幅频特性为：
.
2
2
||
()
3
F
f fo
fo f
=
+-
相频特性为：
1
arctan()
3
o
F
o
f f
f f
ψ=--
当
1
2
o
f f
RC
π
==时，
.1
3
F=，即
..
1
||||
3
f o
U U
=，0o
F
ψ=。

6
11
2210000.110
o f RC
ππ-
==
⨯⨯⨯
=1.59155kHz
2.运算放大器组成的RC 桥式正弦波振荡器.
利用电流增大时二极管动态电阻减小，电流减小时二极管动态电阻增大的特点，加入非线性元件，从而使输出电压稳定，此时比例系数为311
≥+
=R R A f v d f r R R R //32+=
改变串并联电路的参数，调节Rp，使电路产生正弦振荡。

用示波器观察其输出波形，然后测出振荡频率。

U1
741
3
2
4
7
6
5
1
D1
DIODE_VIRTUAL
D2
DIODE_VIRTUAL
R1
1k
R2
33k
R3
100k
C1
0.01uF
C2
0.1uF
Rp
10K_LIN
Key = A
70%
C3
0.01uF
C4
0.1uF
R4
10k
R5
33k
R6
100k
VCC
12V
VEE
-12V
VEE
VCC
1
2
45
7
XSC1
A B
Ext Trig
+
+
_
_+_
38
V: 3.98 V
V(峰-峰): 19.2 V
V(有效值): 6.88 V
V(直流): -12.9 mV
I:
I(峰-峰):
I(有效值):
I(直流):
频率: 15.8 Hz
V: 1.22 V
V(峰-峰): 6.50 V
V(有效值): 2.29 V
V(直流): -5.68 mV
I:
I(峰-峰):
I(有效值):
I(直流):
频率: 15.8 Hz
U1
7413
2
4
7
6
51D1
DIODE_VIRTUAL
D2DIODE_VIRTUAL
R11k
R233k
R31k
C1
0.01uF C2
0.1uF
Rp
10K _LIN Key = A
70%C3
0.01uF C40.1uF
R4
10k
R533k
R61k
VCC 12V VEE -12V VEE VCC 1
24507
XSC1
A
B
Ext Trig
+
+
_
_
+
_
3
8 V: 9.12 V
V(峰-峰): 19.2 V V(有效值): 6.89 V V(直流): 3.62 mV I:
I(峰-峰): I(有效值): I(直流):
频率: 1.57 kHz
V: 3.08 V
V(峰-峰): 6.50 V V(有效值): 2.29 V V(直流): -4.40 uV I:
I(峰-峰): I(有效值): I(直流):
频率: 1.57 kHz
3.放大电路电压放大倍数Auf 的测定
① 用毫伏表先测出图中电路的输出电压U0后，再测出运放同相输入端的电压U1值，根据下式计算
Auf=U0/UI=？
② 保持R P 不变，把低频信号发生器输出电压（频率同上述实验的产生频率）接至运放的同相输入端，调节Ui 使U0等于原值，用毫伏表测出此时的Ui 值，则Au=U0/Ui=？比较上述
放大倍数有何误差，并进行分析
33K 0.01uF
100K 0.1uF。