实验十 基于运放的信号发生器实验(400HZ~100KHZ)

任务书
【实验名称】基于运放的信号发生器设计
【设计任务】本课题要求使用集成运算放大器制作正弦波发生器，在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电路。

【设计要求】
1、采用经典振荡电路，产生正弦信号，频率范围400Hz~100kHz
2、双电源供电
3、信号经过放大、驱动电路，可在1KΩ负载条件下：
（1）正弦波最大峰-峰值3V，幅值可调，谐波失真小于3%
【提供元器件】
1、运算放大器LM324
4、二极管
5、电阻电容电位器同轴电位器
一设计思路与解决方法
模电实验报告
设计要求①：采用经典振荡电路，产生正弦信号，频率范围100Hz~100kHz
解决方案：使用运算放大器LM324，组成由基本放大电路，选频网络，正反馈网络构成的经典振荡电路，产生自激振荡的正弦波。

使用同轴电位器，对信号的频率范围进行调节，使其在100Hz~100kHz时可产生幅值不变的正弦波。

设计要求②：双电源供电
解决方案：选取数电箱的两个15V电压输出，将第一组的+15V端接在LM324的4管脚（即运放器的Vcc端）；第一组的-15V接在第二组的+15V端，再将第二组的+15V端接地；第二组的-15V端接在LM324的11管脚（即运放器的GND端）
设计要求③：信号经过放大、驱动电路，可在1KΩ负载条件下：（1）正弦波最大峰-峰值3V，幅值可调，谐波失真 3%
2.1经典振荡器部分
经典振荡器部分由基本放大电路，选频网络，正反馈网络组成。

其中，基本放大电路作用：使电路获得一定幅值的输出量；选频网络作用：确定电路的振荡频率，保证电路产生正弦波振荡；正反馈网络作用：在振荡电路中,当没有输入信号的情况下,输入正反馈信号作为输入信号。

一．实验原理
振荡电路有RC正弦波振荡电路、桥式振荡电路、移相式振荡电路和双T网络式振荡电路等多种形式。

其中应用最广泛的是RC桥式振荡电路，电路如图
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，
该电路的振荡频率，D1、D2为稳压管。

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） 确定R 、C 值
根据设计所要求的振荡频率0f ，由式①先确定RC 之积，即
RC=021f 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 和f R 应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。

（1） 经典振荡电路实际出来的正弦波：
由于理论与实际的差别，实际的波形实践起来效果并不理想，比如振荡频率不高及停振等，尤其是在使用LM324制作振荡器时波形出现严
重失真。

所以在接连电路前，我们组查阅资料，整理出了常见的正弦波失真问题及解决方法：
①削波失真：该种失真的明显特点是波形顶部变得平直。

波形的幅
度很大，接近电源电压。

造成这种失真的原因，大多是反馈电阻值过大，使电路的增益过大，致使输出电压峰值太大，严重时会随着反馈电阻值的增大，输出波形将变得极像方波。

解决这种失真的方法：减小反馈网络的总电阻而过分地减小又将使电路不能起振，因此它的大小非常关键，在不确定电阻值大小的情况下，可先使用电位器代替，通过细调电位器，将波形调到一个最好效果即可。

②停振现象：在实际制作中，由于元器件本身的质量和精度问题，
也会使振荡器的制作效果大打折扣在电路中，我们需要调节同轴双联电位器来改变输出正弦波的频率。

顾名思义，双联同轴电位器是由两个电位器组成，通过调节同一个轴达到同步调节两个电阻值的目的器件。

但在实际中，我们发现，双联同轴电位器的两个电阻值并不能时刻保持相等，而是有一个差值，有时候这个差值很大，可达数干欧姆。

差值的存在造成了振荡器在高频时出现停振现象，也就是说。

振荡器的输出信号不能达到较高的频率。

在这种情况下，我们当然可以更换精度和质量更好的双联同轴电位器来解决。

但为节省成本，我们在实践中发现，如果用两个小、
电阻分别与双联同轴电位器的两个可变电阻串联，停振问趣即可得蓟狼好的解决，从而使得振荡器的频率得到显著提高。

③“刺突状”失真：这种失真是在使用集成运放LM324制作正弦波
振荡器时无法避免的棘手问题。

一个简单有效的解决办法是，用一只适当阻值的电阻连接在输出端与负电源v 之间，这样可以改善输出端波形的失真，而且随着频率的改变信号的幅度基本稳定。

④稳幅：由于Uo与Uf 具有良好的线性关系，所以为了稳定输出电压
的幅度。

一般在电路中加入非线性环节。

这里．在回路串联两个反向并联的二极管，利用电流增大时二极管动态电阻减少的特点。

加入非线性环节。

从而使输出电压稳定。

于是我们设计的最终的得到适合要求的桥式震荡电路为：
由于实验需要，我们对经典振荡又做了一点修改，使它的产生波形幅值可调并且能消除其波形发生时的突刺壮失真
两级放大部分：
由于芯片324的局限性（增益带宽积）限制，从经典振荡出来的正弦波的幅值在高频段远远没有达到其幅值，故需要用放大器来增加其带宽，由于两级放大的带宽更大，所以采用两级放大。

由于实验的需要，我们把两级放大改为可调的两级放大器：
经过两级放大之后，虽然幅值达到3Vpp，但是它的负载能力有限，由于LM324输出电流有限，一般仅为几十毫安，在电流一定的情况下，为了提高电路的输出功率，一种有效的做法是减小电路的输出阻抗。

一种简单的办法是使用电压跟随器，因为电压跟随器的特点是输入阻抗高，输出阻抗小，可以起到阻抗变换及隔离作用。

跟随器电路如下：
于是，整个电路各个部分组合一起，我们得到最初的电路方案：
但是根据实验需要，我们最终采用的方案如下：
并且我们的仿真电路，实验电路都是按这个图形来实现连线，各个元件参数也是同上图一致。

（）
实物线路图：如下
实验结果：
低频段：
最低频率时
频率288Hz 幅值3Vpp 失真率 3.54%
高频段：
正弦波发生器出来的波形为：
但是经过两级放大之后，波形出现三角波失真：
于是我们经过各种努力，查找相应的资料知道324的部分参数如下：LM324 是四通用运算放大器集成电路。

可在收录机和音响系统中用作音调控制电路，也可广泛用于通信、仪器仪表中。

该电路的特点如下：
内含相位校正回路，外围元件少；
即可双电源工作，也可单电源工作，工作电源电压范围宽；
单电源：VCC=3.0～30.0V；
双电源：VCC=±1.5～±15V；
输入电压范围几乎可低至零电平；
输出电压范围宽，可从0V～VCC-1.5V；
消耗电流小：ICC=0.6mA(RL=∞)；
采用双列直插14 封装（DIP14）；
LM324管脚图
运放应用中的一些实际问题
1不能调零：此时应检查运算放大器是否工作于闭环的负反馈状态。

如果接线有错误，或是虚焊点，以及组件内部损坏，也会使调零电位器失去作用。

如果关断电源又重新接通后即恢复正常（可以调零），则可能是组件出现“堵塞”现象。

２、组件突然损坏
最常见的是组件输出端不慎对地短路或接到某一个电源造成过电流；接入电容负载也容易产生瞬时大电流；电源极性接反或电压值接错也会产生过电流损坏
３、“堵塞”现象：“堵塞”现象又叫“阻塞”或“自锁”现象：闭环工作的运算放大器突然发生工作不正常，输出电压接近于两个极限状态之一，此时组件内部的输出管不是处于饱和状态，就是处于截止状态。

发生“堵塞”时，放大器不能调零，信号也可能加不进去，人们往往误认为组件已损坏。

其实只要切断电源，重新接通，或把组件两个输入端短路一下，就可使电路恢复正常工作。

“堵塞”是由于输入信号过大或受强干扰的影响，使组件内部某些管子进入饱和状态，从而使负反馈变成正反馈而引起的。

在比例运算中，去掉后，电路靠正反馈仍能维持较大的电压输出。

要使电路恢复正常，唯有运放反相输入端电压，这就需要切断电源电压，或将N点对地短路才行。

为了防止堵塞现象，应防止组件输入管饱和，因此必须在输入端加限幅保护。

有的组件内部已设置有防止堵塞的电路
工作时产生自激振荡：表现为工作不稳定。

人体或金属物体靠近时，变化尤为显著，用示波器可以看出有振荡波。

应检查是否按规定的部位和参数接入ＲＣ校正（补偿）网络；负反馈是否太强；输出端是否接有电容性负载。

接线太长引起杂散电容增大也会使电路工作不稳定。

为了进一步抑制振荡，可重新调整ＲＣ补偿元件的参数。

例如，减小补偿电阻的阻值，加大补偿电容的容量直到完全消除自激现象为止。

此外，应在印刷电路板插座上正负电源接线端接上几十微法的电解电容和０.1μF的陶瓷电容相并联
在实验过程中我们经过各种调整，优化电路图，并通过电位器调节以寻找最优的波形，在过程中不断地出现停振，堵塞等现象，我们通过整整两周的下午晚上课余时间，最终因为324放大器的局限性我们无法达到100KHz不失真波形。

最终所得的最高不失真波形如下
最高频率为：
68KHz 。