基于运算放大器的正弦波发生器

目录

第1章引言 (2)

第2章摘要 (2)

第3章设计目的及设计要求 (2)

第4章基本原理 (3)

4.1 基本文氏振荡器 (3)

4.2 振荡条件 (3)

4.3 振荡频率与振荡波形 (5)

第5章参数设计及运算 (6)

5.1 器件选择 (6)

5.2 参数计算 (6)

5.3 波形仿真图 (9)

第6章结论及误差分析 (13)

心得体会 (14)

参考文献 (15)

第1章引言

毫无疑问，无论是从数学的意义上还是从实际的意义上，正弦波都是最基本的波形之一——在数学上，任何其他波形都可以表示为基本正弦波的傅立叶组合；而从实际意义上来讲，它作为测试信号、参考信号以及载波信号而被广泛地应用。尽管正弦波本身非常简单，但是，如果对其纯度要求较高，那么正弦波的产生也是一项具有挑战的工作。在运算放大器电路中，最适于发生正弦波的是文氏电桥振荡器和正交振荡器，本课程设计采用的是文氏电桥振荡器产生正弦波。

第2章摘要

本文中介绍了一种基于运算放大器的文氏电桥正弦波发生器。经测试，该发生器能产生频率为100-1000Hz的正弦波，且能在较小的误差范围内将振幅限制在2.5V以内，通过电位器的调节使频率在100HZ-1000HZ内变化。

无论是从数学意义上还是从实际的意义上，正弦波都是最基本的波形之一——在数学上，任何其他波形都可以表示为基本正弦波的傅里叶组合;从实际意义上来讲，它作为测试信号、参考信号以及载波信号而被广泛的应用。在运算放大电路中，最适于发生正弦波的是文氏电桥振荡器与正交振荡器,本文将对文氏桥振荡器进行讨论。

第3章设计目的及要求

3.1、设计目的：

（1）.掌握波形产生电路的设计、组装和调试的方法；（2）.熟悉集成电路：集成运算放大器

LN356N。并掌握其工作原理，组成文氏电桥振

路。

3.2、设计要求：

（1）设计波形产生电路。

（2)信号频率范围：100Hz——1000Hz。

(3)信号波形：正弦波。

(4)画出波形产生电路原理图，写出终结报告。

第4章基本原理

4.1正弦振荡器的组成

（1)放大电路：放大信号

（2)反馈网络：必须是正反馈，反馈信号即是放大电路的输入信号

（3)选频网络：保证输出为单一频率的正弦波，即使电路只在某一特定频率下满足自激振荡条件

（4）稳幅环节:使电路能从|AF|>1过渡到|AF|=1，从而达到稳幅振荡

4.2 基本文氏振荡器

图一

基本文氏电桥反馈型振荡电路如图1所示，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。运算放大器施加负反馈就为放大电路的工作方式，施加正反馈就为振荡电路的工作方式。图中电路既应用了经由R 3和R 4的负反馈，也应用了经由串并联RC 网络的正反馈。电路的特性行为取决于是正反馈还是负反馈占优势。这个电路有两部分组成，即方框里的放大电路和由R1、R2、C1和C2组成的选频网络。下面首先分析一下RC 串并联选频网络的选频特性，由图一可得

111

1Z R sC =+ 2222211R sC Z R sC •

=+ 反馈网络的反馈系数为

112()()()

f v o V s Z F s V s Z Z ==+ 假设R1=R2=R ，且C1=C2=C 。那么上式的反馈系数表达式可表示为 1212()

()()13()

f v o V s Z sCR F s V s Z Z sCR sCR ===+++ （1.1) 就实际的频率而言，可用s j ω=，则得

2()13()

v j CR F j j CR j CR ωωωω=++ 若令01RC ω=

，则上式变为 001

()3()v F j j ωωωωω=+- (1.2)

由此可得RC 串并联选频网络的幅频响应及相频响应

v F =

(1.3）

00()arctan 3f ωωωω

ϕ-=- （1.4）

又是（1.2）可知，当01RC ωω==

时，幅频响应的幅值为最大，即

max 13v F = （1.5）

而相频响应得相位角为零，即 0f ϕ=

（1.6) 这就是说，当01RC

ωω==时(在实际应用中，有时为了选择和调节参数的方便以及减少元件参数的种类，取R R R C C C ====21,21)，输出电压的幅值最大，并且输出电压时输入电压的1/3，同时输出电压与输入电压同相位。

4.3振荡的建立与稳定

由图知，01RC

ωω==时，经RC 选频网络传输到运放同相端的电压与o V 同相，这样，放大电路和有Z1、Z2组成的反馈网络刚好形成正反馈系统，因而有可能振荡。所谓建立振荡，就是要是电路自激，从而产生持续的振荡，由直流电变为交流电。对于RC 振荡电路来说，直流电源就是能源。由于电路中存在噪声，它的频谱分布很广，其中也包括有01RC

ωω==这样的频率成分。这种微弱的信号，经过放大，通过正反馈的选频网络，使输出幅度愈来愈大，最后受电路中的非线性元件的限制，使振荡幅度自动的稳定下来，开始时，43/1R R A V +=略大于3，达到稳定平衡状态时3013,1/3()v A F RC

ωω====

。 3.3振荡频率与振荡波形 前已提及，从正弦波的工作情况来看，振荡频率是由相位平衡条件所决定的。从上式可以看出，只有当01RC

ωω==

，0f ϕ=时，才满足相位平衡条件，所以振荡频率可以表示为： 01/2f RC π=。当适当调整负反馈的强弱，使得v A 的值略大于3时，其输出波形为 弦波，如果v A 的值远大于3时，则因振幅的增长，致使放大器件工作在非线性区域，输出波形将严重失真。

在一个实际的回路中，由于元件值的变化很难保持该桥的平衡，为了使打开电源后振荡能够自动的运行，并且其振幅保持在运算放大器的饱和度极限之外，从而避免过度的的畸变，必须要有某些措施保证，要达到这两个目的，可通过让比值43/R R 与幅度有关，以使得在低信号电平时比2略大以保证振荡开始，而在高信号电平时比值略小于2以限制振荡幅度。然后，振荡一旦开始，它就会不断增长，并且自动稳定在某个中间幅度电平，此处正好比值为2。幅度稳定可以采取很多方式，它们都是利用非线性元件，根据信号的幅度来减小3R 或增大4R 。

总结如下：