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模电实验报告：RC正弦振荡器.doc

发布时间：2022-06-06 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.25M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    实验十四 RC 正弦波振荡器 一、实验目的 1、掌握 RC 正弦波振荡器的电路结构及其工作原理。 2、熟悉正弦波振荡器的测试方法。 3、观察 RC 参数对振荡频率的影响，学习振荡频率的测定方法。 二、实验仪器 1、双踪示波器 2、低频信号发生器 3、频率计 4、交流毫伏表 5、直流电源。 三、实验原理及测量方法 正弦振荡电路一般包括两部分，放大电路 A 和反馈网络 F，如图 1 所示。 图 1 正弦振荡电路原理框图 由于振荡电路不需要外界输入信号，因此，通过反馈网络输出的反馈信号 Xf 就是基本放大电路的输入信号 Xid。该信号经基本放大电路放大后，输出为 Xo， 若能使 Xf 与 Xid 大小相等，极性相同，构成正反馈电路，那么这个电路就能维持 稳定的输出。因而，Xf=Xid 可引出正弦振荡条件。由方框图 1 可知： X o AX id 而 Xf=FXo 当 Xf=Xid 时，则有： AF=1 上述条件可写成|AF|=1，称幅值平衡条件。 即放大倍数 A 与反馈系数 F 乘积的模为 1，表明振荡电路已达到稳幅振荡， 但若要求电路能够自行振荡，开始时必须满足|AF|>1 的起振条件。 由 Xf 与 Xid 极性相同，可得： 2    F  A n  称相位平衡条件 即放大电路的相角和反馈网络的相角之和为 2n,其中 n 为整数。 要使振荡电路输出确定频率的正弦信号，电路还应包含选频网络和稳幅电路 两部分。选频电路的作用使单一频率的信号满足振荡条件，稳幅电路能保证电路 的输出幅度是稳定不失真的，这两部分电路通常可以是反馈网络，或放大电路的 一部分。 RC 正弦振荡电路也称为文氏桥振荡电路。它的主要特点是利用 RC 串并联 网络作为选频和反馈网络。如图 2 所示
    1Rp 23.5kΩ 1 C2 68nF 2 0 C1 68nF R1 23.5kΩ 5 VCC 0 R4 1kΩ 3 VCC 4 2 3 4 -12V R3 100Ω U1 2Rp 10kΩ Key=A 6 XSC1 Ext Trig + _ 19% A + _ B + _ 5 1 7 VCC1 741 VCC1 12V （a）电路图 由串并联网络的幅频特性，可知当信号频率为 时，选频网络的相 （b）串并联网络频率特性 图 2 RC 串并联正弦振荡电路  of 1 2 RC 角为 0 度，传递系数为 1/3。所以，要满足正弦振荡条件，要求放大电路的相角 为 0 度，传递系数稍大于 3。故实验中的放大电路采用同相比例电路。 四、实验内容 1、按图 2 连线，注意电阻 1Rp=R，需预先调好再接入。 2、调节电位器 2Rp，使电路产生正弦振荡，用示波器观察输出波形。 3、测量 RC 串并联电路的幅频特性。 思考： （1）若元件完好，接线正确，电源电压正常，而 Uo=0，原因何在？应如何解决？ （2）若有输出但有明显失真，应如何解决？ 4、用频率计测量上述电路输出波形频率。若无频率计，可按图 3 电路接线，用 李萨如图形法测定 Uo 的频率 f0，并与计算值进行比较。也可以直接利用示波器 来测信号的频率。
    图 3 李萨如图形法测信号频率测量图 5、改变串并联电路的参数，调节 2Rp，并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。 注意：改变参数前，必须先关断电源开关，检查无误后再接通电源。测 f0 之 前，应适当调节 2Rp，用示波器观察，使 Uo 无明显失真后，再测定频率。 6、放大电路电压放大倍数 Auf 的测定 （1）用毫伏表先测出图 2 电路的输出电压 Uo 后，再测量出运放同向输入端的电 压 Ui 值，根据下式计算 A uf  U U / o  ? i （2）然后关断实验箱电源，保持 2Rp 不变，从“A”点处断开实验电路，把低频信 号发生器输出电压（频率同上述实验的产生频率）接至运放的同向输入端，调节 Ui 使 Uo 等于原值，则： A U U u  / o  ? i （3）比较上述放大倍数有何误差，并进行分析。 7、自拟详细的实验步骤，测定 RC 串并联网络的幅频特性曲线。 五、实验结果及分析 1、装接电路 2、调节电位器 2Rp 按图 2 连线，令电阻 1Rp=R 调好后接入电路。 当 2Rp 的接入系数大于 19%时电路满足起振条件，可产生正弦振荡，在 2Rp 的接入系数等于 19%时电路的输出波形为稳定的等幅振荡，用示波器观察输出波 形如下所示： 测量输出电压值：实验结果-----Uo=6.90V 仿真结果-----Uo=7.808V
    3、测量 RC 串并联电路的幅频特性 断开 RC 串并联电路与同向比例电路的连接，测量 RC 串并联电路的幅频特 性的电路图如下所示： 1 1 C2 23.5kΩ 68nF XFG1 3 0 2 R1 23.5kΩ 0 C1 68nF 测得 RC 串并联电路的幅频特性如下所示： f 仿真结果：中心频率 0  上限截止电压 下限截止电压   Hz 96.8571 Lf Hf 、 30.0929 Hz 326.7881 Hz
    60 0.342 220 0.299 360 0.233 50 0.320 200 0.310 350 0.235 20 0.204 140 0.340 320 0.247 10 0.114 120 0.349 310 0.251 实验中，用交流毫伏表测出输出电压值 Uo 如下表所示： f (Hz) 30 Uo(V) 0.260 f (Hz) 160 Uo(V) 0.331 f (Hz) 330 Uo(V) 0.241 f 由上表观察可知：中心频率 0 40 0.297 180 0.319 340 0.238 100 Hz 30 Hz Lf  310 Hf Hz  下限截止频率 1   0 2 RC   99.60 100 理论计算可得：中心频率 2 误差计算：实验误差-----中心频率 1  0  上限截止频率  99.60 Hz f    100% 0.4%   99.60  99.60 99.60 96.86 70 0.350 240 0.285 370 0.228 80 0.350 260 0.272 400 0.213 90 0.352 280 0.262 500 0.181 100 0.352 300 0.257 600 0.157 仿真误差-----中心频率 2    100% 2.8%  思考： （1）若元件完好，接线正确，电源电压正常，而 Uo=0，原因何在？应如何解决？ 电路不满足|AF|>1 的起振条件，所以电路没有产生正弦振荡，所以没有电压 输出，即 Uo=0。应该调节 2Rp，增大 2Rp 的接入系数，使电路满足|AF|>1 的起振 条件，产生正弦振荡。 （2）若有输出但有明显失真，应如何解决？ 调节 2Rp，减小 2Rp 的接入系数，输出波形的失真就会随之减小，调节到合 适位置，电路就会产生的振荡波形就没有失真了。 4、测量电路输出波形频率 用频率计测量上述电路输出波形频率。若无频率计，可用李萨如图形法测定 Uo 的频率 f0。 当两个相互垂直、频率不同的简谐信号合成时，合振动的轨迹与分振动的频 率，初相位有关。当两个分振动的频率成简单整数比时，将合成稳定的封闭轨道， 称为李萨如图形。由于李萨如图形与分振动的频率比有关，因此通过李萨如图形 和已知频率的信号，可以精确测量出未知信号的频率，其计算公式为 f x  f y N N y x 其中，Nx，Ny 分别为图形与水平直线与垂直直线的切点个数。 在实验电路中，选取信号源频率 fy =99.60Hz(理论计算值)，测量电路图如下 所示：
    1Rp 23.5kΩ 1 C2 68nF 2 0 C1 68nF R1 23.5kΩ 5 VCC 0 R4 1kΩ 3 VCC 4 2 3 4 -12V R3 100Ω U1 2Rp 10kΩ Key=A 6 741 5 1 7 VCC1 VCC1 12V XSC1 Ext Trig + _ 19% A + _ B + _ XFG1 6 0 实验测得李萨如图形如下所示： 观察上图可知 Nx=1，Ny=1，则理论计算值 f  f y x 理论 N N y x  f y  99.60 Hz 。 实验结果： 仿真结果： xf xf   90.9 Hz 98.66 Hz 与理论计算值比较：实验误差----- 1   仿真误差----- 2   90.9 99.60  99.60  100% 8.7%  98.66 99.60  99.60  100% 0.9%  5、 改变串并联电路的参数，测量振荡频率 关断电源开关，改变串并联电路的参数，取 R=10k  和 C=0.1uF，检查无误 后再接通电源。适当调节 2Rp，用示波器观察，当 2Rp 的接入系数大于 19%时电 路满足起振条件，可产生正弦振荡，在 2Rp 的接入系数等于 19%时电路的输出波 形为稳定的等幅振荡，用示波器观察输出波形如下所示： 测量结果：输出电压值-----Uo=7.827V 输出电压频率-----f=157.85Hz
    理论计算结果：中心频率  159.15 Hz f   1  0 0 2 RC   159.15 157.85  2  误差计算：中心频率 1 6、放大电路电压放大倍数 Auf 的测定 （1）用毫伏表测出图 2 电路的输出电压 Uo 和运放同向输入端的电压值 Ui。 100% 0.8% 159.15    实验结果：输出电压 Uo=7.05V 同向输入端的电压 Ui=2.09V 仿真结果：输出电压 Uo=7.86V 同向输入端的电压 Ui=2.61V U U  / o 根据式 A uf 实验结果 仿真结果 i 输出电压 Uo 7.05 7.86 计算可得电路的放大倍数，结果如下表所示： 同向输入端电压 Ui 放大倍数 Auf 2.09 2.61 3.37 3.01 （2）关断实验箱电源，保持 2Rp 不变，从“A”点处断开实验电路，把低频信号发 生器输出电压（频率同上述实验的产生频率）接至运放的同向输入端，调节 Ui 使 Uo 等于原值。电路图如下所示： XSC1 Ext Trig + _ 50% A + _ B + _ 3 R5 10kΩ Key=A 5 0 R4 1kΩ R2 23.5kΩ 1 C2 68nF R1 23.5kΩ 2 0 6 C1 68nF XFG1 0 4 2 3 实验电路输出波形如下所示： VCC -12V VCC 4 R3 100Ω U1 6 741 5 1 7 VCC1 VCC1 12V 实验结果：输出电压 Uo=7.05V 同向输入端的电压 Ui=2.3V 仿真结果：输出电压 Uo=7.85V 同向输入端的电压 Ui=2.62V U U  / o i 根据式 A uf 计算可得电路的放大倍数，结果如下表所示：
    输出电压 Uo 实验结果 仿真结果 7.05 7.86 （3）比较放大倍数误差及分析 同向输入端电压 Ui 2.3 2.62 放大倍数 Auf 3.07 3.00 误差计算：实验误差----- 1   仿真误差----- 2   3.07 3.37  3.07 3.01 3.00  3.00  100% 9.8%   100% 0.3%  从“A”点处断开实验电路，接入低频信号发生器的电路的放大倍数比原电路 略有减小。原电路中 RC 串并联网络对同向比例电路有反馈作用，且反馈加在同 向比例电路的同向输入端，产生正反馈。而接入低频信号发生器的电路没有正反 馈的接入，所以其产生的 Auf 相比原电路的 Auf 有所减小。 误差分析： 1、读数误差 2、仪器自身误差 3、记数舍入误差
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