电子线路-实验十一

实验名称：实验十一集成运算放大器组成的RC文氏电桥振荡器 系别： 班号： 组别：

实验者姓名： 学号：实验日期：2014年9月18日 实验报告完成日期：2014年9月28 日 指导老师意见：

一、实验目的

1、掌握产生自激振荡的振幅平衡条件和相位平衡条件。 2、了解文氏电桥振荡器的工作原理及起振条件和稳幅原理。 二、实验原理

1、产生自激振荡的条件

所谓振荡器是指在接通电源后，能自动产生所 需的信号的电路，如多歇振荡器、正弦波振荡器等。 当放大器引入正反馈时，电路可能产生自激振荡， 因此，一般振荡器都由放大器和正反馈网络组成。其

框图如图1 所示。振荡器产生自激震荡必须满足两个

基本条件：图1 自激振荡器框图

（1） 振幅平衡条件：反馈信号的振幅应该等于输入信号的幅度，即：

（2）相位平衡条件：反馈信号与输入信号应同相位，其相位差应为：

为了振荡器容易起振，要求|AF|>1，即：电源接通时，反馈信号应大于输入信号，电路 才能振荡，而当振荡器起振后，电路应能自动调节使反馈信号的振幅应该等于输入信号的幅 度，这种自动调节功能称为稳幅功能。电路振荡产生的信号为矩形波信号，这种信号包含着 多种谐波分量，故也称为多谐振荡器。为了获得单一频率的正弦信号，要求在正反馈网络具 有选频特性，以便从多谐信号中选取所需的正弦信号。本实验采用RC 串-并联网络作为正反馈的选频网络，其与负反馈的稳幅电路构成一个四臂电桥，如图3 所示，故又称为文氏电桥振荡器。

2、RC 串-并联网络的选频特性

RC 串-并联网络如图2（a）所示，其电压传输系数为：

当 R1=R2=R，C1=C2=C 时，则上式为：

若令上式虚部为零，即得到谐振频率fo为：

当f=fo时，传输系数最大，且相移为0，即：Fmax=1/3，

传输系数 F 的幅频特性和相频特性如图2（b）（c）所示。由此可见，RC 串-并联网络具 有选频特性。对频率fo而言，为了满足振幅平衡条件|AF|=1，要求放大器|A|=3。为满足相位 平衡条件：

，要求放大器为同相放大。

3、自动稳幅

由运算放大器组成的RC 文氏电桥振荡器原理图如图3 所示，R C 串-并联网络输出接放大器同相端，构成正反馈， 并具有选频作用。RF 和R1 分压输出接放大器的反相端，构

成电压串联负反馈，以控制放大器的增益。负反馈系数为：

在深度副反馈情况下：

因此，改变 RF 或者R1 就可以改变放大器的电压增益。 由振荡器起振条件，要求|AF（+）|>1，当起振后，输出电压幅度将迅速增大，以至进入放

大器的非线性区，造成输出波形产生平顶削波失真现象。为了能够获得良好的正弦波，要求放大器的增益能自动调节，以便在起振时，有|AF（+）|>1；起振后，有|AF（+）|=1，达到振幅平衡条件。那么如何能自动地改变放大器的增益呢？由于负反馈放大器的增益完全由反馈系数VF（-）决定。因此，若能自动改变RF 和R1 的比值，就能自动稳定输出幅度，使波形不失真。自动稳幅的方法很多，通常可以利用二极管、稳压管和热敏电阻的非线性特征，或场效应管的可变电阻特性来自动地稳定振荡器的幅度。下面以二极管为例说明其稳幅原理。二极管稳幅原理如图4 所示，当电路接通电源时，由于设计时令 RF>3R1，则在fo点VF >Vi，满足起振条件，振荡器振荡，由二极管正相特性曲线（如图5）可见，由于起振时，Vo 较小，二极管两端的电压较小，二极管工作在Q1 点则其等效的直流电阻较大；随着振荡器输出电压Vo 增大，二极管

两端的电压较大，二极管由Q1 上升到Q2 点，则其等效的直流电阻较小；由图4 可见，二极管D1、D2 并联在R F 两端，随着 Vo 的逐渐增大，RD 减少，从而使总的反馈电阻RF 减小，负反馈增强，放大器增益下降，达到自动稳幅的目的。 三、实验仪器

示波器 1 台函数信号发生器 1 台数字万用表 1 台多功能电路实验箱 1 台 四、实验内容

1、电路分析及参数计算

分析图6 振荡器电路的工作原理，并进行参数计算。 图 6 电路中，运算放大器和RF1、RF2 及RW构成同 相放大器，调整RW即可调整放大器的增益；RC 串-并 联网络构成选频网络；选频网络的输出端经R2、R3 构 成分压电路分压送运算放大器的同相端，构成正反馈， D1、D2 为稳幅二极管。

在不接稳幅二极管时，在谐振频率点，正反馈系数

为：

而负反馈系数为：

（1）为保证电路能稳定振荡，则要求：F（+）=F（-）由此，根据电路参数，计算Rw的理论值是0.628Ω； （2）同相放大器的电压增益AVF = 33； （3）电路的振荡频率fo =1.6KHz；

2、振荡器参数测试

（1）按图6 搭接电路，（D1、D2 不接，K 拨向1）经检查无误后，接通±12V 电源； （2）调节Rw，用示波器观察输出波形，在输出为最佳正弦波，测量输出电压Vp-p；为20.7V （3）测量Rw值；为0.6123kΩ

（4）用李萨茹图形法测量振荡频率；为1.532kHz

李萨茹图形测量信号频率方法：将示波器CH1 接振荡器输出，CH2 接信号发生器正弦 波输出，令示波器工作在“外扫描X-Y”方式；当调节信号发生器频率时，若信号发生器频 率与振荡器频率相同时，示波器将出现一椭圆；通过此方法可测量未知信号频率。 3、振幅平衡条件的验证

在振荡器电路中，调节Rw，使输出波形为最佳正弦波时，保持Rw不变，将开关K 拨 向2 位置，则，即输入正弦信号（频率为振荡频率，幅度V=100mV）则电路变为同相放大 器，用毫伏表测量Vi、Vo、VA、VF，填入表1； 将电路恢复为振荡器（开关K 拨向1 位置），调节Rw，使输出波形略微失真，再将开 关拨向2 位置，电路又变为同相放大器，用毫伏表测量Vi、Vo、VA、VF，填入表1； 将电路恢复为振荡器（开关K 拨向1 位置），调节Rw，使输出波形停振，再将开关拨 向2 位置，电路又变为同相放大器，用毫伏表测量Vi、Vo、VA、VF，填入表1； 表 1：振幅平衡条件验证 工作状态 良好正弦波 略微失真 停振 良好正弦波时理论值 测量值 100 100 100 100 1.1441 1.2147 1.1375 1.1669 0.3845 0.4050 0.2804 0.3890 35.42 37.56 26.20 35.36 测量计算值 F(+)=VF/Vo 0.0309 0.0310 0.0230 0.0303 AF（+） 0.9981 1.0044 0.9982 1 32.3 32.4 43.4 33 Vi（mV） Vo（V） VA（V） VF（mV） A=Vo/Vi 4、观察自动稳幅电路作用

在图 6 基础上，接入稳幅二极管D1、D2，调节电位器Rw，观察输出波形的变化情况， 测量出输出正弦波电压Vp-p 的变化范围。变化范围是2.7V ~20.3V 五、实验心得

这次试验自己做的挺顺利，但是由于不自信，接完电路，检查时间花费过长，第一步的波形调整出来后，之后就变得很顺利，希望以后能像这次一样，先预习，再实验。