1、实验八 RC 正弦波振荡器实验目的:1. 熟悉仿真软件 Multisim 的使用,掌握基于软件的电路设计和仿真分析方法;2. 熟悉 PocketLab 硬件实验平台,掌握基本功能的使用方法;3. 掌握 RC 正弦波振荡器的设计与分析方法;4. 掌握 RC 正弦波振荡器的安装与调试方法。实验预习:1在图 8-1 所示的 RC 相移振荡电路中,请计算振荡器的振荡频率和振幅起振条件,并将振荡频率填入表格 8-1。图 8-1. RC 相移振荡电路解:振荡频率:/s =164082.48= 2649.75振幅起振条件:, =100k+300k= 400k,R=10 k,满足振幅起振条件29 2根据图 8
2、-2,采用 OP37 运算放大器和现有元器件值,设计文氏电桥振荡器。要求振荡频率为 800Hz。解:K(jw)=Vf/Vo=(R1/(1/jwC)/(R1+1/jwC+R1/(1/jwC)=R1/(j(R12*wC1+1/wC1)+3R1)由相位平衡,R12*wC1+1/wC1=0故=2= 111=2800因此,可取 R1=20 k,C1=10nFAv=(R2+R3+R4)/R2=3即 3+422因此,可取 R2=10 k,R3=5 k,R4=16.8 kXSA2TINV9V10XSC3A B C DGTR20D51N914D6 00用 于 稳 幅16012R1R1C1C1U1OP37AZ32
3、47681151491110R2R3 R4图 8-2. 文氏电桥振荡电路3复习 multisim 中示波器和频谱分析仪的使用方法。4复习开环方法,思考如何在 Multisim 中完成开环验证电路。实验内容:一、 仿真实验1. 在 Multisim 中搭试图 8-1RC 相移振荡电路的开环分析电路,理解起振和稳定的相位条件与振幅条件,并将电路截图为图 8-3。仿真设置:Simulate Analyses AC analysis将开环仿真获得的幅频和相频图截图为 8-4。并以此获知电路的振荡频率为650.9572Hz。图 8-3 RC 相移振荡电路开环仿真图图 8-4 RC 相移振荡电路开环仿真幅
4、频图和相频图2. 在 Multisim 中搭建图 8-1 所示电路,并进行瞬态仿真,用示波器查看瞬态波形;用频谱分析仪查看输出信号的频谱。仿真设置:Simulate Run注意观察振荡器的起振过程。读出示波器上瞬态波形的周期和分析频谱分析仪上输出信号频谱,获得振荡器的仿真振荡频率,填入表 8-1。表 8-1:RC 相移振荡电路振荡频率计算值 仿真值 实测值振荡频率 649.75625.87 505.05Hz(误差较大,原因未明 )解:瞬态波形:f=1/T=1/1.635m=611.62Hz频谱:3. 如果需要将图 8-1 电路的振荡频率减小 10 倍或增加 10 倍,请重新设计电路参数,并将改
5、动的参数列表 8-2。 (根据设计情况改变表格栏)表 8-2:RC 相移振荡电路振荡频率改动元件 改动前 改动频率减小 10 倍C 10nF 100nFR1 100 k 150 kR2 300 k 250 k(若只改动 C 值,波形失真,故改动 R1、R2 调整限幅电压,仿真出频率为 59.04Hz)改动元件 改动前 改动频率增大 10 倍C 10nF 1nF(仿真出频率为 6345.78Hz)4. 将预习中设计的文氏电桥振荡器,输入 Multisim。经过调试修改(可采用开环验证相位和幅度的起振条件) ,采用 Simulate Run,查看瞬态仿真波形和频谱。将设计参数填入表格 8-3。将仿
6、真获得的振荡频率填入表格 8-4。将示波器上的瞬态波形和频谱分析仪上的输出信号频谱截图于 8-5,8-6 。表 8-3:文氏电桥振荡电路振荡频率C1(uF ) R1(k) R2( k) R3( k) R4(k)0.01 20 10 5 16.8表 8-4:文氏电桥振荡电路振荡频率设计值 仿真值 实测值振荡频率 800Hz 768.76Hz 696.72Hz(误差较大,原因未明 )图 8-5 文氏电桥振荡器瞬态波形图图 8-6 文氏电桥振荡器频谱图二、硬件实验本实验采用 PocketLab 实验平台提供的直流 +5V、-5V 电源,示波器等工具。1电路连接首先根据图 8-1 在面包板上搭试电路,
7、采用 AD 公司的集成运放模块 OP37(引脚定义参照图 8-7) 。图 8-7 OP37 引脚定义2瞬态波形观测在电脑中打开 PocketLab 的示波器界面,选择合适的时间和电压刻度,显示输出波形。并在窗口中直接读出其振荡波形的峰峰值和振荡频率,填入表格 8-1,比较计算值,仿真值和测试值是否一致。将瞬态波形截图于 8-8。3 频谱测量在电脑中打开 PocketLab 的 FFT 分析界面,选择合适的频率范围,显示输出波形频谱。并在窗口中直接读出其振荡频率。将频谱图截图于 8-9。图 8-8RC 相移振荡器瞬态仿真波形图 8-9RC 相移振荡器频谱分析4 将设计好的文氏电桥振荡器采用以上
8、RC 相移振荡器的硬件实验步骤,在PocketLab 的相应测量工具上获得其振荡频率,填入表 8-4。将测试得到的瞬态波形和频谱图截图于 8-10,8-11。图 8-10 文氏电桥振荡器瞬态仿真波形图 8-11 文氏电桥振荡器频谱分析实验思考:1 将图 8-1 所示电路中的 C 从 10nF 改为 0.1nF 后,进行 Multisim 仿真,结果如何?请解释原因。解:可见 f ,约为改动之前的一百倍。波形出现了一定的失真。60由计算公式 ,C 减小了 100 倍,故 增大 100 倍。 =16 波形失真是因为 Vom SR,频率增大导致不等式不成立,波形失真。2 在思考 1 的基础上,将运放从 OP37 改为 741 后,再进行 Multisim 仿真,结果如何?请解释原因。 (提示:可采用开环分析方法查看此时的增益和相位,并思考变化的原因)可改变哪些参数使该电路能够再次起振呢?解:运放从 OP37 改为 741 后,不再振荡。开环仿真:此时,满足相位起振条件的频率为 25.3838kHz,对应的增益( dB)是负值,不满足振幅起振条件。因此考虑增大增益值,将 R20 由 300 k 改为 1000 k。下图为修改后的瞬时仿真图,