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实验八RC正弦波振荡器
实验目的:
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;
熟悉PocketLab硬件实验平台.掌握基本功能的使用方法;
掌握RC正弦波振荡器的设计与分析方法;
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:
ωosc
f
振幅起振条件:
RfR29
2.根据图8-2.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(R1^2*wC1+1/wC1)+3R1)
由相位平衡.
R1^2*wC1+1/wC1=0
故
w=2πf=
因此.可取R1=20 kΩ.C1=10nF
Av=(R2+R3+R4)/R2=3
即R
因此.可取R2=10 kΩ.R3=5 kΩ.R4=16.8 kΩ
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:
仿真实验
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频图和相频图
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
649.75Hz
625.87 Hz
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:
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
100nF
R1
100 kΩ
150 kΩ
R2
300 kΩ
250 kΩ
(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)
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(kΩ)
R2(kΩ)
R3(kΩ)
R4(kΩ)
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.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。
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
将设计好的文氏电桥振荡器采用以上RC相移振荡器的硬件实验步骤.在PocketLab
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