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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:振幅起振条件: ,=100k+300k= 400kQ,R=10 kQ,满足振幅起振条件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/(i(R1A2*wC1+1/wC1)+3R1)由相位平衡,R1A2*wC1+1/wC1=0故w = 2irf = Sir * 900因此,可取 R1=20 kQ, C1=10nFAv= (R2+R3+R4) /R2=3,R4=16.8 kQ恤知::因此,可取R2=10 kQ, R3=5 kQXSC3llllhlll口!J 口口 口El口口图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650.9572Hzo一 口图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2, 在Multisim中拾建图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649.75Hz625.87 Hz505.05Hz(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Four channel oscillosccpe-XClio mefDiv片| Scale; 5 WDiv_AEdge:MMV)!0f POS.DIV): 0D0Level:0V改动元件改动前改动频率减小10倍C10nF100nFR1100 kQ150 kQR2300 kQ250 kQ(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C10nF1nF(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(可米用开环验证相位 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 (kQ)R2 (kQ)R3 (kQ)R4 (kQ)0.012010516.8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800Hz768.76Hz696.72Hz(误差较大,原因未明)图8-5文氏电桥振荡器瞬态波形图二、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)。NC = NO CONNECT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。4.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 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。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:Four channel oscilloscope-XSCl椰故源channel Bchannel Cchannel TimebaseTime7.219 ma7,236 ms1&495 usTriggerEdge:.11 毛ScelSr 10 us/Dft1却*T2-T1 AScale: 5 V/CHV.Y pD5.(DIV)r 0b区回回日c(3channel_A皑妍-4.255 V213.D53 UVSingleMormal Aubo None| A |bxtLevel:叵囱日Atfl刃可见Uhl;,.,约为改动之前的一百倍。波形出现了一定的失真。I由计算公式 如 F,C减小了 100倍,故.增大100倍。波形失真是因为mUR,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 kQ改为1000 kQ。下图为修改后的瞬时仿真图,nSB f王TimeChanneLAChannel_BGhannel_cChanne1_DT2-T1Time baseScale: jX pOS,DIV: 有由日31顽7Scale: 2 V/DIvAEdge:EX pDS.Dr)i: 0D_ Level:DV|5ingle|NonmM| 土丽 griF : E?*
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