高压正弦发生器(共20页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上辽 宁 工 业 大 学 模拟电子技术基础 课程设计（论文）题目： 高压正弦发生器 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 电气工程及其自动化123班 学 号： 学生姓名： 于国涛 指导教师： （签字）教师职称： 起止时间： 2014.7.12014.7.11 专心-专注-专业课程设计（论文）任务及评语院（系）：电子与信息工程学院 教研室： 电子信息工程学 号学生姓名于国涛专业班级电气123课程设计（论文）题目高压正弦发生器课程设计（论文）任务设计参数：（1）设计并制作一台高压信号发生器。包括正弦信号产生电路和高压放大电路部分。（2）线性失真度不大于0.5%。（3）输出正

2、弦信号频率范围10Hz1KHz可调，输出信号幅度1-100V可调。设计要求：1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4 .组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。进度计划第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第

3、4天：选择器件进行单元电路设计；第5天：单元电路设计及仿真；第6天：整体电路设计并仿真；第7天：电路焊接制板；第8天：焊接调试；第9天：完善设计；第10天：答辩。指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘要本次课程设计内容是：设计高压正弦发生器，此高压正弦发生器必须包括两部分电路。一是正弦信号产生电路由运算放大器和一般的RC振荡器组成实现频率调节，产生10HZ1KHZ正弦信号；二是高压放大部分由电压跟随器和反相比例运算放大器电路实现了高压调频的效果，使信号幅度1V100V可调。所以本次设计

4、是由正弦信号产生电路、电压跟随器和反相比例运算放大器的电路三部分构成。经过Multisim仿真，验证了输出正弦信号频率范围10Hz1KHz可调，输出信号幅度1-100V可调的指标，基本满足设计要求。经过焊接、调试后，实测结果与仿真结果基本一致，设计基本达到了预期要求。特点是：正弦信号产生部分，其中频率调节功能是通过调节双联可变电容其实现的。电压跟随器是为了增大下一级的输入电阻减小输出电阻，同时作为缓冲级，是高压放大部分不受信号产生部分的影响，同时共射极放大电路放大正弦电压信号，是信号幅度增强，信号更容易被高压部分采集。 关键词：高压正弦发生器；运算放大器；RC振荡电路；电压跟随器；反相比例放大

5、器。目录第1章 高压正弦发生器方案论证1.1 高压正弦发生器的应用意义高压正弦波发生器广泛应用于工业生产、科学实验和日常生活等各个领域中。而且高压正弦波发生电路常常作为信号源被广泛应用于无线电通信以及自动测量和自动控制等系统中。电子技术实验中经常使用中的低频信号发生器就是一种正弦波振荡电路。大功率正弦波振荡电路还可以直接为工业生产提供能源，例如高频加热炉的高频电源。此外如超声波探伤，无线电和广播电视信号发生器的发送和接收等，都离不开高压正弦波振荡电路。另外据国家电网安全操作规程的规定，高压验电器在使用前必须在有电的高压线路或工频高压发生器上进行实验，确认高压验电器工作良好后再进行对高压线路验电

6、检测。高压正弦发生器，具有对验电器启动电压的检测功能，该发生器可以输出纯正弦波50Hz工频高压，更真实的模拟了国家电网电压的电气参数，开机输出低电压功能，确保操作人员更安全。1.2 高压正弦发生器设计要求及技术指标1.2.1设计要求（1）分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。（2）确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。（3）设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。（4）组成系统。在一

7、定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。1.2.2技术指标（1）设计并制作高压信号发生器。包括正弦信号产生电路和高压放大电路部分。（2）线性失真度不大于0.5%（3）输出正弦信号频率范围10Hz1KHz可调，输出信号幅度1-100V可调。1.3 设计方案论证1.3.1放大部分方案一：正弦振荡电路通过RC振荡电路来产生正弦信号。运算放大电路可以是同相放大电路，也可以是反相放大电路。同比例放大电路电路图如1.1所示： 图1.1同相比例放大电路表1同相比例放大电路特性主要闭环特征理想运放实际运放闭环增益A=1+Rf/R1输入电阻R i=无穷输出电阻

8、Roc=0图中，R s为信号源内阻，R p为消除基流对输出失调影响的平衡电阻，R p=Rs-R1/Rf，若算出是负值，则将R p改为R s串接，并满足 + =R1/Rf。同相比例放大电路的电路特性如表1所示。同比例放大电路的最大优点就是输入电阻高。由于同相比例放大电路的反相输入端不是“虚地“，其电位随同相端的信号电位变化，使运放承受着一个共模输入电压，信号源的幅度受到限制，不可超过共模电压范围，否则将带来很大误差，甚至于不能正常工作。方案二：反相比例放大电路图如1.2所示：AR1RfRpViVo图1.2反相比例放大电路表2反相比例放大电路特性主要闭环特征理想运放实际运放闭环增益A=-Rf/R1

9、输入电阻RI=R1输出电阻Roc=0从表看出反相比例放大电路具有如下重要特征：（1）在深度负反馈情况工作时，电路的放大倍数仅由外接电阻Rf、R1的值确定。（2）因同相端接地，则反相端电位为“虚地”，因此，对前级信号源而言，其负载不是运算本身的输入电阻，而是电路的闭环输入电阻R1。（3）运放的输出电阻也由于深度负反馈而大为减小。由上述两种放大电路的分析，采用反相放大电路对正弦信号进行放大比较好。1.3.2 正弦波产生方案的选择：方案一：使用RC桥式振荡电路。该电路以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络，以电压串联负反馈放大电路为放大环节，具有振荡频率稳定，带负载能力强，输出电压失真小，实现简单，

10、易于调试等优点。方案二：使用LC振荡电路与RC桥式正弦波电路的组成。该电路原则在本质上是相同的，只是选频网络采用LC电路。在LC振荡电路中，引入正反馈后，使反馈电压作为放大电路的输入电压，以维持输出电压，从而现成正弦波振荡。由于LC正弦波振荡电路的振荡频率较高，所以放大电路多采用分立元件电路，必要时还应采用共基电路。采用三极管等分立元件实现，使用灵活，成本比集成运放芯片小的多，但电路设计难度大，实际调试过程也比较复杂，因此选择方案一。1.4总体设计方案框图及分析1.4.1总体设计方案框图RC串并联反馈及选频网络(10Hz1kHz)高压正弦信号集成电路放大电路高压放大装置稳幅及反馈控制电路(1V

11、100V)图1.3总体设计方案框图 1.4.2原理分析 高压正弦发生器主要由三部分组成：正弦信号产生部分，通过RC串并联反馈及选频电路，集成电路放大电路，稳幅及反馈控制电路，产生正弦信号，正弦信号的峰值为Uo，通过反比例放大电路对峰值进行放大，产生高压正弦放大信号。其中频率调节功能是通过调节双联可变电容其实现的。电压跟随器是为了增大下一级的输入电阻减小输出电阻，同时作为缓冲级，是高压放大部分不受信号产生部分的影响，在将信号送给放大电路,经过反相放大使电压增大。第2章 高压正弦发生器各单元电路设计2.1正弦波发生电路的设计2.1.1 RC桥式振荡电路 本设计方案采用RC选频网络构成的RC振荡电路

12、，它一般用于产生1HZ1MHZ的低频信号，因为桥式振荡频率稳定、输出波形失真小等优点，所以在本设计方案中正弦波的产生采用的是桥式振荡电路。RC桥式振荡电路的原理电路如图2.1所示，这个电路是由RC串并联选频网络和放大电路结合起来而构成。 放大电路为由集成运放所组成的电压串联负反馈放大电路，取其输入阻抗高和输出阻抗低的特点。由图可知，选频网络则由RC串并联电路组成，同时兼作正反馈网络。选频网络、和、形成一个四壁电桥，电桥的对角线顶点接到放大电路的两个输入端，桥式振荡电路由此得来。图2.1RC振荡电路图因为要求输出信号的频率在10Hz1KHz之间可调,所以在此原理上加以改进,使其成为频率可调的振荡

13、电路.原理图如图4所示,可变电阻器R2和R7用同轴双调电位器，它们和C2,C1构成串并联文氏桥正弦信号发生器，运放741同相端接选频网络的腰，实现同时调节电路的频率。经仿真后，如图2.2所示：图2.2RC振荡电路仿真图2.1.2 选频作用及参数公式 图2.1中所表示的RC串并联选频网络的选频网络具有选频作用，它的频率响应是不均匀的。（1）其中，、分别为RC串联和并联所产生的阻抗，则有：= =（2）反馈网络的反馈系数为： =/（+）（3）若当=或=1/(2RC)时： =1/3, = 2.1.3 建立振荡所谓建立振荡，就是要使电路自激，从而产生持续的振荡，由直流电变为交流电。对于RC振荡电路来说，

14、直流电源即是能源。当RC振荡器接通电源后，由于电路中存在噪声，它的频谱分布很广，其中也包括有=这样一个频率成分。这种微弱的信号，经过放大，通过正反馈的选频网络，在加至运放的同相输入端，又一次放大选频，这样循环往复使输出幅度愈来愈大，最后受电路中非线性元件的限制，使振荡幅度自动地稳定下来，开始时， =略大于3。达到稳定平衡状态时： =3,= (=)。前以提及，从正弦稳态的工作情况来说，振荡频率是由相位平衡条件所决定的，这是一个重要概念。只有=，=，=，时才满足相位平衡条件，所以振荡频率取决于： =1/(2RC)。振荡器要输出正弦波，还要求放大器的增益必须满足起振条件且工作在线性区。否则要么不起振

15、，要么输出波形出现非线性失真，使用时应注意。2.2电压跟随器及放大电路运算放大器LM324构成电压跟随器，实现电压跟随缓冲，增加输入电阻减小输出电阻。图2.3 电压跟随器电路2.3 输出级反相比例放大器电路设计该部分为高压电路放大部分，运算放大器采用高压运放3580J，耐压值最高在150伏，因此运算放大器的电源应该为正负150伏，使用时应将外壳接地。该电路构成反相比例运算放大电路，增益A=-Rf/R1,其中R3是可调电阻器，R1阻值不变，因此可以实现增益不断调节，从而实现正弦信号的幅值不断变化。至此达到本次课设的全部技术参数要求。图2.4 反相比例放大电路第3章 高压正弦发生器整体电路设计3.

16、1 整体电路图及工作原理3.1.1整体电路图电路图如图3.1.1所示：图3.1整体电路图3.1.2工作原理本设计方案采用RC选频网络构成的RC桥式振荡电路，通过调节桥式电路的电阻与电感来改变输出的频率范围，桥式振荡电路与一个反向比例放大器串接在一起，通过调节反向比例放大器的电阻比值来实现电压幅度的变化。然后再外加一个正负150V的稳压电源来实现一个输出频率为101KHZ、峰值从1V到100V可调的、失真小于0.5%的高精度正弦激励信号。3.2 电路参数计算桥式振荡电路（1）由图3.1可知在=时，经RC反馈网络传输到运算放大器同相端的电压与输出电压同相，即有： =0，+=2n ，满足相位平衡条件

17、因而有可能振荡。为了能起振 =3,即2，可选=37,=15,反馈系数=1/3；（2）由于使输出幅度越来越大，最后受电路中非线性元件的限制，使振荡幅度自动稳定下来。此时=3达到=1；（3）当选取R=4.8,C=33nF时频率=1/(2RC)1KHZ，适当调整负反馈的强弱，使略大于3时，其输入波形为正弦波；（4）、分别为RC串联和并联所产生的阻抗，则有： = =3.3整机电路性能分析根据设计流程可知，在一个高压正弦信号发生器中，RC桥式振荡电路充当调频的角色，而反向比例放大器则是用来实现稳幅变化，通过调节电路参数，可以输出1-100V，10-1000HZ可调正弦波信号，由于工作电压稳定，线性失真不

18、超过0.5%，该电路具有结构简单元件易选的特点，使得整机电路具有良好的性能，因此该电路在实际应用中会发挥巨大的作用。经仿真后由示波器得到的波形如图3.2所示：图3.2电路仿真可以看出，所设计的正弦波发生器在较小的误差范围内符合参数要求，可以产生符合要求的正弦波形。第4章 设计总结由于近代的科学教育太注重教材和书本知识，使得科学的本质被淹没在一般的科学知识的细枝末节之中了，所以非常期待通过本次课设能收获更多实际操作能力。课设过程中，通过几天在图书馆和上网查阅资料，不仅促进了对电子技术知识的掌握，而且还提高了理论联系实际、综合运用基础知识和专业知识以及分析问题、解决问题的能力，在培养创新能力的同时

19、，也更好地激发了学习电子技术基础的兴趣。设计是实验中的一种类型，它能较全面的考查学生的实验知识和基本技能，分析问题和解决问题的能力以及创造能力。通过对模拟电子技术课程的进一步学习，知道了要先根据题目要求查阅资料，再设计电路。在总体电路图设计中，合理应用RC桥氏电桥振荡器产生正弦波，再通过调节反向比例放大器的工作电阻使正弦波幅值增大或减小，以此达到题目要求的幅值范围。目前，高压正弦波发生器广泛应用于工业生产、科学实验和日常生活等各个领域中。而且高压正弦波发生电路常常作为信号源被广泛应用于无线电通信以及自动测量和自动控制等系统中。电子技术实验中经常使用中的低频信号发生器就是一种正弦波振荡电路。但是

20、，大功率正弦波振荡电路还没有广泛为工业生产提供能源，例如高频加热炉的高频电源。因此高压正弦波在超声波探伤，无线电和广播电视信号发生器的发送和接收等领域都有广大的发展空间，需要更大胆的去创造。参考文献1康华光编著电子技术基础高等教育出版社2006,52邱关源编著电路高等教育出版社，2011,53杨欣编著电子设计从零开始：华清华大学出版社，2010.104陈永生编著全国大学生电子设计竞赛电子工业出版社，2011.55辽宁工业大学电子信息工程教研室，模拟电子技术基础学习指导.东北大学出版社。6华中科技大学电子技术课程组编，康华光主编.电子技术基础.模拟部分.第五版.北京：高等教育出版社，2010附录总体电路图 器件清单器件名称型号器件数量器件参数器件ID电阻2475Kohm（可调）R电阻11KohmR电阻110KohmR电阻110Kohm（可调）R电阻120Kohm（可调）R电阻127 KohmR电阻24.8 KohmR电阻115 KohmR电容233nFC二极管21N4148D运算放大器1LM356运算放大器2741