基于Multisim仿真实验的RC振荡电路设计与研究 .doc

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1、邯郸学院本科毕业论文题 目 基于Multisim仿真实验的RC振荡电路设计与研究学 生 韩 川 指导教师 张劼 教授 李洁 助教年 级 2007级专 业 物理学系 部 物理与电气工程系 邯郸学院物理与电气工程系2011年5月郑重声明 本人的毕业论文（设计）是在指导教师张劼教授的指导下独立撰写完成的。如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任，并愿意通过网络接受公众的监督。特此郑重声明。毕业论文（设计）作者（签名）： 年 月 日摘 要 RC振荡电路在振荡电路中占有很重要的位置，研究此基本电路，设计出装置简单,性能更加良好的RC振荡电路,

2、是有重要意义的。为了更好的说明实验现象，本文采用Multisim软件进行仿真，获取中电路输出的波形图，通过对数据及图像的分析，加深对RC振荡电路的理解，并对电路中的选频网络进行了改进，从而增强了振荡电路频率的稳定性，也能更加抵制振荡信号中的谐波分量。关键词 RC振荡电路 正弦振荡 Multisim软件 仿真分析RC oscillating circuit design and research based on the Multisim simulation experiment Chuan Han Directed by Prof. Jie ZhangAbstract RC oscillat

3、ing circuit in the oscillating circuit, it occupies a very important position. Sinusoidal oscillator circuit is in no plus input signal, rely on circuit self-excited oscillation surfaces sinusoidal output. Studying the basic circuit, design a simple device, performance more good RC oscillating circu

4、it, is of great significance. In order to explain the experimental phenomena, this design uses a Multisim software simulation, the output waveform obtained circuit diagrams, based on the analysis of the data and image, deepen the understanding of RC oscillating circuit, and the frequency selective n

5、etwork of circuit improved, thereby enhancing the oscillating circuit frequency stability, also can even more to fight the harmonic wave of oscillating signal. Key words RC concussion circuit, sine concussion, Multisim software，simulation目 录摘要I外文页II1 引言12 对RC振荡电路进行研究的目的意义及MULTISIM软件介绍12.1对RC振荡电路进行研究

6、的目的意义12.2 Multisim软件简介13 RC振荡电路简介13.1 正弦波振荡电路简介23.2 正弦波振荡电路分类24 RC桥式正弦波振荡电路仿真分析24.1 RC桥式正弦波振荡电路原理电路24.2 RC桥式正弦波振荡电路的选频特性24.3 起振过程分析34.4 振荡波形分析34.5 起振周期测量45 RC振荡电路的改进55.1 RC选频网络55.2 三种正反馈选频网络的比较65.3元件比值对网络自身性能的影响75.4元件比值对桥式RC振荡器的影响95.5两种改进RC振荡电路的仿真图106 结论11参考文献11致谢12基于Multisim仿真实验的RC振荡电路设计与研究1 引言振荡器是

7、许多电子系统的重要组成部分。从微处理器的时钟产生到蜂窝电话中的载波合成，振荡器无处不在。而且,在不同的应用中，其要求的结构和性能参数差别很大。振荡器一般分为RC振荡器、LC振荡器、石英晶体振荡器等。相对于石英晶体振荡器而言，RC振荡器的振荡频率容易受到电源电压波动、 温度变化和工艺偏差的影响。然而,结构相对简单，片上电阻电容的应用,面积小，成本低，外围元件少等特点使得RC振荡器在市场上依然具有很大的吸引力。它主要应用于对振荡频率的精度和稳定度要求不高的领域。目前，囯内外对振荡器的研究主要集中于石英晶体振荡器等元件。向片式化、小型化、高频化和更好频率特性发展。此外，振荡器还有新的发展动向，如视频

8、发生器等振荡器的研究与应用。对于RC振荡电路的研究，用传统方法精确分析起振、振幅、振荡频率的大小等都是十分困难的，而用Multisim软件则可灵活方便的进行仿真分析，本文用Multisim对RC振荡电路的起振过程及频率特性进行仿真分析。2 对RC振荡电路进行研究的目的意义及Multisim软件介绍2.1对RC振荡电路进行研究的目的意义RC振荡电路在振荡电路中，它占有很重要的位置。这是因为它以阻、容元件为选频网络，制造上方便，而用途又极其广泛。随着科学实验和生产技术的发展，对这种振荡电路的性能提出了更高的要求。举例来说，如遥测遥控系统中由于受控内容增多，则编码仪号的频率秋定度就得相应提高，又如生

9、产上自动控制的精度的提高，与自动检测仪器的性能有密切的关系，许多检测仪器的性能，又取决于它所用的仗号沉的料度。低频振荡器是许多电子测务设备中的一个重要组成部分。因此，研究此基本电路，设计出装置简单，性能更加良好的RC振荡电路，是有重要意义的。为了更好的说明实验现象，此设计采用Multisim软件进行仿真，获取中电路输出的波形图，通过对数据及图像的分析，加深对RC振荡电路的理解，并对电路中的选频网络进行了改进，从而增强了振荡电路频率的稳定性，也能更加抵制振荡信号中的谐波分量。2.2 Multisim软件简介Multisim是Interactive Image Technologies (Elec

10、tronics Workbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。Multisim软件的功能：通过直观的电路图捕捉环境，轻松设计电路；通过交互式SPICE仿真，迅速了解电路行为；借助高级电路分析，理解基本设计特征；通过一个工具链，无缝地集成电路设计和虚拟测试；通过改进、整合设计流程，减少建模错误并缩短上市时间。Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库

11、的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI Labview和Signalexpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。3 RC振荡电路简介3.1 正弦波振荡电路简介正弦波振荡电路是在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡面产生正弦波输出电压的电路。振荡器是许多电子系统的重要组成部分。从微处理器的时钟产生到蜂窝电话中的载波合成，振荡器无处不在。而且，在不同的应用中，其要求的结构和性能参数差别很大。振荡器一般分为RC振荡器、

12、L C振荡器、 石英晶体振荡器等。相对于石英晶体振荡器而言，RC振荡器的振荡频率容易受到电源电压波动、 温度变化和工艺偏差的影响。然而，结构相对简单，片上电阻电容的应用，面积小，成本低，外围元件少等特点使得RC振荡器在市场上依然具有很大的吸引力。它主要应用于对振荡频率的精度和稳定度要求不高的领域。正弦波振荡电路广泛应用于量测、遥控、通讯、自动控制、热处理和超声波电焊等加工设备之中，也作为模拟电子电路的测试信号。3.2 正弦波振荡电路分类正弦波振荡电路常用选频网络所用元件来命名，分为RC正弦波振荡电路、LC正弦波振荡电路和石英晶体正弦波振荡电路三种类型。RC正弦波振荡电路的振荡频率较低，一般在1

13、MHz以下；LC正弦波振荡电路的振荡频率多在1MHz以上；石英晶体正弦波振荡电路也可等效为LC正弦波振荡电路。4 RC桥式正弦波振荡电路仿真分析4.1 RC桥式正弦波振荡电路原理电路打开Multisim10.1，在绘图编辑器中选择集成运放、直流电源、二极管、电阻、电容，创建RC桥式正弦波振荡电路。如图4.1 所示，标出电路中的结点编号4 在电路中，运放741和电阻 R3，Rf1，Rf2构成正常的负反馈放大电路，而R1，C1，R2，C2则构成RC串并联选频网络，同时又由该选频网络作为反馈网络形成正反馈环节，其R1，C1上的反馈电压作为输入代替放大器的输入信号， D1，D2起稳幅作用。cdba图4

14、.1 RC桥式正弦波振荡电路原理电路4.2 RC桥式正弦波振荡电路的选频特性在图4.1中，移去导线ab和cd，将选频网络从振荡电路中分离出来。经 b点向选频网络输入正弦信号，分析RC桥式正弦波振荡电路选频网络的频率特性，分析结果。由幅频特性曲线指针处读得特征频率f0= 161.921Hz，理论计算的值为:仿真与理论计算基本吻合。采用参数扫描还可以对振荡频率进行分析。 同时改变选频网络的电阻R1，R2 (或同时改变 C1， C2 )，即可改变振荡输出的频率。4.3 起振过程分析根据起振条件，选频网络的反馈系数，只要负反馈放大器的放大倍数A大于3，即 Rf1 (接入电阻)与 Rf2的和略大于R3的

15、两倍，就可产生正弦波振荡，振荡频率由RC选频网络确定2 运行并双击示波器图标XSC1 ，可以看出电路慢慢地振荡起来，逐渐产生越来越大的振荡输出如图4.2所示。由于在 R3 支路中增加反并联二极管，利用二极管电流增大动态电阻减小的特性构成稳幅环节，从而得到稳定的正弦波输出。图4.1中二极管 Dl和D2用以改善输出电压波形，稳定输出幅度起振时，由于集成运放的输出电压很低，Dl 和 D 2 接近于开路，R3，D1，D2并联电路的等效电阻近似等于R3，电路产生振荡。随着集成运放输出电压的增大，当 3 上的分压超过二极管的正向导通电压时，流过3上的电流被分流，负反馈支路的反馈系数增大，迫使 逐渐等于1

16、，最终电路进入稳幅工作状态。4.4 振荡波形分析仿真电路如图4.1所示，启动仿真开关，双击XSC1双踪示波器，调节时基控制刻度为500s/div，调节电位器RP的阻值，按A键(按A健，电阻百分比增大，按a键，电阻百分比减少)，当增大RP电阻百分比至一定时，电路不能振荡。百分比约为65%时，电路能振荡且输出波形较好，如图4.3所示。 当减小RP电阻百分比至30%时，输出波形产生严重失真，如图4.4所示。图4.2 RC振荡电路起振波形图图4.3 RC振荡电路稳定波形图图4.4 RC振荡电路失真波形图4.5 起振周期测量调整示波器面板参数，将示波器水平灵敏度设置为2 msDiv，开启仿真开关，拖动垂

17、直坐标线1和2，如图4.5所示，可测得2 T =12.618ms，则振荡周期T=6.309ms，在测量误差范围内与理论值是一致的。图4.5 RC振荡电路稳定时周期测量图5 RC振荡电路的改进5.1 RC选频网络设电阻R1、R2=R，电容C1、C2=C，他们组成一个RC串并联移相网络，它的输入端是上面的那个R1上边，而它的输出端是中间，这个RC电路的输入端接的就是运算放大器的输出端，而这个RC电路的输出端接的就是运算放大器的输入端，这样就构成了一个闭环，如图5.1所示。图5.1 RC选频网络图RC串并联网络的相频特性是：仅对一个频率是零相移，对低于此频率和高于此频率分别呈正相移和负相移，这样一来

18、，仅对这个，结合两级同相放大器能实现正反馈（因为正反馈的条件是放大器的相移+反馈网络的相移=360）。RC串并联网络的幅频特性是：对频率传输系数最大，等于1/3，而对其它频率的传输系数都是小于1/3的。所以只要放大器的电压放大倍数大于3，就能起振。而运算放大器的电压放大倍数是远大于3的，这样一来，起振是没有问题，但是会带来严重的失真，解决办法是：设法使运算放大器的电压放大倍数稍稍大于3就行。这可以通过调整和来决定。图5.2是常见的RC振荡电路的选频网络，图5.3是当信号频率足够低时，网络的简化电路，此时超前于，图5.4是当信号频率足够高时，网络的简化电路，此时滞后于。图5.5和图5.6是两种改

19、进的选频网络的简化电路。 图5.2常见的RC选频电路 图5.3 RC选频低频时的等效电路 图5.4 RC选频低频时的等效电路 图5.5 改进的RC选频电路1 图5.6 改进的RC选频电路25.2 三种正反馈选频网络的比较现将图5.2、图5.5和图5.6三种选频网络进行比较。三种RC选频网络的电压传输（或电压反馈）系数（FV0/Vf）表达式分别为： （5.1） （5.2） （5.3）当R1R2=R，C1=C2=C，电压传输系数的最大值，振荡频率，网络在振荡时的相移，构成RC振荡器的放大器为无相移放大器，其电压放大系数均为Av3。因此a、d、e三种网络是等价的。而对于R1R2、C1C2的情况，为了

20、便于研究，图5.2网络，令R2=nR1=nR、C1=nC2=nC；图5.5网络，令R1=nR2=nR、C1=nC2=nC；图5.6网络，令R2=nR1=nR、C2=nC1=nC。此时由5.1、5.2、5.3式可以得： （5.4） （5.5） （5.6）不难看出，当元件比值n由零变到无限大时，三种网络的均从0上升并趋于1。由5.4、5.5、5.6式可得下表。可以看出，在相同的n之下，第图5.5、图5.6网络的要大一些。对于桥式RC振荡器来说，若无相移放大器的电压放大系数Av一定时，正反馈网络的的增大，意味着负反馈网络的电压反馈系数日可相应地增大，从而导致桥式RC振荡器的性能有相应的改善。由表5.

21、1可知，对于图5.2网络取n=4，对于图5.5、5.6网络取n=3的二较之取n=1的增大约三倍。这就是说，图5.5、5.6网络优于图5.2网络之处在于为获得相同的改善结果，元件比值可以小些。表5.1 三种RC选频网络的电压传输（或电压反馈）系数n12345678F2max1/30.50.60.670.710.750.780.8F3,4max1/30.570.690.760.80.840.860.885.3元件比值对网络自身性能的影响增大元件比值，除了使增大之外，对正反馈选频网络自身的其他性能亦有相应的改善。由5.1、5.2和5.3式求得选频网络的电压传输系数的表达式为： （5.7）式中： （5

22、.8） （5.9）所以选网络的通带就为： （5.10）式中为网络的固有频率。由5.8、5.9和5.10式可以计算网络的通频带，如表5.2所示：表5.2 三种选频网络的通频带n12345678B2321.671.491.41.331.281.25B3,431.751.451.31.251.191.161.14虽然由于RC选频网络的Q值过小，使得其幅频特性们相烦待性曲线仍然很平坦。但当元件比值增大到如图5.2网络取n=4，图5.5、5.6网络取n=3(见表5.2)通频效已然缩窄了一半幅频特性曲线与相频特性曲线变得陡峭了。选频网络对振荡信号中的二次谐波分量的抑制(或衰减)量表达式为： （5.11）由

23、5.2式、5.9式和5.11式可计算出选频网络对二次谐波分量的衰减，列于表5.3。由表5.3看出尽管因Q值过小，使得对二次谐波的衰减是很不够的，当n=8时，衰减亦不足5.5dB，但图5.5、图5.6网络略优于图5.2网络。表5.3 选频网络对二次谐波分量的衰减n123456780.890.80.740.70.680.660.650.640.890.760.690.660.640.620.610.6-4.4dB如果回路的Q等于1/3，RC振荡器的反馈电路的固定本领和LC振荡器中振荡回路一样。可见，常常用固定本领来表叙振荡器的振频稳定度。由5.1、5.2和5.3式可分别推导出三种选频网络对传输信号

24、的相移的表达式。因，则可将相移表达式对求偏导数（注意取绝对值）后乘以并考虑到，便可求得 （5.12） （5.13）由5.12和5.13式可得表5.4之中的数据。可知图5.2网络取n=4，图4.5、图4.6网络取n=3，比n=1时固定本领已提高了一倍。表5.4 选频电路的固定本领n123456780.6711.21.341.421.51.561.60.671.141.381.521.61.681.721.76因此，选用合适的选频网络和增大元件比值，可以使网络自身的Q位增大，幅频与相频特性曲线变陡峭，通频带变窄，加强对传输信号的谐波分量的抑制，增大固定本领。5.4元件比值对桥式RC振荡器的影响由于

25、Q值过小，使一般的“RC振荡器的线路具有非常低的频率稳定度。”而在桥式RC振荡器中，除了由选频网络引入正反馈使其自激之外，还引入了一定的负反馈。引入负反馈之后，RC振荡器固有频率并不改变，而使振荡信号的谐波分量下降，固定木领增高，频率稳定度有很大的提高。特别值得注意的是，选用合适的选频网络或增大元件比值能改善桥式RC振荡器的性能。通常，桥式RC振荡器负反馈网络是无相移的，即电压反馈系数为实数，且其极限值为，若设桥式RC振荡器所使用无相移放大器的电压放大系数为Av，那么在稳定振荡的请况下，。且当时，可将5.1、5.2和5.3式写成如下通用表达式，式中已由5.4和5.5式给出，Q已由5.8和5.9

26、式给出，三种网络的x分别为、和，那么正负反馈网络总的反馈系数为则可由上式求网络总的相移径运算(前文己叙)可得桥式RC振荡器的固定本领 （5.14）现令Av=100，由5.4、5.5和5.14式算出固定本领值，如表5.5所示。可以看出，取n=3比n=1，图5.2网络的固定本领增大3.24倍，而图5.5、图5.6网络则要提高4.28倍。这说明增大元件比值能显著地提高振频稳定度，选用图5.5、图5.6网络亦能提高振频稳定度。表5.5 RC振荡电路的固定本领n1234567822507290100113122128226595116128140148155由式5.12和5.13式可知，那么正、负反馈网

27、络共同决定均等效Q就为 （5.15）同样令Av=100时，由5.4、5.5、5.15和5.10式可算出正、负反馈网络共同决定的通频带。又由5. 4、5.5、5.15和5.11式可以求得对二次谐波分量的衰减。就图5.2网络而言，取n=3比n=1的通频率变窄了3.2倍，而就图5.5、5.6网络来说，则变窄了4.33倍。或者说，若产生1KHz的信号，图5.2网络的通频率由90Hz变窄为28Hz，而图5.5、5.6网络的则由90Hz变窄为21Hz。当然，随着元件比值的增大，幅频与相频特性曲线将变得更加陡峭了。取n=3相对于取n=1，图5.2网络的震荡器对第二次谐波的衰减更优于10dB，与图5.5、5.

28、6网络更优了12.6dB。5.5两种改进RC振荡电路的仿真图图5.7和图5.8是改进后的RC振荡电路的仿真图：图5.7改进后的RC振荡电路的仿真图1图5.8改进后的RC振荡电路的仿真图26 结论以上分析表明，对于采用深度负反馈使其性能远胜于其他RC振荡的桥式RC振荡器来说，当增大正反馈选频网络的元件(电阻和电器之值的)比值时，可以使选频网络的正反馈系数(F)增加，使在无相移放大器的电压放大系数一定的条件之下负反馈加强，从而使正、负反馈网络共同决定的等效Q值增大，幅频与相频特性曲线变得更加陡峭，增强了对振荡信号中的谐波成份的抑制作用。更为重要的是，增大元件比值，使桥式RC振荡器的固定本领有明显的

29、增加，即振荡稳定度更加提高了。分析亦表明，在改善桥式RC振荡器的性能方面，图5.5和图5.6网络较之于图5.2网络有一定的优势。参考文献1 华成英.模拟电子技术基础.北京:清华大学出版社2 童诗白，华成英. 模拟电子技术基础（第四版）M. 北京: 高等教育出版社3 刘健.电路分析.北京:电子工业出版社4 秦曾煌.电工学.北京:高等教育出版社5 Apple Zhao. 如何在Multisim中创建新元器件OL. 6 日雨宫好文, 小柴典居.主编. 砂泽学著. OHM电子电气入门丛书 电子电路讲座2M. 北京:科学出版社 OHM社7 日喜安善市,伏见和郞.主编. 小柴典居著. OHM电子电气入门丛

30、书 电子电路讲座6M. 北京:科学出版社 OHM社8 Meyer Meyer R G,Member Member W D. A DC to 12GHz Differential Monolithic Variable Gain AmplifierJ. IEEE J. Solid2State2Circuits, 1991, 26 (11): 9 Universal Mobile Telecommunications System ( UMTS) ; Ueradio Transmission and Reception ( FDD)S. ETSI Technical Specification 1

31、25 101 ,version 6. 2. 0 ,200310 何寿康. 简论对桥式RC振荡电路的改进. 益阳师专学报J. 1991，1,42-46致 谢感谢我的指导老师张劼教授，本论文在选题及研究过程中得到张劼老师的悉心指导。张老师多次询问论文进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路。张劼老师敏捷的科研思维、严谨的治学态度、不断开拓的创新精神以及甘为人梯的高尚人格魅力，将深深的影响我的学习和工作。感谢李洁老师在我修改和完善毕业论文过程中给予的指导和帮助。感谢李小赛、赵辉、白蕾蕾等同学对我的帮助和指点。感谢刘培哲同学在材料积累上给我的帮助。在他们的帮助下我才在几个月内完成了论文的撰写。从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意。