双运放弛张振荡器及有源滤波器设计.doc

双运放弛张振荡器及有源滤波器设计

双运放弛张振荡器与有源滤波器设计
目 录

摘 要 1
1. 系统方案 2
1.1 方案比较与选择 2
1.2 方案描述 2

2. 理论分析与计算 2
2.1弛张振荡器的电路分析 2
2.2 滤波器电路分析...........................................................................................................2
2.3纯电阻网络衰减器电路分析.....................................................................................3

3. 系统电路设计...........................................................................................................................3
3.1 弛张振荡器电路...............................................................................................3
3.2 滤波器电路.....................................................................................................................4
3.3 纯电阻网络衰减器.......................................................................................................6

4. 测试方案与测试结果...........................................................................................................6
4.1测试仪器..........................................................................................................................6
4.2 测试方案与结果...........................................................................................................6
4.3 误差分析.........................................................................................................................7

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摘 要

本设计采用双运放弛张振荡器形成方波和三角波，并对产生的电路进行滤波，产生1k,3k和5k的正弦波。电路包括振荡器模块，带通滤波器模块以与直流偏置等几部分。
振荡器部分采用双运放弛张振荡器；滤波器部分采用4阶巴特沃斯带通滤波器实现滤波，分别滤出1次，3次，5次谐波；直流偏置采用电阻分压和运算放大器实现，可调范围大，效果明显。
关键词：信号发生器 滤波器 直流偏置 占空比频率可调

1. 系统方案
1.1方案比较与选择
方案一：选用单片机作为波形发生器的源，经D/A转换，既可得到我们想要的任何波形。但该方案有一个缺点，无法做出频率很高的波形。
方案二：选用FPGA来作为波形发生器的源，其他的同方案一，我们也可以产生我们想用的任何波形。该方案的成本比较高。
方案三：选用双运放构成的驰张振荡器作为频率源，经滤波器后，选出需要频率的正弦波既可。该方案可通过一个滑动电阻实现频率调节。且经济实惠，应题目要求，我们选用该方案实现多路波形发生器。

1.2方案描述
本方案中，我们选用双运放构成驰张振荡器，一个运放构成迟滞比较器，其输出为方波。另一个运放构成理想积分器，保证电容的横流充电，实现线性很好的三角波输出。输出的三角波，又作为迟滞比较器的输入，控制迟滞比较器的状态转换。这样周而复始形成震荡。正弦波的产生，则可以将生成的方波通过一个带通滤波器产生。

2. 理论分析与计算
2.1 弛张振荡器的电路分析
双运放弛张振荡器，运算放大器U1A是比较器，U2A构成反向积分器。在U1A的输出端输出方波，在U2A的输出端输出三角波。峰峰值的计算公式为：
U_o1pp=2Ucc
U_o2pp=2 R1/R2 * Ucc
频率的计算公式为：f0=(αR2)/(4R3 *C* R1 )

其中，α表示滑动变阻器中所接入电阻的比例。根据幅度和频率的要求，可以计算出各个电阻和电容的值。根据题目要求矩形波频率可调、占空比可调，设置调节滑动变阻器和，来调节方波的频率和占空比。由于电容C1不断充电和放电，滑动变阻器可以改变充电和放电的时常数，可以改变方波的占空比。此外，在运算放大器U1C的输出端和地之间接一个的电容，可以将高频分量滤出，输出的三角波不会有毛刺。
要输出峰峰值为5V，直流偏置2.5V的方波信号，可将输出的方波信号进行比例放大，并且通过加法器增加直流偏置。

2.2 滤波器电路分析
方波信号经三路不同频率有源带通滤波器，同时产生频率为1kHz、3kHz和5kHz的正弦波，-3dB带宽200Hz，带外衰减-40dB/十倍频以上下降；1kHz的幅度峰峰值为6V，3kHz的幅度峰峰值为2V。设计三个四阶巴特沃斯带通滤波器，中心频率分别为1kHz、3kHz和5kHz。
发挥部分要求正弦波1kHz的正弦波直流偏置从-2V至2V可调，设计加法器，利用比例运算关系，在加法器的一个输入端添加滑动变阻器，调节滑动变阻器即可实现该功能。

2.3 纯电阻网络衰减器电路分析
本题要求制作40dB纯电阻网络衰减器，输入输出阻抗100k欧姆。这里使用对称的T网络。
由阻抗关系可得：R_O=R_I+R_2∕(R_1+R_I)

又根据电路输入电压和输出电压关系可得：((R_I+R_1)/R_I ×U_I/R_2 +U_I/R_I )×R_1=U_O-U_I×(R_I+R_1)/R_I

根据以上两式，结合已知数据可以求得，R_1=98kΩ，R_2=2kΩ。

3. 系统电路设计
3.1弛张振荡器电路

3.2滤波器电路

1KHZ巴特沃斯带通滤波器电路

3KHZ巴特沃斯带通滤波器电路

5KHZ巴特沃斯带通滤波器电路

正弦波可调直流偏置电路

3.3纯电阻网络衰减器
纯电阻T网络衰减器

4. 测试方案与测试结果
4.1测试仪器
示波器、稳压电源、函数信号发生器、扫频仪等。

4.2测试方案与结果
测试方法：
1.信号发生器直接通过示波器测试读数；
2.滤波器带宽以与衰减测量：通过调节输入方波的频率，找到带通滤波器的中心频率点即最大增益处的频率以与-3dB点，即可得到改带通滤波器的带宽。调节频率至十倍频，记录此时的增益得到衰减分贝。
3.电阻衰减器测量方法：电源输出外接100KΩ,分别测量加入和未加入该电阻时的输入输出电压从而计算输入输出阻抗。

测试结果：

峰峰值
最大值
最小值
频率
通带
方波
5.96V
2.96V
-3.00V
1.000KHZ

三角波
4V
2.04V
-1.96V
1.000KHZ

正弦波（1KHZ）
6.00V
3.04V
-2.96V
1.010KHZ
785HZ~1100HZ
正弦波（3KHZ）
1.4V
800mv
-600mv
3．016KHZ
2923HZ~3013HZ

4.3误差分析
本实验中，误差较大的是1K滤波器的带宽，通带上限较为理想，通带下限偏差太大，经分析，原因是四阶滤波器的第一级放大器用的全部都是固定电阻，而第二级用了两个滑动变阻器来调节中心频率和带宽，然而第一级放大器和第二级放大器是级联的关系。导致带宽不对称这种现象。