rc振荡原理:RC振荡电路的原理是主要靠电磁在电感和电容中产生一个振动频率,使电能和磁能值都有最大值和最小值,从而交替变换产生振动电流。
采用RC选频网络构成的振荡电路称为RC振荡电路,它适用于低频振荡,一般用于产生1Hz~1MHz的低频信号,因为对于RC振荡电路来说,增大电阻R即可降低振荡频率,而增大电阻是无需增加成本的,200kHz以下的正弦振荡电路,一般采用振荡频率较低的RC振荡电路。
按信号的波形来分,振荡电路可以分正弦波电路和非正弦波电路,正弦波产生的波形比较接近于数学中的余弦正弦图像,并且稳定度比较高,而非正弦波电路恰好相反,产生的波形通常为矩形波,方形波等,稳定度也不如正弦波。
RC移相式振荡器具有电路简单,经济方便等优点,但选频作用较差,振幅不够稳定,频率调节不便,因此一般用于频率固定、稳定性要求不高的场合。RC桥式振荡器将RC串并联选频网络和放大器结合起来即可构成RC振荡电路,放大器件可采用集成运算放大器。
电路分析(二)精确移相电路的设计举例
采用RC移相器的原因是,RC移相器可以对输入信号进行相位变换,从而使两个通道的信号可以在示波器上叠加成一个相图,便于观察非线性电路的动态行为,如倍周期分岔、混沌等现象。
如果不用移相器,也可以用其他的仪器或方法来观测非线性电路的特征,比如:
用频谱仪来观测非线性电路的频谱特性,如功率谱密度、混频分量等。
用相频仪来观测非线性电路的相频特性,如相频曲线、锁相范围等。
用数字信号处理器(DSP)或计算机来对非线性电路的信号进行数字化采样和处理,从而得到相图、李雅普诺夫指数、分形维数等参数。
非线性电路与混沌实验详解:
非线性电路与混沌实验是一种利用电路元件和仪器来模拟和观察非线性动力学系统的运动规律,特别是混沌现象的实验。混沌是指在一个确定性的系统中,存在着貌似随机的不规则运动,其行为表现为不确定性、不可重复、不可预测,对初始条件非常敏感。
在本实验中,主要使用了以下几个部分:
有源非线性负阻元件,是一种利用运算放大器和电阻构成的负阻抗变换器电路,可以产生负阻效应,即当电压增加时,电流反而减小。
蔡氏振荡电路,是一种由一个非线性电阻、一个电感、一个可调电阻和两个电容组成的非线性振荡电路,可以产生周期运动、倍周期分岔、混沌等现象。
示波器,是一种可以显示两个通道信号的波形和相图的仪器,可以用来观测非线性电路的动态行为。
实验的步骤如下:
首先,测量有源非线性负阻元件的伏安特性曲线,并画出图形。
然后,搭建蔡氏振荡电路,并将电容上的电压输入到示波器的X轴和Y轴。
接着,调节可调电阻R0的值,并观察示波器上的图形变化。
最后,记录不同倍周期时的Uc1-t图和R0的值,并计算费根鲍姆常数。
通过本实验,可以学习到以下几点:
非线性系统具有丰富多样的运动形式,从有序到无序,从周期到混沌。
非线性系统由定态过渡到混沌,通常经历一个倍周期分岔的过程,即周期不断加倍直至无穷大。
非线性系统在混沌状态下具有奇异吸引子,即一个复杂但明确的边界,在边界内部具有无穷嵌套的自相似结构。
非线性系统在混沌状态下对初始条件十分敏感,即蝴蝶效应。
姓名:刘烁烁 ;学号:20181213904;学院:广州研究院
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移相电路就是对输入信号(一般是正弦波)进行相位控制,而不改变其幅度,本推文以移相电路为例,展示模拟电路的反馈设计技巧与方法:
一、全通滤波器实现移相
以上是两种移相电路 的原理,其输出幅度保持不变,移动的相位随R3和C而改变,在C和R3确定时其移相是arctan函数,非线性的,当WR3C较小时,近似线性arctan(x)=x,|x|<=0.5,仿真伯德特的相位如下:
上图可见,在WR3C较小时,是线性相移,即确定最最高频率Wmax后可以反向计算R3C<=0.5/Wmax,确定线性相移应用的时间常数R3C。
二、反馈控制设计举例
现在需要设计一个电路,实现输入频率在一定范围内变化、输入信号的初始相位变化时,输出信号始终超前输入信号90°,而输出信号幅度保持与输入信号幅度相同。这该如何实现?
应用前述的全通滤波器,好像有希望实现,关键是要能调整C与R3,而且要刚好调整到对输入信号移相90°,这是问题的关键。我们把问题细分一下:
1)如何改变C或R3?
2)? 如何检测相位差?这其实就是要根据相位差来反馈控制C或R3的变化,可以采用模拟控制也可用数字控制方式。
先说1),改变C当然不能人去手动调节,要用电信号自动调节,首先想到的就是反向偏置的变容二极管,本推文我们不选择改变C,如果是改变R3那么如何做?当然不能用普通电位器了
,我们还是需要能电控改变阻值的东东:
a)不少人可能首先想到的是数字电位器,这个有些问题:首先太复杂,意味着你要使用单片机,而且数字电位器都是离散电阻值,假设一步对应100欧姆,1.5khz时需要900欧姆,刚好合适,而1.525khz输入频率,如果需要923.56欧,就完了,因为一步对应100欧姆的数字电位器只有900欧姆、1000欧姆,没有923.56欧姆,会影响控制精度,所以数字电位器不是最佳方案。那么你非要使用数字电位器又该怎么办?那也不是没有办法,只是精度差一些:比如,你可以参考PWM控制的思路,在20次控制中,1000*(20-x)/20+900*x/20=923.56,计算出x次选择900欧,剩下(20-x)选择1000欧。
b)还有就是选择JFET管,工作在可变电阻区,这是非常好的方案,只是要控制JFET的工作电压和扩展JFET的线性,下面详述
再说2),这里关键是需要一个鉴相器,来检测相位差,二极管鉴相器、二极管平衡环状鉴相器、乘法器....都可以做鉴相器,这里为了简单选择乘法器做鉴相器
先给出整体仿真电路和仿真实验结果:
下面看看反馈跟踪控制电路,其由鉴相器和JFET可变电阻构成:
1)鉴相器这里采用的是乘法器,把输出信号Asin(wt+Po)与输入信号Asin(wt+P1)相乘,sina*sinb=-0.5[cos(a+b)-cos(a-b)],当两者差90°时结果只有cos2wt 二倍频分量,无直流分量,而非90°相位差时,会有一个直流分量0.5*cos(Po-P1), 推文中使用一个一阶RC取出直流分量,然后对直流分量进行积分,这个积分器是必须的,其作用就是如果误差没有消除就不断增强调节作用,此处如果换成放大器就没有持续调节作用了,其实这就是PID控制中的积分环节,目的就是消除最终的稳态误差!此电路只是临时起意设计的,参数还没有优化计算。
2)JFET可变电阻
jFET的输出电流ID与VGS(栅源电压)、VDS(漏源电压)关系如下,可以推导出其输出导纳gDS
现在如下图所示,通过R3/R2引入对Vds信号的反馈,目的是减小JFET输出电阻的非线性,造成非线性的原因从上图的gDS公式可见其还是Vds的函数,因此我们的做法还是负反馈!引入对Vds信号的负反馈来抑制Vds对ID的影响!
失真补偿以后,失真度降为0.022%,这改善非常明显, 记住善于应用负反馈者,如果模拟电路世界的天下一分为四,你已得其一!是不是有点当年诸葛大神的隆中对三分天下的意思?
这种JFET低失真可变电阻很有用,例如下图的低失真系数的正弦波振荡器:
红色区域左下角的1:1运放就是为了隔离R8/R9/VR对R4的负载效应; TL071也是反馈控制中的积分环节,目的一样是消除稳态误差;D2/D3构成主要的信号幅度信息提取网络,采用半波整流电路取出正半周信号,通过积分器其实就是半波整流输出信号的平均直流分量,该分量与正弦波的幅度成比例:
二极管半波整流虽然简单而且不精确,但是和积分器搭配却是很常见的信号幅度提取与反馈控制的手段!