丁守成， 肖利梅， 閆 珂， 王貴鋒

(蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院， 蘭州 730050)

負反饋放大電路的內(nèi)容是“模擬電子技術(shù)”課程中重要部分，通過負反饋放大電路實驗掌握常用儀器：示波器、信號發(fā)生器、波特儀、萬用表等工作原理和使用方法；掌握常用的電子元器件使用方法；掌握基本電路的測量及故障處理方法；掌握實驗數(shù)據(jù)的處理方法；加深負反饋放大電路知識的理解與自激振蕩產(chǎn)生及消除條件的理解；對培養(yǎng)學生的動手能力、良好的實驗習慣具有重要作用[1-4]。

受限于實驗學時和經(jīng)費，很多學校電子技術(shù)實驗室教學設備沒有配置頻譜分析儀，負反饋放大電路實驗僅僅測試放大電路的基本放大功能，而對負反饋放大電路系統(tǒng)分析內(nèi)容很少。虛擬仿真實驗教學是國家信息化教育戰(zhàn)略的重要實踐內(nèi)容, 而加速信息化教學建設是很多高?！笆濉币?guī)劃的重要建設內(nèi)容之一[5-9]。各高校已經(jīng)開始了不同方向?qū)I(yè)的虛擬仿真實驗探索與實驗[10-12]。因此開發(fā)基于線上的虛實結(jié)合負反饋放大電路設計勢在必行。

相比于傳統(tǒng)的Multisim、Protel等虛擬仿真軟件，本虛實結(jié)合負反饋放大電路實驗系統(tǒng)最大的特色是實驗系統(tǒng)中應用到所有元器件為真實的元器件，測試儀器則為虛擬儀器，學生通過瀏覽器登錄虛擬實驗平臺后，學生前臺的通過頁面實驗操作均在后臺通過軟硬件結(jié)合技術(shù)，對相關(guān)的實際元器件進行連接，并通過虛擬測試儀器進行結(jié)果輸出。本虛擬結(jié)合負反饋放大電路實驗系統(tǒng)綜合了線下實際實驗室的真實器件，同時克服了線下實驗室設備成本高、存在時空限制、測試儀器損壞風險和實驗安全風險等因素。

1 實驗電路方案與原理分析

1.1 負反饋放大電路圖

圖1所示為虛擬實驗負反饋放大電路圖，OP07運算放大器的放大倍數(shù)典型值為A=4×105，OP07運算放大器單位增益帶寬典型值為GBW=0.6 MHz，電阻R2=R3=20 kΩ，R1=100 kΩ，R4=10 kΩ，設置可變電容器的初始值C1=160 pF，電位器初始電阻值為Rf=20 kΩ。

圖1 負反饋放大電路

1.2 負反饋放大電路原理分析

圖1所示負反饋放大電路的前向傳輸可分為三個部分，第一部分為前向開環(huán)放大電路，第二部分為RC電路，第三部分為同向比例運算電路。圖1所示負反饋放大電路的前向傳遞函數(shù)[13]為

(1)

前向傳遞相移量為

(2)

反饋通道由R4和Rf組成，負反饋放大電路反饋傳遞函數(shù)為

(3)

反饋通道相移量φF(jf)=0。

根據(jù)負反饋放大電路產(chǎn)生自激振蕩必須滿足相位平衡條件和起振條件。即：

(4)

(5)

1.3 自激振蕩的消除

根據(jù)自激振蕩產(chǎn)生條件，可以通過電容滯后補償或減小反饋深度消除自激振蕩[14-16]。負反饋放大電路消除自激振蕩條件只需要不滿足相位平衡條件或不滿足起振條件，在此條件下負反饋放大電路不會產(chǎn)生自激振蕩。

1)電容滯后補償改變附加相移

2) 減小反饋深度

2 虛實結(jié)合實驗電路設計與實踐

2.1 虛擬仿真實驗平臺登錄

選課學生通過瀏覽器訪問虛擬仿真實驗平臺網(wǎng)址，登錄學生對應學號和密碼，選擇虛擬實驗，選擇負反饋放大電路，進入虛擬實驗操作界面。如圖2所示為學生實驗操作界面。

圖2 學生登錄負反饋放大電路實驗界面

2.2 負反饋放大電路實驗具體操作

根據(jù)圖1所示電路圖，通過拖動登錄界面左側(cè)的實際元器件至實驗電路平臺中，電路輸入與輸出分別連接示波器CH1通道和CH2通道觀察輸入和輸出波形，如圖3所示。

圖3 負反饋放大電路虛擬實驗電路圖

調(diào)節(jié)信號發(fā)生器，使得輸入信號峰峰值為1 V，頻率1 kHz的正弦信號，通過示波器觀察輸入和輸出信號，如圖4所示。

圖4 負反饋放大電路輸入、輸出信號波形

將圖3開關(guān)由bc切換至ab，對開環(huán)放大電路輸出信號通過頻譜分析儀進行幅頻和相頻特性曲線分析，如圖5所示為輸出信號的幅頻曲線和相頻曲線。

圖5 開環(huán)放大電路信號幅頻圖和相頻圖

由圖5可知，根據(jù)信號幅頻特性曲線和相頻特性曲線可知，在相移為-180°時，頻率為54.9 kHz。仿真實驗結(jié)果和理論分析結(jié)果f=54.6 kHz，在誤差范圍內(nèi)實驗結(jié)果與理論計算結(jié)果一致，此頻率下開環(huán)增益為11.69 dB，即開環(huán)放大倍數(shù)為3.84，AVOF=1.28>1，虛擬仿真結(jié)果與理論計算值A(chǔ)VOF=1.29，在誤差范圍內(nèi)基本一致。滿足負反饋放大電路產(chǎn)生自激振蕩條件，通過本虛擬仿真負反饋放大電路實驗系統(tǒng)頻譜分析儀觀察輸出結(jié)果與理論計算結(jié)果一致。

2.3 負反饋放大電路實驗自激振蕩消除

1) 電容滯后補償改變附加相移

改變電容器值為C1=1.6 pF，輸出波形如圖6所示。

由圖6可知，輸出信號是一個放大的正弦信號，放大倍數(shù)為3倍。理論計算放大倍數(shù)為1/F，代入條件得輸出信號幅值放大倍數(shù)為輸入信號幅值3倍與示波器觀察到虛擬仿真實驗結(jié)果一致。

圖6 負反饋放大電路輸入、輸出信號波形圖

對輸出信號通過示波器進行頻譜分析，得到頻譜圖如圖7所示。

圖7 負反饋放大電路輸出信號頻譜圖

由圖7可知輸出信號為與輸入信號相同的頻率為1 kHz的單頻信號。

在圖3其他條件不變，可變電容器值調(diào)節(jié)為C1=1.6 pF下，將開關(guān)由bc切換至ab，對開環(huán)輸出信號進行幅頻和相頻特性曲線分析，如下圖8所示為輸出信號的幅頻曲線和相頻曲線。

圖8 開環(huán)放大電路輸出信號幅頻、相頻特性曲線

由圖8幅頻、相頻特性曲線可知相位為-180°情況下，頻率為547 kHz與理論計算結(jié)果基本一致。此頻率下開環(huán)增益為-0.7 dB，即開環(huán)放大倍數(shù)為0.93，與理論計算結(jié)果0.93一致，AVOF=0.31<1，不滿足負反饋放大電路產(chǎn)生自激振蕩條件。

2)減小反饋深度消除自激振蕩

由理論計算知，在初始條件不變的情況下，當反饋回路可變電阻Rf>28.8 kΩ，不滿足產(chǎn)生負反饋放大電路自激振蕩起振條件。改變反饋回路電位器電阻值使Rf=30 kΩ，通過示波器觀察到輸入、輸出信號波形圖如下圖9所示。

圖9 負反饋放大電路輸入、輸出波形圖

由圖9可知輸出信號為頻率為1 kHz的正弦信號，輸出信號幅值相比于輸入信號放大4倍，虛擬仿真實驗輸出信號放大倍數(shù)與理論計算放大倍數(shù)1/F=4一致。

在圖3其他條件不變，改變負反饋回路電阻Rf=30 kΩ條件下，開關(guān)由bc切換至ab，對開環(huán)放大電路輸出信號進行幅頻和相頻特性曲線進行分析，如圖5所示，根據(jù)相頻特性曲線，在相位為-180°條件下，對應的信號頻率為54.9 kHz，此時增益為11.69 dB，即開環(huán)放大倍數(shù)為3.84，AVOF=0.96<1，不滿足負反饋放大電路產(chǎn)生自激振蕩條件。

通過調(diào)節(jié)電容器值進行電容滯后補償或通過調(diào)節(jié)反饋回路電位器電阻值改變反饋深度消除自激振蕩，通過實驗系統(tǒng)自帶的示波器可以直觀的觀察輸出信號波形的變化，并掌握示波器的使用，以及頻譜分析儀進行幅頻特性曲線和相頻特性曲線觀察，將理論應用到實踐中，領(lǐng)會理論的意義。

3 結(jié)語

負反饋放大電路作為“模擬電子技術(shù)”重要的內(nèi)容。學生通過本虛擬實驗仿真，使學生更加直觀深入地掌握負反饋放大電路的工作原理及自激振蕩的產(chǎn)生及消除條件。使學生從抽象的課本概念實現(xiàn)到實際的輸出波形圖像的建立，同時虛擬實驗擺脫了實驗條件和實驗場地的限制以及用電安全問題，使學生隨時隨地進行實驗操作與實驗復習，調(diào)動了學生的積極性和探索性。教師也可以通過后臺更加方便地掌握學生實驗完成情況，虛擬仿真實驗將助力學生更好地學習。