1MHZ正弦波振蕩器的設(shè)計

1、 1MHZ正弦波振蕩器設(shè)計 李國建（ 安慶師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院 安徽安慶 ）指導(dǎo)老師：吳昭方摘要：正弦波振蕩器廣泛的應(yīng)用于測量、遙控、通訊、自動控制、熱處理和超聲波電焊等加工設(shè)備之中，也作為模擬電子電路的測試信號。本文論述了正弦波振蕩器的工作原理、組成框圖及種類，具體設(shè)計了采用同相比例運算放大電路的和改進的反相比例運算放放大電路的兩種1MHZ的RC橋式正弦波振蕩器，并將兩種正弦波振蕩器做了比較。關(guān)鍵詞：正弦波振蕩器，同相比例運算放大，差分比例運算放大1、 引言 在實踐中，廣泛采用各種類型的信號產(chǎn)生電路，就其波形來說，可能是正弦波或非正弦波，其中正弦波振蕩器的運用尤為普遍。實際運用中，正弦

2、波振蕩電路可分為RC振蕩電路、LC振蕩電路及石英晶體振蕩器，現(xiàn)今石英晶體振蕩器運用的最多，但大多用于產(chǎn)生高頻正弦波。RC正弦波振蕩器多用于產(chǎn)生低頻正弦波，同時它也是被運用最早且最好理解的一種正弦波振蕩電路，對于學(xué)習(xí)理解正弦波振蕩器十分有幫助，故學(xué)習(xí)設(shè)計RC正弦波振蕩器是十分有必要且重要的。2、正弦波振蕩器的工作原理 2.1正弦波振蕩器的組成及框圖正弦波振蕩器電路可分為五個部分，即直流電源、放大電路、選頻網(wǎng)絡(luò)、正反饋網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)幅網(wǎng)絡(luò)，其組成框圖如圖1所示。直流電源為放大器提供正常工作（放大功能）的條件。放大電路保證電路能夠有從起振到動態(tài)平衡的過程，使電路獲得一定幅值的輸出量，實現(xiàn)能量的控制。選頻網(wǎng)

3、絡(luò)確定電路的振蕩頻率，使電路產(chǎn)生單一頻率的振蕩，即電路產(chǎn)生正弦波振蕩。正反饋網(wǎng)絡(luò)引入正反饋，使放大電路的輸入信號等于反饋信號。穩(wěn)幅網(wǎng)絡(luò)也就是非線性環(huán)節(jié)，作用是使輸出信號幅值穩(wěn)定。在不少實用電路中，常將選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)“合二為一”，而且對于分立元件放大電路，也不再另加穩(wěn)幅網(wǎng)絡(luò)，而依靠晶體管特性的非線性來起到穩(wěn)幅作用。圖1圖1的工作過程可簡述為：接通電源產(chǎn)生自激干擾信號選頻網(wǎng)絡(luò)將f0的信號(圖中虛框內(nèi)的)選出并放大對f0信號處于正反饋回到輸入端再經(jīng)過放大和反饋，如此循環(huán)下去穩(wěn)幅電路使輸出電壓幅度穩(wěn)定在一定值。2.2產(chǎn)生正弦波振蕩的條件從結(jié)構(gòu)上來看，正弦波振蕩電路就是一個沒有輸入信號的帶選頻網(wǎng)絡(luò)

4、的正反饋放大電路。由圖1可知，如在放大電路的輸入端外接一定頻率、一定幅度的正弦波信號Ui，經(jīng)過基本放大電路和反饋網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的環(huán)路傳輸后，在反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出端，得到反饋信號Uf，如果Ui與Uf在大小和相位上一致，那么，就可以除去外接信號Ui，而將輸入端與輸出端連接在一起而形成閉環(huán)系統(tǒng)，其輸出端可能繼續(xù)維持與開環(huán)時一樣的輸出信號。 AF=AF=1 （1）a+f=2n，n=0，1，2， （2）式稱為振幅平衡條件，而式則稱為相位平衡條件，這是正弦波振蕩電路產(chǎn)生持續(xù)振蕩電路產(chǎn)生持續(xù)振蕩的兩個條件。值得注意的是，無論是負反饋放大電路的自激條件（AF=1）或振蕩電路的振蕩條件（AF=1），都是要求環(huán)路增益等于

5、1，不過，由于反饋信號送到比較環(huán)節(jié)輸入端的、符號不同，所以環(huán)路增益各異，從而導(dǎo)致相位條件不一致。振蕩電路的振蕩頻率f0是由式的相位平衡條件決定的。一個正弦波振蕩電路只在一個頻率下滿足相位平衡條件，這個頻率就是f0，這就要求在AF環(huán)路中包含一個具有選頻特性的網(wǎng)絡(luò)，簡稱選頻網(wǎng)絡(luò)。它可以設(shè)置在放大電路A中，也可設(shè)置在正反饋網(wǎng)絡(luò)F中，它可以用R、C元件組成，也可用L、C元件組成。用R、C元件組成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路稱為RC振蕩電路；一般用來產(chǎn)生1Hz1MHz范圍內(nèi)的低頻信號。由于正弦波振蕩電路中的放大器件是工作在線性區(qū)，因此在分析中，可以近似按線性電路來處理。 2.3正弦波振蕩器的種類正弦波振蕩電路常用

6、選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件來命名，分為RC正弦波振蕩電路、LC正弦波振蕩電路和石英晶體正弦波振蕩電路三種類型。RC正弦波振蕩電路的頻率較低，一般在1MHz以下；LC正弦波振蕩電路的振蕩頻率多在1MHz以上，又可分為變壓器耦合LC正弦波振蕩器、三點式振蕩器、改進三點式振蕩器及差分對管振蕩器等；石英晶體正弦波振蕩電路也可等效為LC正弦波振蕩電路，其特點是振蕩頻率非常穩(wěn)定。3、采用RC橋式正弦波振蕩器的設(shè)計實用的RC正弦波振蕩電路多種多樣，但是最具典型性的是RC橋式正弦波振蕩電路，在許多文獻中也稱之為文氏橋振蕩電路。3.1選頻網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計采用RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將電阻R1與電容C1串聯(lián)、電阻R2與電容C2并聯(lián)所組成的

7、網(wǎng)絡(luò)稱為RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。通常，選取R1=R2=R，C1=C2=C。因為RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)在正弦波振蕩電路中既為選頻網(wǎng)絡(luò)，又為正反饋網(wǎng)絡(luò)，所以其輸入電壓為Uo，輸出電壓為Uf。圖2 RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)當(dāng)信號頻率足夠低時，1/WCR,因而網(wǎng)絡(luò)的簡化電路及其電壓和電流的相量圖如圖3所示。Uf超前Uo，當(dāng)頻率趨近于零時，相位超前趨近于+90，且|Uf|趨近于零。當(dāng)信號頻率足夠高時，1/WC1即A3，所以要求起振時R2/R12。在電路起振后要求電路在恒定的頻率和放大倍數(shù)下（A=3），穩(wěn)定的不斷自激振蕩產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波。其選頻網(wǎng)絡(luò)及正反饋網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)將振蕩頻率穩(wěn)定在f0=1MHz，故我們所要解

8、決的問題是使起振后集成運放的放大倍數(shù)維持在一個穩(wěn)定的值，綜合以上的考慮，取R2為一滑動變阻器，利用R2的阻值可以調(diào)整，取一個穩(wěn)定電壓放大倍數(shù)的電阻值。故，得設(shè)計的RC正弦波振蕩器電路如下圖8所示。電路圖中，二極管D1和D2是對集成運放LM324AJ的直流供電起著保護作用，防止直流電壓不穩(wěn)定導(dǎo)致器件的損壞。而二極管D3和D4則是起著電流電壓的穩(wěn)幅作用，利用電流增大時二極管動態(tài)電阻減小、電流減小時二極管動態(tài)電阻增大的特點，加入非線性環(huán)節(jié)，從而使輸出電壓穩(wěn)定。 圖8 同相比例運算放大的RC正弦波振蕩器4、改進的RC正弦波振蕩器的設(shè)計 4.1放大電路的設(shè)計采用反相比例運算放大電路從結(jié)構(gòu)上來看，正弦波產(chǎn)

9、生電路應(yīng)包括放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅電路，這些是必要條件，其中的選頻網(wǎng)絡(luò)可以設(shè)置在放大電路中，也可設(shè)置在正反饋網(wǎng)絡(luò)中，甚至可以設(shè)置在放大電路的負反饋網(wǎng)絡(luò)中。但這不是隨意的，要保證對于選頻網(wǎng)絡(luò)的中心頻率而言，能夠滿足幅度條件和相位條件。如圖9所示，為一個采用反相比例運算放大電路的RC正弦波振蕩器。從此電路圖中，可以得到正反饋系數(shù)F=Uf/Uo=R1/(R1+Rf),對于中頻率f=1/2RC，起振條件AF1即3*R1/(R1+Rf)1,的Rf1可寫成3/2*(R1/(R1+Rf)1，即R12Rf，則得到的A的的振蕩條件與采用同相比例運算放大電路的條件相似。 圖12 改進的RC正弦波振蕩

10、器電路圖12所示的電路產(chǎn)生的1MHz正弦波與文氏電橋振蕩器所產(chǎn)生的正弦波相似。 4.3兩種正弦波振蕩器的總結(jié)從上面所設(shè)計的兩種1Mhz的正弦波振蕩器（同相比例運算放大電路的RC正弦波振蕩器和改進的RC正弦波振蕩器）可以看出，一個電路要產(chǎn)生正弦波振蕩，首先從電路結(jié)構(gòu)上看， 電路必須具有放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)幅電路等環(huán)節(jié)。其次是看選頻網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置，根據(jù)實際情況，它可以設(shè)置在放大器A中(可以設(shè)置在放大器的負載位置甚至設(shè)置在負反饋網(wǎng)絡(luò)的位置，即作為反饋網(wǎng)絡(luò))，也可以設(shè)置在正反饋網(wǎng)絡(luò)F中。但要保證對于中心頻率的正弦信號而言，A或F的幅值為最大值，滿足AF 1，且同時滿足相位條件，使此 時的反饋

11、信號Uf可以取代輸入信號Ui對于偏離中心頻率的其他信號A或F變小，不滿足起振條件。這樣，電路就能產(chǎn)生中心頻率的正弦波振蕩。5、結(jié)束語現(xiàn)今，隨著信號發(fā)生器的技術(shù)的日益成熟和普遍推廣，將正弦波、三角波、方波及鋸齒波等波形融合在意臺儀器之上，方便了工程技術(shù)上和教學(xué)上運用。但學(xué)習(xí)好RC正弦波振蕩器電路對我們來說，仍然很重要，有助于我們推陳出新，研究出更好、更方便、成本更低的正弦波振蕩器和信號發(fā)生器。參考文獻：1肖廣潤，周惠領(lǐng).電子技術(shù).武漢:華中理工大學(xué)出版社,19962童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:人民教育出版社,19823王克義，李潔.電子技術(shù)與數(shù)字電路.北京:北京大學(xué)出版社,19964程開明.

12、模擬電子技術(shù).重慶:重慶大學(xué)出版社,19935康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分).北京:高等教育出版社,19986莊效恒，李燕民.模擬電子技術(shù).北京:機械工業(yè)出版社,19997謝沅清，解月珍.電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:人民郵電出版社,19998柯節(jié)成.電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:高等教育出版社,19919李永安,王革偉,張曦.文氏橋振蕩電路振蕩務(wù)件的研究 Sine wave oscillator design 1MHZLI GuoJian (Anqing Teachers College, Institute of Physics and Electrical Engineering, Anqing, Anh

13、ui )Abstract: The sine wave oscillator is widely used in measurement, remote control, communications, automatic control, heat treatment and ultrasonic welding and other processing equipment into, but also as a test signal analog electronic circuits. This article discusses the working principle of sinusoidal oscillator, composition and type of block diagram, the specific design of the operation using the same phase ratio and differential amplifier circuit op amp circuit ratio of th