1MHZ正弦波振荡器的设计

1MHz正弦波振荡器的设计第1页，共12页1MHZ正弦波振荡器设计李国建（安庆师范学院物理与电气工程学院安徽安庆246011）指导老师：吴昭方摘要：正弦波振荡器广泛的应用于测量、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。本文论述了正弦波振荡器的工作原理、组成框图及种类，具体设计了采用同相比例运算放大电路的和改进的反相比例运算放放大电路的两种1MHZ的RC桥式正弦波振荡器，并将两种正弦波振荡器做了比较。关键词：正弦波振荡器，同相比例运算放大，差分比例运算放大1、引言在实践中，广泛采用各种类型的信号产生电路，就其波形来说，可能是正弦波或非正弦波，其中正弦波振荡器的运用尤为普遍。实际运用中，正弦波振荡电路可分为RC振荡电路、LC振荡电路及石英晶体振荡器，现今石英晶体振荡器运用的最多，但大多用于产生高频正弦波。RC正弦波振荡器多用于产生低频正弦波，同时它也是被运用最早且最好理解的一种正弦波振荡电路，对于学习理解正弦波振荡器十分有帮助，故学习设计RC正弦波振荡器是十分有必要且重要的。2、正弦波振荡器的工作原理2.1正弦波振荡器的组成及框图正弦波振荡器电路可分为五个部分，即直流电源、放大电路、选频网络、正反馈网络、稳幅网络，其组成框图如图1所示。直流电源——为放大器提供正常工作（放大功能）的条件。放大电路——保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，使电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制。选频网络——确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡，即电路产生正弦波振荡。正反馈网络——引入正反馈，使放大电路的输入信号等于反馈信号。1MHz正弦波振荡器的设计第2页，共12页稳幅网络——也就是非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。在不少实用电路中，常将选频网络和正反馈网络“合二为一”，而且对于分立元件放大电路，也不再另加稳幅网络，而依靠晶体管特性的非线性来起到稳幅作用。放大器uA反馈网络uF0UdUfU振荡建立过程的原理框图iU0U图1图1的工作过程可简述为：接通电源产生自激干扰信号→选频网络将f0的信号(图中虚框内的)选出并放大→对f0信号处于正反馈回到输入端→再经过放大和反馈，如此循环下去→稳幅电路使输出电压幅度稳定在一定值。2.2产生正弦波振荡的条件从结构上来看，正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。由图1可知，如在放大电路的输入端外接一定频率、一定幅度的正弦波信号Ui，经过基本放大电路和反馈网络所构成的环路传输后，在反馈网络的输出端，得到反馈信号Uf，如果Ui与Uf在大小和相位上一致，那么，就可以除去外接信号Ui，而将输入端与输出端连接在一起而形成闭环系统，其输出端可能继续维持与开环时一样的输出信号。︱AF︳=AF=1（1）φa+φf=2nπ，n=0，1，2，…（2）式①称为振幅平衡条件，而式②则称为相位平衡条件，这是正弦波振荡电路产生持续振荡电路产生持续振荡的两个条件。值得注意的是，无论是负反馈放大电路的自激条件（–AF=1）或振荡电路的振荡条件（AF=1），都是要求环路增益等于1，不过，由于反馈信号送到比较环节输入端的＋、－符号不同，所以环路增益各异，从而导致相位条件不一致。振荡电路的振荡频率f0是由式②的相位平衡条件决定的。一个正弦波振荡电路只在一个频率下满足相1MHz正弦波振荡器的设计第3页，共12页位平衡条件，这个频率就是f0，这就要求在AF环路中包含一个具有选频特性的网络，简称选频网络。它可以设置在放大电路A中，也可设置在正反馈网络F中，它可以用R、C元件组成，也可用L、C元件组成。用R、C元件组成选频网络的振荡电路称为RC振荡电路；一般用来产生1Hz～1MHz范围内的低频信号。由于正弦波振荡电路中的放大器件是工作在线性区，因此在分析中，可以近似按线性电路来处理。2.3正弦波振荡器的种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正弦波振荡电路的频率较低，一般在1MHz以下；LC正弦波振荡电路的振荡频率多在1MHz以上，又可分为变压器耦合LC正弦波振荡器、三点式振荡器、改进三点式振荡器及差分对管振荡器等；石英晶体正弦波振荡电路也可等效为LC正弦波振荡电路，其特点是振荡频率非常稳定。3、采用RC桥式正弦波振荡器的设计实用的RC正弦波振荡电路多种多样，但是最具典型性的是RC桥式正弦波振荡电路，在许多文献中也称之为文氏桥振荡电路。3.1选频网络的设计——采用RC串并联网络将电阻R1与电容C1串联、电阻R2与电容C2并联所组成的网络称为RC串并联选频网络，如图2所示。通常，选取R1=R2=R，C1=C2=C。因为RC串并联选频网络在正弦波振荡电路中既为选频网络，又为正反馈网络，所以其输入电压为Uo，输出电压为Uf。图2RC串并联选频网络当信号频率足够低时，1/WCR,因而网络的简化电路及其电压和电流的相量图如图3所示。Uf超前Uo，当频率趋近于零时，相位超前趋近于+90°，且|Uf|趋近于零。当信号频率足够高时，1/WCR，因而网络的简化电路及其电压和电流的相量图如1MHz正弦波振荡器的设计第4页，共12页图4所示。Uf滞后Uo，当频率趋近于无穷大时，相位滞后趋近于-90°，且|Uf|趋近于零。图3低频段等效电路及其相量图图片4高频段等效电路及其相量图可以想象，当信号频率从零逐渐变化到无穷大时，Uf的相位将从+90°逐渐变化到-90°。因此，对于RC串并联选频网络，必定存在一个频率f0，当f=f0时，Uf与Uo同相。通过以下计算，可以求出RC串并联选频网络的频率特性和f0。整理，可得1MHz正弦波振荡器的设计第5页，共12页令W0=1/RC，则f0=1/2πRC，将f0代入上式，得出则幅频特性为相频特性为本文是要设计一个频率为1MHz的正弦波振荡器，故1MHz=1/2πRC。总体考虑，是电路的输出阻抗值为最小值，我们可取R=15kΩ,C=10pF。3.2放大电路的设计——采用同相比例运算放大电路由上节知，当f=f0时，F=1/3，又因为AF=1，得A=Au=3。所以只要为RC串并联选频网络匹配一个电压放大倍数等于3（即输出电压与输入电压同相且放大倍数的数值为3）的放大电路就可以构成正弦波振荡电路，如图5所示。但考虑到起振条件，所选放大电路的电压放大倍数应该略大于3。1MHz正弦波振荡器的设计第6页，共12页图5利用RC串并联选频网络构成正弦波振荡电路的方框图从理论上讲，任何满足放大倍数要求的放大电路与RC串并联选频网络都可组成正弦波振荡电路；但是，实际上，所选用的放大电路应具有尽可能大的输入电阻和尽可能小的输出电阻，以减少放大电路对选频特性的影响，使振荡频率几乎仅仅决定于选频网络。因此，通常选用引入电压串联负反馈的放大电路。本文是为设计一个1MHz的正弦波振荡器电路，其选频和正反馈网络在上节内容中已经做了详细的介绍，取R1=R2=15kΩ，C1=C2=10pF，故得自激振荡的振荡频率为f0=1=1/2πRC=1/（2*π*15kΩ*10pF）≈1MHz。放大电路部分，选取同相比例运算放大电路。集成运放为DIP14封装的LM324AJ，其封装及管脚图如图6、7所示。图6LM324AJ封转图1MHz正弦波振荡器的设计第7页，共12页图7LM324AJ管脚图根据LM324AJ技术文档中的介绍和综合考虑，我们采取同相比例运算电路。又因为同相比例运算电路的电压放大倍数为Av=1+R2/R1，且自激振荡的起振条件为AF1即A3，所以要求起振时R2/R12。在电路起振后要求电路在恒定的频率和放大倍数下（A=3），稳定的不断自激振荡产生稳定的正弦波。其选频网络及正反馈网络已经将振荡频率稳定在f0=1MHz，故我们所要解决的问题是使起振后集成运放的放大倍数维持在一个稳定的值，综合以上的考虑，取R2为一滑动变阻器，利用R2的阻值可以调整，取一个稳定电压放大倍数的电阻值。故，得设计的RC正弦波振荡器电路如下图8所示。电路图中，二极管D1和D2是对集成运放LM324AJ的直流供电起着保护作用，防止直流电压不稳定导致器件的损坏。而二极管D3和D4则是起着电流电压的稳幅作用，利用电流增大时二极管动态电阻减小、电流减小时二极管动态电阻增大的特点，加入非线性环节，从而使输出电压稳定。1MHz正弦波振荡器的设计第8页，共12页图8同相比例运算放大的RC正弦波振荡器4、改进的RC正弦波振荡器的设计4.1放大电路的设计——采用反相比例运算放大电路从结构上来看，正弦波产生电路应包括放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路，这些是必要条件，其中的选频网络可以设置在放大电路中，也可设置在正反馈网络中，甚至可以设置在放大电路的负反馈网络中。但这不是随意的，要保证对于选频网络的中心频率而言，能够满足幅度条件和相位条件。如图9所示，为一个采用反相比例运算放大电路的RC正弦波振荡器。从此电路图中，可以得到正反馈系数F=Uf/Uo=R1/(R1+Rf),对于中频率f=1/2πRC，起振条件AF1即3*R1/(R1+Rf)1,的Rf2R1。由此可得到此电路的放大倍数A的幅频特性和相频特性，如图10所示。1MHz正弦波振荡器的设计第9页，共12页图9采用反相比例运算放大电路的RC正弦波振荡电路图10幅频特性和相频特性结合上述所说可知，在中心频率f0的正弦波满足幅度条件和相位条件，可以产生自激振荡，但是由于放大倍数A的增大，在不满足f0中心频率的正弦波也可能产生正弦波，且被集成运放放大，产生严重的干扰，因而造成信号不稳定。用Multisim仿真所得波形如下图11所示。图111MHz正弦波振荡器的设计第10页，共12页4.2选频网络的变形从上节知，如果我们改善A的幅频特性，则这种改进的RC正弦波振荡器电路也可以为我们所用。如下图12所示，在电路图9的基础上，改变了选频网络的设计，可以得到：经过整理得式中对于中心频率的正弦波，A=3/2，且F=Uf/Uo=R1/(R1+Rf)，则起振条件AF1可写成3/2*(R1/(R1+Rf))1，即R12Rf，则得到的A的的振荡条件与采用同相比例运算放大电路的条件相似。图12改进的RC正弦波振荡器电路图12所示的电路产生的1MHz正弦波与文氏电桥振荡器所产生的正弦波相似。1MHz正弦波振荡器的设计第11页，共12页4.3两种正弦波振荡器的总结从上面所设计的两种1Mhz的正弦波振荡器（同相比例运算放大电路的RC正弦波振荡器和改进的RC正弦波振荡器）可以看出，一个电路要产生正弦波振荡，首先从电路结构上看，电路必须具有放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅电路等环节。其次是看选频网络的设置，根据实际情况，它可以设置在放大器A中(可以设置在放大器的负载位置甚至设置在负反馈网络的位置，即作为反馈网络)，也可以设置在正反馈网络F中。但要保证对于中心频率的正弦信号而言，A或F的幅值为最大值，满足AF≥1，且同时满足相位条件，使此时的反馈信号Uf可以取代输入信号Ui对于偏离中心频率的其他信号A或F变小，不满足起振条件。这样，电路就能产生中心频率的正弦波振荡。5、结束语现今，随着信号发生器的技术的日益成熟和普遍推广，将正弦波、三角波、方波及锯齿波等波形融合在意台仪器之上，方便了工程技术上和教学上运用。但学习好RC正弦波振荡器电路对我们来说，仍然很重要，有助于我们推陈出新，研究出更好、更方便、成本更低的正弦波振荡器和信号发生器。参考文献：[1]肖广润，周惠领.电子技术.武汉:华中理工大学出版社,1996[2]童诗白.模拟电子技术基础.北京:人民教育出版社,1982[3]王克义，李洁.电子技术与数字电路.北京:北京大学出版社,1996[4]程开明.模拟电子技术.重庆:重庆大学出版社,1993[5]康华光.电子技术基础(模拟部分).北京:高等教育出版社,1998[6]庄效恒，李燕民.模拟电子技术.北京:机械工业出版社,1999[7]谢沅清，解月珍.电子技术基础.北京:人民邮电出版社,