專(zhuān)利名稱(chēng)：阻容網(wǎng)絡(luò)壓控正弦波振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及RC壓控正弦波振蕩器。
在現(xiàn)有技術(shù)中，為數(shù)甚少的RC壓控正弦波振蕩器集成電路XR2206，ICL8038采用積分-觸發(fā)型，其不足之處是頻率變化大時(shí)需要調(diào)節(jié)以減小波形失真，此種由三角波變成的正弦波象一個(gè)圓頂三角波，變換技術(shù)尚不完美。德國(guó)專(zhuān)利DE3711671描述了一種全通振蕩器，即寬頻振蕩器，使用了多只運(yùn)算放大器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。日本專(zhuān)利JP08274636描述了一種用于頻率合成的RC壓控正弦波振蕩器，其不足之處是作為頻率控制的元器件是一只場(chǎng)效應(yīng)管，僅在后級(jí)移相電路中使用了，而在前級(jí)移相電路中沒(méi)有用、或者因電位匹配有困難而沒(méi)法用。實(shí)驗(yàn)表明，此種結(jié)構(gòu)當(dāng)頻率變化大時(shí)波形失真明顯。
本實(shí)用新型的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在失真問(wèn)題特別是寬頻失真問(wèn)題，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低的寬頻低失真RC壓控正弦波振蕩器，可作為電子實(shí)驗(yàn)的信號(hào)源和教學(xué)用具。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案的特征是控制頻率的元器件是可以同步調(diào)控的光敏電阻，控制電壓是通過(guò)光耦驅(qū)動(dòng)器照射光敏電阻，沒(méi)有電路上的連接，不存在控制元器件因所處位置不同，即電位不同而引起的電位匹配問(wèn)題；與反饋電阻并聯(lián)的是一個(gè)作為自動(dòng)增益控制的非線(xiàn)性電阻網(wǎng)絡(luò)，它由電阻R9、穩(wěn)壓二極管DZ1和連接成橋式整流電路的四個(gè)引導(dǎo)二極管D1～D4所組成、引導(dǎo)二極管的作用是當(dāng)振蕩極性改變時(shí)穩(wěn)壓二極管兩端電壓極性也自動(dòng)改變，穩(wěn)壓二極管的作用是利用其“擊穿”電壓附近電阻劇變達(dá)到自動(dòng)穩(wěn)定振蕩幅度，電阻R9的作用是控制幅度不致失真，與反饋電阻R6、P1并聯(lián)的還有一個(gè)幾微微法的小電容C4，抑制運(yùn)算放大器在高頻出現(xiàn)峰值響應(yīng)；除了正弦振蕩輸出外，它經(jīng)過(guò)正箝位電路C5、D5、R10和由兩個(gè)反相器I1、I2，電阻R11，R12組成的斯密特觸發(fā)器也輸出對(duì)稱(chēng)方波，經(jīng)此模數(shù)轉(zhuǎn)換器便能與數(shù)字集成電路直接連接，實(shí)現(xiàn)與外來(lái)信號(hào)相位同步，例如V3。
本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果即使頻率變化很寬，其輸出波形失真也很小，而且成本低廉，體積小重量輕，也很實(shí)用，它能與直流控制電壓連接成為寬頻正弦波信號(hào)發(fā)生器；它也可作為掃頻和調(diào)頻(FM)信號(hào)發(fā)生器；它還能與數(shù)字集成電路直接連接組成頻率合成器，用途廣泛。
附圖的圖面說(shuō)明如下

圖1是RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)壓控正弦波振蕩器電路圖。
圖2是RC互補(bǔ)移相壓控正弦波振蕩器電路圖。
圖3是正弦波穩(wěn)幅器電路圖。圖4是對(duì)稱(chēng)方波變正弦波變換器電路圖。圖5是正弦波頻率合成器電路圖。圖6是掃頻和調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器電路圖，圖6中的II代表圖2全部電路。各電路圖之間的連接關(guān)系圖3的輸入電壓端V3是與圖1或圖2的輸出電壓端V3相連接的。圖4、圖5中的I代表圖1全部電路。圖2b、2c是可以取代圖1b的另一種電路結(jié)構(gòu)，即II可以取代I
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例作進(jìn)一步說(shuō)明實(shí)施例一RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)壓控正弦波振蕩器(圖1)，由光耦驅(qū)動(dòng)器1a、正弦波振蕩器1b和模數(shù)轉(zhuǎn)換器1c所組成。光耦驅(qū)動(dòng)器1a山輸入耦合電路R1、R2、R3、C1，輸入阻抗高電壓增益為1的運(yùn)算放大器OP1、負(fù)載限流電阻R4、R14和發(fā)光二極管LED1、LED2所組成。發(fā)光二極管可以用1只共用或多只分用(圖1a，圖2a，圖3a中的光耦驅(qū)動(dòng)器相同)，ZD1為輸出指示燈，R13為其限流電阻。運(yùn)算放大器OP2的反相輸入端，經(jīng)反饋電阻R6、電位器P1與輸出端連接，經(jīng)接地電阻R5與地連接，形成增益(幅度)控制支路；同相輸入端，經(jīng)R8C3串聯(lián)電路與輸出端連接、經(jīng)R7C2并聯(lián)電路與地連接，形成相位控制支路。
正弦波振蕩器1b是RC串并聯(lián)網(wǎng)路正弦波振蕩器，也稱(chēng)文氏電橋振蕩器(WienBridge Osciilator)，雖然用得廣，但本實(shí)用新型與常用的不同之點(diǎn)在于控制振蕩頻率的是可以同步調(diào)控的光敏電阻，一個(gè)與反饋電阻R6、P1相并聯(lián)的是前述非線(xiàn)性電阻網(wǎng)絡(luò)和小電容C4。為更好了解此電路性質(zhì)，將1b中的開(kāi)關(guān)K1與V5接通即成放大器、并假定振蕩幅度小到不能使穩(wěn)壓管DZ1導(dǎo)通，即前述非線(xiàn)性電阻為無(wú)窮大，C4很小也可忽略不計(jì)，電位器P1阻值為零，傳遞函數(shù)A3/5可由下式表達(dá)A3/5=V3V5=(1+R6R5)/[1+R8R7+C2C3+J(ωC3R8-1ωC2R7)]----(1)]]>選取C2＝C3＝C，R7＝R8＝R，A3/5＝1+j0(2)由(1)(2)有
或
A3/5＝1+j0表示放大器的增益為1，相位移為零，即輸出電壓V3是輸入電壓V5的復(fù)現(xiàn)，因此將K1與V3接通，便能產(chǎn)生正弦振蕩，然而這是一個(gè)不穩(wěn)狀態(tài)，因此要調(diào)節(jié)電位器P1，使增益略大于1、并用前述非線(xiàn)性電阻來(lái)自動(dòng)穩(wěn)定振幅，達(dá)到寬頻而失真很低。將K1與V5連接便是一個(gè)選頻放大器，當(dāng)ω＝1/RC，增益達(dá)最大值(1+R6/R5)/3，并且沒(méi)有相移。顯然，其選擇性能不佳，因?yàn)榻刂裹c(diǎn)在ω0＝0和∞處。
將發(fā)光二極管和光敏電阻各一只，面對(duì)面地裝入緊配的塑料管內(nèi)，管外用黑膠布密封形成暗室，自制的簡(jiǎn)易光耦合器即告完成測(cè)得已配對(duì)的光耦合器在輸入發(fā)光二極管的電流為7.5mA時(shí)，電阻R7、R8分別為1.5KΩ及1.6KΩ，暗電阻為20MΩ，由(3)算出f0＝20KHZ時(shí)，C2＝C3＝0.005μF，取0.0047μF，選取電源為±5V，P1為2.2KΩ可調(diào)(控制幅度)，R6＝4.7KΩ，R5＝2.4KΩ，測(cè)量結(jié)果表明，在輸入端V1加上0-+5V，在輸出端V3輸出14HZ，5.8Vpp-17000HZ，5.2Vpp雙極性正弦波和輸出端V6輸出正極性同頻對(duì)稱(chēng)方波。
RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)壓控正弦波振蕩器(圖1)可轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎囟嘀C振蕩器，只須將開(kāi)關(guān)K2斷路(C2＝0)，V3將輸出方波，其頻率取決于分壓比R6/R5和時(shí)間常數(shù)(R7+R8)C3。實(shí)驗(yàn)表明在10HZ-20KHZ內(nèi)，方波頻率是正弦波頻率的2倍左右，輸出幅度約8V。
正弦波穩(wěn)幅器(圖3)由反相運(yùn)算放大器OP5，整流濾波電路D6、R16、C6和光耦驅(qū)動(dòng)器3a所組成，其反饋電阻R17是一個(gè)光敏電阻，連接在OP5反相輸入端與輸出端之間，通過(guò)光耦負(fù)反饋使輸入電壓V3達(dá)到穩(wěn)幅目的，OP5的增益為R17/R18。
輸入電壓V3幅頻響應(yīng)為16HZ，3.6Vpp-1500HZ，6.2Vpp及2500HZ，3.4Vpp-30000HZ，1.5Vpp，現(xiàn)要求將其幅頻響變?yōu)楸容^平擔(dān)。利用穩(wěn)幅器(圖3)，并選取R18＝10KΩ，R16＝1MΩ，C6＝0.47μF，D＝4/48。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，穩(wěn)幅器輸出電壓V7(AS〕為16HZ，6.5Vpp-1500HZ，6.4Vpp及2500HZ，6.4Vpp-30000HZ，6.8Vpp，即輸入幅度變化400％而輸出幅度只變化6％。實(shí)驗(yàn)表明V3(圖1)輸出為10Hz，5.7Vpp-16KHz，6.6Vpp，對(duì)普通要求而言可以不加正弦波穩(wěn)幅器。
實(shí)施例二它與實(shí)施例一的不同之點(diǎn)在于它由圖2b，2c的電路取代圖1b的電路，也就是說(shuō)它用1a、2b、2c和1c組成RC互補(bǔ)移相壓控正弦波振蕩器(圖2)，它能同時(shí)輸出正弦波V3和余弦波V4，其中超前移相電路2b與滯后移相電路2c串聯(lián)成環(huán)路并產(chǎn)生振蕩。超前移相電路由運(yùn)算收大器OP3，R33，R34，R35，C11組成，反相輸入端經(jīng)R34接輸出端，經(jīng)R33接輸入端，同相輸入端經(jīng)C11接輸入端，經(jīng)R35接地；滯后移相電路由運(yùn)算放大器OP4，R36，R37，P2，R38，C12組成，反相輸入端經(jīng)R37，P2接輸出端，經(jīng)R36接本級(jí)輸入端，同相輸入端經(jīng)R38接本級(jí)輸入端，經(jīng)C12接地，其特征在于控制頻率的電阻R35，R38是光敏電阻，以及與反饋電阻R37，P2相并聯(lián)的是前述非線(xiàn)性電阻網(wǎng)絡(luò)(R39、D7～D10，DZ2)和小電容C13。當(dāng)開(kāi)關(guān)K3與外來(lái)電壓V5連接便成為放大器，并假定電位器P2電阻為零，非線(xiàn)性電阻為無(wú)窮大，小電容C13忽略不計(jì)，由上圖可算出A4/5=V4V5=-R34R33+(1+R34R33)jωR35C11/(1+jωR35C11)----(4)]]>A3/4=V3VA=-R37R36+(1+R37R36)/(1+jωR36C12)]]>作為選頻放大器，應(yīng)選取R33=R36=Ri,R34=R37=RF,R33=R38=R,C11=C12=Cω=ω0=1RC----(6)]]>由(4)(5)(6)有
缺點(diǎn)是選擇性能不佳。
作為互補(bǔ)移相電路應(yīng)取R33＝R34＝R36＝R37＝RF，R35＝R38＝R，C11＝C12＝C (8)由(4)(5)(8)有A4/5=-(1-jωRC)/(1+jωRC)=|A4/5|cjφ4/5]]>A3/4=(1-jωRC)/(1+jωRC)=|A3/4|cjφ3/4]]>|A4/5|＝(1+ω2R2C2)/(1+ω2R2C2)＝1 Φ1/5＝tg-1[-2ωRC/(1-ω2R2C2)](9)|A3/4|＝(1+ω2R2C2)/(1+ω2R2C2)＝1 Φ3/4＝tg-1[-2ωRC/(1+ω2R2C2)](10)作為正弦波振蕩器，應(yīng)使互補(bǔ)總增益為1，互補(bǔ)總相位移為零，即A4/5×A3/4＝A3/5＝1+j0或|A3/5|＝1，Φ3/5＝0° (11)由(9)(10)(11)有
A4/5＝j(luò)|A4/5|＝1 Φ4/5＝+90°(13)A3/4＝-j |A3/4|＝1 Φ3/4＝-90°(14)因?yàn)檩敵鍪禽斎氲膹?fù)現(xiàn)，故將開(kāi)關(guān)K3與V3連接并形成反饋環(huán)路，便能自行產(chǎn)生正弦振蕩。
取x＝V3＝asinω0t y＝asin(ω0t+90°)＝bcosω0t＝V4(xa)2+(yb)2=1----(15)]]>因此V4、V3的的李沙育圖形是圓或橢圓(示波器x軸和y軸靈敏度不相等)。
用3個(gè)超前(或滯后)移相電路串聯(lián)成環(huán)路、每個(gè)移相120°，便構(gòu)成3相(n＝3)壓控正弦波振蕩器，由(9)得振蕩頻率ω。n=3,ω0=13RC;n=4,ω0=1RC----(16)]]>按此方法還可組成壓控多相正弦波振蕩器。
實(shí)施例三見(jiàn)圖4，它由圖1所示的RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)壓控正弦波振蕩器、數(shù)字相位比較器PD和低通濾波器LPF組成，它是一個(gè)對(duì)稱(chēng)方波變正弦波變換器，圖4中I代表圖1全部電路。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)環(huán)路鎖定后，輸出正弦波V3的相位便與輸入對(duì)稱(chēng)方波V8的相位同步，在跟蹤范圍內(nèi)，當(dāng)V8頻率改變，V3的頻率也自動(dòng)跟著變，直到相等，這比常用的濾波器方法要經(jīng)濟(jì)方便很多。
實(shí)施例四圖5是頻率合成器，它由圖1所示的RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)壓控正弦波振蕩器、程序分頻器÷2N、數(shù)字相位比較器PD、低通濾波器LPF、晶體振蕩器OSC及其分頻器÷2R所組成?？刂苾煞诸l器的分頻數(shù)，輸出端V3輸出頻率為任何整數(shù)的正弦波，其頻率穩(wěn)定度和晶體振蕩器一樣高，電路則因使用了數(shù)字鎖相環(huán)而大為簡(jiǎn)化，壓控正弦波振蕩器輸入端V1與低通濾波器LPF輸出端連接而形成鎖相環(huán)路，當(dāng)環(huán)路鎖定后，輸出端V3的頻率為f0＝N(fq/R)，fq為晶體振蕩器頻率。
實(shí)施例五在使用時(shí)要加一個(gè)附屬裝置，即多波形發(fā)生器MWG(正弦波、三角波、方波發(fā)生器)和一個(gè)0～+5V的直流電壓(如圖6所示)，作為控制電壓(V1、V2)。當(dāng)開(kāi)關(guān)K5與V1接通，控制電壓為慢掃三角波，V3輸出音頻范圍(14Hz-17000Hz)自動(dòng)掃頻正弦波；當(dāng)開(kāi)關(guān)K4與V1接通，V3輸出寬頻低失真正弦波，其頻率由電位器P3調(diào)節(jié)，R20則為限流保護(hù)電阻；當(dāng)開(kāi)關(guān)K4與V1接通，K5與V2接通并送入正弦波信號(hào)時(shí)，V3輸出調(diào)頻信號(hào)；當(dāng)開(kāi)關(guān)K5與V5接通并送入正弦波信號(hào)，同時(shí)K3與V5接通(圖2b)，V3輸出的是V5的放大信號(hào)。在圖6中，V3、V4、V6分別輸出同頻率的正弦波，余弦波和正極性對(duì)稱(chēng)方波。
上述實(shí)施例一～實(shí)施例五的電路均可采取集成化的方法，制成集成電路芯片。
權(quán)利要求1.一種RC互補(bǔ)移相壓控正弦波振蕩器由光耦驅(qū)動(dòng)器(2a)、超前移相電路(2b)、滯后移相電路(2c)所組成；光耦驅(qū)動(dòng)器(2a)由控制電壓(V1、V2)、輸入耦合電路的電阻R1、R2、R3和電容C1、輸入阻抗高電壓增益為1的運(yùn)算放大器OP1、發(fā)光二極管LED1、LED2及其限流電阻R4、R14所組成，發(fā)光二極管可以一只共用或多只分用；超前移相電路由運(yùn)算放大器OP3、電阻R33、R34、R35和電容C11組成；運(yùn)算放大器OP3，從反相輸入端經(jīng)電阻R34接輸出端，經(jīng)電阻R33接輸入端，同相輸入端經(jīng)C11接輸入端，經(jīng)電阻R35接地，滯后移相電路由運(yùn)算放大器OP4、電阻R36、R37、R38、電位器P2、電容C12組成；運(yùn)算放大器OP4從反相輸入端經(jīng)電阻R37，電位器P2接輸出端，經(jīng)電阻R36接本級(jí)輸入端，同相輸入端經(jīng)電阻R38接本級(jí)輸入端，經(jīng)電容C12接地，其特征在于所述超前移相電路與所述滯后移相電路串聯(lián)，并且后者的輸出端與前者的輸入端直接連接形成環(huán)路而產(chǎn)生正弦波振蕩，控制振蕩頻率的元器件是可以同步調(diào)控的光敏電阻R35、R38；自動(dòng)穩(wěn)定振蕩幅度的是一個(gè)連接在運(yùn)算放大器OP4反相輸入端與輸出端之間的非線(xiàn)性電阻網(wǎng)絡(luò)，它由電阻R39、穩(wěn)壓二極管DZ2、連接成橋式整流電路的四個(gè)二極管D7～D10所組成；運(yùn)算放大器OP4輸出端V3輸出正弦波，同時(shí)運(yùn)算放大器OP3輸出端V4輸出余弦波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述RC互補(bǔ)移相壓控正弦波振蕩器，其特征在于還要與正弦波穩(wěn)幅器相連接，所述壓控正弦波振蕩器輸出端電壓V3通過(guò)它之后，在很寬頻率范圍內(nèi)，其幅頻響應(yīng)將變得更加平坦，正弦波穩(wěn)幅器由光耦驅(qū)動(dòng)器(3a)、反相運(yùn)算放大器OP5及其整流濾波電路(3b)所組成，反饋電阻R17是一個(gè)光敏電阻，它連接在運(yùn)算放大器OP5反相輸入端與輸出端之間，輸出電壓V7經(jīng)二極管D6整流、經(jīng)電阻R16、電容C6濾波電路后，通過(guò)光耦負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述RC互補(bǔ)移相壓控正弦波振蕩器，其特征在于還要與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2d)、數(shù)字相位比較器PD、低通濾波器LPF相連接，組成對(duì)稱(chēng)方波(V8)變成同頻同相正弦波(V3)變換器，低通濾波器LPF輸出端與壓控振蕩器控制電壓輸入端(V1)相連接而形成鎖相環(huán)路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述RC互補(bǔ)移相壓控正弦波振蕩器，其特征在于還要與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2d)、程序分頻器÷2N、數(shù)字相位比較器PD、低通濾波器LPF、晶體振蕩器OSC及其分頻器÷2R相連接，組成正弦波頻率合成器，控制兩分頻器分頻數(shù)，輸出端V3將輸出頻率為任何整數(shù)的正弦波，其頻率穩(wěn)定度和晶體振蕩器一樣高。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述RC互補(bǔ)移相壓控正弦波振蕩器，其特征在于所述壓控正弦波振蕩器控制電壓輸入端V1與一個(gè)0～+5V直流電壓連接，組成寬頻正弦波信號(hào)發(fā)生器，其頻率由電位器P3調(diào)控，頻率上限取決于所用運(yùn)算放大器的擺動(dòng)速率和電路的分布電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述RC互補(bǔ)移相壓控正弦波振蕩器，其特征在于所述壓控正弦波振蕩器與一個(gè)能產(chǎn)生正弦波、三角波、方波的多波形發(fā)生器MWG相連接，組成掃頻和調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器，當(dāng)多波形發(fā)生器輸出慢掃三角波，經(jīng)開(kāi)關(guān)K5送入控制電壓輸入端V1時(shí)，輸出端V3將輸出掃頻正弦波當(dāng)多波形發(fā)生器輸出正弦波，經(jīng)開(kāi)關(guān)K5送入控制電壓輸入端V2，同時(shí)直流控制電壓經(jīng)開(kāi)K4送入控制電壓輸入端V1，輸出端V3將輸出調(diào)頻信號(hào)。
專(zhuān)利摘要一種阻容網(wǎng)絡(luò)壓控正弦波振蕩器,穩(wěn)定振蕩幅度的是一個(gè)由穩(wěn)壓二極管和橋式整流電路組成的非線(xiàn)性電阻網(wǎng)絡(luò);控制振蕩頻率的是兩個(gè)可同步調(diào)控的光敏電阻,由此可組成RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)壓控正弦波振蕩器、RC互補(bǔ)移相壓控正弦波振蕩器,前者可方便地轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎囟嘀C振蕩器并輸出方波,后者可同時(shí)輸出正弦波和余弦波。它可作為寬頻低失真信號(hào)源、掃頻儀,也可與數(shù)字集成電路直接連接,實(shí)現(xiàn)與外來(lái)信號(hào)的相位同步,或組成正弦波頻率合成器。
文檔編號(hào)H03L7/00GK2376142SQ9920003
公開(kāi)日2000年4月26日 申請(qǐng)日期1999年1月4日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月4日
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