CN106301225B - Lc简谐振荡电路及其正弦信号发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LC简谐振荡电路及其正弦信号发生器，特别是采用LC谐振分压电路的LC简谐振荡电路与正弦波输出的信号发生器，属于电子电路、振荡电路。LC简谐振荡电路主要由放大电路和LC谐振分压电路组成，放大电路与LC谐振分压电路构成闭环，放大电路的输出端或LC谐振分压电路的输出端即为LC简谐振荡电路的输出端。正弦信号发生器由LC简谐振荡电路和驱动电路组成，驱动电路的输入端接LC谐振分压电路的输出端，驱动电路采用同相比例放大电路。LC简谐振荡电路及其正弦信号发生器具有结构简单、性能良好、成本低廉、参数整定方便等特点，有着广泛的实用价值。

Description

LC简谐振荡电路及其正弦信号发生器

技术领域

本发明涉及一种LC简谐振荡电路及其正弦信号发生器，特别是采用LC谐振分压电路的LC简谐振荡电路与正弦波输出的信号发生器，属于电子电路、振荡电路。

背景技术

正弦波振荡器在量测、自动控制、无线电通讯及遥控等许多领域有着广泛的应用，此类应用中，要求振荡器的振荡频率具有较高的准确性和稳定性，还需要更小的正弦波失真度。

目前常用的正弦振荡器有RC正弦振荡器、LC正弦振荡器、晶体振荡器等。RC振荡器比较简单，但频率稳定性较差；晶体振荡器振荡频率较高，振荡频率也较为稳定，但不适合低频振荡，且这些振荡器的正弦波失真度都较大。

正弦波振荡器既可以作为设备的组成部分，也可以做成一个单独的设备。在通信设备中，载频、本机振荡等一般用LC正弦波振荡器。

LC振荡器具有较宽的频率范围、较高的频率稳定性，但现有的LC振荡器结构较为复杂，频率稳定度不高，参数设计与整定较为困难，输出正弦波的失真较大，起振稳幅时间较长等缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

1、具有较高频率精准度与频率稳定性的LC简谐振荡电路；

2、具有结构简单、参数设计与整定容易的LC简谐振荡电路；

3、利用LC简谐振荡电路构成高品质的正弦信号发生器。

本发明提供了一种LC简谐振荡电路及其正弦信号发生器。

本发明所要解决的技术问题是通过下述技术方案实现的。

一种LC简谐振荡电路，输出端输出简谐正弦波形；LC简谐振荡电路主要由放大电路和LC谐振分压电路组成，LC谐振分压电路的输入端接放大电路的输出端，放大电路的输入端接LC谐振分压电路的输出端，放大电路与LC谐振分压电路构成闭环，放大电路的输出端或LC谐振分压电路的输出端同时作为LC简谐振荡电路的输出端；当LC谐振分压电路谐振时LC简谐振荡电路为正反馈，且反馈环路的放大倍数为1。

所述的放大电路由运算放大器与电阻组成，运算放大器的同相输入端作为放大电路的输入端，运算放大器的反相输入端通过电阻接地、同时通过反馈电阻接运算放大器的输出端，运算放大器的输出端同时也是放大电路的输出端。

所述的放大电路在运算放大器反相输入端与输出端之间的反馈电阻支路中串联起振稳幅电路，起振稳幅电路由单个负温度系数的热敏电阻构成，或者由两个反向的二极管与电阻并联构成，或者采用将放大电路的输出电压经整流滤波后通过限流电阻接光敏电阻型光电耦合器的发光二极管、光电耦合器的光敏电阻串入运算放大器反相输入端与输出端之间的反馈电阻支路中的电路。

所述的LC谐振分压电路由一个RLC串联谐振电路和一个GLC并联谐振电路组成，RLC串联谐振电路与GLC并联谐振电路串接，RLC串联谐振电路与GLC并联谐振电路的公共端作为LC简谐振荡电路的输出端，RLC串联谐振电路的另一端作为LC简谐振荡电路的输入端，GLC并联谐振电路的另一端接地；LC谐振分压电路中的RLC串联谐振电路与GLC并联谐振电路两个电路中的任意一个电路也可以用电阻代替。

一种正弦信号发生器由LC简谐振荡电路和驱动电路组成，驱动电路的输入端接LC简谐振荡电路的输出端，驱动电路的输出端即为正弦信号发生器的输出端。

所述的驱动电路主要由运算放大器与电阻组成，运算放大器与电阻构成同相比例放大电路，运算放大器的同相输入端即为驱动电路的输入端，运算放大器的输出端即为驱动电路的输出端。

LC谐振分压电路与放大电路构成LC简谐振荡电路，其框图如图1所示。LC谐振分压电路与放大电路构成闭环电路，放大电路为全频带放大电路，LC谐振分压电路则为选频网络电路，当LC谐振分压电路谐振时闭环电路处于正反馈状态，且环路放大倍数为1。

LC谐振分压电路有三种：串并联双谐振结构LC谐振分压电路、并联谐振结构LC谐振分压电路、串联谐振结构LC谐振分压电路，框图分别如图2a、图2b、图2c所示。由三种LC谐振分压电路构成的LC简谐振荡电路的框图分别如图3a、图3b、图3c所示。

由于RLC串联谐振电路或GLC并联谐振电路具有良好的选频特性与较高的品质因数，因此，采用LC谐振分压电路的LC简谐振荡电路具有很高频率精准度与稳定性，同时还具有较好的电压正弦波形。

正弦信号发生器由LC简谐振荡电路与驱动电路构成，正弦信号发生器框图如图4所示，驱动电路的输入端接作为LC简谐振荡电路的输出端之一的LC谐振分压电路的输出端，驱动电路的输出端即为正弦信号发生器的输出端。

由于起振稳幅电路为非线性电路，从放大电路输出的LC简谐振荡电路的输出信号不可避免地会产生失真。LC简谐振荡电路有两个输出端，由于LC谐振分压电路是个窄带带通滤波器、一个优质选频电路，因此从LC谐振分压电路的输出端输出的信号波形比从放大电路输出端输出的信号波形的正弦波失真度要小很多。特别是当RLC串联谐振电路与GLC并联谐振电路具有相同的谐振频率时串并联双谐振结构LC简谐振荡电路构成的正弦信号发生器具有非常优秀的特性和品质。

LC谐振分压电路有三种，相应的LC简谐振荡电路也有三种，而由三种不同的LC简谐振荡电路构成的正弦信号发生器其框图分别如图5a、图5b、图5c所示。

由于LC谐振分压电路输出的带载能力非常弱，通过驱动放大，得到带载驱动能力很强、失真很小的正弦波输出。

正弦信号发生器又称正弦振荡器或正弦波形发生器，通常没有输入信号，只有输出信号，且输出正弦信号，通过调节谐振电路中的电感或电容还可以调整正弦波的频率。

LC简谐振荡电路及其正弦信号发生器由LC谐振分压电路与放大电路及驱动电路构成，具有结构简单、性能良好、成本低廉、参数整定方便等特点，在信号变换与处理、信号发生、脉冲电路、时钟电路等电子电路应用中有着广泛的实用价值。

附图说明

图1LC简谐振荡电路框图。

图2a串并联双谐振结构LC谐振分压电路框图。

图2b并联谐振结构LC谐振分压电路框图。

图2c串联谐振结构LC谐振分压电路框图。

图3a串并联双谐振结构LC简谐振荡电路框图。

图3b并联谐振结构LC简谐振荡电路框图。

图3c串联谐振结构LC简谐振荡电路框图。

图4正弦信号发生器框图。

图5a串并联双谐振结构LC简谐振荡电路构成的正弦信号发生器框图。

图5b并联谐振结构LC简谐振荡电路构成的正弦信号发生器框图。

图5c串联谐振结构LC简谐振荡电路构成的正弦信号发生器框图。

图6基本串并联双谐振结构LC简谐振荡电路。

图7基本并联谐振结构LC简谐振荡电路。

图8基本串联谐振结构LC简谐振荡电路。

图9典型串并联双谐振结构LC简谐振荡电路。

图10典型并联谐振结构LC简谐振荡电路。

图11典型串联谐振结构LC简谐振荡电路。

图12负温度系数热敏电阻起振稳幅串并联双谐振结构LC简谐振荡电路。

图13二极管反向并联起振稳幅串并联双谐振结构LC简谐振荡电路。

图14光敏电阻型光电耦合器起振稳幅串并联双谐振结构LC简谐振荡电路。

图15负温度系数热敏电阻起振稳幅串并联双谐振结构LC简谐振荡电路构成的正弦信号发生器。

图16二极管反向并联起振稳幅串并联双谐振结构LC简谐振荡电路构成的正弦信号发生器。

图17光敏电阻型光电耦合器起振稳幅串并联双谐振结构LC简谐振荡电路构成的正弦信号发生器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

实施例1

基本串并联双谐振结构LC简谐振荡电路如图6所示，串并联双谐振结构LC谐振分压电路与放大电路形成闭环构成LC简谐振荡电路。

放大电路由运算放大器A0与电阻R₀₁、R₀₂构成，其电压放大倍数为：

串并联双谐振结构LC谐振分压电路由一个RLC串联谐振电路和一个GLC并联谐振电路组成，GLC并联谐振电路由电导G₁₁、电感L₁₁、电容C₁₁并联而成，RLC串联谐振电路由电阻R₁₂、电感L₁₂、电容C₁₂串联而成。LC谐振分压电路的传递函数为：

当：

[G₁₁(ωL₁₂-1/ωC₁₂)+(ωC₁₁-1/ωL₁₁)R₁₂]＝0

即振荡角频率ω为：

此时：LC谐振分压电路处于谐振状态，此时LC谐振分压电路的分压系数为：

当：时，即环路放大倍数为1时，电路进入自激振荡状态，电路输出一个简谐正弦波。

基本并联谐振结构LC简谐振荡电路如图7所示，并联谐振结构LC谐振分压电路与放大电路形成闭环构成LC简谐振荡电路。

并联谐振结构LC谐振分压电路由一个电阻R₁₂和一个GLC并联谐振电路组成，GLC并联谐振电路则由电导G₁₁、电感L₁₁、电容C₁₁并联而成。LC谐振分压电路的传递函数为：

当：时，LC谐振分压电路处于谐振状态，此时LC谐振分压电路的分压系数为：

当：时，即环路放大倍数为1时，电路进入自激振荡状态，由于此时环路的放大倍数达到最大值，电路输出简谐正弦波。

基本串联谐振结构LC简谐振荡电路如图8所示，串联谐振结构LC谐振分压电路与放大电路形成闭环构成LC简谐振荡电路。

串联谐振结构LC谐振分压电路由一个RLC串联谐振电路和一个电阻R₁₁组成，RLC串联谐振电路则由电阻R₁₂、电感L₁₂、电容C₁₂串联而成。LC谐振分压电路的传递函数为：

当：时，LC谐振分压电路处于谐振状态，此时LC谐振分压电路的分压系数为：

当：时，即环路放大倍数为1时，电路进入自激振荡状态，由于此时环路的放大倍数达到最大值，电路输出简谐正弦波。

实施例2

典型串并联双谐振结构LC简谐振荡电路如图9所示，串并联双谐振结构LC谐振分压电路与放大电路形成闭环构成LC简谐振荡电路。

串并联双谐振结构LC谐振分压电路由一个RLC串联谐振电路和一个GLC并联谐振电路组成，GLC并联谐振电路则由电导G₁₁、电感L₁、电容C₁并联而成，RLC串联谐振电路则由电阻R₁₂、电感L₁、电容C₁串联而成。LC谐振分压电路的传递函数为：

当：时，LC谐振分压电路处于谐振状态，此时LC谐振分压电路的分压系数为：

放大电路由运算放大器A0与电阻R₀₁、R₀₂及电位器R_P0构成，调节电位器R_P0使其电压放大倍数为：

A_u＝A_u0＝1+G₁₁R₁₂

则：环路放大倍数A_u0F_u0＝1，电路进入自激振荡状态，由于此时环路的放大倍数达到最大值，电路输出简谐正弦波。

典型并联谐振结构LC简谐振荡电路如图10所示，并联谐振结构LC谐振分压电路与放大电路形成闭环构成LC简谐振荡电路。

并联谐振结构LC谐振分压电路由一个电阻R₁₂和一个GLC并联谐振电路组成，GLC并联谐振电路则由电导G₁₁、电感L₁、电容C₁并联而成。LC谐振分压电路的传递函数为：

当：时，LC谐振分压电路处于谐振状态，此时LC谐振分压电路的分压系数为：

放大电路由运算放大器A0与电阻R₀₁、R₀₂及电位器R_P0构成，调节电位器R_P0使其电压放大倍数为：

A_u＝A_u0＝1+G₁₁R₁₂

则：环路放大倍数A_u0F_u0＝1，电路进入自激振荡状态，由于此时环路的放大倍数达到最大值，电路输出正弦波。

典型串联谐振结构LC简谐振荡电路如图11所示，串联谐振LC谐振分压电路与放大电路形成闭环构成LC简谐振荡电路。

串联双谐振LC谐振分压电路由一个RLC串联谐振电路和一个电阻R₁₁组成，RLC串联谐振电路则由电阻R₁₂、电感L₁、电容C₁串联而成。LC谐振分压电路的传递函数为：

当：时，LC谐振分压电路处于谐振状态，此时LC谐振分压电路的分压系数为：

放大电路由运算放大器A0与电阻R₀₁、R₀₂及电位器R_P0构成，调节电位器R_P0使其电压放大倍数为：

则：环路放大倍数A_u0F_u0＝1，电路进入自激振荡状态，由于此时环路的放大倍数达到最大值，电路输出正弦波。

实施例3

负温度系数热敏电阻起振稳幅串并联双谐振结构LC简谐振荡电路如图12所示，串并联双谐振结构LC谐振分压电路与放大电路形成闭环构成LC简谐振荡电路。

当：时，LC谐振分压电路处于谐振状态，此时LC谐振分压电路的分压系数达到最大值：

其中：

放大电路由运算放大器A0与电阻R₀₁、电位器R_P0、负温度系数热敏电阻R_T0构成，电阻R₀₁、R_P0、R_T0串联接在运算放大器的输出端与接地之间，电位器R_P0的滑动端接运算放大器的反相输入端，调节电位器使其电压放大倍数为：A_u≈2。刚上电冷态时，热敏电阻R_T0温度较低、阻值较大，放大电路的电压放大倍数A_u＞2，LC简谐振荡电路稍受扰动随即启动，振荡电压不断增大，随着流过热敏电阻R_T0的电流增大，热敏电阻R_T0的温度升高、阻值减少，放大电路的电压放大倍数降低，当：环路放大倍数A_uF_u＝1时，电路进入稳定的自激振荡状态，此时，即使有外部干扰使电路偏离稳定状态，但由于热敏电阻R_T0的自动调节作用，使得环路放大倍数A_uF_u≡1，电路可以输出稳定的简谐正弦波。

二极管反向并联起振稳幅串并联双谐振结构LC简谐振荡电路如图13所示，串并联双谐振结构LC谐振分压电路与放大电路形成闭环构成LC简谐振荡电路。

当：时，LC谐振分压电路处于谐振状态，此时LC谐振分压电路的分压系数达到最大值：

放大电路由运算放大器A0与二极管D_0a、D_0b与电阻R₀₁、R₀₂及电位器R_P0构成，二极管D_0a、D_0b相互反向且与电阻R₀₂并联，并且与电位器R_P0、电阻R₀₁串联接在运算放大器的输出端与接地之间，电位器R_P0的滑动端接运算放大器的反相输入端，调节电位器使其电压放大倍数为：A_u≈2。刚上电时，二极管上的信号较小、二极管的等效电阻较大，放大电路的电压放大倍数A_u＞2，LC简谐振荡电路稍受扰动随即启动，振荡电压不断增大，随着二极管D_0a、D_0b的电流增大，二极管等效电阻的阻值减少，放大电路的电压放大倍数降低，当：环路放大倍数A_uF_u＝1时，电路进入稳定的自激振荡状态，此时即使有外部干扰使电路偏离稳定状态，但由于二极管电路具有自动调节作用，使得环路放大倍数A_uF_u≡1，电路输出简谐正弦波。

光敏电阻型光电耦合器起振稳幅串并联双谐振结构LC简谐振荡电路如图14所示。串并联双谐振结构LC谐振分压电路与放大电路形成闭环构成LC简谐振荡电路。

当：时，LC谐振分压电路处于谐振状态，此时LC谐振分压电路的分压系数达到最大值：

放大电路由运算放大器A0与电阻R₀₁、电位器R_P0及桥式整流电路Z₀、滤波电路L₀C₀、光敏电阻型光电耦合器LR构成，运算放大器输出交流信号接桥式整流电路Z₀再经滤波电路L₀C₀变成较为平滑直流信号，直流信号通过限流电阻R₀接入光电耦合器LR的输入端发光二极管D₀，光电耦合器LR的输出端电阻R₀₂与电位器R_P0、电阻R₀₁串联接在运算放大器的输出端与接地之间，电位器R_P0的滑动端接运算放大器的反相输入端，调节电位器使其电压放大倍数为：A_u≈2。刚上电时，运算放大器的信号较小、光电耦合器LR的发光二极管D₀光线较弱，故光电耦合器LR的输出端电阻R₀₂阻值较大，放大电路的电压放大倍数A_u＞2，LC简谐振荡电路稍受扰动随即启动，振荡电压不断增大，运算放大器的信号增大、光电耦合器LR的发光二极管D₀光线增强，光电耦合器LR的输出端电阻R₀₂阻值减小，放大电路的电压放大倍数降低，当环路放大倍数A_uF_u＝1时，电路进入稳定的自激振荡状态，此时即使有外部干扰使电路偏离原稳定状态，但由于整流电路、滤波电路、光敏电阻型光电耦合器构成的自动调节电路的作用，使得环路放大倍数A_uF_u≡1，电路输出简谐正弦波。

实施例4

正弦信号发生器由LC简谐振荡电路和驱动电路组成，取LC谐振分压电路的输出端作为LC简谐振荡电路的输出端接驱动电路的输入端，驱动电路的输出正弦信号波形。

负温度系数热敏电阻起振稳幅串并联双谐振结构LC简谐振荡电路构成的正弦信号发生器如图15所示，二极管反向并联起振稳幅串并联双谐振结构LC简谐振荡电路构成的正弦信号发生器如图16所示，光敏电阻型光电耦合器起振稳幅串并联双谐振结构LC简谐振荡电路构成的正弦信号发生器如图17所示。

驱动电路采用同相比例放大电路，运算放大器A2的同相输入端作为驱动电路的输入端，电位器R_P2两个固定端分别串接电阻R₂₁、R₂₂，电阻R₂₁的另一端接地，电阻R₂₂的另一端接运算放大器的输出端，电位器R_P2的滑动端接运算放大器的反相输入端，运算放大器的输出端作为驱动电路的输出端。

串并联双谐振结构LC谐振分压电路由GLC并联谐振电路与RLC串联谐振电路构成，GLC并联谐振电路中电容的容量取RLC串联谐振电路中电容容量的数倍，而RLC串联谐振电路中电感的感量取GLC并联谐振电路中电感感量同样的倍数，以使LC谐振电路获得更高的谐振品质因数，使得LC简谐振荡电路输出波形更加接近理想的正弦波。

LC简谐振荡电路结构简单，而正弦信号发生器则可以产生高精度、高稳定性、低失真的正弦信号波形，有广泛的应用价值。

Claims (6)

1.一种LC简谐振荡电路，输出端输出简谐正弦波形；其特征在于：

LC简谐振荡电路主要由放大电路和LC谐振分压电路组成，LC谐振分压电路的输入端接放大电路的输出端，放大电路的输入端接LC谐振分压电路的输出端，放大电路与LC谐振分压电路构成闭环，放大电路的输出端或LC谐振分压电路的输出端同时作为LC简谐振荡电路的输出端；当LC谐振分压电路谐振时LC简谐振荡电路为正反馈，且反馈环路的放大倍数为1。

2.按权利要求1所述的LC简谐振荡电路，其特征在于：

所述的放大电路由运算放大器与电阻组成，运算放大器的同相输入端作为放大电路的输入端，运算放大器的反相输入端通过电阻接地、同时通过反馈电阻接运算放大器的输出端，运算放大器的输出端同时也是放大电路的输出端。

3.按权利要求2所述的LC简谐振荡电路，其特征在于：

所述的放大电路在运算放大器反相输入端与输出端之间的反馈电阻支路中串联起振稳幅电路，起振稳幅电路由单个负温度系数的热敏电阻构成，或者由两个反向的二极管与电阻并联构成，或者采用将放大电路的输出电压经整流滤波后通过限流电阻接光敏电阻型光电耦合器的发光二极管、光电耦合器的光敏电阻串入运算放大器反相输入端与输出端之间的反馈电阻支路中的电路。

4.按权利要求1、2或3所述的LC简谐振荡电路，其特征在于：

所述的LC谐振分压电路由一个RLC串联谐振电路和一个GLC并联谐振电路组成，RLC串联谐振电路与GLC并联谐振电路串接，RLC串联谐振电路与GLC并联谐振电路的公共端作为LC简谐振荡电路的输出端，RLC串联谐振电路的另一端作为LC简谐振荡电路的输入端，GLC并联谐振电路的另一端接地；LC谐振分压电路中的RLC串联谐振电路与GLC并联谐振电路两个电路中的任意一个电路能用电阻代替。

5.一种包含权利要求1、2、3或4所述的LC简谐振荡电路的正弦信号发生器，其特征在于：

正弦信号发生器由LC简谐振荡电路和驱动电路组成，驱动电路的输入端接LC简谐振荡电路的输出端，驱动电路的输出端即为正弦信号发生器的输出端。

6.按权利要求5所述的正弦信号发生器，其特征在于：

所述的驱动电路主要由运算放大器与电阻组成，运算放大器与电阻构成同相比例放大电路，运算放大器的同相输入端即为驱动电路的输入端，运算放大器的输出端即为驱动电路的输出端。