CN1127199C - 宽频压控正弦波振荡器 - Google Patents

Abstract

一种宽频压控正弦波振荡器，稳定振荡幅度的是一只光敏电阻R_F，通过光耦，R_F阻值由振幅控制电路来实现自动调节；控制振荡频率的是两只光敏电阻R_S和R_P，通过光耦，R_S和R_P的阻值由频率控制电路来实现振荡频率随外来控制电压V_C而变，具有频率变化范围可达数千倍，而波形失真很小的特点，电路结构简明实用，成本低。实施例有宽频低失真正弦波/方波信号发生器、扫频仪、正弦波频率合成器、信号的相位同步等。可用于电子实验和教学。

Description

宽频压控正弦波振荡器

一、技术领域

本发明涉及宽频压控正弦波振荡器。

二、背景技术

在现有技术中，频带很宽而波形又不失真的正弦波振荡器还难于实现。为数不多的RC压控正弦波振荡器集成电路XR2206，ICL8038是采用积分一触发型，先产生正三角波再变换成正弦波，由于受到变换技术限制，在宽频范围内可以看到波形仍有些失真。德国专利DE3711671描述了一种有稳幅电路的全通振荡器，即宽频RC正弦波振荡器，其电路结构复杂。日本专利JPO8274636描述了一种用于频率合成器的RC压控正弦波振荡器，是采用环路增益为1相位移为零的正反馈放大型，该专利只在滞后移相电路中用场效应管作为电压控制的可变电阻，在超前移相电路中电位匹配有困难而没有用。实验表明，超前和滞后电路中电阻和电容值若不能分别相等，波形失真将明显增加，其原因是总相位移不能相消为零。由于元器件老化和环境温度变化，若无稳幅电路即使简单到一个点频上，也难以维持环路增益为1而导致停振或波形削顶。稳幅元器件有利用小钨丝灯的热敏效应，它在一个振荡周期内可视为线性电阻因而失真小，但耗电大来源缺；有利用二极管和齐纳二极管的，制作简便，但是它在一个振荡周期内其电阻值呈现非线性变化，这易导致波形局部畸变。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种结构简明实用，成本低的宽频压控正弦波振荡器，即使由电压控制的频率连续变化数千倍，其波形展宽后经目观检查，没有发现失真。它可用于信号发生器、扫频仪、频率合成器、信号的相位同步、变频、稳频等，也可作为电子实验和教学设备。

本发明的宽频压控正弦波振荡器图1技术方案由正弦波振荡器1a，振幅控制电路1b，频率控制电路1c三部分组成，其特征在于控制振幅的电阻R_F，控制频率的电阻R_S，R_P都是光敏电阻；通过光耦，由振幅控制电路实现对R_F阻值的自动调节，即使频率变化很宽也能维持环路增益迫近于1，并且在一个振荡周期内R_F阻值几乎不变，即减小了波形畸变；通过光耦，由外来的电压V_C控制光敏电阻R_S、R_P的阻值以改变振荡频率，不仅有很宽的变化范围而且能同步调节。

四、附图说明

图1是本发明宽频压控正弦波振荡器电路图。

图2是用图1电路取得的控制电压V_C与振荡频率fo关系的实验结果。

图3是使图1电路的幅频响应更加平坦的稳幅器电路图。

图4是用图1电路组成正弦波频率合成器电路图，图4中的I代表图1的全部电路。

图5是振幅控制和频率控制光耦元件的结构外观图。

五、具体实施方式

实施例一宽频压控正弦波振荡器：

宽频压控正弦波振荡器由正弦波振荡器1a、振幅控制电路1b、频率控制电路1c三部分组成，其中运算放大器OP₁反相输入端经电阻R_F接输出端，经电阻R_G接地，形成振荡器1a的振幅控制支路；OP₁同相输入端经电阻R_S与电容C_S串联后接输出端，经电阻R_P与容C_P并联后接地、形成振荡器1a的频率控制支路；其特征在于R_F、R_S、R_P都是光敏电阻；通过光耦，R_F阻值由振幅控制电路1_b实现自动调节；振幅控制电路由整流滤波电路和光耦驱动器组成；整流滤波电路又由二极管D₃、电阻R₅、电容C₁、电阻R₄依次串联后接地而成，其中，整流二极管D₃正端接压控正弦波振荡器输出电压V_O，R₅与C₁连接点经电位器W₁接地，经W1抽头点接光耦驱动器输入端，即运算放大器OP₂同相输入端，以便调节振荡幅度；光耦驱动器由输入阻抗高电压增益为1的运算放大器OP₂、电阻R₂、发光二极管LED₂所组成，其中OP₂反相输入端与输出端直接连接后经电阻R₂发光二极管LED₂串联电路接地，以便LED₂照亮光敏电阻R_F，当V_O增加，光照加强，R_F阻值下降，这又迫使V_O减小，从而实现自动稳幅；电阻R₄有超前功能，以补偿频率很低时传输时间的滞后，从而减小波形失真；频率控制电路1c由外来的控制频率的电压V_C和光耦驱动器组成，通过光耦，光敏电阻R_S、R_P的阻值由V_C来控制；光耦驱动器由运算放大器OP₃、电阻R₁、发光二极管LED₁、负偏压V_B所组成，其中OP₃同相输入端接V_C，反相输入端接输出端后经电阻R₁发光二极管LED₁串联电路接负偏压V_B，最佳选取是负偏压V_B的大小恰好使V_C为零时流过LED₁的电流也为零，相应的光敏电阻R_S、R_P的电阻可达数十兆欧，因此能获得很宽的频率变化；利用LED₁的侧光同时照亮光敏电阻R_S、R_P，以达到同步调控；从运算放大器OP₃负电源端经电阻R₃、锗二极管D₂、硅二极管D₁串联电路后接地，将其中D₂D₁串联压降作为负偏压V_B，实验表明，当V_C为零时流过LED₁的电流为0.2μA，相应的R_S、R_P为11MΩ；LED₂的负端是直接接地的，因为R_F阻值变化不大，是电阻R_G的2倍附近变化，在最高频率时达2.8倍。

为了兼有压控多谐振荡器功能，设置了开关S₁和电阻R₆，可取R₆≈10R_G，当开关S₁接R₆，实质上是用R₆取代R_F(无光照时电阻很高)，输出电压V_O由正弦波转变为对称方波。

设置了开关S₂，当S₂由W点转接到P点，即光敏电阻R_P由原来接OP₁同相输入端改接到光敏电阻R_S和电容C_S的连接点上，振荡器输出电压V_O仍然是正弦波。

宽频压控正弦波振荡器图1的控制电压V_C与输出电压V_O的频率fo关系的实验结果如图2所示，其中电源为±5V，负偏压V_B取自锗二极管和硅二极管串联电压，R_G为2.2KΩ，光敏电阻R_S、R_P要选电阻特性一致的元件。测量表明，V_C＝0.3V-3.4V，C_S＝C_P＝4700PF，V_O为3Hz5.5V_PP-22KHz7V_PP；当C_S＝C_P＝100PF，V_O为100Hz5.5V_PP-420KHz7V_PP，其中频率上限受到了运算放大器OP₁摆动速率的限制，在所述的频率范围内，正弦波形展宽后经目观检查，没有发现失真，在不换挡不调节情况下，频率变化达七千倍而波形失真很小，这给制造和使用都带来很多方便。

现对正弦波振荡器1a作一分析，将电容C_S由原来接V_O改接外来输入电压V_i，运算放大器OP₁便是一个同相放大器，由图得出传递函数为 $A=\frac{V_O}{V_i}=(1+\frac{R_F}{R_G})/\[1+\frac{R_S}{R_P}+\frac{C_P}{C_S}+J(\mathrm{\ω}{C}_S{R}_S-\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_P{R}_P})\]---\left(1\right)$ 选取C＝C_S＝C_P，R＝R_S＝R_P，A＝1+JO，    (2)由(1)(2)得，R_F＝2R_G， $\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_o=\frac{1}{\mathrm{RC}}$ 或 $\mathrm{fo}\left(\mathrm{Hz}\right)=\frac{159.2}{R\left(\mathrm{K\Ω}\right)C\left(\mathrm{\μF}\right)}---\left(3\right)$

A＝1+JO表示放大器的增益为1，相位移为零，即输出电压V_O是输入电压Vi的复现，因此将C_S与V_O直接连通便能自行产生正弦振荡，但是只要A比1或大或小一点点，经过不断放大，正弦振荡最终不是削顶便是停振，因此没有稳幅电路的正弦波振荡器是不实用的。当频率变化很宽，器件的频率特性也变了，维持A为1就更加困难。

将开关S₂由W点转接P点，由图1a有 $\frac{V_{\mathrm{RP}}}{R_P}+\frac{V_{\mathrm{RP}}}{R_S+\frac{1}{\mathrm{J\ω}{C}_P}}=\frac{V_i-V_{\mathrm{RP}}}{\frac{1}{\mathrm{J\ω}{C}_S}}---\left(4\right)$ $\mathrm{Vcp}=\frac{V_{\mathrm{RP}}}{R_S+\frac{1}{\mathrm{J\ω}{C}_P}}\left(\frac{1}{\mathrm{J\ω}{C}_P}\right)---\left(5\right)$ $V_O=(1+\frac{R_F}{R_G})\mathrm{Vcp}---\left(6\right)$ 由(4)(5)(6)有： $A=\frac{V_O}{V_i}=(1+\frac{R_F}{R_G})/\[1+\frac{C_P{R}_S}{C_s{R}_P}+\frac{1+\mathrm{J\ω}{C}_P{R}_S}{\frac{C_S}{C_P}+\mathrm{J\ω}{C}_S{R}_S}+J(\mathrm{\ω}{C}_P{R}_S-\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_S{R}_P})\]---\left(7\right)$ 选取C＝C_P＝C_S，R＝R_P＝R_S，A＝1+JO，    (8)由(7)(8)得R_F＝2R_G， $\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_o=\frac{1}{\mathrm{RC}}$ 或 $\mathrm{fo}\left(\mathrm{Hz}\right)=\frac{159.2}{R\left(\mathrm{K\Ω}\right)C\left(\mathrm{\μF}\right)}---\left(9\right)$

因此(8)(9)与(2)(3)完全相同，但(7)与(1)仍有细微区别，在电路结构上(7)是互补移相式，而(1)是桥式。

实施例二使幅频响应平坦的稳幅器：

宽频压控正弦波振荡器图1输出电压V_O通过稳幅器图3后的输出电压V_S的幅频响应将变得更加平坦；稳幅器由反相运算放大电路3a和振幅控制电路3b组成，在电路3b中OP₄同相输入端经电阻R₇接地，OP₄反相输入端经电阻R₈与V_O连接，经光敏电阻R₉与输出端连接并输出稳幅后的正弦波电压V_S，V_S也同时输入振幅控制电路3b，其电路连接与宽频压控正弦波振荡器中的振幅控制电路1b完全相同，通过光耦，光敏电阻R₉的阻值由振幅控制电路3b实现自动调节。可取R₇≈R₉R₈/(R₈+R₉)，R₈＝10KΩ，V_S/V_O＝R₉/R₈，实验表明，在音频范围内，当V_O振幅变化400％，V₈只变化6％，但对普通要求而言可以不用稳幅器，因为如图2所示V_O的幅频响应变化不大，3Hz5.5V_PP-22KHz7V_PP。

实施例三扫频信号发生器：

采用电压比较器和积分器连成环路方法产生慢扫三角波作为控制电压V_C，宽频压控正弦波振荡器图1输出电压V_O便是一个自动扫频的正弦波；当开关S₁与电阻R₆连接，V_O是一个自动扫频的对称方波，实验表明其频率比前者约低一倍。

实施例四正弦波频率合成器：

正弦波频率合成器图4由三部分组成，第一部分由宽频压控正弦波振荡器I输出电压V_O经正箝位电路电容C₃二极管D₅后，使双极性正弦波变为正极性，经斯密特触发器ST，经程序分频器N，经二分频器FD₂后，得正极性对称方波，其频率记为f_N；第二部分由晶体谐振器频率为f_Q的晶体振荡器OSC的输出经参考分频器R，经四分频器FD₄后得正极性对称方波，其频率记为f_R；第三部分是将f_N和f_R分别送入数字相位比较器PD，其输出的相位差信号经低通滤波器LPF后，作为控制电压V_C又送回宽频压控正弦波振荡器I便形成一个锁相环路，当环路锁定后，f_N＝f_R，输出电压V_O的频率

                            fo＝N(f_Q/2R)    (10)置入不同的N和R值，就可获得一系列的fo值，其频率稳定度和晶体振荡器频率f_Q一样高。通常取N为正整数，例如2-15999，取f_Q/2R为10Hz、100Hz、1000Hz，因为1Hz入锁时间很长而不实用。显然，这要求频率范围尽可能宽而波形失真尽可能小。实验表明，当f_Q＝2MHz±50ppm，f_Q/2R＝10Hz，N＝2000，用8位数字频率计测得fo＝20000Hz，误差小于1Hz：使用好一点的晶体振荡器，f_Q＝1MHz±5ppm，四分频改二分频，测得fo＝20000.0Hz，误差小于0.1Hz。

实施例五信号的相位同步：

在图4中，用外来的正极性对称方波代替参考频率f_R，用斯密特触发器ST的输出频率f_T分别直接送入数字相位比较器PD，便形成了一个简单的锁相环路，实验表明，当环路锁定后，宽频压控正弦波振荡器输出电压V_O的频率fo，将在很宽的频率范围内自动跟踪外来对称方波的频率变化，直到相等，因此实现了两者的相位同步，在这里是将对称方波变换成同频正弦波，若使用带通滤波器，因为方波的谐波丰富，不仅要求滤波器的品质因素很高，而且滤波器的数量众多，才能滤出频率不同的纯净正弦波。锁相环路重要用途之一是恢复淹没在噪声中的外来信号的相位和频率而获取信息。

实施例六振幅控制和频率控制光耦元件的结构：

振幅控制和频率控制光耦元件的结构外观分别如图5a、5b所示，在图5a中A是不透光的塑料管，B是不透光绝缘体填充物，1、2是光敏电阻R_F的引线，3、4是发光二极管LED₂引线，长的为正端；在图5b中，A、B与前述相同，1、3与4、6分别是光敏电阻R_S、R_P的引线，2、5是发光二极管LED₁的引线，长的为正端。所有发光二极管与光敏电阻之间的相对位置应固定，采用此种结构是为了便于制造与安装。

Claims (9)

1、一种宽频压控正弦波振荡器，由正弦波振荡器(1a)、振幅控制电路(1b)、频率控制电路(1c)三部分组成；其中，正弦波振荡器(1a)由电阻R_P、R_S、R_F、R_G、电容G_P、C_S和运算放大器OP₁所组成，运算放大器OP₁反相输入端经电阻R_F接输出端、经电阻R_G接地，形成振荡器的振幅控制支路；OP₁同相输入端经电阻R_S与电容C_S串联后接输出端、经电阻R_P与电容C_P并联后接地、形成振荡器的频率控制支路；其特征在于：R_F、R_S、R_P都是光敏电阻；通过光耦、R_F阻值由振幅控制电路(1b)实现自动调节；振幅控制电路(1b)由整流滤波电路和光耦驱动器组成；整流滤波电路又由二极管D₃、电阻R₅、电容C₁、电阻R₄依次串联后接地而成，其中D₃正端接振荡器输出电压V_O，R₅与C₁的连接点经电位器W₁接地，W₁调节端接光耦驱动器输入端，即运算放大器OP₂同相输入端，以便调节振荡幅度；光耦驱动器由输入阻抗高电压增益为1的运算放大器OP₂、电阻R₂、发光二极管LED₂所组成，其中OP₂反相输入端与输出端连接后经电阻R₂与发光二极管LED₂正端连接，LED₂负端接地，以便LED₂照亮光敏电阻R_F；频率控制电路(1c)由外来控制电压V_C和光耦驱动器组成，通过光耦、光敏电阻R_S、R_P的阻值由V_C来控制以改变振荡频率，其中，光耦驱动器由运算放大器OP₃、电阻R₁、发光二极管LED₁、负偏压V_B所组成，OP₃同相输入端接V_C、反相输入端接输出端后经电阻R₁与发光二极管LED₁正端连接，LED₁负端接负偏压V_B，其中LED₁的侧光同时照亮光敏电阻R_S、R_P，以实现同步调控。

2、根据权利要求1所述宽频压控正弦波振荡器，其特征在于：设置了开关S₁和电阻R₆，R₆≈10R_G，当S₁与R₆连接，即用R₆取代R_F，振荡器输出电压V_O便由正弦波转变为对称方波。

3、根据权利要求1所述宽频压控正弦波振荡器，其特征在于：设置了开关S₂，当光敏电阻R_P由原来跨接在OP₁同相输入端与地之间改接到光敏电阻R_S和电容C_S的连接点与地之间，振荡器输出电压V_O仍然是正弦波。

4、根据权利要求1所述宽频压控正弦波振荡器，其特征在于：从运算放大器OP₃负电源端经电阻R₃，锗二极管D₂，硅二极管D₁串联后接地，将其中D₂、D₁串联电压降作为负偏压V_B。

5、根据权利要求1所述宽频压控正弦波振荡器，其特征在于：宽频压控正弦波振荡器的输出电压V_O经过稳幅器后，得到的电压V_S的幅频响应特性将变得更加平坦；稳幅器由反相运算放大电路(3a)和振幅控制电路(3b)组成，其中反相运算放大电路又由运算放大器OP₄、电阻R₇、R₈和光敏电阻R₉所组成，OP₄同相输入端经电阻R₇接地，OP₄反相输入端经电阻R₈与V_O连接，经光敏电阻R₉与输出端连接并输出稳幅后的正弦波电压V_S，V_S也同时输入振幅控制电路(3b)，其电路连接与宽频压控正弦波振荡器的振幅控制电路(1b)完全相同。

6、根据权利要求1所述宽频压控正弦波振荡器，其特征在于：用慢扫正极性三角波作为控制电压V_C，宽频压控正弦波振荡器便成为扫频信号发生器，输出电压V_O是一个自动扫频的正弦波；当用电阻R₆取代光敏电阻R_F，R₆≈10R_G，则V_C是一个自动扫频的对称方波。

7、根据权利要求1所述宽频压控正弦波振荡器，其特征在于：将电容C₃与箝位二极管D₅串联后跨接在宽频压控正弦波振荡器(I)的输出电压V_O与地之间，其中D₅正端接地，C₃与D₅的接点与作为整形的斯密特触发器ST输入端连接，ST输出信号经程序分频器N，再经二分频器FD₂后得正极性对称方波，其频率记为f_N；晶体振荡器OSC的输出频率f_Q信号经参考分频器R，再经四分频器FD₄后得正极性对称方波，其频率记为F_R；将f_N和f_R分别送入数字相位比较器PD，其输出的相位差信号经低通滤波器LPF后作为控制电压V_C送回宽频压控正弦波振荡器(I)的输入端，便形成一个锁相环路，当环路锁定后，fo＝N(f_Q/2R)，置入不同的N和R值，N＝2-15999，f_Q/2R＝10Hz、100Hz、1000Hz，就可获得一系列输出电压V_O的频率为f_o的正弦波，其频率稳定度和f_Q一样高。

8、根据权利要求1所述宽频压控正弦波振荡器，其特征在于：将电容C₃与箝位二极管D₅串联后跨接在宽频压控正弦波振荡器(I)的输出电压V_O与地之间，D₅正端接地，C₃与D₅的接点与斯密特触发ST输入端连接，ST输出端信号直接送入数字相位比较器PD，外来的正极性对称方波也直接送入PD，其输出相位差信号经低通滤波器LPF后，作为控制电压V_C又送回宽频压控正弦波振荡器(I)，便形成了一个简单锁相环路，宽频压控正弦波振荡器(I)的输出电压V_O的频率fo将在很宽的频率范围内自动跟踪外来对称方波的频率变化，直到相等，因此实现了两者的相位同步，在这里是将对称方波变成了同频的正弦波。

9、根据权利要求1所述宽频压控正弦波振荡器，其特征在于：振幅控制光耦元件光敏电阻R_F和发光二极管LED₂置于不透光的塑料管内，经固定后，元件引线从管的两端引出，两端用不透光的绝缘体填充并使引线固定；频率控制光耦元件光敏电阻R_S，R_P置于发光二极管LED₁的两侧，经适当固定后都放入不透光的塑料管内，元件引线从管的两端引出，两端用不透光绝缘体填充并使引线固定。

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