寬頻壓控正弦波振蕩器的製作方法
2023-09-09 18:43:20
專利名稱：寬頻壓控正弦波振蕩器的製作方法
技術領域：
本發明涉及寬頻壓控正弦波振蕩器。
在現有技術中，頻帶很寬而波形又不失真的正弦波振蕩器還難於實現。為數不多的RC壓控正弦波振蕩器集成電路XR2206，ICL8038是採用積分—觸髮型，先產生正三角波再變換成正弦波，由於受到變換技術限制，在寬頻範圍內可以看到波形仍有些失真。德國專利DE3711671描述了一種有穩幅電路的全通振蕩器，即寬頻RC正弦波振蕩器，其電路結構複雜。日本專利JPO8274636描述了一種用於頻率合成器的RC壓控正弦波振蕩器，是採用環路增益為1相位移為零的正反饋放大型，該專利只在滯後移相電路中用場效應管作為電壓控制的可變電阻，在超前移相電路中電位匹配有困難而沒有用。實驗表明，超前和滯後電路中電阻和電容值若不能分別相等，波形失真將明顯增加，其原因是總相位移不能相消為零。由於元器件老化和環境溫度變化，若無穩幅電路，即使簡單到一個點頻上，也難以維持環路增益為1而導致停振或波形削頂。穩幅元器件有利用小鎢絲燈的熱敏效應，它在一個振蕩周期內可視為線性電阻因而失真小，但耗電大來源缺；有利用二極體和齊納二極體的，製作簡便，但是它在一個振蕩周期內其電阻值呈現非線性變化，這易導致波形局部畸變，在高頻端易導致停振。
本發明的目的是提供一種結構簡明實用，成本低的寬頻壓控正弦波振蕩器，即使由電壓控制的頻率連續變化數千倍，其波形展寬後經目觀檢查，沒有發現失真。它可用於信號發生器，掃頻儀，頻率合成器，信號的相位同步，變頻、穩頻等方面，也可作為電子實驗和教學設備。
本發明的寬頻壓控正弦波振蕩器(
圖1)技術方案由正弦波振蕩器(1a)，振幅控制電路(1b)，頻率控制電路(1c)三部分組成，其特徵在於控制振幅的電阻RF，控制頻率的電阻RS，RP都是光敏電阻；通過光耦，由振幅控制電路實現對RF阻值的自動調節，即使頻率變化很寬也能維持環路增益迫近於1，並且在一個振蕩周期內RF阻值幾乎不變，即減小了波形畸變；通過光耦，由外來的電壓VC控制光敏電阻RS、RP的阻值以改變振蕩頻率，不僅有很寬的變化範圍而且能同步調節。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。
圖1是本發明寬頻壓控正弦波振蕩器電路圖。
圖2是用圖1電路取得的控制電壓VC與振蕩頻率fo關係的實驗結果。
圖3是使圖1電路的幅頻響應更加平坦的穩幅器電路圖。
圖4是用圖1所示的寬頻壓控正弦波振蕩器組成正弦波頻率合成器電路圖，圖4中的I代表圖1的全部電路。
圖5是振幅控制和頻率控制光耦元件的結構外觀圖。
實施例一寬頻壓控正弦波振蕩器寬頻壓控正弦波振蕩器由正弦波振蕩器(1a)、振幅控制電路(1b)、頻率控制電路(1c)三部分組成，其中運算放大器OP1反相輸入端經電阻RF接輸出端，經電阻RG接地，形成振蕩器(1a)的振幅控制支路；OP1同相輸入端經電阻RS電容CS串聯電路接輸出端，經電阻RP電容CP並聯電路接地、形成振蕩器(1a)的頻率控制支路，其特徵在於RF、RS、RP都是光敏電阻；通過光耦，RF阻值由振幅控制電路(1b)實現自動調節；振幅控制電路由整流濾波電路和光耦驅動器組成；整流濾波電路又由二極體D3、電阻R5、電容C1、電阻R4依次串聯後接地而成，其中，D3正端接振蕩器輸出電壓VO，R5與C1連接點經電位器W1接地，經W1抽頭點接光耦驅動器輸入端，即運算放大器OP2同相輸入端，以便調節振蕩幅度；光耦驅動器由輸入阻抗高電壓增益為1的運算放大器OP2、電阻R2、發光二極體LED2所組成，其中OP2反相輸入端與輸出端直接連接後經電阻R2發光二極體LED2串聯電路接地，以便LED2照亮光敏電阻RF，當VO增加，光照加強，RF阻值下降，這又迫使VO減小，從而實現自動穩幅；電阻R4有超前功能，以補償頻率很低時傳輸時間的滯後，從而減小波形失真；頻率控制電路(1c)由外來的控制頻率的電壓VC和光耦驅動器組成，通過光耦，光敏電阻RS、RP的阻值由VC來控制；光耦驅動器由運算放大器OP3、電阻R1、發光二極體LED1、負偏壓VB所組成，其中OP3同相輸入端接VC，反相輸入端接輸出端後經電阻R1發光二極體LED1串聯電路接負偏壓VB，最佳選取是負偏壓VB的大小恰好使VC為零時流過LED1的電流也為零，相應的光敏電阻RS、RP的暗電阻可達數十兆歐，因此能獲得很寬的頻率變化；利用LED1的側光同時照亮光敏電阻RS、RP，以達到同步調控；從運算放大器OP3負電源端經電阻R3，鍺二極體D2、矽二極體D1串聯電路後接地，將其中D2D1串聯壓降作為負偏壓VB(1c)，實驗表明，當VC為零時流過LED1的電流為0.2μA，相應的RS、RP為11MΩ；LED2的負端是直接接地的，因為RF阻值變化不大，是電阻RG的2倍附近變化，在最高頻率時達2.8倍。
為了兼有壓控多諧振蕩器功能，設置了開關S1和電阻R6，可取R6≈10RG，當開關S1接R6，實質上是用R6取代RF(因RF的暗電阻很高)，輸出電壓VO由正弦波轉變為對稱方波。
設置了開關S2，當S2由W點轉接到P點，即光敏電阻RP由原來接OP1同相輸入端改接到光敏電阻RS和電容CS的連接點上，振蕩器輸出電壓VO仍然是正弦波。
寬頻壓控正弦波振蕩器(圖1)的控制電壓VC與輸出電壓VO的頻率fo關係的實驗結果如圖2所示，其中電源為±5V，負偏壓VB取自鍺二極體和矽二極體串聯電壓，RG為2.2KΩ，光敏電阻RS、RP要選電阻特性一致的元件。測量表明，VC＝0.3V-3.4V，CS＝CP＝4700PF，VO為3Hz5.5VPP-22KHz7VPP；當CS＝CP＝100PF，VO為100Hz5.5VPP-420KHz7VPP，其中頻率上限受到了運算放大器OP1擺動速率的限制，在所述的頻率範圍內，正弦波形展寬後經目觀檢查，沒有發現失真，在不換擋不調節情況下，頻率變化達七千倍而波形失真很小，這給製造和使用都帶來很多方便。
現對正弦波振蕩器(1a)作一分析，將電容CS由原來接VO改接外來輸入電壓Vi，運算放大器OP1便是一個同相放大器，由圖得出傳遞函數為A=VOVi=(1+RFRG)/[1+RSRP+CPCS+J(CSRS-1CPRP)]---(1)]]>選取C＝CS＝CP，R＝RS＝RP，A＝1+JO， (2)由(1)(2)得，RF＝2RG，
或
A＝1+JO表示放大器的增益為1，相位移為零，即輸出電壓VO是輸入電壓Vi的復現，因此將CS與VO直接連通便能自行產生正弦振蕩，但是只要A比1或大或小一點點，經過不斷放大，正弦振蕩最終不是削頂便是停振，因此沒有穩幅電路的正弦波振蕩器是不實用的。當頻率變化很寬，器件的頻率特性也變了，維持A為1就更加困難。
將開關S2由W點轉接P點(1a)，由圖有VRPRP+VRPRS+1JCP=Vi-VRP1JCS---(4)]]>Vcp=VRPRS+1JCP(1JCP)---(5)]]>VO=(1+RFRG)Vcp---(6)]]>由(4)(5)(6)有A=VOVi=(1+RFRG)/[1+CPRSCsRP+1+JCPRSCSCP+JCSRS+J(CPRS-1CSRP)]---(7)]]>選取C＝CP＝CS，R＝RP＝RS，A＝1+JO， (8)由(7)(8)得RF＝2RG，
或
因此(8)(9)與(2)(3)完全相同，但(7)與(1)仍有細微區別，在電路結構上(7)是互補移相式，而(1)是橋式。
實施例二使幅頻響應平坦的穩幅器寬頻壓控正弦波振蕩器(圖1)輸出電壓VO通過穩幅器(圖3)後的輸出電壓VS的幅頻響應將變得更加平坦；穩幅器由反相運算放大器OP4(3a)和振幅控制電路(3b)組成，其中OP4同相輸入端經電阻R7接地，OP4反相輸入端經電阻R8與VO連接，經光敏電阻R9與輸出端連接並輸出穩幅後的正弦波電壓VS，VS也同時輸入振幅控制電路(3b)，其電路連接與寬頻壓控正弦波振蕩器中的振幅控制電路(1b)完全相同，通過光耦，光敏電阻R9的阻值由振幅控制電路(3b)實現自動調節。可取R7≈R9R8/(R8+R9)，R8＝10KΩ，VS/VO＝-R9/R8，實驗表明，在音頻範圍內，當VO振幅變化400％，V8隻變化6％，但對普通要求而言可以不用穩幅器，因為如圖2所示VO的幅頻響應變化不大，3Hz5.5VPP-22KHz7VPP。
實施例三掃頻信號發生器採用電壓比較器和積分器連成環路方法產生慢掃三角波作為控制電壓VC，寬頻壓控正弦波振蕩器(圖1)輸出電壓VO便是一個自動掃頻的正弦波；當開關S1與電阻R6連接，VO是一個自動掃頻的對稱方波，實驗表明其頻率比前者約低一倍。
實施例四正弦波頻率合成器正弦波頻率合成器(圖4)由三部分組成，第一部分由寬頻壓控正弦波振蕩器I輸出電壓VO經正箝位電路電容C3二極體D5後，使雙極性正弦波變為正極性，經斯密特觸發器ST，經程序分頻器÷N，經除2電路÷2後，又變回正極性對稱方波，其頻率記為fN；第二部分由晶體諧振器頻率為fQ的晶體振蕩器OSC的輸出經參考分頻器÷R，經除4電路÷4後得正極性對稱方波，其頻率記為fR；第三部分是將fN和fR分別送入數字相位比較器PD，其輸出的相位差信號經低通濾波器LPF後，作為控制電壓VC又送回寬頻壓控正弦波振蕩器I便形成一個鎖相環路，當環路鎖定後，fN＝fR，輸出電壓VO的頻率fo＝N(fQ/2R) (10)置入不同的N和R值，就可獲得一系列的fo值，其頻率穩定度和晶體振蕩器頻率fQ一樣高。通常取N為正整數，例如2-15999，取fQ/2R為10Hz、100Hz、1000Hz，因為1Hz入鎖時間很長而不實用。顯然，這要求頻率範圍儘可能寬而波形失真儘可能小。實驗表明，當fQ＝2MHz±50ppm，fQ/2R＝10Hz，N＝2000，用8位數字頻率計測得fo＝20000Hz，誤差小於1Hz；使用好一點的晶體振蕩器，fQ＝1MHz±5ppm，同時÷4改為÷2，測得fo＝20000.0Hz，誤差小於0.1Hz。
實施例五信號的相位同步在圖4中，用外來的正極性對稱方波代替參考頻率fR，用斯密特觸發器ST的輸出頻率fT分別直接送入數字相位比較器PD，便形成了一個簡單的鎖相環路，實驗表明，當環路鎖定後，寬頻壓控正弦波振蕩器輸出電壓VO的頻率fo，將在很寬的頻率範圍內自動跟蹤外來對稱方波的頻率變化，直到相等，因此實現了兩者的相位同步，在這裡是將對稱方波變換成同頻正弦波，若使用帶通濾波器，因為方波的諧波豐富，不僅要求濾波器的品質因素很高，而且濾波器的數量眾多，才能濾出頻率不同的純淨正弦波。鎖相環路重要用途之一是恢復淹沒在噪聲中的外來信號的相位和頻率而獲取信息。
實施例六振幅控制和頻率控制光耦元件的結構振幅控制和頻率控制光耦元件的結構外觀分別如圖5a、5b所示，在圖5a中A是不透光的塑料管，B是不透光絕緣體填充物，1、2是光敏電阻RF的引線，3、4是發光二極體LED2引線，長的為正端；在圖5b中，A、B與前述相同，1、3與4、6分別是光敏電阻RS、RP的引線，2、5是發光二極體LED1的引線，長的為正端。所有發光二極體與光敏電阻之間的相對位置應固定，採用此種結構是為了便於製造與安裝。
權利要求
1.一種寬頻壓控正弦波振蕩器，由正弦波振蕩器(1a)、振幅控制電路(1b)、頻率控制電路(1c)三部分組成；其中，運算放大器OP1反相輸入端經電阻RF接輸出端、經電阻RG接地，形成振蕩器的振幅控制支路；OP1同相輸入端經電阻RS電容CS串聯電路接輸出端、經電阻RP電容CP並聯電路接地、形成振蕩器的頻率控制支路；其特徵在於RF、RS＇、RP都是光敏電阻；通過光耦、RF阻值由振幅控制電路(1b)實現自動調節；振幅控制電路由整流濾波電路和光耦驅動器組成；整流濾波電路又由二極體D3、電阻R5、電容C1、電阻R4依次串聯後接地而成，其中D3正端接振蕩器輸出電壓VO，R5與C1的連接點經電位器W1接地，經W1抽頭點接光耦驅動器輸入端，即運算放大器OP2同相輸入端，以便調節振蕩幅度；光耦驅動器由輸入阻抗高電壓增益為1的運算放大器OP2、電阻R2、發光二極體LED2所組成，其中OP2反相輸入端與輸出端連接後經電阻R2、發光二極體LED2接地，以便LED2照亮光敏電阻RF，當VO增加，光照加強，RF阻值下降，這又迫使VO減小，從而實現自動穩幅；頻率控制電路(1c)由外來的控制頻率的電壓VC和光耦驅動器組成，通過光耦、光敏電阻RS、RP的阻值由VC來控制以改變振蕩頻率，其中光耦驅動器由運算放大器OP3、電阻R1、發光二極體LED1、負偏壓VB所組成，OP3同相輸入端接VC、反相輸入端接輸出端後經電阻R1、發光二極體LED1接負偏壓VB，最佳選取是負偏壓VB的大小恰好使VC為零時流過LED1的電流也為零，從而獲得很寬的頻率變化；利用LED1的側光同時照亮光敏電阻RS、RP，以實現同步調控。
2.根據權利要求1所述寬頻壓控正弦波振蕩器，其特徵在於設置了開關S1和電阻R6，當S1與R6連接，即實質上用R6取代RF，振蕩器輸出電壓VO便由正弦波轉變為對稱方波。
3.根據權利要求1所述寬頻壓控正弦波振蕩器，其特徵在於設置了開關S2，當開關由W點轉接到P點，即光敏電阻RP由原來接OP1同相輸入端改接到光敏電阻RS和電容CS的連接點上，振蕩器輸出電壓VO仍然是正弦波。
4.根據權利要求1所述寬頻壓控正弦波振蕩器，其特徵在於從運算放大器OP3負電源端經電阻R3，鍺二級管D2，矽二級管D1串聯後接地，將其中D2、D1串聯電壓降作為負偏壓VB(1c)。
5.根據權利要求1所述寬頻壓控正弦波振蕩器，其特徵在於寬頻壓控正弦波振蕩器的輸出電壓VO經過穩幅器後，得到的電壓VS的幅頻響應特性將變得更加平坦；穩幅器由反相運算放大器OP4(3a)和振幅控制電路(3b)組成，其中OP4同相輸入端經電阻R7接地，OP4反相輸入端經電阻R8與VO連接，經光敏電阻R9與輸出端連接並輸出穩幅後的正弦波電壓VS，VS也同時輸入振幅控制電路(3b)，其電路連接與權利要求1所述的振幅控制電路(1b)完全相同。
6.根據權利要求1所述寬頻壓控正弦波振蕩器，或權利要求2所述的正弦波轉變為對稱方波，其特徵在於用慢掃正極性三角波作為控制電壓VC，寬頻壓控正弦波振蕩器便成為掃頻信號發生器，輸出電壓VO是一個自動掃頻的正弦波；當開關S1與電阻R6連接，則VO是一個自動掃頻的對稱方波。
7.根據權利要求1所述寬頻壓控正弦波振蕩器，其特徵在於寬頻壓控正弦波振蕩器I輸出電壓VO經正箝位電路電容C3和二極體D5，經斯密特觸發器ST，經程序分頻器÷N，經除2電路÷2後得正極性對稱方波，其頻率記為fN；晶體諧振器頻率為fQ的晶體振蕩器OSC的輸出經參考分頻器÷R，經除4電路÷4後得正極性對稱方波，其頻率記為FR；將fN和fR分別送入數字相位比較器PD，其輸出的相位差信號經低通濾波器LPF後作為控制電壓VC送回寬頻壓控正弦波振蕩器I，便形成一個鎖相環路，當環路鎖定後，fo＝N(fQ/2R)，置入不同的N和R值，就可獲得一系列輸出電壓VO頻率為fo的正弦波，其頻率穩定度和fQ一樣高。
8.根據權利要求1所述寬頻壓控正弦波振蕩器I輸出電壓VO經正箝位電路電容C3和二極體D5，經斯密特觸發器ST後直接送入數字相位比較器PD；外來的正極性對稱方波也直接送入PD，其輸出相位差信號經低通濾波器LPF後，作為控制電壓VC又送回寬頻壓控正弦波振蕩器I，便形成了一個簡單鎖相環路，寬頻壓控正弦波振蕩器I的輸出電壓VO的頻率fo將在很寬的頻率範圍內自動跟蹤外來對稱方波的頻率變化，直到相等，因此實現了兩者的相位同步，在這裡是將對稱方波變成了同頻的正弦波。
9.根據權利要求1所述寬頻壓控正弦波振蕩器，其特徵在于振幅控制光耦元件光敏電阻RF和發光二極體LED2置於不透光的塑料管內，經適當固定後，元件引線從管的兩端引出，兩端用不透光的絕緣體填充並使引線固定(5a)；頻率控制光耦元件光敏電阻RS、RP置於發光二極體LED1的兩側，經適當固定後，都放入不透光的塑料管內，元件引線從管的兩端引出，兩端用不透光絕緣體填充並使引線固定(5b)，採用此種結構是為了製造和安裝方便。
全文摘要
一種寬頻壓控正弦波振蕩器,穩定振蕩幅度的是一隻光敏電阻R
文檔編號H03B5/00GK1264216SQ0010293
公開日2000年8月23日 申請日期2000年3月15日 優先權日2000年3月15日
發明者向明 申請人:向明