阻容網絡壓控正弦波振蕩器的製作方法

2023-08-04 13:17:56

專利名稱：阻容網絡壓控正弦波振蕩器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及RC壓控正弦波振蕩器。
在現有技術中，為數甚少的RC壓控正弦波振蕩器集成電路XR2206，ICL8038採用積分-觸髮型，其不足之處是頻率變化大時需要調節以減小波形失真，此種由三角波變成的正弦波象一個圓頂三角波，變換技術尚不完美。德國專利DE3711671描述了一種全通振蕩器，即寬頻振蕩器，使用了多隻運算放大器，結構複雜。日本專利JP08274636描述了一種用於頻率合成的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隻場效應管，僅在後級移相電路中使用了，而在前級移相電路中沒有用、或者因電位匹配有困難而沒法用。實驗表明，此種結構當頻率變化大時波形失真明顯。
本實用新型的目的是針對上述現有技術存在失真問題特別是寬頻失真問題，提供一種結構簡單成本低的寬頻低失真RC壓控正弦波振蕩器，可作為電子實驗的信號源和教學用具。
本實用新型的技術方案的特徵是控制頻率的元器件是可以同步調控的光敏電阻，控制電壓是通過光耦驅動器照射光敏電阻，沒有電路上的連接，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題；與反饋電阻並聯的是一個作為自動增益控制的非線性電阻網絡，它由電阻R9、穩壓二極體DZ1和連接成橋式整流電路的四個引導二極體D1～D4所組成、引導二極體的作用是當振蕩極性改變時穩壓二極體兩端電壓極性也自動改變，穩壓二極體的作用是利用其「擊穿」電壓附近電阻劇變達到自動穩定振蕩幅度，電阻R9的作用是控制幅度不致失真，與反饋電阻R6、P1並聯的還有一個幾微微法的小電容C4，抑制運算放大器在高頻出現峰值響應；除了正弦振蕩輸出外，它經過正箝位電路C5、D5、R10和由兩個反相器I1、I2，電阻R11，R12組成的斯密特觸發器也輸出對稱方波，經此模數轉換器便能與數字集成電路直接連接，實現與外來信號相位同步，例如V3。
本實用新型具有以下優點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，也很實用，它能與直流控制電壓連接成為寬頻正弦波信號發生器；它也可作為掃頻和調頻(FM)信號發生器；它還能與數字集成電路直接連接組成頻率合成器，用途廣泛。
附圖的圖面說明如下

圖1是RC串並聯網絡壓控正弦波振蕩器電路圖。
圖2是RC互補移相壓控正弦波振蕩器電路圖。
圖3是正弦波穩幅器電路圖。圖4是對稱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是掃頻和調頻信號發生器電路圖，圖6中的II代表圖2全部電路。各電路圖之間的連接關係圖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的另一種電路結構，即II可以取代I
以下結合附圖和實施例作進一步說明實施例一RC串並聯網絡壓控正弦波振蕩器(圖1)，由光耦驅動器1a、正弦波振蕩器1b和模數轉換器1c所組成。光耦驅動器1a山輸入耦合電路R1、R2、R3、C1，輸入阻抗高電壓增益為1的運算放大器OP1、負載限流電阻R4、R14和發光二極體LED1、LED2所組成。發光二極體可以用1隻共用或多隻分用(圖1a，圖2a，圖3a中的光耦驅動器相同)，ZD1為輸出指示燈，R13為其限流電阻。運算放大器OP2的反相輸入端，經反饋電阻R6、電位器P1與輸出端連接，經接地電阻R5與地連接，形成增益(幅度)控制支路；同相輸入端，經R8C3串聯電路與輸出端連接、經R7C2並聯電路與地連接，形成相位控制支路。
正弦波振蕩器1b是RC串並聯網路正弦波振蕩器，也稱文氏電橋振蕩器(WienBridge Osciilator)，雖然用得廣，但本實用新型與常用的不同之點在於控制振蕩頻率的是可以同步調控的光敏電阻，一個與反饋電阻R6、P1相併聯的是前述非線性電阻網絡和小電容C4。為更好了解此電路性質，將1b中的開關K1與V5接通即成放大器、並假定振蕩幅度小到不能使穩壓管DZ1導通，即前述非線性電阻為無窮大，C4很小也可忽略不計，電位器P1阻值為零，傳遞函數A3/5可由下式表達A3/5=V3V5=(1+R6R5)/1+R8R7+C2C3+J(C3R8-1C2R7)----(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的復現，因此將K1與V3接通，便能產生正弦振蕩，然而這是一個不穩狀態，因此要調節電位器P1，使增益略大於1、並用前述非線性電阻來自動穩定振幅，達到寬頻而失真很低。將K1與V5連接便是一個選頻放大器，當ω＝1/RC，增益達最大值(1+R6/R5)/3，並且沒有相移。顯然，其選擇性能不佳，因為截止點在ω0＝0和∞處。
將發光二極體和光敏電阻各一隻，面對面地裝入緊配的塑料管內，管外用黑膠布密封形成暗室，自製的簡易光耦合器即告完成測得已配對的光耦合器在輸入發光二極體的電流為7.5mA時，電阻R7、R8分別為1.5KΩ及1.6KΩ，暗電阻為20MΩ，由(3)算出f0＝20KHZ時，C2＝C3＝0.005μF，取0.0047μF，選取電源為±5V，P1為2.2KΩ可調(控制幅度)，R6＝4.7KΩ，R5＝2.4KΩ，測量結果表明，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輸出正極性同頻對稱方波。
RC串並聯網絡壓控正弦波振蕩器(圖1)可轉變為壓控多諧振蕩器，只須將開關K2斷路(C2＝0)，V3將輸出方波，其頻率取決於分壓比R6/R5和時間常數(R7+R8)C3。實驗表明在10HZ-20KHZ內，方波頻率是正弦波頻率的2倍左右，輸出幅度約8V。
正弦波穩幅器(圖3)由反相運算放大器OP5，整流濾波電路D6、R16、C6和光耦驅動器3a所組成，其反饋電阻R17是一個光敏電阻，連接在OP5反相輸入端與輸出端之間，通過光耦負反饋使輸入電壓V3達到穩幅目的，OP5的增益為R17/R18。
輸入電壓V3幅頻響應為16HZ，3.6Vpp-1500HZ，6.2Vpp及2500HZ，3.4Vpp-30000HZ，1.5Vpp，現要求將其幅頻響變為比較平擔。利用穩幅器(圖3)，並選取R18＝10KΩ，R16＝1MΩ，C6＝0.47μF，D＝4/48。實測結果表明，穩幅器輸出電壓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％。實驗表明V3(圖1)輸出為10Hz，5.7Vpp-16KHz，6.6Vpp，對普通要求而言可以不加正弦波穩幅器。
實施例二它與實施例一的不同之點在於它由圖2b，2c的電路取代圖1b的電路，也就是說它用1a、2b、2c和1c組成RC互補移相壓控正弦波振蕩器(圖2)，它能同時輸出正弦波V3和餘弦波V4，其中超前移相電路2b與滯後移相電路2c串聯成環路並產生振蕩。超前移相電路由運算收大器OP3，R33，R34，R35，C11組成，反相輸入端經R34接輸出端，經R33接輸入端，同相輸入端經C11接輸入端，經R35接地；滯後移相電路由運算放大器OP4，R36，R37，P2，R38，C12組成，反相輸入端經R37，P2接輸出端，經R36接本級輸入端，同相輸入端經R38接本級輸入端，經C12接地，其特徵在於控制頻率的電阻R35，R38是光敏電阻，以及與反饋電阻R37，P2相併聯的是前述非線性電阻網絡(R39、D7～D10，DZ2)和小電容C13。當開關K3與外來電壓V5連接便成為放大器，並假定電位器P2電阻為零，非線性電阻為無窮大，小電容C13忽略不計，由上圖可算出A4/5=V4V5=-R34R33+(1+R34R33)jR35C11/(1+jR35C11)----(4)]]>A3/4=V3VA=-R37R36+(1+R37R36)/(1+jR36C12)]]>作為選頻放大器，應選取R33=R36=Ri,R34=R37=RF,R33=R38=R,C11=C12=C=0=1RC----(6)]]>由(4)(5)(6)有
缺點是選擇性能不佳。
作為互補移相電路應取R33＝R34＝R36＝R37＝RF，R35＝R38＝R，C11＝C12＝C (8)由(4)(5)(8)有A4/5=-(1-jRC)/(1+jRC)=|A4/5|cj4/5]]>A3/4=(1-jRC)/(1+jRC)=|A3/4|cj3/4]]>|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，應使互補總增益為1，互補總相位移為零，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|A4/5|＝1 Φ4/5＝+90°(13)A3/4＝-j |A3/4|＝1 Φ3/4＝-90°(14)因為輸出是輸入的復現，故將開關K3與V3連接並形成反饋環路，便能自行產生正弦振蕩。
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個超前(或滯後)移相電路串聯成環路、每個移相120°，便構成3相(n＝3)壓控正弦波振蕩器，由(9)得振蕩頻率ω。n=3,0=13RC;n=4,0=1RC----(16)]]>按此方法還可組成壓控多相正弦波振蕩器。
實施例三見圖4，它由圖1所示的RC串並聯網絡壓控正弦波振蕩器、數字相位比較器PD和低通濾波器LPF組成，它是一個對稱方波變正弦波變換器，圖4中I代表圖1全部電路。實驗表明，當環路鎖定後，輸出正弦波V3的相位便與輸入對稱方波V8的相位同步，在跟蹤範圍內，當V8頻率改變，V3的頻率也自動跟著變，直到相等，這比常用的濾波器方法要經濟方便很多。
實施例四圖5是頻率合成器，它由圖1所示的RC串並聯網絡壓控正弦波振蕩器、程序分頻器÷2N、數字相位比較器PD、低通濾波器LPF、晶體振蕩器OSC及其分頻器÷2R所組成。控制兩分頻器的分頻數，輸出端V3輸出頻率為任何整數的正弦波，其頻率穩定度和晶體振蕩器一樣高，電路則因使用了數字鎖相環而大為簡化，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路，當環路鎖定後，輸出端V3的頻率為f0＝N(fq/R)，fq為晶體振蕩器頻率。
實施例五在使用時要加一個附屬裝置，即多波形發生器MWG(正弦波、三角波、方波發生器)和一個0～+5V的直流電壓(如圖6所示)，作為控制電壓(V1、V2)。當開關K5與V1接通，控制電壓為慢掃三角波，V3輸出音頻範圍(14Hz-17000Hz)自動掃頻正弦波；當開關K4與V1接通，V3輸出寬頻低失真正弦波，其頻率由電位器P3調節，R20則為限流保護電阻；當開關K4與V1接通，K5與V2接通並送入正弦波信號時，V3輸出調頻信號；當開關K5與V5接通並送入正弦波信號，同時K3與V5接通(圖2b)，V3輸出的是V5的放大信號。在圖6中，V3、V4、V6分別輸出同頻率的正弦波，餘弦波和正極性對稱方波。
上述實施例一～實施例五的電路均可採取集成化的方法，製成集成電路晶片。
權利要求1.一種RC互補移相壓控正弦波振蕩器由光耦驅動器(2a)、超前移相電路(2b)、滯後移相電路(2c)所組成；光耦驅動器(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的運算放大器OP1、發光二極體LED1、LED2及其限流電阻R4、R14所組成，發光二極體可以一隻共用或多隻分用；超前移相電路由運算放大器OP3、電阻R33、R34、R35和電容C11組成；運算放大器OP3，從反相輸入端經電阻R34接輸出端，經電阻R33接輸入端，同相輸入端經C11接輸入端，經電阻R35接地，滯後移相電路由運算放大器OP4、電阻R36、R37、R38、電位器P2、電容C12組成；運算放大器OP4從反相輸入端經電阻R37，電位器P2接輸出端，經電阻R36接本級輸入端，同相輸入端經電阻R38接本級輸入端，經電容C12接地，其特徵在於所述超前移相電路與所述滯後移相電路串聯，並且後者的輸出端與前者的輸入端直接連接形成環路而產生正弦波振蕩，控制振蕩頻率的元器件是可以同步調控的光敏電阻R35、R38；自動穩定振蕩幅度的是一個連接在運算放大器OP4反相輸入端與輸出端之間的非線性電阻網絡，它由電阻R39、穩壓二極體DZ2、連接成橋式整流電路的四個二極體D7～D10所組成；運算放大器OP4輸出端V3輸出正弦波，同時運算放大器OP3輸出端V4輸出餘弦波。
2.根據權利要求1所述RC互補移相壓控正弦波振蕩器，其特徵在於還要與正弦波穩幅器相連接，所述壓控正弦波振蕩器輸出端電壓V3通過它之後，在很寬頻率範圍內，其幅頻響應將變得更加平坦，正弦波穩幅器由光耦驅動器(3a)、反相運算放大器OP5及其整流濾波電路(3b)所組成，反饋電阻R17是一個光敏電阻，它連接在運算放大器OP5反相輸入端與輸出端之間，輸出電壓V7經二極體D6整流、經電阻R16、電容C6濾波電路後，通過光耦負反饋實現穩幅。
3.根據權利要求1所述RC互補移相壓控正弦波振蕩器，其特徵在於還要與模數轉換器(2d)、數字相位比較器PD、低通濾波器LPF相連接，組成對稱方波(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路。
4.根據權利要求1所述RC互補移相壓控正弦波振蕩器，其特徵在於還要與模數轉換器(2d)、程序分頻器÷2N、數字相位比較器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，輸出端V3將輸出頻率為任何整數的正弦波，其頻率穩定度和晶體振蕩器一樣高。
5.根據權利要求1所述RC互補移相壓控正弦波振蕩器，其特徵在於所述壓控正弦波振蕩器控制電壓輸入端V1與一個0～+5V直流電壓連接，組成寬頻正弦波信號發生器，其頻率由電位器P3調控，頻率上限取決於所用運算放大器的擺動速率和電路的分布電容。
6.根據權利要求1所述RC互補移相壓控正弦波振蕩器，其特徵在於所述壓控正弦波振蕩器與一個能產生正弦波、三角波、方波的多波形發生器MWG相連接，組成掃頻和調頻信號發生器，當多波形發生器輸出慢掃三角波，經開關K5送入控制電壓輸入端V1時，輸出端V3將輸出掃頻正弦波當多波形發生器輸出正弦波，經開關K5送入控制電壓輸入端V2，同時直流控制電壓經開K4送入控制電壓輸入端V1，輸出端V3將輸出調頻信號。
專利摘要一種阻容網絡壓控正弦波振蕩器,穩定振蕩幅度的是一個由穩壓二極體和橋式整流電路組成的非線性電阻網絡;控制振蕩頻率的是兩個可同步調控的光敏電阻,由此可組成RC串並聯網絡壓控正弦波振蕩器、RC互補移相壓控正弦波振蕩器,前者可方便地轉變為壓控多諧振蕩器並輸出方波,後者可同時輸出正弦波和餘弦波。它可作為寬頻低失真信號源、掃頻儀,也可與數字集成電路直接連接,實現與外來信號的相位同步,或組成正弦波頻率合成器。
文檔編號H03L7/00GK2376142SQ9920003
公開日2000年4月26日 申請日期1999年1月4日 優先權日1999年1月4日
發明者向明 申請人:向明