正弦波振荡器范文

2024-05-09

正弦波振荡器范文（精选3篇）

正弦波振荡器第1篇

在科学技术日新月异的背景下, 计算机技术在电子电路设计、实验仿真中发挥着越来越大的作用。20世纪80年代后期出现了一批优秀的电子设计自动化 (EDA) 软件, 如PSPICE、EWB等。目前, 在这类仿真软件中, “虚拟电子实验台”——MultiSim较为优秀, 其应用逐步得到推广。

Multisim是以windows为基础的电路仿真工具, 它最突出的特点是用户界面友好, 使用时可方便设计者快捷地使用虚拟元件和仪器、仪表进行电路设计和仿真。

1.1 构造和测试电路

在Multisim界面构造和测试电路可分为以下几个步骤:

⑴根据具体从元件库选择元件放到工作区;

⑵将工作区中的元件按照电路布局进行放置, 用导线将元件连接起来, 并设置好元件参数和模型;

⑶在电路中需要观测的节点放置、连接电压、电流表计和示波器、信号发生器等观测仪器;

⑷根据测试要求设定仪器参数, 进行电路仿真、观测。

1.2 电路仿真运行

电路创建完毕, 点击“运行”开关后, 就可以从示波器等测试仪器上读得电路中被测数据。整个仿真运行过程可分成以下几个步骤:

⑴数据输入:将已创建的电路图结构、元器件数据读入, 选择分析方法;

⑵参数设置:检查输入数据的结构和性质, 以及电路中的阐述内容, 对参数进行设置;

⑶电路分析:对输入信号进行分析, 形成电路的数据值解, 并将所得数据送至输出级;

⑷数据输出:从测试仪器如示波器或万用表等上获得仿真运行的结果。也可以从“分析”栏中的“分析显示图”看到测量、分析的波形图。

2、正弦波振荡电路

正弦波振荡电路是广泛用于通信、测量和控制领域, 是一种在只有直流供电而不需外加输入信号就能产生正弦波信号的电路, 通常由放大器、待选频特性的正反馈回路和自动稳幅电路组成。

根据选频网络的不同, 可以把正弦波振荡电路分为RC振荡电路和LC振荡电路和石英晶体振荡电路。其中, RC振荡电路主要用于产生中低频率的正弦波信号, 如在电子琴中产生音频信号;LC振荡电路主要用来产生高频率振荡信号, 如收音机的本机振荡;而石英晶体振荡电路主要用于对频率稳定度要求较高的场合, 如时钟信号等。

正弦波振荡电路振荡的条件是环路增益为1, 即AF=1。其中A为放大电路的放大倍数, F为反馈系数。为了使电路能够起振, 应使环路的增益AF略大于1。

2.1 文氏桥式正弦波振荡电路

常见的文氏桥式正弦波振荡电路属于RC低频振荡电路, 如图1所示。其中R1、C1、R2、C2组成正反馈选频网络, 通常取R1=R2, C1=C2;R3、R4和运算放大器构成一个同相比例放大电路;D1和D2具有自动稳幅的作用。

文氏桥式正弦波振荡电路在工作时, 正反馈网络的反馈系数F=1/3, 放大电路的放大倍数A=3。要使电路能够起振, 放大倍数必须略大于3。在图1中A=1+ (R5/R4) , 要使A略大于3, 只要取R5略大于R4的2倍即可, 如本电路中R4=6kΩ, R5=15kΩ。

2.2 自动稳幅原理

当输出信号幅值较小时, D1和D2接近于开路, rd为二极管D1、D2的动态等效电阻, 由于R5阻值较小, 由D1、D2和R5组成的并联支路的等效电阻近似为R5的阻值, A=1+[ (rd∥R5) /R4]≈1+R5/R4。但是随着输出电压的增加, D1和D2的等效电阻将逐渐减小, 负反馈逐渐增强, 放大电路的电压增益也随之降低, 直至降为3, 振荡器输出幅值一定的稳定正弦波。如果没有稳幅环节, 当输出电压增大到过高时, 运算放大器工作到非线性区, 这时振荡电路就输出失真的波形。

3、正弦波振荡电路的Multisim仿真分析

3.1 创建仿真电路原理图

启动Multisim, 它会自动打开一个空白的电路图文件, 在此界面上构建图1所示的文氏桥式正弦波振荡电路。通过元件工具栏 (Component Toolbar) 进行元器件的选用, 通过仪表工具栏 (Instrument Toolbar) 进行仪表的选用。再对元器件和仪表的位置按图调整;进行导线的连接、弯曲导线的调整、导线颜色的改变及连接点的使用。

3.2 电路仿真运行及分析

打开仿真开关, 用示波器观察文氏桥式正弦波振荡电路的起振及振荡过程。测得的输出波形如图2所示。此时注意:要将屏幕下方的滑动块拖至最左端观察起振过程。移动数据指针, 可测得振荡周期T=6.3ms, 则振荡频率f=1/T=1/6.4 ms≈158Hz, 与理论计算值基本一致。起振时间大约为114ms。

改变R5的值, R5分别取1 0 kΩ和3 0 kΩ, 观察输出波形。当R5=10kΩ时, 没有输出信号, 因为电路的放大倍数A=1+ (R5/R4) =1+ (10/6) <3, AF<1, 电路不能起振;当R5=30kΩ时, 示波器波形如图3所示。比较图2和3可以看出, 随着R5的增大, 起振速度加快, 起振时间大约是12ms, 但振荡频率没有改变。

将电阻R1和R2的阻值都改为2kΩ。打开仿真开关, 从示波器观察输出波形, 如图4所示。比较图4和图2可知, 当振荡频率减小为原来的1/2时, 起振速度同时也减慢了, 起振时间大约是300ms。

双击二极管D1和D2, 设置为开路状态, 测得输出波形, 如图5所示, 输出产生了失真。

4、结语

通过以上分析可知正弦波振荡电路在起振时, 电路的环路增益必须大于1;电路中要有自动稳幅电路, 以使稳幅振荡以后, 环路的增益等于1;通过改变选频网络的参数, 可以改变振荡信号的频率。

参考文献

[1]朱彩莲.Multisim电子电路仿真教程.西安.西安电子科技大学出版社, 2007.9.

[2]张新喜等.Multisim10电路仿真及应用.北京.机械工业出版社, 2010.2.

[3]胡宴如.模拟电子技术—2版.北京.高等教育出版社, 2004.2.

[4]熊伟等.Multisim7电路设计及仿真应用.北京.清华大学出版社, 2005.7.

正弦波振荡器第2篇

对于固定的简单功能的实现,模拟电路具有结构简单,实现方便,成本低廉的优点。在这方面,模拟电路得到广泛的应用。模拟电路中的RC正弦波振荡电路[1]具有一定的选频特性,乐声中的各音阶频率也是以固定的声音频率为机理的。本文介绍基于RC正弦波振荡电路的简易电子琴设计方案。

1 基本乐理知识

音调主要由声音的频率决定, 乐音(复音)的音调更复杂些,一般可认为主要由基音的频率来决定。也即一定频率的声音对应特定的乐音。在以C调为基准音的八度音阶中,所对应的频率如表1所示[2]。如果能够通过某种电路结构产生特定频率的波形信号,再通过扬声器转换为声音信号,就能制作出简易的乐音发生器,再结合电子琴的一般结构,就可实现电子琴的制作了。

2 设计原理

2.1 RC桥式振荡电路

2.1.1 电路图

RC桥式振荡电路如图1所示。

2.1.2 RC串并联选频网络

RC桥式振荡电路可以选出特定频率的信号。具体实现过程的关键是RC串并联选频网络,其理论推导如下:

R1C1串联阻抗:

$Ζ_{1} = R_{1} + 1 / (j ω C_{1}) (1)$

R2C2并联阻抗:

$Ζ_{2} = \frac{R_{2}}{1 + j ω R_{2} C_{2}} (2)$

可得选频特性:

$\begin{array}{l} \dot{F} = \frac{\dot{U}_{f}}{\dot{U}_{o}} = \frac{Ζ_{2}}{Ζ_{1} + Ζ_{2}} = \frac{\frac{R_{2}}{1 + j ω R_{2} C_{2}}}{R_{1} + \frac{1}{j ω C_{1}} + \frac{R_{2}}{1 + j ω R_{2} C_{2}}} \\ = \frac{1}{(1 + \frac{R_{1}}{R_{2}} + \frac{C_{2}}{C_{1}}) + j (ω C_{2} R_{1} - \frac{1}{ω R_{2} C_{1}})} (3) \end{array}$

通常R1=R2=R,C1=C2=C,则:

$\dot{F} = \frac{1}{3 + j (ω R C - \frac{1}{ω R C})}$

若令 $ω_{0} = \frac{1}{R C}$ ,则有:

$\dot{F} = \frac{1}{3 + j (\frac{ω}{ω_{0}} - \frac{ω_{0}}{ω})}$

可得:

$\begin{array}{l} | \dot{F} | = \frac{1}{\sqrt{3^{2} + (\frac{f}{f_{0}} - \frac{f_{0}}{f})^{2}}} (4) \\ φ_{f} = - a r c t g \frac{\frac{f}{f_{0}} - \frac{f_{0}}{f}}{3} (5) \end{array}$

即当f0=1/(2πRC)时,输出电压的幅值最大,并且输出电压是输入电压的1/3,同时输出电压与输出电压同相。通过该RC串并联选频网络,可以选出频率稳定的正弦波信号,也可通过改变R,C的取值,选出不同频率的信号。

2.2 振荡条件

2.2.1 自激振荡条件

图2所示为含外加信号的正弦波振荡电路,其中A,F分别为放大器回路和反馈网络的放大系数。图2中若去掉Xi,由于反馈信号的补偿作用,仍有信号输出,如图3所示Xf=Xi,可得自激振荡电路[3]。自激振荡必须满足以下条件:

振幅条件:

$| A \cdot F | = 1 (6)$

相位条件:

$φ_{A} + φ_{F} = 2 n π, n \in Ζ (7)$

2.2.2 起振条件

自激振荡的初始信号一般较小,为了得到较大强度的稳定波形,起振条件需满足 $| A \cdot F | > 1$ 。在输出稳定频率的波形前,信号经过了选频和放大两个阶段。具体来说,是对于选定的频率进行不断放大,非选定频率的信号进行不断衰减,结果就是得到特定频率的稳定波形。

3 设计方案

3.1 设计电路图

设计电路图如图4所示。

图4即是八音阶微型电子琴的原理电路图,8个开关对应着电子琴8个音阶琴键,使用时只能同时闭合一个开关。

在实际电路中,为达到起振条件AF>1,常用两个二极管与电阻并联,可实现类似于热敏电阻的功效。另外需要说明的是,理论上电路的初始信号是由环境噪声及电路本身的电压提供的。实际操作时,为使现象更明显,也可通过对电路中的电容充电来实现[4]。

另外,电路中的运算放大器芯片LM324工作电压要求是±5 V,所以还需要用7809稳压管、整流桥等元器件制作带负电源的电源电路,同电子琴电路一块整合到电路板上,制作成可直接使用的完整成品。

3.2 参数推导

选定:

$R_{1} \neq R_{2} 且 R_{1} \leq R_{2} (8)$

由式(3)推导可得:

$F = \frac{1}{2 + R_{1} / R_{2}} \approx \frac{1}{2} (9)$

则由式(8)及起振条件 $| A \cdot F | > 1$ ,可得:

$A = 1 + \frac{R_{F 1} + R_{F 2}}{R_{f}} \geq 2$

即:

$R_{F 1} + R_{F 2} \geq R_{f} (10)$

所以RF1,RF2和Rf的选取应满足式(9),但实际取值时,应让RF1略小于Rf。RF2的取值也应适当,以满足式(6),实现自激振荡。

选频网络的频率推导公式为:

$f_{0} = \frac{1}{2 π C \sqrt{R_{1} R_{2}}} (11)$

根据式(8)、式(10)、式(11),再结合表1的频率数据,即可确定电路中的元器件参数。需要注意的是,在确定R2内部电阻值时,应该从R21开始,逐个进行。

3.3 参考参数

根据上述方法,可得出如表2所示的参考参数。按此参数进行仿真,其la调波形如图5所示,其频率满足国际标准音C调频率440 Hz。

4 结语

采用RC正弦振荡电路制作的电子琴,相对于用单片机[5]或CPLD等[6,7,8]制作方法,不仅成本低廉,而且功能稳定。缺点是音色的表现并不十分理想,还需通过一定的技术手段,使发出的声音更接近电子琴的音色特点。功能拓展方面,通过增加R2中并联的电阻个数和开关数可拓展此电子琴的音阶,实现16音阶或更多音阶的电子琴[9],还可加入加法器,并入麦克风信号输入电路,实现卡拉OK功能[10]。

摘要：介绍一种八音阶微型电子琴的设计方法,它采用模拟电路中的RC正弦振荡原理。设计出的电子琴音阶频率满足国际标准,la调频率满足国际标准音C调频率440 Hz。给出电路参数的选取方法和一组参考值。结果证明,用模拟电路方法制作电子琴结构简单,而且成本低廉。

关键词：电子琴,模拟电路,频率,RC正弦波振荡电路,八音阶

参考文献

[1]康华光,陈大钦,张林,等.电子技术基础:模拟部分[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2]八度音阶和频率的关系[DB/OL].http://wukewei.spaces.live.com/blog/cns!4EAAD6DBDAAA4938!728.entry.

[3]肖俊明,韩建勋,薛立.一种数字正弦波发生器的设计与应用[J].中原工学院学报,2006,17(1):71-72.

[4]张信军.浅谈电容器充电过程中的能量转化[J].中学理科:综合,2007(2):52-53.

[5]王兵.用单片机设计微型电子琴[J].电子工程师,2002,28(3):9-10.

[6]刘永志,潘晓利,陈学煌.基于VB的MIDI电子琴[J].微型电脑应用,2008,24(6):61-62.

[7]陈学煌,潘晓利.MIDI音源及其在声控电子乐器中的应用[J].电声技术,2007,31(7):59-61.

[8]黄鑫,马善农,赵永科.基于CPLD的电子琴研究与设计[J].科技广场,2007,5(3):232-233.

[9]刘建超.用单片机制作简易电子琴[J].电子制作,2005(7):24-25.

几种正弦波产生电路的比较第3篇

关键词：正弦波,三极管电路,555时基模块,集成运放

1 三极管RC移项振荡器

图1 为分立元件RC移项振荡器, 其原理是由C1 把三极管TI的集电极信号反馈到RC移相电路上, 由于该信号相位与基极进来的信号相位反相 ( 180°) , 信号经过三级RC移相电路移相 (图1 中一级RC移相约60°) , 相位被移了2π ( 360°) , 也就是实现了正反馈, 产生了正弦波。

如图1 元件的参数产生的正弦波频率为1KHz左右。以下是经过实验得出的结论: (1) 当电源电压减小时, 波形幅度减小, 频率变大;当电压小于7V时, 没波形产生; (2) 当R1 减小时, 波形幅度减小, 频率变大, 频率不稳定; (3) 当R2 减小时, 波形幅度减小, 频率变大; (4) 当R3 减小时, 波形幅度增大, 频率变小; (5) 当R5 减小时, 波形幅度减小, 频率变大; (6) 当C2 增大时, 幅度不变, 频率变小; R2、R4、R5 三个电阻要相同, C1、C2、C3 三个电容值也要相同, 否则波形不稳定。调节R1 可以改变正弦波的频率, 同时也改变波形幅度。此电路分立元件简单便宜, 并且容易起振。但是产生的波形不稳定, 带负载能力差。

2 555 时基模块波形产生电路

图2 为555 时基模块的正弦波产生电路。电路原理是:当接通电源Vcc时C2 的电压为0, 模块3 脚输出电位Vo为高电位, 此时VCC经R1 、R2 和R3 对C2 充电, 当Uc2 ≥ 2/3Vcc时, Vo翻转成为低电位, 此时模块7 脚与1 脚接通, 并与地接通, C2 经R3、R2 放电, Uc2 下降;当Uc2 下降到≤ 1/3Vcc时, Vo又翻转成高电位, 此时模块7 脚与1 脚断开, C2 放电停止, Vcc又经R1、R2 和R3 对C2 充电, Uc2 又从1/3Vcc上升到2/3Vcc, Vo又从高电位变为低电位, 周而复始, Vo就是一个脉冲波形 (矩形波) 。脉冲宽度TL ≈ 0.7 (R1+R2+R3) C, 脉冲占空TH ≈ 0.7 (R2+R3) C, 所以脉冲周期。矩形波经积分电路后输出正弦波。该正弦波信号弱、杂波多、不稳定、带负载能力差。调整R3 可改变频率, 改变C3、C5 可以调整波形失真。

3 集成运放文氏桥正弦波产生电路

运放文氏桥正弦波产生电路如图3 所示。波形由运放U1A产生, 其有两个“桥臂”, R2、R4、R5、R6、D1、D2 构成负反馈桥臂, R3、C3 并联网络和R1、C2 串联网络构成正反馈桥臂, 正反馈大于负反馈, 电路即产生振荡, 产生正弦波。正弦波频率为:

该电路产生的正弦波波形失真小, 带负载能力好, 可以作为信号源。如果 ±12V改成 ±5V, 该电路也起振, 但幅度减小;如果改成单电源, 则起振不了。

4 结束语

通过以上实验, 三种产生正弦波的电路比较如下: (1) RC移项振荡器对元件要求不高, 容易起振。但不稳定, 带负载能力差。不能作为电子实验信号源, 但作为学生的入门练手电路却是个较好的选择。 (2) 555 时基模块正弦波产生电路产生的正弦波幅度小、信号弱、不稳定、杂波多、带负载能力很差, 不能作为电子实验信号源。 (3) 集成运放文氏桥正弦波产生电路产生的正弦波稳定, 可以作为电子实验信号源。但是其需要正负电源, 频率调节范围不大, 并且元件选择或者电路焊接稍微不注意, 电路就不起振。

参考文献

[1]张树江, 王成安.模拟电子技术 (基础篇) (第二版) [M].大连:大连理工大学出版社, 2010:149-153.

[2]陈亮, 施智兴.三极管RC移项振荡器浅析[J].电子技术与软件工程, 2015 (04) :140-141.

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