设计报告
音频正弦信号发生器的设计
汪迪
王冠淇
熊文瀚
新知学社小组 2011年11月12日
正弦波信号发生器的设计
摘要:从结构上看，正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。分析RC串并联选频网络的特性，根据正弦波振荡电路的两个条件，即振幅平衡与相位平衡，来选择合适的放大电路指标，来构成一个完整的振荡电路。很多应用中都要用到范围可调的 LC 振荡器，它能够在电路输出负载变化时提供近似恒定的频率、几乎无谐波的输出。电路必须提供足够的增益才能使低阻抗的 LC 电路起振，并调整振荡的幅度，以提高频率稳定性，减小 THD（总谐波失真）。
关键词:正弦波；振荡电路；稳幅
1 引言
在实践中，广泛采用各种类型的信号产生电路，就其波形来说，可能是正弦波或非正弦波。
在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，这就需要能产生高频信号的振荡器。
在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火，超声波焊接，超声诊断，核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。可见，正弦波振荡电路在各个科学技术部门的应用是十分广泛的。
2正弦波振荡电路的振荡条件
从结构上来看，正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。图1表示接成正反馈时，放大电路在输入信号X i=0时的方框图，改画一下，便得图2。由图可知，如在放大电路的输入端（1端）外接一定频率、一定幅度的正弦波信号X a，经过基本放大电路和反馈网络所构成的环路传输后，在反馈网络的输出端（2端），得到反馈信号X f，如果X f与X a在大小和相位上一致，那么，就可以除去外接信号X a，而将1、2两端连接在一起（如图中的虚线所示）而形成闭环系统，其输出端可能继续维持与开环时一样的输出信号。
︱AF︳=AF=1 （1）
φa+φf=2nπ，n=0，1，2， (2)
式①称为振幅平衡条件，而式②则称为相位平衡条件，这是正弦波振荡电路产生持续振荡电路产生持续振荡的两个条件。值得注意的是，无论是负反馈放大电路的自激条件（–AF=1）或振荡电路的振荡条件（AF=1），都是要求环路增益等于1，不过，由于反馈信号送到比较环节输入端的＋、－符号不同，所以环路增益各异，从而导致相位条件不
一致。
图1 图2
振荡电路的振荡频率f0是由式②的相位平衡条件决定的。一个正弦波振荡电路只在一个频率
下满足相位平衡条件，这个频率就是f0，这就要求在AF环路中包含一个具有选频特性的网络，简称选频网络。它可以设置在放大电路A中，也可设置在反馈网络F中，它可以用R、C元件组成，也可用L、C元件组成。用R、C元件组成选频网络的振荡电路称为RC振荡电路；一般用来产生1Hz～1MHz范围内的低频信号。
由于正弦波振荡电路中的放大器件是工作在线性区，因此在分析中，可以近似按线性电路来处理。
3设计RC桥式正弦波振荡电路
电源电压9V，采用单电源工作方式的集成运算放大器组成振荡电路，振荡频率1kHz，产生的振荡信号经中间隔离级输至三极管共发射极放大电路再放大，放大后的输出电压要求达到最大不失真。4元件参数选择
电路如图所示：
图3
RC串并联谐振网络的谐振频率。要求f0=1kHz，当C1=C2=0.01μF时，理论计算R1=R2的值。
运算放大器组成交流同相放大电路，引入深度的电压串联负反馈。其电压增益为Av=1+（R6+R7//rD）/R5。rD是二极管VD1或VD2的交流电阻。VD1和VD2与R7并联起自动稳幅作用。电源电压通过R3和R4分压，给A运算放大器同相输入端提供偏置电压，提高其输出端的电位，即U1=U2≈U3=Ucc×R4/（R3+R4）。电解电容C4使直流形成全负反馈、交流形成部分负反馈。要使电路产生振荡，必须使Av＞3。当R5=10kΩ，R7=15kΩ时，通过调试确定R6的值，使电路产生振荡且波形不失真。
理论初步确定R8、R9、R10、R11的值。设计三极管小信号放大电路时，一般情况下，静态电流设定为Icq=（1～2）mA，静态电压设定为Uceq=（1/3～2/3）Vcc＞1V。R8和R9的值不能太大，太大会使该级放大电路静态工作点的稳定性降低；R9的值在20kΩ～30kΩ范围内选择，当R9的值确
定后，R8的值由式子Vcc×R9/（R8+R9）=（3～5）V来估算。R11的值按式子R11≈[(3～5)-0.7]/Icq 来估算。R10的值由式子Vcc≈Icq(R10+R11)+Uceq来确定。该级放大电路的电压放大倍数Av=-βR10/[rbe+(1+β)R11]。在本电路的设计中，R10和R11值的选取既要满足有最佳静态工作点的要求，也要满足使输出电压达到最大不失真时有特定电压放大倍数的要求。所以上述电阻值经过理论初步估算后，须经过仿真调试，使输出电压达到最大不失真后，才最终确定。
如果输出电压波形不失真，可以通过加大R10，或加小R11，进一步提高三极管共发射极放大电路的电压放大倍数，从而增大输出电压幅值。调整静态工作点和电压放大倍数，使静态工作点处于交流负载线的中点位置上，放大后的输出电压刚好达到最大不失真。测量最大不失真输出电压的幅值和频率；如果输出电压波形产生既饱和又截止失真，可以适当调小三极管共发射极放大电路的电压放大倍数，或者通过衰减该级输入信号来克服失真。
5 稳幅措施
常用的稳幅方法，是利用放大器负反馈强弱的自动调节作用来实现稳幅。即振幅增大时，若能使负反馈系数也自动增大，负反馈作用加强，则抑制了振幅的继续升高；反之，若振幅减小时，反馈系数自动减小，负反馈作用减弱，则抑制了振幅继续下降，这样就达到了稳幅的目的。为了进一步改善输出电压幅度的稳定问题，可以在放大电路的负反馈回路里采用非线性元件来自动调整反馈的强弱以维持输出电压恒定。
很多应用中都要用到范围可调的 LC 振荡器，它能够在电路输出负载变化时提供近似恒定的频率、几乎无谐波的输出。从设计观点看，省去感性或容性 LC 电路抽头以及省掉与频率确定电路中的变压器耦合可以简化制造与生产过程，就像将调谐 LC 电路一侧接地一样。这些需求形成了一种可自动和有效地进行内部环路增益调整的电路，它是振荡的基本原则。另外，电路必须提供足够的增益才能使低阻抗的 LC 电路起振，并调整振荡的幅度，以提高频率稳定性，减小 THD（总谐波失真）。设计师尝试用许多电路拓扑来实现这些设计目标，有些还是非常复杂的，但有一种有源器件的基本特性能够帮助设计师从一个简单振荡电路那里获得可接受的性能。图 1 显示的是一个基本 LC 振荡器配置。放大器作为一个非反相的压控电流源运行。LC 电路将放大器的输出电流 IOUT 转换为电压 VIN，并将其加到放大器的输入端。公式 1 示出了振荡的有效条件：
在此公式中，AO 代表总电压放大率，RD 表示 LC 电路在谐振频率处的动态电阻。在实际电路中，RD 的值依赖于 LC 电路的特性，因此可以在一个宽的范围内作选择。另外，公式3亦假设为一个理想放大器，即其特性与频率无关。
