低頻正弦振蕩器設(shè)計與實現(xiàn)

劉海東，張 岳

(遼寧科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004)

低頻正弦波振蕩器可用于通信設(shè)備的測試和障礙檢修，也可快速、準(zhǔn)確的尋找出電視機(jī)、音響、收音機(jī)及其他低頻放大電路的故障點(diǎn)。同時在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、教學(xué)、廣播電視系統(tǒng)、地球物理、航天科學(xué)等領(lǐng)域也廣泛應(yīng)用[1～3]。

1 低頻正弦波振蕩器的工作原理

在生物工程、地球物理學(xué)和測控技術(shù)中都需要超低頻正弦振蕩器。通常的超低頻正弦振蕩器需要2～5個運(yùn)算放大器，而且這種依賴差分形式產(chǎn)生的低頻振蕩器，頻率靈敏度很高，造成頻率不穩(wěn)，而本文設(shè)計的僅用一個運(yùn)算放大器并且靈敏度很低的低頻正弦振蕩電路[4]如圖1所示。

圖1 低頻正弦振蕩電路

根據(jù)電路理論分析，該電路振蕩條件為：

(1)

當(dāng)滿足R2R4R6=R1[R4R5+R3(R4+R5+R6)]時，振蕩頻率為:

(2)

本電路參數(shù)設(shè)置為：R1=R2=R4=R6=330kΩ，R3=1MΩ，R5=170kΩ，C1=C2=0.2μF，Re=195Ω-97kΩ，運(yùn)算放大器選用741，其電源為±15V，依據(jù)式(2)由計算得到的振蕩頻率f的理論曲線如圖2所示[5]。

圖2 振蕩頻率的理論曲線

2 低頻正弦波振蕩器的仿真分析

采用MATLAB仿真軟件構(gòu)建低頻正弦振蕩器的仿真模型如圖3所示。

圖3 低頻正弦振蕩器的仿真模型

當(dāng)通取Re=40kΩ時得到的低頻正弦振蕩器輸出頻率f的仿真波形如圖4所示。

圖4 Re=40kΩ時輸出頻率f仿真波形

改變Re阻值，可得到對應(yīng)阻值時頻率的仿真波形圖，即通過調(diào)節(jié)電阻Re，就可以得到一個頻率f，仿真計算得到的相應(yīng)的頻率值如表1所示。

表1 低頻正弦振蕩器仿真頻率與對應(yīng)阻值

由表1得到的低頻正弦振蕩器仿真頻率與對應(yīng)阻值的變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 仿真頻率與對應(yīng)阻值的變化關(guān)系

3 低頻正弦波振蕩器的實驗

為了驗證上述理論分析和仿真結(jié)果的正確性，制作了低頻正弦振蕩器實物如圖6所示，搭建了低頻正弦振蕩器實驗平臺如圖7所示。

圖6 低頻正弦振蕩器實物

圖7 低頻正弦振蕩器實驗平臺

放大器兩端接±14.7V電源，通過示波器觀察低頻正弦振蕩器輸出的波形，其輸出的實驗波形如圖8所示。

圖8 低頻正弦振蕩器輸出實驗波形

改變電阻值得到不同的輸出實驗波形的頻率如表2所示。

表2 實驗數(shù)據(jù)

根據(jù)表2數(shù)據(jù)得到實驗頻率曲線如圖9所示，橫坐標(biāo)為電阻Re/kΩ，縱坐標(biāo)為頻率/Hz。

圖9 電阻值和輸出頻率關(guān)系的實驗曲線

經(jīng)過理論分析、仿真計算和實驗驗證可知，筆者所設(shè)計的低頻正弦振蕩器是可行的，低頻正弦振蕩器的理論分析、仿真計算和實驗結(jié)果的電阻值與頻率的關(guān)系如圖10所示，橫坐標(biāo)為電阻Re/kΩ，縱坐標(biāo)為頻率/Hz。

圖10 理論分析、仿真計算和實驗結(jié)果的電阻值與頻率的關(guān)系

4 結(jié)論

筆者所設(shè)計的低頻正弦振蕩器，不需要外界信號，通過單一電阻來控制頻率。理論分析、仿真計算和實驗結(jié)果基本吻合，證明了所設(shè)計的超低頻正弦振蕩器是可行的。