低频正弦振荡器设计与实现

刘海东，张 岳

(辽宁科技学院 电气与信息工程学院，辽宁 本溪 117004)

低频正弦波振荡器可用于通信设备的测试和障碍检修，也可快速、准确的寻找出电视机、音响、收音机及其他低频放大电路的故障点。同时在农业、工业、生物医学、教学、广播电视系统、地球物理、航天科学等领域也广泛应用[1～3]。

1 低频正弦波振荡器的工作原理

在生物工程、地球物理学和测控技术中都需要超低频正弦振荡器。通常的超低频正弦振荡器需要2～5个运算放大器，而且这种依赖差分形式产生的低频振荡器，频率灵敏度很高，造成频率不稳，而本文设计的仅用一个运算放大器并且灵敏度很低的低频正弦振荡电路[4]如图1所示。

图1 低频正弦振荡电路

根据电路理论分析，该电路振荡条件为：

(1)

当满足R2R4R6=R1[R4R5+R3(R4+R5+R6)]时，振荡频率为:

(2)

本电路参数设置为：R1=R2=R4=R6=330kΩ，R3=1MΩ，R5=170kΩ，C1=C2=0.2μF，Re=195Ω-97kΩ，运算放大器选用741，其电源为±15V，依据式(2)由计算得到的振荡频率f的理论曲线如图2所示[5]。

图2 振荡频率的理论曲线

2 低频正弦波振荡器的仿真分析

采用MATLAB仿真软件构建低频正弦振荡器的仿真模型如图3所示。

图3 低频正弦振荡器的仿真模型

当通取Re=40kΩ时得到的低频正弦振荡器输出频率f的仿真波形如图4所示。

图4 Re=40kΩ时输出频率f仿真波形

改变Re阻值，可得到对应阻值时频率的仿真波形图，即通过调节电阻Re，就可以得到一个频率f，仿真计算得到的相应的频率值如表1所示。

表1 低频正弦振荡器仿真频率与对应阻值

由表1得到的低频正弦振荡器仿真频率与对应阻值的变化关系如图5所示。

图5 仿真频率与对应阻值的变化关系

3 低频正弦波振荡器的实验

为了验证上述理论分析和仿真结果的正确性，制作了低频正弦振荡器实物如图6所示，搭建了低频正弦振荡器实验平台如图7所示。

图6 低频正弦振荡器实物

图7 低频正弦振荡器实验平台

放大器两端接±14.7V电源，通过示波器观察低频正弦振荡器输出的波形，其输出的实验波形如图8所示。

图8 低频正弦振荡器输出实验波形

改变电阻值得到不同的输出实验波形的频率如表2所示。

表2 实验数据

根据表2数据得到实验频率曲线如图9所示，横坐标为电阻Re/kΩ，纵坐标为频率/Hz。

图9 电阻值和输出频率关系的实验曲线

经过理论分析、仿真计算和实验验证可知，笔者所设计的低频正弦振荡器是可行的，低频正弦振荡器的理论分析、仿真计算和实验结果的电阻值与频率的关系如图10所示，横坐标为电阻Re/kΩ，纵坐标为频率/Hz。

图10 理论分析、仿真计算和实验结果的电阻值与频率的关系

4 结论

笔者所设计的低频正弦振荡器，不需要外界信号，通过单一电阻来控制频率。理论分析、仿真计算和实验结果基本吻合，证明了所设计的超低频正弦振荡器是可行的。