低頻正弦振蕩器設計與實現

劉海東，張 岳

(遼寧科技學院 電氣與信息工程學院，遼寧 本溪 117004)

低頻正弦波振蕩器可用于通信設備的測試和障礙檢修，也可快速、準確的尋找出電視機、音響、收音機及其他低頻放大電路的故障點。同時在農業、工業、生物醫學、教學、廣播電視系統、地球物理、航天科學等領域也廣泛應用[1～3]。

1 低頻正弦波振蕩器的工作原理

在生物工程、地球物理學和測控技術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個運算放大器，而且這種依賴差分形式產生的低頻振蕩器，頻率靈敏度很高，造成頻率不穩，而本文設計的僅用一個運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

根據電路理論分析，該電路振蕩條件為：

(1)

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

(2)

本電路參數設置為：R1=R2=R4=R6=330kΩ，R3=1MΩ，R5=170kΩ，C1=C2=0.2μF，Re=195Ω-97kΩ，運算放大器選用741，其電源為±15V，依據式(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，可得到對應阻值時頻率的仿真波形圖，即通過調節電阻Re，就可以得到一個頻率f，仿真計算得到的相應的頻率值如表1所示。

表1 低頻正弦振蕩器仿真頻率與對應阻值

由表1得到的低頻正弦振蕩器仿真頻率與對應阻值的變化關系如圖5所示。

圖5 仿真頻率與對應阻值的變化關系

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 實驗數據

根據表2數據得到實驗頻率曲線如圖9所示，橫坐標為電阻Re/kΩ，縱坐標為頻率/Hz。

圖9 電阻值和輸出頻率關系的實驗曲線

經過理論分析、仿真計算和實驗驗證可知，筆者所設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、仿真計算和實驗結果的電阻值與頻率的關系如圖10所示，橫坐標為電阻Re/kΩ，縱坐標為頻率/Hz。

圖10 理論分析、仿真計算和實驗結果的電阻值與頻率的關系

4 結論

筆者所設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、仿真計算和實驗結果基本吻合，證明了所設計的超低頻正弦振蕩器是可行的。