专利名称：宽频压控正弦波振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及宽频压控正弦波振荡器。
在现有技术中，频带很宽而波形又不失真的正弦波振荡器还难于实现。为数不多的RC压控正弦波振荡器集成电路XR2206，ICL8038是采用积分—触发型，先产生正三角波再变换成正弦波，由于受到变换技术限制，在宽频范围内可以看到波形仍有些失真。德国专利DE3711671描述了一种有稳幅电路的全通振荡器，即宽频RC正弦波振荡器，其电路结构复杂。日本专利JPO8274636描述了一种用于频率合成器的RC压控正弦波振荡器，是采用环路增益为1相位移为零的正反馈放大型，该专利只在滞后移相电路中用场效应管作为电压控制的可变电阻，在超前移相电路中电位匹配有困难而没有用。实验表明，超前和滞后电路中电阻和电容值若不能分别相等，波形失真将明显增加，其原因是总相位移不能相消为零。由于元器件老化和环境温度变化，若无稳幅电路，即使简单到一个点频上，也难以维持环路增益为1而导致停振或波形削顶。稳幅元器件有利用小钨丝灯的热敏效应，它在一个振荡周期内可视为线性电阻因而失真小，但耗电大来源缺；有利用二极管和齐纳二极管的，制作简便，但是它在一个振荡周期内其电阻值呈现非线性变化，这易导致波形局部畸变，在高频端易导致停振。
本发明的目的是提供一种结构简明实用，成本低的宽频压控正弦波振荡器，即使由电压控制的频率连续变化数千倍，其波形展宽后经目观检查，没有发现失真。它可用于信号发生器，扫频仪，频率合成器，信号的相位同步，变频、稳频等方面，也可作为电子实验和教学设备。
本发明的宽频压控正弦波振荡器(
图1)技术方案由正弦波振荡器(1a)，振幅控制电路(1b)，频率控制电路(1c)三部分组成，其特征在于控制振幅的电阻RF，控制频率的电阻RS，RP都是光敏电阻；通过光耦，由振幅控制电路实现对RF阻值的自动调节，即使频率变化很宽也能维持环路增益迫近于1，并且在一个振荡周期内RF阻值几乎不变，即减小了波形畸变；通过光耦，由外来的电压VC控制光敏电阻RS、RP的阻值以改变振荡频率，不仅有很宽的变化范围而且能同步调节。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明宽频压控正弦波振荡器电路图。
图2是用图1电路取得的控制电压VC与振荡频率fo关系的实验结果。
图3是使图1电路的幅频响应更加平坦的稳幅器电路图。
图4是用图1所示的宽频压控正弦波振荡器组成正弦波频率合成器电路图，图4中的I代表图1的全部电路。
图5是振幅控制和频率控制光耦元件的结构外观图。
实施例一宽频压控正弦波振荡器宽频压控正弦波振荡器由正弦波振荡器(1a)、振幅控制电路(1b)、频率控制电路(1c)三部分组成，其中运算放大器OP1反相输入端经电阻RF接输出端，经电阻RG接地，形成振荡器(1a)的振幅控制支路；OP1同相输入端经电阻RS电容CS串联电路接输出端，经电阻RP电容CP并联电路接地、形成振荡器(1a)的频率控制支路，其特征在于RF、RS、RP都是光敏电阻；通过光耦，RF阻值由振幅控制电路(1b)实现自动调节；振幅控制电路由整流滤波电路和光耦驱动器组成；整流滤波电路又由二极管D3、电阻R5、电容C1、电阻R4依次串联后接地而成，其中，D3正端接振荡器输出电压VO，R5与C1连接点经电位器W1接地，经W1抽头点接光耦驱动器输入端，即运算放大器OP2同相输入端，以便调节振荡幅度；光耦驱动器由输入阻抗高电压增益为1的运算放大器OP2、电阻R2、发光二极管LED2所组成，其中OP2反相输入端与输出端直接连接后经电阻R2发光二极管LED2串联电路接地，以便LED2照亮光敏电阻RF，当VO增加，光照加强，RF阻值下降，这又迫使VO减小，从而实现自动稳幅；电阻R4有超前功能，以补偿频率很低时传输时间的滞后，从而减小波形失真；频率控制电路(1c)由外来的控制频率的电压VC和光耦驱动器组成，通过光耦，光敏电阻RS、RP的阻值由VC来控制；光耦驱动器由运算放大器OP3、电阻R1、发光二极管LED1、负偏压VB所组成，其中OP3同相输入端接VC，反相输入端接输出端后经电阻R1发光二极管LED1串联电路接负偏压VB，最佳选取是负偏压VB的大小恰好使VC为零时流过LED1的电流也为零，相应的光敏电阻RS、RP的暗电阻可达数十兆欧，因此能获得很宽的频率变化；利用LED1的侧光同时照亮光敏电阻RS、RP，以达到同步调控；从运算放大器OP3负电源端经电阻R3，锗二极管D2、硅二极管D1串联电路后接地，将其中D2D1串联压降作为负偏压VB(1c)，实验表明，当VC为零时流过LED1的电流为0.2μA，相应的RS、RP为11MΩ；LED2的负端是直接接地的，因为RF阻值变化不大，是电阻RG的2倍附近变化，在最高频率时达2.8倍。
为了兼有压控多谐振荡器功能，设置了开关S1和电阻R6，可取R6≈10RG，当开关S1接R6，实质上是用R6取代RF(因RF的暗电阻很高)，输出电压VO由正弦波转变为对称方波。
设置了开关S2，当S2由W点转接到P点，即光敏电阻RP由原来接OP1同相输入端改接到光敏电阻RS和电容CS的连接点上，振荡器输出电压VO仍然是正弦波。
宽频压控正弦波振荡器(图1)的控制电压VC与输出电压VO的频率fo关系的实验结果如图2所示，其中电源为±5V，负偏压VB取自锗二极管和硅二极管串联电压，RG为2.2KΩ，光敏电阻RS、RP要选电阻特性一致的元件。测量表明，VC＝0.3V-3.4V，CS＝CP＝4700PF，VO为3Hz5.5VPP-22KHz7VPP；当CS＝CP＝100PF，VO为100Hz5.5VPP-420KHz7VPP，其中频率上限受到了运算放大器OP1摆动速率的限制，在所述的频率范围内，正弦波形展宽后经目观检查，没有发现失真，在不换挡不调节情况下，频率变化达七千倍而波形失真很小，这给制造和使用都带来很多方便。
现对正弦波振荡器(1a)作一分析，将电容CS由原来接VO改接外来输入电压Vi，运算放大器OP1便是一个同相放大器，由图得出传递函数为A=VOVi=(1+RFRG)/[1+RSRP+CPCS+J(ωCSRS-1ωCPRP)]---(1)]]>选取C＝CS＝CP，R＝RS＝RP，A＝1+JO， (2)由(1)(2)得，RF＝2RG，
或
A＝1+JO表示放大器的增益为1，相位移为零，即输出电压VO是输入电压Vi的复现，因此将CS与VO直接连通便能自行产生正弦振荡，但是只要A比1或大或小一点点，经过不断放大，正弦振荡最终不是削顶便是停振，因此没有稳幅电路的正弦波振荡器是不实用的。当频率变化很宽，器件的频率特性也变了，维持A为1就更加困难。
将开关S2由W点转接P点(1a)，由图有VRPRP+VRPRS+1JωCP=Vi-VRP1JωCS---(4)]]>Vcp=VRPRS+1JωCP(1JωCP)---(5)]]>VO=(1+RFRG)Vcp---(6)]]>由(4)(5)(6)有A=VOVi=(1+RFRG)/[1+CPRSCsRP+1+JωCPRSCSCP+JωCSRS+J(ωCPRS-1ωCSRP)]---(7)]]>选取C＝CP＝CS，R＝RP＝RS，A＝1+JO， (8)由(7)(8)得RF＝2RG，
或
因此(8)(9)与(2)(3)完全相同，但(7)与(1)仍有细微区别，在电路结构上(7)是互补移相式，而(1)是桥式。
实施例二使幅频响应平坦的稳幅器宽频压控正弦波振荡器(图1)输出电压VO通过稳幅器(图3)后的输出电压VS的幅频响应将变得更加平坦；稳幅器由反相运算放大器OP4(3a)和振幅控制电路(3b)组成，其中OP4同相输入端经电阻R7接地，OP4反相输入端经电阻R8与VO连接，经光敏电阻R9与输出端连接并输出稳幅后的正弦波电压VS，VS也同时输入振幅控制电路(3b)，其电路连接与宽频压控正弦波振荡器中的振幅控制电路(1b)完全相同，通过光耦，光敏电阻R9的阻值由振幅控制电路(3b)实现自动调节。可取R7≈R9R8/(R8+R9)，R8＝10KΩ，VS/VO＝-R9/R8，实验表明，在音频范围内，当VO振幅变化400％，V8只变化6％，但对普通要求而言可以不用稳幅器，因为如图2所示VO的幅频响应变化不大，3Hz5.5VPP-22KHz7VPP。
实施例三扫频信号发生器采用电压比较器和积分器连成环路方法产生慢扫三角波作为控制电压VC，宽频压控正弦波振荡器(图1)输出电压VO便是一个自动扫频的正弦波；当开关S1与电阻R6连接，VO是一个自动扫频的对称方波，实验表明其频率比前者约低一倍。
实施例四正弦波频率合成器正弦波频率合成器(图4)由三部分组成，第一部分由宽频压控正弦波振荡器I输出电压VO经正箝位电路电容C3二极管D5后，使双极性正弦波变为正极性，经斯密特触发器ST，经程序分频器÷N，经除2电路÷2后，又变回正极性对称方波，其频率记为fN；第二部分由晶体谐振器频率为fQ的晶体振荡器OSC的输出经参考分频器÷R，经除4电路÷4后得正极性对称方波，其频率记为fR；第三部分是将fN和fR分别送入数字相位比较器PD，其输出的相位差信号经低通滤波器LPF后，作为控制电压VC又送回宽频压控正弦波振荡器I便形成一个锁相环路，当环路锁定后，fN＝fR，输出电压VO的频率fo＝N(fQ/2R) (10)置入不同的N和R值，就可获得一系列的fo值，其频率稳定度和晶体振荡器频率fQ一样高。通常取N为正整数，例如2-15999，取fQ/2R为10Hz、100Hz、1000Hz，因为1Hz入锁时间很长而不实用。显然，这要求频率范围尽可能宽而波形失真尽可能小。实验表明，当fQ＝2MHz±50ppm，fQ/2R＝10Hz，N＝2000，用8位数字频率计测得fo＝20000Hz，误差小于1Hz；使用好一点的晶体振荡器，fQ＝1MHz±5ppm，同时÷4改为÷2，测得fo＝20000.0Hz，误差小于0.1Hz。
实施例五信号的相位同步在图4中，用外来的正极性对称方波代替参考频率fR，用斯密特触发器ST的输出频率fT分别直接送入数字相位比较器PD，便形成了一个简单的锁相环路，实验表明，当环路锁定后，宽频压控正弦波振荡器输出电压VO的频率fo，将在很宽的频率范围内自动跟踪外来对称方波的频率变化，直到相等，因此实现了两者的相位同步，在这里是将对称方波变换成同频正弦波，若使用带通滤波器，因为方波的谐波丰富，不仅要求滤波器的品质因素很高，而且滤波器的数量众多，才能滤出频率不同的纯净正弦波。锁相环路重要用途之一是恢复淹没在噪声中的外来信号的相位和频率而获取信息。
实施例六振幅控制和频率控制光耦元件的结构振幅控制和频率控制光耦元件的结构外观分别如图5a、5b所示，在图5a中A是不透光的塑料管，B是不透光绝缘体填充物，1、2是光敏电阻RF的引线，3、4是发光二极管LED2引线，长的为正端；在图5b中，A、B与前述相同，1、3与4、6分别是光敏电阻RS、RP的引线，2、5是发光二极管LED1的引线，长的为正端。所有发光二极管与光敏电阻之间的相对位置应固定，采用此种结构是为了便于制造与安装。
权利要求
1.一种宽频压控正弦波振荡器，由正弦波振荡器(1a)、振幅控制电路(1b)、频率控制电路(1c)三部分组成；其中，运算放大器OP1反相输入端经电阻RF接输出端、经电阻RG接地，形成振荡器的振幅控制支路；OP1同相输入端经电阻RS电容CS串联电路接输出端、经电阻RP电容CP并联电路接地、形成振荡器的频率控制支路；其特征在于RF、RS＇、RP都是光敏电阻；通过光耦、RF阻值由振幅控制电路(1b)实现自动调节；振幅控制电路由整流滤波电路和光耦驱动器组成；整流滤波电路又由二极管D3、电阻R5、电容C1、电阻R4依次串联后接地而成，其中D3正端接振荡器输出电压VO，R5与C1的连接点经电位器W1接地，经W1抽头点接光耦驱动器输入端，即运算放大器OP2同相输入端，以便调节振荡幅度；光耦驱动器由输入阻抗高电压增益为1的运算放大器OP2、电阻R2、发光二极管LED2所组成，其中OP2反相输入端与输出端连接后经电阻R2、发光二极管LED2接地，以便LED2照亮光敏电阻RF，当VO增加，光照加强，RF阻值下降，这又迫使VO减小，从而实现自动稳幅；频率控制电路(1c)由外来的控制频率的电压VC和光耦驱动器组成，通过光耦、光敏电阻RS、RP的阻值由VC来控制以改变振荡频率，其中光耦驱动器由运算放大器OP3、电阻R1、发光二极管LED1、负偏压VB所组成，OP3同相输入端接VC、反相输入端接输出端后经电阻R1、发光二极管LED1接负偏压VB，最佳选取是负偏压VB的大小恰好使VC为零时流过LED1的电流也为零，从而获得很宽的频率变化；利用LED1的侧光同时照亮光敏电阻RS、RP，以实现同步调控。
2.根据权利要求1所述宽频压控正弦波振荡器，其特征在于设置了开关S1和电阻R6，当S1与R6连接，即实质上用R6取代RF，振荡器输出电压VO便由正弦波转变为对称方波。
3.根据权利要求1所述宽频压控正弦波振荡器，其特征在于设置了开关S2，当开关由W点转接到P点，即光敏电阻RP由原来接OP1同相输入端改接到光敏电阻RS和电容CS的连接点上，振荡器输出电压VO仍然是正弦波。
4.根据权利要求1所述宽频压控正弦波振荡器，其特征在于从运算放大器OP3负电源端经电阻R3，锗二级管D2，硅二级管D1串联后接地，将其中D2、D1串联电压降作为负偏压VB(1c)。
5.根据权利要求1所述宽频压控正弦波振荡器，其特征在于宽频压控正弦波振荡器的输出电压VO经过稳幅器后，得到的电压VS的幅频响应特性将变得更加平坦；稳幅器由反相运算放大器OP4(3a)和振幅控制电路(3b)组成，其中OP4同相输入端经电阻R7接地，OP4反相输入端经电阻R8与VO连接，经光敏电阻R9与输出端连接并输出稳幅后的正弦波电压VS，VS也同时输入振幅控制电路(3b)，其电路连接与权利要求1所述的振幅控制电路(1b)完全相同。
6.根据权利要求1所述宽频压控正弦波振荡器，或权利要求2所述的正弦波转变为对称方波，其特征在于用慢扫正极性三角波作为控制电压VC，宽频压控正弦波振荡器便成为扫频信号发生器，输出电压VO是一个自动扫频的正弦波；当开关S1与电阻R6连接，则VO是一个自动扫频的对称方波。
7.根据权利要求1所述宽频压控正弦波振荡器，其特征在于宽频压控正弦波振荡器I输出电压VO经正箝位电路电容C3和二极管D5，经斯密特触发器ST，经程序分频器÷N，经除2电路÷2后得正极性对称方波，其频率记为fN；晶体谐振器频率为fQ的晶体振荡器OSC的输出经参考分频器÷R，经除4电路÷4后得正极性对称方波，其频率记为FR；将fN和fR分别送入数字相位比较器PD，其输出的相位差信号经低通滤波器LPF后作为控制电压VC送回宽频压控正弦波振荡器I，便形成一个锁相环路，当环路锁定后，fo＝N(fQ/2R)，置入不同的N和R值，就可获得一系列输出电压VO频率为fo的正弦波，其频率稳定度和fQ一样高。
8.根据权利要求1所述宽频压控正弦波振荡器I输出电压VO经正箝位电路电容C3和二极管D5，经斯密特触发器ST后直接送入数字相位比较器PD；外来的正极性对称方波也直接送入PD，其输出相位差信号经低通滤波器LPF后，作为控制电压VC又送回宽频压控正弦波振荡器I，便形成了一个简单锁相环路，宽频压控正弦波振荡器I的输出电压VO的频率fo将在很宽的频率范围内自动跟踪外来对称方波的频率变化，直到相等，因此实现了两者的相位同步，在这里是将对称方波变成了同频的正弦波。
9.根据权利要求1所述宽频压控正弦波振荡器，其特征在于振幅控制光耦元件光敏电阻RF和发光二极管LED2置于不透光的塑料管内，经适当固定后，元件引线从管的两端引出，两端用不透光的绝缘体填充并使引线固定(5a)；频率控制光耦元件光敏电阻RS、RP置于发光二极管LED1的两侧，经适当固定后，都放入不透光的塑料管内，元件引线从管的两端引出，两端用不透光绝缘体填充并使引线固定(5b)，采用此种结构是为了制造和安装方便。
全文摘要
一种宽频压控正弦波振荡器,稳定振荡幅度的是一只光敏电阻R
文档编号H03B5/00GK1264216SQ0010293
公开日2000年8月23日 申请日期2000年3月15日 优先权日2000年3月15日
发明者向明 申请人:向明