1、变速器论文信号发生器论文基于电容倍增器的超低频正弦信号发生器的研究摘要：为了改善超低频正弦信号发生器对电容大容量、无极性的要求，介绍了一种基于电容倍增原理的超低频正弦波振荡电路。利用电容倍增器的原理，选择电容接地的 RC 移相选频网络，设计一个三节相位滞后式 RC 正弦波振荡器。通过硬件电路实验和仿真分析，此电路能够实现以无极性、小容量等高性能参数电容获得频率很低、幅值大的正弦信号输出。此振荡电路调节方便，输出稳定，可满足实验教学对超低频信号源的要求。 关键词：电容倍增器；超低频振荡器；硬件电路；仿真 目前由模拟电路构成的信号发生器当输出频率在几百到几千赫兹范围内，波形较好；但当它在低频甚至超
2、低频使用时，输出波形不稳定，也不精确，应用范围十分有限。而超低频正弦信号发生器在生物医学、地球物理、控制仪表及系统测试和石油生产测井中都有广泛应用。这样的正弦信号发生器通常都是采用 RC 串、并联或移相网络构成。由于要产生很低频率的正弦信号，往往需要非常大的电容，如 1000F 左右，在某些应用场合，产生超低频信号不但要求大容量电容，而且要求是无极性电容。用无源器件实现这种要求是很困难的，如果采用直接数字式频率合成(DDS)技术，外围电路很复杂，这时可采用电容倍增器来实现大容量或大容量无极性电容的要求。 1 电容倍增器的实现 电容倍增器电路如图 1 所示。 图 1 电容倍增器电路 根据理想集成
3、运放的条件和基尔霍夫电压定律 则(1) 由式(1)求得图 1 电路输入端视入阻抗为 (2) 式(2)表明图 1 电路输入端视入阻抗 Zi 为电阻 R1 与等效电容 Ci 的并联值。其中 (3) Ci 是一个接地的其值为电路电容 C 的倍的倍增电容。 2 超低频振荡电路的研究与设计 低频振荡电路的选频网络可以是 RC 网络，通常其连接形式为 RC 串并联，RC 移相和双“T”型等。基于电容倍增器的电容 Ci 是一个接地的等效电容，故振荡电路选择电容接地的 RC 移相选频网络，电路如图 2 所示。 图 2 基于电容倍增器的超低频振荡电路 图 2 电路的电阻 R4 和 A1 及 R1，R2，C，R3
4、 构成的倍增电容器 Ci 组成一节 RC 移相网络，电路是一个三节相位滞后式 RC 正弦波振荡器。运放 A4 构成的电压跟随器，起缓冲隔离作用，减小 RC 移相网络对振荡的起振和输出幅度的影响。运放 A5 构成的电路是振荡器的放大环节，其中 D1，D2，R7 是振荡器的稳幅电路。 根据相位平衡条件和幅度平衡条件，通常的三节相位滞后式 RC 正弦波振荡器的振荡频率和电压放大倍数分别为： (4) (5) 根据工程需要，用无极性的 0.33F 电容设计一个输出频率为 15Hz 可调，输出电压为 1V 超低频正弦波振荡器。本文采用图 2 电路进行了设计，根据式(4)先确定电阻 R4，取 R4=24k，
5、计算所需电容值 Ci=16.18F。根据式(3)计算电容倍增数为 49, 确定电阻 R2 取 2M，计算出 R1=41.7k,取 R1 为43k。各运放同相端的直流平衡电阻 R3 经过计算都取 43k。根据式(5)可设计放大电路中的各电阻值，R7 为稳幅二极管加偏值，以防正弦波产生交越失真，取 R7 为 2k，为使振荡电路稳定工作，电压放大倍数为 40 倍，取 R5为 10k，为调试方便，R6 为 470k 电阻串一个 100k 的电位器，平衡电阻R8 为 10k。运放为 LM324，工作电源为12V。为使电路的温度稳定性高，电阻采用金属膜电阻，电容为高 Q 特性的聚丙烯电容。 根据设计的元件
6、参数值，电路的倍增电容值和正弦波振荡频率分别为： 3 硬件实验与电路特性的仿真分析 3.1 硬件实验 电路通电后，用示波器和交流毫伏表观察输出端(UO 处)，调整 R6 的阻值为 362k 时，电路起振并产生了正弦波，在 R6 的值为 370k 时达到稳幅，测得输出频率 fO 为 1.36Hz，电压 UO 为 0.7V。 为使电路受环境和器件参数影响小些，电路的放大倍数选择大于振荡的最小临界值，为 38 倍左右。调整 R6 的阻值可以改变电路输出电压值，在 R6 的阻值为 400k 时，电压 UO 为 1V。在保持电容 C 值不变时，调整电容倍增率电阻 R1，R2 或移相电阻 R4 都可改变输
7、出频率 fO，在实验中发现，调整 R1 的阻值虽然改变输出频率，但也影响输出幅值，尤其是 R1 减小时输出幅值明显减小，在 R1 阻值小于 20k 时电路就停振了，调整移相电阻 R4 也是如此。这种影响在运放 A1 构成的电容倍增电路与其 R4 组成的移相电路上尤其明显，这都是移相电路的等效电阻变小，影响放大电路输入电阻，使得电路放大倍数变小所致。本电路是调整运放 A2 电路的电阻 R2 来微调输出频率，使得 fO 为15Hz，输出幅值不变。 3.2 电路特性的仿真分析 为了更好地应用本电路，方便调试各个参数，采用 Multisim 对电路的特性进行仿真分析。 3.2.1 电容倍增值与电路输出
8、频率和幅值的关系 取 R1=43k，R4=24k，C=1F，放大倍数为 50，调整电阻 R2 改变电容倍增值。测试参数见表 1。 表 1 电容倍增数与输出频率、输出幅值关系 电容倍增数 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 输出频率(HZ) 2.355 1.186 0.8000 0.6105 0.4745 0.3974 0.3394 0.2991 0.2777 0.2408 输出幅值(V) 6.4523 2.9557 1.9727 1.5092 1.1296 0.9252 0.7797 0.7086 0.6848 0.6107 由表 1 可看出随着电容倍增值的增大，输出
9、频率在下降。以 10 倍为基准，2040 倍时线性度稍差些，而 50100 倍时线性度好，例如在 80 倍时应从2.355Hz 降为 0.2944Hz，实测值为 0.2991Hz，在 100 倍时降为 0.2355Hz，实测值为 0.2408Hz。输出频率与电容倍增值成正比。除 R4 外调节倍增电阻 R2也可以线性调整输出频率。 3.2.2 电容倍增值电阻 R1 与输出频率和幅值的关系 取电容倍增值为 50，电路其他参数不变，R1 从 30k 变化起，调整 R2 值保持电容倍增值为 50。测得参数见表 2。 表 2 R1 值与输出频率、输出幅值关系 R1 值(K) 30 40 50 60 70
10、 80 90 100 110 120 输出频率(HZ) 0.4739 0.4782 0.4665 0.5772 0.6013 0.6153 0.6250 0.6362 0.6405 0.6530 输出幅值(V) 0.5515 1.117 1.755 1.796 2.003 2.167 2.299 2.412 2.503 2.794 由表 2 可看出随着电容倍增电阻 R1 阻值的增大，输出频率虽有增大，但变化很小。而输出幅值受 R1 阻值影响较大，R1 阻值大时可得到大的输出幅值。4 结束语 通过硬件电路实验和电路特性的仿真分析，可以看出本文提出的超低频正弦信号发生器，以无极性、小容量等高性能参
11、数电容获得频率很低、幅值大的正弦信号输出，电路参数输出稳定、调节灵活方便，是一种性价比高、实用的超低频信号源。该超低频信号发生器设计思路新颖，安装和调试都比较简单，可满足实验教学中对超低频正弦信号的要求，也可用于科学研究和生产实践中。参考文献 1卢浩，亓学广，术守喜，等.新超低频任意信号发生器J.仪表技术与传感器，2008，1：6567 2吴银川，张家田，严正国.超低频高分辨率信号源的设计J.微计算机信息，2009，25：152153，207 3Ciceko G.,Toker A. Current mode oscillator with linear period control over a wide rangeJ. Int J Electronics,1999,86(12)：14531462 4Analog Devices, Inc, U.S.A. CMOS 180MHz DDS/DAC Synthesier AD9851S,2004：121 5黄智伟.基于 Multisim2001 的电子电路计算机仿真设计与分析M.北京：电子工业出版社，2001 6清华大学电子工程系.晶体管电路M.北京：科学出版社，1976 7赵世强.电子电路 EDA 技术M.陕西：西安电子科技大学出版社，2000
