正弦信号发生器设计

1、哈尔滨理工大学学士学位论文正弦信号发生器设计摘要 随着电子信息产业的发展，各种电子系统中对于正弦信号的应用越来越多，对于正弦信号波形的要求也越来越高。通常正弦波信号主要通过模拟电路或直接数字式频率合成器(DDS ， direct digital synthesis)两种方式产生。虽然DDS技术有信号的转换速率较快、输出信号的稳定度高且输出波形的相位连续等优势，但过高的价格限制了其在某些领域的应用。因此本文设计一种采用模拟电路产生正弦信号的方法。这样的电路成本低、输出信号的波形失真较小。 本论文设计了一个基于文氏桥电路的正弦信号发生器，通过对国内外信号发生器的发展状况进行研究，基于文氏桥电路的基

2、本原理和结构，设计出了能够应用于正弦信号发生器的三级运算放大器。并对波形可能发生的失真情况进行分析，同时分析了影响正弦波性能的因素，其中包括放大器的开环增益和带宽、相位裕度等。最后在放大器的输出端加入选频电路和稳幅电路，并对整体电路进行仿真，经分析其输出的正弦波满足设计要求。 在15 V的电源电压条件下，利用文氏桥电路中的放大电路进行仿真和分析得到，基于文氏桥电路中的运算放大电路增益为101.46dB、带宽为0.7MHz、共模抑制比为87.1dB、电源抑制比为83.91dB。本文所设计的正弦信号发生器输出信号的波形平滑、总失真度低、波形清晰且稳定度高。关键词正弦信号发生器； 文氏电路； 开环增

3、益；Design of Sinusoidal signal GeneratorAbstractWith the development of electronic information industry， the sine signal is more an more applied in the variety of electronic systems， which is also widely used in the reference signal and the carrier signal. Usually the sine signal is mainly produced b

4、y the way of analog circuits or direct digital frequency synthesizer. The technology of DDS has lots of advantages: such as the rapidly signal conversion rate， the output signal of the high stability and the continuously phases of the output waveform， but the excessive price of it limits the applica

5、tion in some areas. So this paper designed a method of analog circuits generate sinusoidal signal wave. In this paper， it devises a sinusoidal signal generator， which is based theWien bridge circuit. It introduces the domestic development situation of wavegenerator， based on the basic principle of t

6、he Wien bridge circuit， and designs aThree-stage operational amplifier， which can be applied in the sine signal generator.It analyzes the distortion of the waveform， at the same time， analyzes the influence factors of sine wave， which include the amplifier open loop gain and bandwidth， phase margin，

7、 the output voltage swing， common mode rejection ratio and power supply rejection ratio and so on. At last， the frequency selective network and steady amplitude circuit are added to the output of amplifier. And simulates the whole circuit， The output of sine wave meets the design requirements.Under

8、the condition of 15V power supply voltage， Wien bridge circuit of the amplifier circuit The operational amplifier circuit based on Wien bridge circuit has the gain of 101.3dB， bandwidth of 0.7 MHz， common mode rejection ratio of 87.1 dB and power supply rejection ratio of 83.91 dB.The sine wave the

9、output waveform is smooth， the lower degree of distortion and clear， and high stability. Keywordssine wave generator； Wien bridge oscillator circuit；the open loop Gain；目录摘要IAbstractII目录IV第1章 绪论11.1 课题背景和研究意义11.2 国内外研究现状和发展趋势11.3 信号的产生方式51.4 本文的内容安排6第2章 正弦信号发生器电路基础理论72.1 正弦信号发生器的构成72.1.1 文氏桥电路的原理72.1

10、.2 文氏桥电路的结构92.2 正弦信号产生的原理132.2.1 产生自激振荡的原理132.2.2 信号的放大和反馈142.2.3 振荡的建立和稳定162.3 常见的失真问题和解决方法172.4 本章小结17第3章 正弦信号发生器电路的设计193.1 正弦波发生器的设计方案193.2 放大电路结构203.2.1 输入级电路203.2.2 中间级电路223.2.3 输出级电路233.2.4 偏置电路253.2.5 频率补偿273.3 选频网络273.4 反馈电路283.5 稳幅电路293.6 正弦信号发生器电路303.7 本章小结32第4章 正弦信号发生器电路的仿真334.1 运放的开环增益、带

11、宽、相位裕度的仿真及分析334.2 运放的CMRR仿真及分析344.3 运放的PSRR仿真及分析364.4 正弦信号发生器的仿真结果及分析374.5 本章小结38结论40致谢41参考文献42附录45- V -第1章 绪论1.1 课题背景和研究意义各种电器设备要正常工作，需要各种波形信号的支持。电器设备中常用的信号有正弦波、矩形波、三角波和锯齿波等。这些信号是由波形产生和变换电路来提供的。有一种波形信号发生器或振荡器可以将直流信号量变为有特定幅值、特定信号频率和不同输出波形的交流信号量的产生波形，且不借助于外界激励。信号发生器在生产实践中的应用十分广泛。信号发生器能够产生不同种类的波形，其中包括

12、三角波、锯齿波、矩形波和正弦波等，这些波形都是可以用三角函数表示出来的，其中生成正弦信号的电路被叫做函数波形发生器。信号发生器能够与其他电路一起使用，输出不同种类的波形图，能满足现代测量、通信、自动控制和热加工、音视频设备及数字系统等对各种信号源的需求。为了能将广播、电视和通信系统中的音频和视频信号发射出去，就需要载波设备，通常情况为射频发射装置，即振荡器。为了能让信号更好的传播，要求振荡器产生高频信号。振荡器应用于各个领域，在工农业中，可以做成高频感应加热器和熔炼机，以及淬火装置；在生物医学方面，可以用于超声诊断和核磁共振等。对于目前的正弦信号发生器来说，波形的优劣主要靠滤波器来对放大电路输

13、出的波形进行选频和优化，这样就提高了外围电路的设计要求，因此本论文研究的意义在于通过对文氏桥电路中放大电路的精确设计，只使用了较简单的滤波电路结构，就能够使电路产生更高精度的正弦信号波形，且失真度低。1.2 国内外研究现状和发展趋势在二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可超过10GHz的DDS芯片，同时也推动了函数波形发生器的发展，2003年，Agilent的产品33220A能够产生17种波形，最高频率可达到20M， 2005年的产品N6030A能够产生高达500MHz的频率，采样的频率可达1.25 GHz。由上面的产品可以看出，近几年来函数波形发生器发展很快。近这些年来

14、，计算机技术进入了前所未有的快速发展时期。在新一代的电子设备中高集成度的电路得到了广泛的应用，在生活中，我们用到的很多器件的子系统都是由它所构成，因此这种电路的发展速度越来越快，市场范围也越来越宽。低频信号发生器的应用十分广泛，像在工程教育中，做教学实验、材料实验、机械振动实验等；在生产实践中，做工业过程控制等；在科研工作中，研发生物医学、做动态分析等。在口常维修、教学和科研中，函数信号发生器也是不可缺少的工具。在一些科研领域和我们的口常生活应用中，波形信号发生器如:正弦波、矩形波、锯齿波和三角波等经常被当做基本信号用于测试其它信号。目前，在科学研究、测量控制、口常生产、通讯信息等商业化范围内

15、应用了很多的函数发生器，然而在口常生活中，种技术还是很稀少。为了实现半导体集成芯片能够快捷高效的生产出来，而且能让频率的精度、信号的带宽、程序控制的技术得以提高，以及波形种类的多样化得以实现，生产出一种频率精度更高、信号频带更宽、实现的波形种类更多、就有多功能程控的信号发生器是我们目前的必要任务。目前，信号发生器的应用越来越广，随着电子技术的迅猛发展，电子信息测量、电子通讯、教学和医疗等领域对信号发生器的需求与口俱增，对于信号发生器的性能要求也越来越高。微处理器的产生是信号发生器走向自动化和智能化的标志。随着信号发生器技术的进一步提高，这种技术的频带越来越宽、功能越来越多、越来越智能而且频率的

16、精度也越来越高。目前我们通常使用的波形发生器都是以模拟电路为基础的，用模拟器件做电路产生信号源，输出频率很高甚至能达到几百兆赫兹，而且这种电路在高频段时，不仅稳定而且可以灵活自由的调节频率的大小。这种电路不适于输出低频信号，因为这样会使RC的值超出理想范围，同时其它参数也随之不能很好的被确定下来，况且这种电路占空比大，可靠性差，准确度低，损耗也大。目前，电路的集成度越来越高，对电路的要求也越来越大，不仅仅要使电路的更可靠，同时也要使成本更低。在性能上升的同时还要体积缩小。现在的信号发生器可谓是各式各样，但是最经典的要数以频率划分的几种:称为超高频信号发生器(频率大于一兆赫兹，甚至达到上百兆赫兹

17、)；高频信号发生器(频率在百千赫兹到几兆赫兹)；低频信号发生器(频率在几十赫兹到几百赫兹)；频率更小的，称为超低频信号发生器。简单的振荡电路分为两种:RC和LC震荡电路。其中LC振荡电路产生的波形大多为超高频信号发生器。文氏桥电路能够产生除了超高频信号发生器以外的其他频段的信号，又叫RC振荡电路，要想将频率改变，就要将电阻和电容的值进行改变。仅用RC或者LC这样的简单原件设计出来的信号发生器有很大的缺陷:一是价格昂贵，多数在上百元甚至几百元；二是不能调整其零点；三是输出的波形单一，只能输出脉冲波形和正弦波形。在大多数生产实践中，中频波应用频繁，一般是不采用高频波或者低频波的。想做出一个比较简单

18、的信号发生器，只需将一个数模转换装置安装到计算机的CPU上即可；输出信号的频率与由本机的运行程序有关。为了得到各式各样的波形，将运行程序输入到EPROM当中，这样我们就可以通过选择不同的程序来得到想要的波形信号，最终产生不同的波形。再在数模转换装置的输出端加上一些电压变换电路，就完成了一个频率、幅值和零点均可调的多功能信号发生器的设计。在众多的信号源中，正弦信号的应用十分广泛，对于一个模拟集成电路来说，正弦信号是不可或缺的一部分。其中LC振荡电路。RC振荡电路和晶体振荡电路是产生正弦信号常见的三种方式。最为常见的应属RC振荡电路了，由于LC振荡电路中有多处存在寄生效应，同时电感线圈太大；而昂贵

19、的价格，过大的功耗和体积甚大又成为晶体振荡电路的短处，所以RC振荡电路的结构得到广泛的应用。我们把RC正弦信号输出电路划分为以下几种类型:桥式振荡电路、双T型网络式以及移相式等类型。本论文采用RC正弦信号发生电路中的文氏电桥结构，这样的结构有很多优点，例如能输出幅值稳定，频率单一、失真度低的正弦波；同时这样的电路结构实现方便，易于集成。跟模拟电路相比，频率合成技术产生信号有很多优势，例如信号频率的转换速率较快，输出信号的分辨率较高等。最新的直接数字频率合成技术在通信行业和雷达卫星测试信号等领域得到重用。为了测量系统和电路方面的频率、放大倍数、灵敏度和非线性失真，我们主要采用正弦信号输出电路。把

20、信号按覆盖的频带划分成高频、低频和微波信号发生器；如果按信号的输出电压和输出信号的稳定度划分种类，可将其分为:简易信号发生器、标准信号发生器和功率信号发生器；因为每个电路的频率改变是不同的，所以我们把信号发生器又分为:扫频式、程控式、频率合成和调谐式。信号发生器在目前的科技发展和口常生产中应用十分广泛，被称为振荡器和信号源。信号发生器能够产生多种波形，用不同的三角函数来表示不同的输出波形曲线，其中产生正弦波的电路被称作函数信号发生器。在设备检测和电路实验中经常用到函数信号发生器。为了能将广播、电视和通信系统中的音频和视频信号发射出去，就需要载波设备，通常情况为射频发射装置，即振荡器。为了能将信

21、号更好的传播，要求振荡器产生高频信号。振荡器应用于各个领域，在工农业中，可以做成高频感应加热器和熔炼机，以及淬火装置；在生物医学方面，可以用于超声诊断和核磁共振等。频率为 100千赫30兆赫的高频、30300兆赫的甚高频信号发生器。一般采用 LC调谐式振荡器，频率可由调谐电容器的度盘刻度读出。主要用途是测量各种接收机的技术指标。输出信号可用内部或外加的低频正弦信号调幅或调频，使输出载频电压能够衰减到1微伏以下。输出信号电平能准确读数，所加的调幅度或频偏也能用电表读出。此外，仪器还有防止信号泄漏的良好屏蔽。从分米波直到毫米波波段的信号发生器。信号通常由带分布参数谐振腔的超高频三极管和反射速调管产

22、生，但有逐渐被微波晶体管、场效应管和耿氏二极管等固体器件取代的趋势。仪器一般靠机械调谐腔体来改变频率，每台可覆盖一个倍频程左右，由腔体耦合出的信号功率一般可达10毫瓦以上。简易信号源只要求能加1000赫方波调幅，而标准信号发生器则能将输出基准电平调节到1毫瓦，再从后随衰减器读出信号电平的分贝毫瓦值；还必须有内部或外加矩形脉冲调幅，以便测试雷达等接收机。扫频信号发生器能够产生幅度恒定、频率在限定范围内作线性变化的信号。在高频和甚高频段用低频扫描电压或电流控制振荡回路元件（如变容管或磁芯线圈）来实现扫频振荡；在微波段早期采用电压调谐扫频，用改变返波管螺旋线电极的直流电压来改变振荡频率，后来广泛采用

23、磁调谐扫频，以YIG铁氧体小球作微波固体振荡器的调谐回路，用扫描电流控制直流磁场改变小球的谐振频率。扫频信号发生器有自动扫频、手控、程控和远控等工作方式。这种发生器的信号不是由振荡器直接产生，而是以高稳定度石英振荡器作为标准频率源，利用频率合成技术形成所需之任意频率的信号，具有与标准频率源相同的频率准确度和稳定度。输出信号频率通常可按十进位数字选择，最高能达11位数字的极高分辨力。频率除用手动选择外还可程控和远控，也可进行步级式扫频，适用于自动测试系统。直接式频率合成器由晶体振荡、加法、乘法、滤波和放大等电路组成，变换频率迅速但电路复杂，最高输出频率只能达1000兆赫左右。用得较多的间接式频率

24、合成器是利用标准频率源通过锁相环控制电调谐振荡器（在环路中同时能实现倍频、分频和混频），使之产生并输出各种所需频率的信号。这种合成器的最高频率可达26.5吉赫。高稳定度和高分辨力的频率合成器，配上多种调制功能（调幅、调频和调相），加上放大、稳幅和衰减等电路，便构成一种新型的高性能、可程控的合成式信号发生器，还可作为锁相式扫频发生器。又称波形发生器。它能产生某些特定的周期性时间函数波形（主要是正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号。频率范围可从几毫赫甚至几微赫的超低频直到几十兆赫。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。图2为产生上述波形的方法之一，将积分电路与某

25、种带有回滞特性的阈值开关电路（如施米特触发器）相连成环路，积分器能将方波积分成三角波。施米特电路又能使三角波上升到某一阈值或下降到另一阈值时发生跃变而形成方波，频率除能随积分器中的RC值的变化而改变外，还能用外加电压控制两个阈值而改变。将三角波另行加到由很多不同偏置二极管组成的整形网络，形成许多不同斜度的折线段，便可形成正弦波。另一种构成方式是用频率合成器产生正弦波，再对它多次放大、削波而形成方波，再将方波积分成三角波和正、负斜率的锯齿波等。对这些函数发生器的频率都可电控、程控、锁定和扫频，仪器除工作于连续波状态外，还能按键控、门控或触发等方式工作。1.3 信号的产生方式1. 由5 5 5定时

26、器产生信号，由5 5 5定时器构成的正弦信号输出电路由下面三部分构成:5 5 5定时器、积分网络和差分放大器。信号通过5 5 5定时器产生方波，再经过积分网络产生三角波，最后通过差分放大器电路的处理输出完整的正弦波信号系统组成框图如图1-1所示。图1-1 系统组成框图2. 由单片机产生信号，由单片机构成的波形发生器是由放大电路将信号放大再通过单片机输出波形。单片机有很多优点，它处理数据的能力很强，性价比很高，功能灵活，人机对话方便。但是单片机也存在一些问题，用它输出波形时，要么频率不够精确，要么波形出现失真，所以在设计的时候应衡量利弊，根据需要恰当的使用，得到想要的结果。3. 由FPGA产生信

27、号，由FPGA实现波形的输出，主要由以下几部分构成:键盘电路、LED显示电路、FPGA、D/A转换电路以及滤波器。原理是利用DDS技术将频率合成通过FPGA芯片单元产生正弦信号，这种技术是目前较为流行的一种。系统设计结构如图1-2所示。图1-2 系统总体设计结构DDS技术通过FPGA后，产生更为灵活的调制方式，组合各异，而且同时将多个DDS芯片一起工作，集成度更高，同时FPGA可以很好的控制DDS芯片的各种功能，调节速度和频率等，还可以降低国外对高性能DDS芯片禁运的风险。但FPGA的稳定性和相同条件下的布线成功率较差。4.由DDS技术产生信号，目前很流行的一种数字化处理的频率合成技术一DDS

28、技术。这种技术应用到波形ROM器、D/A转换器、相位累加器和低通滤波器四种电路。这种技术附加了时钟，输出信号的频率取决于这个时钟的频率，累加器位数决定了频率分辨率，ROM的地址线位数决定了相位分辨率，D/A转换器位数以及ROM的数据位字长共同决定幅度量化噪声的大小。DDS技术的原理图如图1-3所示。图1-3 DDS技术原理DDS技术的主要优势在于频率的转换基本不需要时间；频率的分辨率很高；有连续变化的相位；输出信号的波形多样化；噪声低、温漂低；易集成、易于调整。它的不足主要表现在输出频带范围有限；输出杂散大。用5 5 5定时器产生波形的工序繁琐，很容易出现问题；用单片机输出波形时，要么频率不够

29、精确，要么波形出现失真；用FPGA产生波形的稳定性和相同条件下的布线成功率较差；用DDS技术产生的波形输出频带范围有限，而且输出杂散大。正是由于以上技术的这些不足，本论文采用文氏桥电路来设计正弦信号发生器。能有效的解决以上技术的问题，能使输出的正弦信号稳定平滑精确度高，而且易于调节输出的幅度和频率。只要较好的选用和调节其中的放大电路，就会使输出结果良好。产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或用模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。脉冲发生器主要由主控振荡器、延时级、脉冲形成级、输出级和衰减器等组成。主控振荡器通常为多谐振荡器之类的电路，

30、除能自激振荡外，主要按触发方式工作。通常在外加触发信号之后首先输出一个前置触发脉冲，以便提前触发示波器等观测仪器，然后再经过一段可调节的延迟时间才输出主信号脉冲，其宽度可以调节。有的能输出成对的主脉冲，有的能分两路分别输出不同延迟的主脉冲。完全随机性信号是在工作频带内具有均匀频谱的白噪声。常用的白噪声发生器主要有：工作于1000兆赫以下同轴线系统的饱和二极管式白噪声发生器；用于微波波导系统的气体放电管式白噪声发生器；利用晶体二极管反向电流中噪声的固态噪声源（可工作在18吉赫以下整个频段内）等。噪声发生器输出的强度必须已知，通常用其输出噪声功率超过电阻热噪声的分贝数（称为超噪比）或用其噪声温度来

31、表示。噪声信号发生器主要用途是：在待测系统中引入一个随机信号，以模拟实际工作条件中的噪声而测定系统的性能；外加一个已知噪声信号与系统内部噪声相比较以测定噪声系数；用随机信号代替正弦或脉冲信号，以测试系统的动态特性。例如，用白噪声作为输入信号而测出网络的输出信号与输入信号的互相关函数，便可得到这一网络的冲激响应函数。用白噪声信号进行相关函数测量时，若平均测量时间不够长，则会出现统计性误差，这可用伪随机信号来解决。当二进制编码信号的脉冲宽度墹T足够小，且一个码周期所含墹T数N很大时，则在低于fb=1/墹T的频带内信号频谱的幅度均匀，称为伪随机信号。只要所取的测量时间等于这种编码信号周期的整数倍，便

32、不会引入统计性误差。二进码信号还能提供相关测量中所需的时间延迟。伪随机编码信号发生器由带有反馈环路的n级移位寄存器组成，所产生的码长为N=2-1。信号发生器用来产生频率为20Hz200kHz的正弦信号（低频）。除具有电压输出外，有的还有功率输出。所以用途十分广泛，可用于测试或检修各种电子仪器设备中的低频放大器的频率特性、增益、通频带，也可用作高频信号发生器的外调制信号源。另外，在校准电子电压表时，它可提供交流信号电压。低频信号发生器的原理：系统包括主振级、主振输出调节电位器、电压放大器、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器（输出变压器）和指示电压表。1.4 本文的内容安排论文通过对信号发生器的研

33、究背景和国内外发展现状的总结，归纳出几种常见的产生正弦信号的方式，基于其产生正弦信号的优势和不足，设计一个由放大电路、反馈电路、稳幅电路和选频电路组成的文氏桥正弦信号发生器。论文的主要研究内容如下:1.阐述正弦信号发生器的构成及产生原理和文氏桥电路的基本构成及工作原理，并提出常见的失真问题及相应解决方法。2.设计基于文氏桥电路的正弦信号发生器的电路结构，并对文氏桥电路中的放大电路、选频电路、反馈电路和稳幅电路进行模块设计。对放大电路的输入级电路、输出级电路、补偿电路、偏置电路和电流源电路进行设计。3.对其中放大电路中的开环增益、带宽、相位裕度、共模抑制比和电源抑制比进行仿真，通过仿真结果分析了

34、这些参数对输出正弦信号频率、输出摆幅和失真问题的影响。最后得出了完整的正弦信号。第2章 正弦信号发生器电路基础理论 在很多领域都要用到精度很高的正弦信号，常应用于智能仪器仪表的检测电路中，而且可以用作电路的检测、基准输入输出信号的测量和载波信号的测量等。为了得到精度高且稳定的正弦信号波形，使整个电路的每一部分都做到最优是必要的。其中的运算放大器是决定产生波形的好坏，是整个波形发生器的核心模块。运放中反馈系统的精度是由开环增益决定的，转换速率大的响应好。这些都是运放对输出的影响条件。2.1 正弦信号发生器的构成正弦信号发生器主要由主振器和电压放大器构成。 1.主振器：主振器起到的作用是自激或者通

35、过外界的激励引起振荡，产生波形信号，现阶段最受欢迎的正弦信号发生器大多采用文氏桥振荡电路，此电路有选频稳幅等优点，可以通过调节相应的器件参数，来实现预计的结果。文氏电桥又称文氏电桥振荡电路，是利用RC串并联实现的振荡电路。它是由放大电路和选频网络两部分构成。集成运放组成的电压串联负反馈放大电路的特点是输入电阻高、输出电阻低。文氏桥振荡电路有很多优点:输出信号的振幅稳定度高、频率易于调节且可调范围广以及失真度较小等。这种电路大多工作在低频环境中，主振器中经常用到它。主振器的作用就是复制一个与低频信号，输出频率一样的正弦波。 2.电压放大器：电压放大器的任务是使电压放大的同时，控制电压不至于一次性

36、过高，即缓冲作用。为了能让后级电路正常工作，前级放大电路的缓冲尤为重要，一般采用源跟随器作为缓冲，也称为电压跟随器。在实验之前，要设计想要达到的输出电压，即放大倍率。因为主振器的输出电位变化会影响电压放大器的增益，所以放大器有一个较高的输入阻抗是很重要的。同时电压放大器要具有低输出阻抗来达到一定的带负载能力，目的是在输出衰减时不会影响到电压放大器的输出。较宽的频带、稳定的工作和较小的失真能让信号发生器适应宽频带的要求。2.1.1 文氏桥电路的原理在电子系统中最常用的信号源是正弦波。输出正弦波振荡电路的频率是有差异的，输出信号的频率低叫做低频振荡，通常采用RC电路；输出信号的频率高叫做高频振荡，

37、通常采用LC电路。文氏桥振荡器是一种引用非常广泛的正弦波RC振荡器，广泛地应用于测量、遥控、通讯、自动控制、热处理和超声波电焊等加工设备之中，也作为模拟电子电路的测试信号 文氏桥振荡电路有很多特点和优势，例如产生的波形良好、振荡频率方便可调、振荡和输出波形稳定等。文氏桥振荡电路有很多特点和优势，例如产生的波形良好、振荡频率方便可调、振荡和输出波形稳定等。因为正反馈电路是不稳定系统，那么整个电路到底表现为正反馈，还是负反馈要取决于正反馈和负反馈哪个更大。负反馈增益由公式2-1给出。 (2-1)正反馈增益由公式2-2给出。 (2-2)总增益由2-3得到。 (2-3)上式中o =1/ 2RC，先定性

38、分析:频率无穷低时，即趋于零时，o/趋于无穷大，总增益趋于零。频率无穷高时，即趋于无穷时，o/趋于无穷大，总增益趋于零。直观判断是一个带通网络，事实上的确如此，并且增益的峰值出现在 = o。此时A(jf)=(1+ Rf /R1 )/3。即:A(jf)是实数，也就是说，频率为o的信号经过环路一周后，其相移为0°。Rf /R1，的值不同时，电路出现下述三种情况:1. A<1时，假如电路有一个振荡信号，振荡信号每经过环路一次，信号被衰减，负反馈大，电路是稳定系统，最终振荡趋近于零。2. A>1时，假如电路有一个振荡信号，振荡信号每经过环路一次，信号被放大，正反馈大，电路是不稳定

39、系统，出现幅度不断增大的振荡。3. A=1时，负反馈与正反馈基本相等，电路为中性的稳定状态，出现振荡信号时，频率为o的信号分量维持原有大小，无限的持续下去。显然，上述电路还会有问题，实际不可能做到A=1，振荡器的输出幅值不可控。为此最好是开始时，振荡幅值足够大之前时A>1，振荡幅值达到预定的幅值之后A=1，显然这样的电路需要加入一些非线性环节。性能指标如公式2-4和2-5 。 输出电压频率 (2-4) 比例系数 (2-5)2.1.2 文氏桥电路的结构RC振荡电路是由选频网络和放大电路构成的，其中放大电路一般采用集成运放。RC串并联选频网络接在运算放大器的输出端和同相输入端之间，构成正反馈

40、，接在运算放大器的输出端和反相输入端之间的电阻，构成负反馈。正反馈电路和负反馈电路构成了文氏电路的电桥。如图2.1中的电路所示，文氏桥振荡电路由两个“桥臂”构成，R1， RF构成负反馈桥臂，并联RC网络和串联RC网络再串联构成正反馈桥臂。也就是说，文氏桥振荡器既有正反馈，又有负反馈。电路如图2.1所示。图2.1 文氏桥振荡电路图在图2.1中，文氏桥电路由三部分组成:放大电路、反馈网络和选频网络。在文氏桥电路中，放大电路的设计尤为重要，也是波形产生好坏的直接因素，放大电路的增益、频率带宽、共模抑制比(CMRR， Common Mode Rejection Ratio)、电源抑制比(PSRR， P

41、ower Supply Rejection Ratio)、摆率等因素直接影响输出波形的频率，连续性以及失真度等。所以要想产生好的波形，就要对放大电路进行详细的分析和设计。1.运算放大器的分类运放划分种类的方式有很多，就参数而言，将其划分为以下几种:通用型运算放大器:口常生活中，最常用到的就是这种运放电路。它有很多的优势，由于每个器件的成本低，所以可以大量生产用于生活方方面面，它的性能指标也具有普遍的实用性。市场上比较常见的通用型运算放大器有LM358(两路运放电路)、LM32(四路运放电路)以及UA741(一路运放电路)，随着科技的发展，这种电路的适用面积会越来越广。高阻型运算放大器:就是输入

42、阻抗较高，导致输入电流也随之下降，通常情况下，电流可以小到几十皮安甚至几皮安。为了使输入阻抗尽量高，我们用场效应管做为输入级电路，这样不仅能提高输入阻抗，也能降低偏置电流，对于电路的运行速度也有很大的提高，带宽更宽噪声更低也是这个电路的优势所在。这个电路也存在不足，电路输入的失调电压大。市场上比较常见的高阻型运算放大器有很多:CA3130 ，CA3140 ， LF355 ，LF347(四路运放电路)和LF356等。低温漂型运算放大器:为了让放大电路的电压失调率尽量小的同时电路的性能又不会受到温度的影响太大，目前在弱信号检测和精密仪器的电路中大多使用低温漂型运算放大电路。高速型运算放大器:随着集

43、成电路的进一步发展，有很多高科技含量的地方会用到宽的频率响应以及具有高的转换速率的放大电路，通用型集成运放电路己经不能完全满足这种需求。生活中用到的视频放大器以及一些快速D/A和A/D转换器，都需要高的SR的同时还要有较宽的带宽和较大的增益。市场上比较常见的运放有UA715和LM318等。这些电路根据需要把SR基本设计到5070V/us，单位增益带宽在20MHz以上。低功耗型运算放大器:随着电路科技的发展，电路的集成度越来越高，产品的尺寸也越小，产品也越发便于携带，这时用到的电源也要尽量减少，避免电流功耗过大损伤电路。目前市场上比较常见的低功耗型运放有很多，如TL-060C和TL-022C等都

44、是。这种电路实际工作在±2V±18V的电压下，电路的电流大约控制在50mA250mA，这样算来电路消耗的功率应该在微瓦级。就像型号为ICL7600的运放工作在1.5 V电压下，产生的功耗也才只有l0uW，完全可以用一节电池来对它进行持续供电。高压大功率型运算放大器:就是高压下工作，输出功率大的运算放大器，这种电路有一定的局限性，即电源电压会影响输出电压的大小四。在通常情况下运放的输出电压在几伏到几十伏，电流也在毫安级别，所以搭建辅助电路来增加运放的输出电压和电流。为了能得到集成度更高的放大电路，就用高压大功率型运算放大器来代替原有的电路和外围电路，这样既能使输出的电流和电压

45、增大，又可以缩小电路的尺寸。2. 放大器的性能文氏桥电路对单位增益带宽的要求不高，其原因是利用文氏桥电路产生的正弦信号的频率比较低，一般会在几万赫兹，甚至更低；但是这种电路对输出摆幅和开环增益有比较严格的要求，通常情况下，为了让输出信号有较低的失真，就得让电路的放大倍数增加，同时运放的输出摆幅越大，输出的正弦信号的摆幅就越大。对于产品中的线性电路部分大多为运放结构，最常见的结构为两级运放。首先决定想要制作的电路，然后考虑电路的功能、所需的性能等，最后进入集成电路挑选阶段。一般不要选择比所需性能还要高的品种。产品性能越高，成本也越高，设计和使用时必须注意的事项也就越多。主要集中在DC电压增益、D

46、C失调、小信号频率响应、转换速率和带宽的限制等几个方面。这些因素会影响到输出正弦波的摆幅和质量。a.信号的频率和开环增益运放中反馈系统的精度是由开环增益决定。小信号带宽通常被定义为单位增益频率u。在一定范围内，可以通过对电路结构和参数的调节使得频率和增益达到峰值，但是达到峰值后，频率和增益相互制约，因此根据需要调节好频率和增益是非常重要的。从运算放大器的规格上可以看出开环电压增益凡A o l =200000倍(106dB)等数据。从这个数据可以看出这是一个具有很大电压增益的放大器。但另一方面，要观察频率与开环电压增益的曲线。要保持增益很大，频率需限定在10Hz左右。随着频率的增高，增益以1/1

47、0(-20dB/10倍频程)的比例下降。也就是说，增益很大是针对直流而言的。运算放大器加反馈后闭环增益为40dB(约100倍)。在40dB的范围内可使用的频率10kHz。在l0kHz以上频率每上升10倍，增益就下降10倍，这是无反馈的情况。求得加反馈后闭环增益为40dB，反馈系数，从而得环路增益A=*Aol20000可以画出这一环路增益变成了1倍(0dB)，40dB可使用频率上限为100Hz 。b.转换速率如果将运算放大器当作电压跟随器来输入方形脉冲，输出电压产生的延迟量，即V/t(V/us)被定义为转换速率。转换速率直接影响输出响应，也会影响到产品的整个运行速度和使用速度。这里必须注意的是通

48、用运算放大器的转换速率。性能会因厂家的不同而不同。转换速率是随着电路的闭环增益的变换而变化的，同时电源电压也会影响转换速率的大小，通常情况下转换速率是随着温度的上升而下降的。在采用外部补偿的运算放大器中，通过外部补偿的方法甚至可以得到比标准补偿大20倍左右的转换速率。正弦波通过不同转换速率的放大器后得到的输出波形不难看出，转换速率大的响应好。c.失调电压、电流失调电压和电流会影响放大电路的输出摆幅，同时也会影响正弦波的失真度。运算放大器在处理直流信号时可能会出现问题，但是对于交流信号来说是不会有什么问题的。对于大的失调电压当然不能使用，所以还需选用失调电压小的运算放大器。采样保持电路中，偏置电

49、流存在问题通过计算保持时间就会知道，1mV的电压变化量只能保持0.5 s左右。除这一些需要注意外，还有其他如温度系数等事项需要注意。d.共模抑制比和电源抑制比在差分放大电路中，差分电路的增益是单边电路的2倍，电路存在不是严格对称的情况，这种微小的误差导致输出结果不稳定或出现失真，同时也会使放大倍数达不到明显提高；引入一种能衡共模信号的抑制与差模信号的放大的量，叫做共模抑制比，其单位是dB。在理想情况下，电路的CMRR是趋于无穷大的，这时的放大电路也是理想的运放，但是在实际电路中，不可能达到完全的对称效果，只能尽量让共模增益降低，同时尽量让差模增益上升，达到让共模抑制比尽量高的效果。差模信号越强

50、，电路的放大倍数也就越大，电路越对称共模增益就会无限的趋近于零。一个共模信号对电路本身的影响，是注意电路的对称性，电路结构越对称，电路受共模干扰的程度就会越小，这种影响也称作共模抑制比，目的就是让共模抑制比增大。PSRR是输入电源变化量(以伏为单位)与转换器输出变化量(以伏为单位)的比值，常用分贝表示。一般称实际电源的电压的百分比变化除电压在满量程状态下的百分比变化为电源抑制比。电源电压的一次抖动会对信号的输出产生一定的影响，所以为了实现一个相对质量较高的D/A转换电路，通常要求有较大的PSRR。电源电压的一次轻微抖动会对输出波形造成一定的影响，PSRR越大表示电源的变化对输出结果的影响越小。

51、这样对于电源和运算放大器的设计显得更外重要(通常较多用LDO线性电源给运放供电)。 PSRR是在单位闭环增益情况下得到的，因此在负反馈应用中引起的输出变化需乘以闭环增益。e.输出摆幅在电路输出为电压量的时候，外部量对输出电压的影响称为输出摆幅。无源器件的输出摆幅是指从负电位变化到正电位。有源器件的输出摆幅是指绕着一个固定的电位做上下的浮动，这种浮动有一定的幅值。而摆幅的具体数值等于浮动的最大值减去浮动的最小值。摆幅的大小直接影响信号波动的情况，摆幅越大越容易得到电路输出的有效值。2.2 正弦信号产生的原理2.2.1 产生自激振荡的原理电路能否产生自激振荡与反馈有关。负反馈能使放大电路的各项指标

52、变得优异，反馈的值|1 + AF|越大，改善的程度越好。对于多级的运放电路而言，负反馈太深可能变成正反馈而引起自激振荡，电路虽然改善，但是引起了振荡。因此电路不需要有信号的输入就能输出波形信号。这些信号的幅值和频率是可以调节的。用反馈的表达式来表示带有负反馈的放大电路可得到放大电路的增益为如公式2-7所示。 (2-7)若1+AF=0，那么A二二，这时不需要有任何输入信号，就产生输出信号，这就证明了电路产生了自激振荡。根据上述分析，产生自激振荡的条件为1+AF=0，即为公式2-8。 (2-8)将公式2-8表示成模量和相角的形式为公式2-9和2-10。 |=1 (2-9) (2-10)公式2-9是

53、电路产生自激振荡的幅频条件，公式2-10为相位条件。对于负反馈放大电路来说，|1+AF|>1，也就是说|AF|<|A|。在中频段，对于放大倍率和反馈系数都是频率的函数，它们都随着频率的变化而发生改变；在高频段或者低频段时可能出现|1+AF|<1或者|1 + AF| =0的情况，这时的负反馈就变成了正反馈，进而有了自激振荡的产生。从自激振荡的两个条件看，相位条件在通常情况下是占主导地位的。一般来说只要能满足相位条件，同时|AF | 1，这样就会让放大电路出现自激振荡的现象。如果|AF |>1信号经过反馈进行不断的放大，输出的信号幅值也越来越大，通过在稳幅结构中将信号的幅值

54、稳定到特定的幅值。为了判断电路是否发生振荡，我们通过观察AF的波特图中的幅值和相位，来得出此电路是否满足自激振荡的条件。如图2.2所示。图2-2 产生自激振荡的AF波特图从图2-2可以看出，当=o时，AF的相位移为-180度，在频率不变的情况下，对应的对数幅频特性位于横坐标之上，就是20log|AF |> 0，或者|AF |> 1，当=o时电路满足发生自激振荡现象的两个条件，这样就说明能够自激振荡。2.2.2 信号的放大和反馈如图2-3所示，信号Xi经过一个放大环节A放大后得到放大信号Xi=A×Xi。图2-3 信号放大如果在上图中加一个反馈环节，如图2-4所示:图2-4

55、带反馈的信号放大X0经过反馈环节F后得到反馈信号Xf =A×F×Xi。当反馈信号Xf与输入信号Xi幅值和相位都相同时，即以Xf作为输入Xi，则可以在输出端维持原有的信号Xo，也就是自激。所以，要使得图2-5中的系统平衡，则应有AF=1，即|AF|=1(幅度平衡条件)且a + f=2nPI(n为整数)a和a分别为A、F的幅角，此式说明反馈环节F是一个正反馈。AF=1是振荡平衡的条件，也就是可维持等幅振荡输出；如果AF<1，则电路的振荡输出将越来越小，直到停止振荡；如果AF>1，振荡电路的输出将越来越大，直到电路中器件达到饱和或者截止。所以电路维持等幅振荡的唯一条件

56、是AF=1。2.2.3 振荡的建立和稳定对于一个正弦波振荡器来说，有一个选频网络，所以振荡电路只可能在某一个频率o下满足相位平衡的条件。放大电路中存在噪声或干扰(例如接通直流电源时电路中就会产生电压或者电流的瞬变过程)，它的频谱范围很广，必然包括振荡频率的分量。这些噪声和干扰经过选频网络选频后，只有o这一频率分量满足相位平衡条件，只要此时AF>1则可以增幅振荡，将此信号放大，建立起振荡。而除了o之外的其他频率的分量则衰减。所以电路起振的条件为AF>1且a + f=2nPI(n为整数)。除了要求电路的相位满足条件之外还要满足|AF |>1。从AF>1到AF=1:接通电源后

57、，频率为o的分量将逐渐增大，当幅值达到一定程度后，放大环节的非线性期间就会接近甚至进入非线性工作区(饱和区或者截止区)，这时候放大增益A将逐渐下降，输出波形产生失真，所以经过选频网络后其输入也将随之下降。形成失真振荡。所以为了避免失真振荡，应尽量避免放大器件进入非线性工作区。解决办法是在放大器件在没有进入非线性工作期前加稳幅环节，使AF从大于1逐渐减小到1，从而达到稳幅振荡的目的。分析电路图及其原理不难发现:随着电路放大倍数的不断提升，当值超过3时，电路中器件本身产生的噪声也在不断扩大，由于正反馈的存在，使得信号的振幅持续增加，一次引入选频网络来选择单一频率的信号，将其它频率信号过滤出去，输出唯一一条频率为=1/2RC的信号波形。为了让电压的摆幅稳定下来，运用了两个二极管作为稳幅作用，这样有效的防止了输出失真的情况，放大电路是由两部分构成:一是运算放大器，二是由电阻和电容组成的负反馈网络。为选频网络定义一个特征频率，即公式2-11。 (2-11)其中选频网络的幅频特性用式2-12表示。 (2-12)即公式2-13。 (2-13)