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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1000μF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,~5Hz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=24kΩ,计算所需电容值Ci=。根据式(3)计算电容倍增数为49, 确定电阻R2取2MΩ,计算出R1=,取R1为43kΩ。各运放同相端的直流平衡电阻R3经过计算都取43kΩ。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2kΩ,为使振荡电路稳定工作,电压放大倍数为40倍,取R5为10kΩ,为调试方便,R6为470kΩ电阻串一个100kΩ的电位器,平衡电阻R