设计RC正弦波振荡器的优化方案

1.设计简单电路的主要流程

设计简单电路和复杂系统有所不同，简单电路往往有固定几种方案可供选择。在设计类似振荡器这样的常见电路单元的时候，一般根据电路的功能和技术指标选择成熟的电路类型，比如普通低频场合首选RC振荡器，一般高频场合首选LC振荡器，对稳定度要求高的场合必选石英晶体振荡器等。

在确定电路类型后，要确定电路结构，电路结构非常重要，不过，常见的电路结构都已经非常成熟了，优点和缺点都很明确，如果没有特殊需求，很容易选择。

电路结构确定后，就要计算和选择元器件参数，成熟电路的计算都可以直接套用公式，困难的是选择元器件参数，主要是没有经验，不知道应该选用元器件的参数大致范围，这可以通过参考别的电路设计图进行借鉴学习来提高设计水平。

有了电路结构和元器件参数，就可以绘制出原理图了，原理图设计完成。在设计原理图过程中，仿真软件的使用是必要的，仿真软件的合理使用能够大大降低电路设计失败的风险，提高设计效率，降低工作强度。

广义的电路设计不仅是设计原理图，还需要将原理图细化成实用电路图。比如，在设计原理图时，计算出某个电容需要1微法，直接标在原理图上就可以了，但实际安装电路时就要面临很多问题：这个1微法电容耐压应该是多少？有没有正负极性的要求？用瓷片电容还是用电解电容？体积大小重要不重要？还有很多类似问题，这些问题都考虑清楚了，才算完成了实用电路图。在设计实用电路图时往往还需要考虑电磁兼容性、系统稳定性等因素，批量生产的话，还需要绘制印制电路板的版图。

另外，广义的电路设计还包括工艺设计，就是安装、调试的过程是怎样的，详细内容相当复杂，此处不赘述。

2.电路结构设计

按照本项目要求，振荡器需要能输出有效值1V、频率5kHz正弦波，幅度和频率可以微调。这个频率属于低频范畴，所以首选RC振荡器。电路结构就采用改进后的RC振荡器结构，如图6.12所示。

项目要求频率可以微调，根据公式

可知，改变振荡器电阻阻值或者电容容量都可以调节振荡器输出信号的频率。那么，是改变电阻合理呢？还是改变电容合理呢？还是两者都改变更好呢？通常一个电路越简洁越好，因为电路越简洁，一般来说，电路可靠性越好，越省电，体积越小，成本越低，越易于维修。所以，同时调节电容和电阻显然不如只调一种好，除非只调一种不能满足频率范围的要求。

那么，只调一种是调电容好，还是调电阻好？通常可调电容的调节范围较窄，能调节范围较大的电容往往体积也非常大，而电阻在这些方面优势明显。根据公式可知，两者在改变频率方面的贡献相同，所以应该选择调节电阻的方案。

振荡器输出信号的幅度调节是个难题，通过前面的学习和仿真可以知道，振荡器的输出信号幅度主要由电源电压和运放的自身参数决定，难以调节大小。常见的电路输出幅度调节方案有两种：一种方案是通过电阻衰减实现的，例如，收音机的音量调节就是内部采用了一个电位器，利用电阻分压对信号进行衰减输出；另一种方案是调节后级放大倍数，从而改变输出幅度。在振荡器的电路里一般都是采用后一种方案，原因在于调节振荡器的负载容易改变振荡器的工作状态，造成振荡器工作不稳定。采用调节放大倍数方案的电路如图6.17所示。当然也可以在振荡器后面加一级隔离电路。例如，电压跟随器，在电压跟随器后面再用电位器对信号进行衰减，如图6.18所示。

图6.17　改变放大倍数方式

图6.18　电位器衰减方式

对比这两个电路可以发现，两者使用的元器件数量和种类一样多，复杂程度一样，不过，图6.17可以调节放大倍数，使后级总输出高于前级振荡器的输出，而图6.18的总输出幅度只能低于前级振荡器的输出，这是由电阻衰减的特性决定的。

两个电路最末级都采用了电压跟随器提高带负载能力，这不是必需的，在某些场合可以省略。对于LM324而言，里面有四个运放，如果有富裕的运放，可以考虑使用电压跟随器进行级间隔离，能够增加系统的稳定性，便于系统调试。

3.元器件参数选择

设计一个电路时，很重要的一个问题就是如何选择元器件参数。在一般的运放电路里，欧姆级电阻就是很小的电阻了，百欧级、千欧级常用，兆欧级电阻是非常大的电阻；皮法级电容是非常小的电容，纳法到微法级电容比较常用，几百微法的电容是很大的电容；常用电感一般是毫亨级的，亨利级的电感非常笨重，微亨级电感常用于高频电路。

按照项目要求的谐振频率fo＝5kHz代入公式，可求得

RC＝3.18×10－5　s

式中，RC的单位为秒（s），代表频率的倒数。(www.xing528.com)

如果假设电阻R取1kΩ，则电容C＝32nF，必须注意到电容系列标称值里没有32nF这个数值，因此不能在电路图里标注这个数值。由于电路采用通过电阻调节频率的方案，所以电容值有偏差也没问题，电容可以选择33nF或者30nF。电阻可以选用2kΩ电位器。

另一种方法是先确定电容的大小，比如电容C取0.1μF，则电阻R＝318Ω，可以选择500Ω电位器，也可以选择1kΩ电位器。

R3、R4、R5、R6、R7都选用千欧级电阻或电位器，其中振荡器起振的幅度条件要求

R3＋R5＞2　R4

由于在±5V电源下振荡器的输出能在0.6～1.3V调节，所以后级同相比例放大电路的放大倍数没必要太大，有1～2倍的调节范围就能满足项目要求，R6＝R7即可。

两个二极管选用导通压降在0.6V左右的普通二极管就可以。

4.绘制电路图并进行仿真

选定元器件参数后就可以利用仿真软件进行仿真，在仿真时可以调节元器件参数，观察电路效果。仿真电路如图6.19所示。

图6.19　RC振荡器仿真电路图

实际操作2：RC正弦波振荡器的制作与调试

（1）按照表6.1所列元器件和耗材进行装接准备工作，对元器件进行检查测试。

表6.1　RC正弦波振荡器耗材清单

（2）按照电路图6.19安装、焊接元器件，剪去多余引脚，检查焊点，清除多余焊渣。

（3）通电前检查有无短路情况，电路连接是否可靠，元器件有无错装、漏装现象。

（4）通电检查，应密切注意观察有无煳味、有无冒烟或集成电路过热等现象，一旦发现异常应立即断电，断电之后详细检查电路。

（5）通电检查没问题后，先用示波器观察LM324的1脚是否有输出信号，信号波形如何，幅度如何。如果没有正弦波输出，说明振荡器没有起振，应先调节R5，如果调节无效，则应检查电源电压是否为5V双电源，电路连接有无错误，集成电路有无损坏等情况。

如果有正弦波输出，应调节R5，尽量使波形不失真。然后调节R6，使电路总输出信号有效值达到1V，如果调节R6不能使输出信号有效值达到1V，应再调节R5减小前级信号。

（6）通过调节R1和R2改变振荡器的振荡频率，用示波器观察信号波形变化，用交流电压表测量各运放输出引脚的电压有效值并记录，用频率计（或示波器）测量输出信号的频率变化范围。

（7）将项目二中制作的小信号放大器的话筒去掉，用本电路的输出与小信号放大器的输入相连，调节RC振荡器输出信号的幅度和频率，使用示波器观察小信号放大器的输出。如果有条件，使用失真度测量仪测量电路各处的失真情况。

（8）通过扬声器直观体验各个频率的声音效果。

（9）尝试采用项目一中制作的直流稳压电源给本项目制作的电路供电。

（10）尝试将本项目与项目二、项目三制作的电路连接起来，用扬声器直观体验不同频率的声音。