【参赛】超低失真的正弦波振荡器

d3b7

    做一个低失真正弦波振荡器的想法由来已久了，但直到我了解了陷波滤波器之后，才把这一制作计划提上日程。制作1kHz的超低失真振荡器并联同1kHz的陷波滤波器一起使用，可以用来测量音频电路在1kHz处的谐波失真。一般的ADC和DAC对于-100dB以下THD的要求还是很有难度的，但做一个THD -120dB的模拟振荡器，仔细点还是可以实现的。

    我采用的电路来自日本人黑田彻所著的《晶体管电路设计与制作》一书，电路图如下


    这是一个状态变量型的振荡器，振荡环路用了3个运算放大器，而且都工作在反向放大模式，没有共模失真。电路特点是还使用了JFET来控制振辐，带有失真消除电路。书作者制作的振荡器达到了-124dB的THD+N，相当不错的水平。
   
    我的仿制就按照这个电路来的，少部分元件参数有调整。1S1588用1N4148代替，时间常数的决定元件我用的是 0.01uF 聚苯乙烯电容和 16k 金属膜电阻加20欧多圈微调电位器。运放 U3 因为手头没有TL071装的时候就临时找了拆机的LF351顶替了。电路图及PCB版图我用Eagle这个免费软件来进行辅助设计。布局也大致按照原作的PCB图，不过我用了双面板。



    第一步是焊接测试，微调频率的多圈电位器暂不焊，用导线短接。运放不需要更换，就不用插座了。

    焊好后接上正负12V电源，用示波器看了一下输出。OK, 一次成功。


    然后简单看一下波形的状况，要请出音频测试用的采集卡了(Cirrus Logic CS5341为核心的ADC板板，24bit 96kHz采样)。把电源先调整到正负15V，拿表测了一下振荡器的输出电压，是8.0Vrms. 接采集卡(或者声卡)需要衰减幅度，我用了9.1k电阻和1k电阻做个简单分压，这样信号输入到CS5341刚好接近满幅。用CoolEdit软件分析采集的音频：

    这是个蛮好的结果了，2次和3次谐波都在-110dB以下的水平，其实可以怀疑这个谐波是采集卡内部产生的，因为CS5341手册上标的THD也不会有这么好。要知道这个振荡器真实的谐波水平，就必须用陷波滤波器了。

    为了使用陷波滤波器(早几个月前制作的，不过只做了无源的部分相关帖子)，需要把振荡器和陷波滤波器的频率调整到一致，这就是个精细活了。我更换了一组电容，一组电阻(试了两次)才成功，多圈电位器手头没有50欧的所以用的20欧，调节范围只有1.25Hz很窄。最初装的时候输出频率是1008.2Hz, 但我的陷波滤波器中心频率在1001.2Hz, 光靠微调电阻不够，就得换元件了。费了一番工夫终于可以覆盖目标频率了。

和无源双T型陷波滤波器连接


    再看一下接入陷波滤波器之后的频谱。因为基频被强力衰减，分压的电阻不需要了，从陷波滤波器输出直接连到采集卡。

    因为没有放在屏蔽盒内，旁边还有工频变压器，干扰可以明显看到，不过和关心的频率没有冲突。注意这里1kHz的2次、3次谐波并不是采集卡引起的了，而是来自我的振荡器。因为ADC即使只有80dB的THD水准，造成的谐波幅度也在-140dB那里。图上最大的谐波在大约-102dB，比上面那个直接测的图里-114dB要高，是因为进ADC的电阻衰减取消了，信号高了20dB，和前一图对应的话相当于 -122dB.

    这个失真度看来还不错，不过调整失真性能的电位器 R15 到现在还没动呢。稍微调调，二次谐波还能显著降低。最后调整完毕（包括频率对准）的频谱测试是这样的

    估算各次谐波的幅度都在相对基波的 -140dB 以下了。准确的测量值需要校准陷波滤波器才能得到。不过准确值已经不是那么重要了，这个正弦波的失真度我已经很满意了。 后面有时间再做一个10kHz的，以及匹配的陷波滤波器。

apple199

高水平的实验，可以用来测量高保真音频放大电路的失真度了。电路板做的也很好，疏密有度，布局合理。使用3296W多圈微调电阻是我不喜欢的，没有破拆研究，不知道长期稳定性怎么样。

仙鹤

支持一下，不知成本多少。

hfgfang

可以做逆变器吗？

hyzqq

请教二楼，为何3296不妥呢？

dingqisheng

标准的正弦波！

仙鹤

这个正弦波发生器能不能输出100毫安电流？

shiuyipyuen

仙鹤 发表于 2015-1-10 00:22
这个正弦波发生器能不能输出100毫安电流？

不能.但可加放大电路实现

鞍山老于

左丹卢

不错，标准的正弦波！

zxy

现在也在看这本书 请问一下 这个电路能够制作的正弦波频率范围？如果换用高频的运放 是不是就可以制作较高频率的振荡器呢？

光栅

频率和幅度可调否？

d3b7

zxy 发表于 2015-7-8 20:28
现在也在看这本书 请问一下 这个电路能够制作的正弦波频率范围？如果换用高频的运放 是不是就可以制作较高频 ...

这个倒没有深究。用途本来就是给音频设计的，我做过接近20kHz的。高频没有需要追求这么低的THD吧？ 运放增益带宽高的话是可以制作频率更高的振荡器，但是电路的分布电感和分布电容影响要考虑进来了，我本人没有这方面的经验。
高频似乎用LC比用RC更合适。

d3b7

光栅 发表于 2015-7-23 20:37
频率和幅度可调否？

调频率外接电容电阻是可以的，PCB板上放不了那么多RC了。需要两组RC同步调谐，一般做法是用波段开关切换几组电容选择频率范围，用双联电位器再进行调节。
幅度调节可以在输出加音量电位器和放大器来实现，不建议改变振荡电路的幅度。

ek0228

文氏电桥+稳幅电路