音频信号发生器的设计

6.3.1　音频信号发生器的设计

1）概述

音频信号发生器是电子测量中不可缺少的设备之一。完成一个音频信号发生器的设计和安装调试，可以达到对模拟电路理论知识较全面的运用和掌握。模拟电路的实际安装调试技术也有一定实用价值。

音频信号一般是指频率在几百～几十千赫的正弦信号。

2）设计任务、技术指标和要求

完成一个音频信号发生器的理论设计，并用EWB（Multisim）进行模拟仿真测试，符合技术指标要求后再进行安装调试。其技术指标要求为:①频率范围（带宽）200Hz～20 kHz；②输出电压U_o≥2V（连续可调）；③非线性失真（在频率范围内）γ＜0.5%；④负载电阻R_L为30Ω。

3）方案选择与论证

根据课题任务及技术指标要求，所要设计的音频信号发生器有音频信号的频率调节范围要求，也就是要有一个能够在指定的频率范围内的正弦信号发生部分；同时对输出信号的电压和所带负载也有规定，也就是说对输出功率有一定要求，因此要有一个输出电路部分。所以，设计课题的总体功能框图见图6.3.1。正弦信号产生部分有下列实现方案:

图6.3.1　音频信号发生器总体功能框图

（1）以晶体管为核心元件，加RC（文式桥或移相式）或LC（变压器反馈式、电感三点式、电容三点式、晶振等）选频网络以及稳幅电路等构成的分立元件正弦波振荡电路。这种电路的优点是简单、廉价，但由于采用分立元件，稳定性较差，元件较多时调节也较麻烦。

（2）以集成运放为核心元件，加RC（文式桥或移相式）或LC（变压器反馈式、电感三点式、电容三点式、晶振等）选频网络以及稳幅电路等构成的正弦波振荡电路。这种电路的优点是更为简单，性价比较好，但频率精度和稳定性较差。

（3）以集成函数发生器为核心元件，加适当的外围元件构成正弦波产生电路。例如函数发生器ICL8038芯片加电阻、电容元件，在一定电压控制下，可以产生一定频率的方波、三角波和正弦波，图6.3.2（a）、（b）所示为ICL8038的引脚图及其构成的压控振荡器（VCO）原理图，改变8脚的电位（即调节R_P1）就可以改变输出的方波、三角波和正弦波的频率。该电路的输出信号频率为20Hz～20kHz。这种电路的优点是调节方便，在所采用的外围元件稳定性好的情况下，可以得到较宽的频率范围，且稳定性、失真度和线性度很好的正弦信号。

图6.3.2　ICL8038及其组成的压控振荡器

（4）利用锁相环（PLL）技术构成的高频率精度的频率合成器，其框图如图6.3.3所示。

图6.3.3　锁相环频率合成器

这种电路主要是利用锁相，即实现相位同步技术来获得频率高稳定度，且频率可步进变化的振荡源。图中，参考频率源可用晶振产生频率为f₁的信号，通过鉴相电路获得f₁与f_o/N的相位差，再通过低通滤波器变换为相应的控制电压，来控制压控振荡器的输出f_o的频率。可变分频器是为了获得输出信号的不同频率，当分频系数为N时，输出f_o为f₁的N倍。该闭环系统只有在f₁和f_o/N的频率和相位都达到一致时，系统才达到稳定，所以可以实现很精确的频率控制。

现在已有集成锁相环电路芯片，例如CC4046，辅以参考频率源、分频器等外围电路后，即可构成频率合成器。如图6.3.4所示。图中，74LS04和晶振电路提供32kHz的基准频率f_R，十进制计数器74LS90组成M分频电路，当S分别置于Q₃、Q₂、Q₁、Q₀时，获得的分频比为8、4、2、1；4位二进制计数器74LS191组成可预置数的N分频器，改变VD₃、VD₂、VD₁、VD₀可改变分频比N。输出信号频率变化范围为kHz＝（128～8）kHz，由于M有4种不同取值，N有16种取值，所以电路可提供4×16种不同的频率输出，即输出频率间隔分别为4kHz、8kHz、16kHz、32kHz，每种间隔又各有16种不同频率的信号。

图6.3.4　CC4046组成的频率合成器

（5）直接数字合成（DDS）正弦信号源。图6.3.5为DDS的原理框图。

由图可知，这是一种数字系统。其工作原理是将所需正弦信号的一个周期的离散样点的幅值数字量存于数字波形存储器（ROM或RAM）中，按一定的地址间隔（即相位增量）读出，再经D/A转换成模拟正弦信号，低通滤波器用来滤去D/A带来的小台阶以及其他杂波信号。改变地址间隔的步长，可改变输出正弦信号的频率。地址间隔由相位增量寄存器、加法器、相位寄存器及可编程时钟等数字电路系统产生，当相位增量M为1，累加器的字宽为16位时，输出地址对应于波形的相位分辨率为1/2¹⁶。当相位增量不为常数，而是随时间增加，则输出正弦信号的频率也由低变高。

图6.3.5　DDS的原理框图

DDS的频率精度和稳定度由系统的时钟决定。可以做到很高。DDS可合成产生任意波形的信号，只要把所需波形预先计算好并存于数字波形存储器中，DDS就可以合成出方波、三角波、各种调制波形和任意形状的波形。目前有专用的DDS集成电路芯片，其时钟频率最高可达1GHz以上，产生的正弦信号频率可达数百兆赫。

本课题对所产生的正弦信号的频率精度没有要求，再考虑模拟电路课程的基本内容和课程设计的目的，选择①和②方案较为合适。因为课题要求的振荡频率在几十千赫以下，应选择RC选频网络的正弦振荡电路（LC选频网络适合于振荡频率在1MHz以上的高频，RC选频网络适合于几百赫兹以下的低频）。输出电路部分有以下设计方案:

（1）射极输出器。这种电路的特点是电路简单，输出波形好，输入电阻高，输出电阻低，可对前级电路和负载起到隔离作用，同时带负载能力也强，虽然电压放大倍数近似为1，但电流放大倍数大，因此有一定功率输出能力。这种电路的缺点是由于三极管工作在甲类状态，因此效率低（低于50%）。在要求高功率、高效率的情况下，不能满足要求。一般用于输出功率和效率要求低的场合。

（2）BJT管OCL或OTL功率放大电路。这两种功率输出电路在选择合适的元器件和电源电压后可以设计出有较大功率输出，效率低于75%的技术指标来。这两种电路的缺点是调整比较费事，BJT功率管及电路的对称性不容易做到，因此，在要求高功率、高效率的情况下，波形很难达到理想。

（3）MOSFET管功放电路。MOSFET功率管要求激励功率小，因此可直接由前置级驱动而无须再加推动级；输出功率大，输出漏极电流具有负温度系数，工作安全可靠，无须加保护措施，因此比BJT管功放电路简单。例如图6.3.6所示的用大功率MOSFET配对管模块TN9NP10构成的OCL功放电路可实现:最大输出功率P_o≥25W，效率η≥65%，带宽BW＝20Hz～200kHz，失真系数γ≤0.2%的技术指标。

（4）集成功率放大器。目前已有很多公司生产出各种性能指标的集成功率放大器。只要根据课题技术指标要求选择合适的芯片，按照其手册给出的典型应用电路连接相应的外围电路即可。因此，在允许条件的情况下，选择合适的集成功放芯片来组建电路，一般都能完成功率、效率等技术指标要求。例如D2006就是一种内部有输出短路保护和过热自动闭锁的音频大功率集成电路，其主要参数为:电源电压±6～±12V；输入阻抗5MΩ；开环电压增益75dB；当电源为±12V，在OCL工作时，最大输出功率Po≥8W（负载8Ω）（或在4Ω负载上获得12W的功率）；失真系数γ为0.1%～0.2%。图6.3.7所示为用集成功率放大器D2006构成的OTL功放电路。

图6.3.6　MOSFET配对管模块TN9NP10构成的OCL功放电路

图6.3.7　用D2006构成的OTL功放电路

4）功能块的设计

（1）根据以上分析，正弦信号发生功能块选用以通用型集成运算放大器F007（μA741）为核心元件的文氏桥正弦振荡单元电路，因为该电路可做到频率调节范围较宽，波形较好。为了改善振荡波形，并使输出幅度稳定，拟选择场效应管组成的稳幅电路。

（2）为了提高电路的带负载能力，并使负载与振荡电路更好地隔离，输出电路采用射极输出器，并用恒流源做射极输出器的射极负载，以便使其工作更稳定，同时可进一步降低电路的输出电阻。

图6.3.8　正弦振荡电路原理图

5）单元电路的设计与元器件参数计算

（1）正弦振荡电路的设计如下。

电路原理图如图6.3.8所示。

①RC选频网络的计算:图中，电阻R和电容C的取值决定了振荡频率，即f＝1/2πR。本课题指标要求f＝200Hz～20kHz，为了提高调节精度，把f分为200Hz～2kHz和2kHz～20kHz两个频段，所以，选择2个电容作为粗调，分别为0.1μF和0.01μF，分别对应f在200 Hz～2kHz和2kHz～20kHz频段。根据C的值（如0.01μF）和各频段f_min（如2 000Hz）和f_max（如20kHz）求出R的最小值和最大值为:

选取680Ω电阻和10kΩ双连电位器串联作为R。

②选择集成运放时，主要考虑其闭环带宽是否满足技术指标要求。常用集成运放及其主要参数如表6.3.1所示。

表6.3.1　常用集成运放及其主要参数

选择CF741（μA741）为振荡器的放大器件，因为它的转换速率SR≥0.5V/μs，应满足下列要求:SR≥2πf_maxU_OP；f_h≥3f_max式中，f_h指运放闭环后带宽，本课题中f_max＝20kHz，U_op为运放输出正弦电压的峰值，U_op为射极输出器的电压放大倍数，此处取A_o＝0.8，计算得SR≈0.44V/μs，f_h≥60kHz。

③稳幅电路的设计与计算。一般文氏桥正弦振荡电路的稳幅电路——负反馈支路中集成运放反相输入端与地之间的电阻采用热敏电阻，图6.3.7电路用N沟道结型场效应管VT₁形成的压敏电阻Rds来代替热敏电阻，由于场效应管的漏源电阻R_ds在漏源电压较小时，工作于可变电阻区，此时的Rds可以看作一个线性电阻，而且，此时U_gs控制R_ds变化非常灵敏，Ugs越负（对于N沟道结型场效应管U_gs应≤0），R_ds越大，所以其稳幅作用比热敏电阻要好得多。其工作原理如下:

在电路刚通电时，输出电压U_o＝0，所以U_gs＝0，R_ds最小，由集成运放组成的同相比例放大电路（对选频网络送回的振荡信号放大）的电压放大倍数最大A＝1＋（R_F/R_ds），电路容易起振。随着U_o的逐渐上升，VD₁、VD₂、C₂组成的倍压检波电路在R₂两端形成一个上负下正且幅值逐渐上升的直流电压，即U_gs越来越负，R_ds也越来越大，A也就随着降低，直到A＝3，正弦振荡电路达到振荡平衡状态，输出U_o达到稳定。下面讨论元件的选择与参数计算。

选N沟道结型场效应管3DJ7F。因为电路中场效应管的U_ds由U_o通过R₁和R_ds分压后得到，而U_o是正弦信号，有正有负，所以应选择在零偏压附近对称性好的场效应管，否则会造成正弦波形的不对称。通过查阅手册，知N沟道结型场效应管3DJ7F具备此特性。而且，它的U_gs在—0.5～—1.5V时，R_ds（U_ds＝1V）≈1kΩ。

根据上面计算得知，运放输出电压U_op＝3.53V，而由手册查得3DJ7F只有在｜ΔU_{DS max}｜＜0.1V时，R_ds才是线性可变电阻，求得负反馈系数:

因此，在R_ds（U_ds＝1V）≈1kΩ时，求得R1≈34.7kΩ，取R₁＝39kΩ。

因为电路要求频带较宽，所以检波二极管VD₁、VD₂选用开关二极管2CK13。部分常用开关二极管的主要参数如表6.3.2所示。

表6.3.2　部分常用开关二极管的主要参数

图6.3.9　输出电路的原理图

为了得到较平滑的U_gs，检波电路的时间常数ι＝（R₂＋R₃）C₂要大一些，一般取z＝（R₂＋R₃）C₂＞10T_max＝10/f_min。本课题中的f_min＝200H_Z，若取R₂＋R₃＝200kΩ，求得C₂＝0.25μF，取C₂＝10μF，R₂＝160kΩ，R₃＝33kΩ。C₁为耦合电容，一般取C₁≥（3～5）C₂，所以取C₁＝47μF。

④R₄和R₅的选择计算。当振荡电路处于振荡平衡状态时，应满足图6.3.8电路中的以正反馈部分也必须采用分压电阻R₄和R₅分压。又因为RC选频网络的反馈系数为1/3，所以应满足关系:为了使分压器不破坏文氏电桥的对称性，应满足R₄＋R₅＞10R≈10×10kΩ，取R₅＝100kΩ，则取R₄＝8.2kΩ。

（2）输出电路的原理图如图6.3.9所示，其中VT₂、R₆、R₇组成射极输出电路，VT₃、R₈、R₉组成VT₂管的恒流源负载电路。由于恒流源电路具有直流电阻小，交流电阻大的特点，故可大大提高输出电路的输入电阻。

电路中，VT₂集电极接有R₇，其集电极交变电压经大电容C₄加到VT₃基极，所以会有以下规律:U_o2↑→I_E2↑→U_C2↓→U_B3↓→I_C3↓→I_L＝（I_E2－I_C3）↑，也就是说，采用这样的电路可进一步提高输出电流，即提高输出功率，也使输出电路具有更高的输入电阻，更低的输出电阻。

①VT₂、VT₃管的选择设计如下:因为技术指标规定U_o≥2V。所以输出电压峰峰值至少为设管的饱和压降U_CES约为2V，则VT₂管的U_CE变化范围至少为:

U_op－p＋U_CES＝（5.64＋2）V＝7.64V≈8V。所以，选VT₂的静态工作点U_CEQ2≈5 V，考虑到R₇的压降并留有余地，选电源电压V_CC＝15V，这样可和集成运放的正电源共用。

因为负载电流的最小值流过VT₂管的电流为:I_E2＝I_E3＋I_L，取其值为2I_Lmin＝13.4mA，所以VT₂电流的最小峰峰值为:mA。

所以，选VT₂的静态工作点I_CQ＝20mA。

根据以上分析，选取VT₂、VT₃的极限工作值应大于以下各值:I_CM≥2I_CQ＝40mA；BU_CE≥V_CC＝15V；P_CM≥I_CQU_CEQ≈20mA×5V＝100mW。

根据表6.3.3列出的常用BIT管的参数情况，可选高频小功率管3DG112D，其参数如下:P_CM＝200mW；BU_CE＝30V；I_CM＝60mA；β₂＝β₃＝50。

②计算偏置电阻

③恒流源电路的设计

恒流源电路采用直流分压式射极偏置电路，通过射极反馈电阻R₈的作用可使VT₃管的恒流特性稳定。取R₈＝56Ω。

因为I_CQ3≈I_CQ2＝20mA，设VT₂的饱和压降也近似为2V，则U_CE3的变化范围为2～8V。则:U_E3＝I_CQR₈＝20×56＝1.12V；U_B3＝U_E3＋U_BE＝1.12＋0.6＝1.72V；

为了使VT₃管的恒流特性稳定，流过其偏置电阻R₉和R₁₀的电流应比I_B3大得多，一般要求I_R9≥（5～10）I_BQ3，所以取:I_R9＝5×I_BQ3＝2mA；取R₁₀＝820Ω，则:取R₉＝6.8kΩ。

表6.3.3　常用BJT管的主要参数

④确定耦合电容C₃、C₄、C₅和R₇、R₁₁

C₃、C₄、C₅为极间耦合电容，选取时一般应满足下式:

其中，R为下一级负载电阻值，按最小值R₁₀＝820Ω计算，取系数为10，本课题中f_min＝200H_Z，则:

所以，C₃、C₄、C₅均取容量为33μF，耐压为25V的电解电容。

R₇的计算如下:U_CQ2＝U_EQ2＋U_CEQ2＝8＋5＝13V；U_R7＝V_CC－U_CQ2＝2V；R₇＝

R₁₁选5.1kΩ可调电位器，作为调节输出幅度用。

6）音频信号发生器的全电路原理图如图6.3.10所示。

图6.3.10　音频信号发生器的全电路原理图

7）EWB（multisim2001）或PSPICE模拟仿真设计调试

在EWB（multisim2001）或PSPICE工作平台下，建立图6.3.10电路图并进行模拟仿真。若是在EWB（multisim2001）平台下，可利用软件提供的虚拟仪器进行模拟仿真测试，观察记录测试结果。调试步骤如下:

（1）粗调全电路

若电路连接无误，接通电源后振荡电路即应起振，也即输出有正弦波形，可用EWB中提供的虚拟仪器——示波器进行观察。若无输出，应先将C₃断开，把虚拟示波器改接到振荡电路的输出端，检查振荡电路波形有无输出，若无振荡波形，则一般有两个原因，一是正反馈支路没有连接好，二是闭环放大倍数小，可首先加大R₁的值（可串联一个电位器进行调节），正常情况下应能调出正弦振荡波形来。

若振荡电路正常，再检查输出电路，用EWB提供的虚拟仪器——数字多用表测量VT₂、VT₃管的静态工作点是否与设计值相符，若有偏离可适当调节R₆。

两部分电路都正常后，再将C₃连通，此时输出应有正弦振荡波形。

（2）细调幅频特性

用EWB提供的虚拟仪器——波特图仪（即频率特性测试仪），可以测量和显示所完成的音频信号发生器电路的输出u_o的幅频特性和相频特性。改变R电位器阻值从最小到最大，输出U_o频率应满足200Hz～2kHz和2kHz～20kHz的频率范围，若低频端达不到要求，应适当加大R₄＋R₅的值；若高频端达不到要求，可适当减小R串联电阻680Ω的阻值。

（3）调节输出幅度

用EWB提供的虚拟仪器——示波器测量输出u_o在规定带宽内的幅度，在200Hz～2 kHz和2kHz～20kHz频率范围各选一个中间频率，例如分别选1kHz和10kHz来进行测量，测量结果应满足课题要求U_o≥2V（连续可调）。输出幅度主要由场效应管偏压U_gs、VD₁正相压降和分压电阻R₂、R₃来决定。若输出幅度不够大，可适当减小分压比R₃/（R₂＋R₃）。

8）实际电路的安装与调试

EWB模拟仿真完成后，就可以按前面6.2.2节第3）点的步骤进行实际电路的安装调试了。需要提醒的是在实际安装调试中，由于布局布线以及元器件值有误差等影响，可能和理论设计有差别，有些元器件参数还要进行一些调节。

（1）提交元器件清单

首先要向实验室提交所用仪器设备和元器件清单。本课题用到的元器件如下:①集成运放F007（μA741）1片；②结型场效应管3DJ7F1只，3DG112D2只，2CK12 2只；③电阻器（主要应表明类型、阻值和功率要求）。

固定电阻器可分为碳膜、金属膜和线绕电阻器3类。现将其各自特点列表6.3.4中。

表6.3.4　固定电阻器种类及特点

固定电阻器的阻值和功率都有标称系列，除了上表中列出的线绕电阻器额定功率的标称值外，非线绕电阻器的标称系列值（W）为:0.05、0.125、0.25、0.5、1、2、5、10、25、50、100等。阻值的标称值如表6.3.5所示。

表6.3.5　固定电阻器的阻值标称系列

本课题用到的固定电阻器如下（可选用碳膜电阻器）:

R₁　　　39kΩ/0.125W　　　R₅　　　100kΩ/0.125W　　　R₉　　6.8kΩ/0.125W

R₂　　　160kΩ/0.125W　　 R₆　　　16kΩ/0.125W　　　 R₁₀　　820Ω/0.25W

R₃　　　33kΩ/0.125W　　　R₇　　　100Ω/0.5W　　　　 R（固定）680Ω/0.25W

R₄　　　8.2kΩ/0.125W　　 R₈　　　56Ω/0.5W

本课题用到两个电位器（即可变电阻器）。常用电位器有两种，其特点如表6.3.6所示。

表6.3.6　常用电位器种类及特点

按结构分类，电位器有单圈、多圈、多圈微调、双联、多联、带开关、半可调、锁紧、旋转式、直滑式电位器等不同类型。可以根据不同要求选用。一般课程设计选用价格便宜的碳膜电位器较多。本课题中选:

R（可调）　　　　10kΩ/0.25W双联电位器

R₁₁　　5.1kΩ/0.5W电位器

④电容器。电容器分为固定式和可调式两大类。固定式电位器的种类、特点及容量标称系列值如表6.3.7所示。本课题选择以下固定电容器:2个陶瓷电容器:0.1μF和0.01μF；5个铝电解电容器:C₁为47μF；C₃、C₄、C₅为33μF；C₂为10μF；耐压均为25V。

（2）本课题用到的仪器设备及功能

①双路稳压电源:提供系统电路所用电源。②示波器:观察各个测试点的波形，也可以用逐点测试法代替频率特性测试仪测量输出音频信号的幅频特性。③数字频率计:测量输出音频信号的频率。④万用表:测量电路静态工作点。⑤失真度仪:测量输出音频信号的失真度。⑥交流电压表:测量输出音频信号的电压（有效值）。⑦频率特性测试仪:测量输出音频信号的频率特性。

表6.3.7　固定式电位器的种类、特点及容量标称系列值

可用失真度仪测量输出音频信号的失真度。减小非线性失真可从以下几方面入手:适当加大检波电路的时间常数；选择I_ds～U_ds曲线对原点对称的场效应管；选择转换速率高和高频响应好的集成运放等。