自制一个正弦波发生器

早在1991年1月，《LED杂志》就刊登了一篇关于正弦波振荡器的文章(该杂志为法国出版物，附有原文及英文翻译)。该文章介绍的是一种维恩桥振荡器，可产生高质量的正弦波，频率范围覆盖音频区段(20Hz 至 20kHz)。

维恩桥振荡器

维恩桥振荡器是一种相位移振荡器，用于生成正弦波。它是一个两级电阻电容耦合放大电路，在共振频率处具有良好的稳定性、低失真度，并且调谐极为简便。

下图所示的维恩桥网络中，一条支路由电阻(R1)和电容(C1)串联连接，另一条支路则由电阻(R2)、电容(C2)以及电阻 R3 和 R4 并联组成。

由于维恩桥电路本身不产生相位偏移，因此在维恩桥网络中需要使用运算放大器作为非反相放大器工作。从电路结构可以看出，输出电压同时返回至反相输入端和非反相输入端。在谐振频率时，反相输入端施加的电压大小相等，非反相输入端的电压则相互同相。由于开环增益的限制，这类基于运算放大器的维恩桥振荡器无法工作在超过1 MHz的频率范围内。要启动振荡，放大器的电压增益必须大于3;而要维持振荡，则需等于3(即Av ≥ 3)。

上图所示为使用741运算放大器的维恩桥振荡器电路。电阻R1和电容C1串联连接在IC 741的非反相输入端(引脚3)，同样，电阻R2和电容C2并联连接在IC 741的非反相输入端(引脚3)。此处电阻R3为可调电阻，连接在反相输入端(引脚2)以及运放输出端(引脚6)。

在低频下，电容C1和C2的电抗会变得非常高，输出电压V0将保持为零，这种电路被称为“滞后电路”，因为电容C1相当于一个开路。在该电路中，当频率较高时，电容C1和C2的电抗会显著减小，因此输出电压V0将变为零，此时电阻R2因电容C2而短路，这种现象被称为“前置电路”。

由于存在滞后电路，电路在振荡频率下不产生相位移，因此采用非反相放大器。

由于运算放大器工作在非反相配置，其电压增益如下所示：

Vout / Vin = 1 + R3 / R4 = 3

3D打印

本项目附有STL文件。所有打印均使用0.2mm层高进行。打印前可能需要在打印板上对部分文件进行方向调整。

打印“正弦波发生器V1 - Text.stl”时，在第4层开始处更换为对比色线材。打印完成后，在打印件背面贴上双面胶，并将其粘贴到“正弦波发生器V1 - Front.stl”上。

打印“正弦波发生器V1 - Knobs.stl”时，在第61层开始处更换为对比色线材。

在“正弦波发生器V1 - Bottom.stl”和“正弦波发生器V1 - Top.stl”的凸起处添加M3 3x4.2黄铜嵌入螺母。在“正弦波发生器V1 - 底部.stl”上的电源螺柱上添加M3 3x4.2黄铜嵌入螺母。

装配

我已附上鹰牌(Eagle)的文件，以便你选择商业制作电路板，或像我一样自行制作。我使用的是Toner方法。

•如果电路板为单面，请添加以下链接。

•先添加电阻，然后是741集成电路。

•接着添加电容、可调电阻和晶体管。

•再添加SR16旋转开关、RK1114GH和RV09电位器以及SMA接口。

•将24V 40mA灯泡安装在PCB的铜层一侧，用一小块双面胶固定。将导线焊接到灯泡的端子，并将另一端焊接到PCB上。

•在PCB的铜层一侧添加1000uF/25V电容，同样用一小块双面胶固定。

•在PCB的铜层一侧添加一个3针KF2510芯片。

•使用4个M2 4mm螺丝将PCB固定在前面板上。

•在前面板上安装摇杆开关。

•使用4个M3 4mm螺丝将SM-FLA17A 17W正负两路开关电源模块安装到位。

连接各模块和电源元件。我购买了一个3.96mm JST连接套件用于连接SM-FLA17A电源模块。电源开关采用4.8mm插接式连接器，前面板的PCB电源接口则使用2.54mm JST连接器。使用4个M3 6mm黑色六角螺钉，将顶部的夹壳旋紧。

结论

维恩桥振荡器可提供高质量的正弦波，失真极低。最终成品摆放在工作台架上显得十分专业，对于音频处理而言完全足够。

本文编译自hackster.io