楊坤，湯艷坤，石靜苑

（空軍航空大學(xué) 基礎(chǔ)部，吉林長春，130022）

0 引言

RC橋式振蕩電路是電工電子技術(shù)基礎(chǔ)課程中模擬電路部分的重要內(nèi)容，是學(xué)員接觸到的第一類信號(hào)產(chǎn)生電路。由于RC橋式振蕩電路具有選頻特性，而音樂中各音階對(duì)應(yīng)著不同的頻率，因此本文以RC橋式振蕩電路為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)制作一款電子琴電路。

1 正弦波振蕩電路

對(duì)于一個(gè)放大電路來說，只有在輸入端外加輸入信號(hào)的情況下，輸出端才有輸出信號(hào)。但是如果當(dāng)大電路的輸入端沒有外加輸入信號(hào)，而輸出端仍有一定頻率和幅值的信號(hào)輸出，這種現(xiàn)象稱為放大電路的自激振蕩。自激振蕩現(xiàn)象是放大電路需要避免的，卻是構(gòu)成振蕩電路的必要條件。振蕩電路就是不用外加輸入信號(hào)，而是依靠電路本身的自激振蕩來產(chǎn)生輸出信號(hào)的電路。正弦波振蕩電路是依靠電路自身的自激振蕩來產(chǎn)生正弦信號(hào)的電路。它廣泛應(yīng)用于通信、自動(dòng)控制、測量等領(lǐng)域，也可以作為模擬電子電路的測試信號(hào)。正弦波振蕩電路按照頻率的不同可以分為：LC正弦波振蕩電路、RC正弦波振蕩電路和石英晶體振蕩電路。

LC正弦波振蕩電路的振蕩頻率由選頻網(wǎng)絡(luò)—LC振蕩回路的諧振頻率決定。工作頻率降低時(shí)，要求增大振蕩回路的電感量和電容量。大電感量的電感和大容量的電容器體積大、笨重，因此LC振蕩器不適用于低頻，工作頻率一般不應(yīng)低于幾百千赫。

石英晶體振蕩電路通常簡稱為晶體振蕩電路。它既可以產(chǎn)生高頻信號(hào)，也可以產(chǎn)生低頻信號(hào)。為了提高振蕩電路的頻率穩(wěn)定性，將LC振蕩電路中選頻網(wǎng)絡(luò)的一部分用石英晶體替代的振蕩電路。

1.1 正弦波振蕩電路的振蕩條件

正弦波振蕩電路是一個(gè)未加輸入信號(hào)的正反饋閉環(huán)電路。若輸出正弦電壓經(jīng)反饋環(huán)節(jié)產(chǎn)生的反饋電壓恰好等于放大電路所需的輸入電壓，即幅度相等，相位相同，即則可在閉環(huán)電路的輸出端得到持續(xù)穩(wěn)定的正弦波。由，可得：

1.2 正弦波振蕩的建立于穩(wěn)定

一個(gè)實(shí)際的正弦波振蕩電路的初始信號(hào)是由電路內(nèi)部噪聲和瞬態(tài)過程的擾動(dòng)引起的。通常這些噪聲和擾動(dòng)的頻譜很寬而幅度很小。為了最終能得到一個(gè)穩(wěn)定的正弦信號(hào)，首先必須用一個(gè)選頻環(huán)節(jié)把所需頻率的分量從噪聲或擾動(dòng)信號(hào)中挑選出來，使其滿足平衡條件，而使其他分量不滿足平衡條件。其次，為了能使振蕩能夠從小到大建立起來，要求滿足即正弦波振蕩電路的起振條件。振蕩建立起來之后，輸出信號(hào)會(huì)由小到大不斷增長，這時(shí)仍然不能得到一個(gè)幅值穩(wěn)定的正弦波。實(shí)際上，信號(hào)的幅度最終要受到放大電路非線性的限制，即當(dāng)幅度逐漸增大時(shí)，電路的電壓放大倍數(shù)會(huì)逐漸減小，最終使達(dá)到平衡，從而使正弦波振蕩穩(wěn)定。

1.3 電路組成

正弦波振蕩電路從組成上看必須包含四個(gè)基本環(huán)節(jié)。（1）放大電路部分：保證電路的輸出信號(hào)的幅值逐漸增大，實(shí)現(xiàn)從起振到動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)能量放大。（2）選頻網(wǎng)絡(luò)：確定輸出信號(hào)的頻率，使電路產(chǎn)生單一頻率的正弦波輸出。（3）正反饋網(wǎng)絡(luò)：在負(fù)反饋放大電路的基礎(chǔ)上引入正反饋，并且正反饋的強(qiáng)度大于負(fù)反饋，整體上使放大電路的輸入信號(hào)等于反饋信號(hào)。（4）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：保證振蕩電路輸出幅值穩(wěn)定的正弦波。

2 RC橋式振蕩電路

2.1 選頻特性

由Z1、Z2構(gòu)成的RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，電路如圖1所示。選頻網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓即為放大器的輸出電壓，選頻網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓為運(yùn)算放大器同相輸入端的輸入電壓。其中：

反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)為：

2.2 振蕩過程

2.2.1 起振過程

由于振蕩電路中，信號(hào)的來源是電源接通瞬間的擾動(dòng)信號(hào)，擾動(dòng)信號(hào)是非常小的，所以要使信號(hào)能循環(huán)放大，即滿足：起振條件，輸出波形如圖2所示。電路的輸出信號(hào)達(dá)到一定幅值之后，還要能自動(dòng)地恢復(fù)到即滿足平衡條件：。因此還需加入穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，整個(gè)振蕩過程是由起振到平衡的過程。

圖1 RC橋式振蕩電路

圖2 輸出波形

2.2.2 穩(wěn)幅過程

穩(wěn)幅環(huán)節(jié)使電路的輸出信號(hào)達(dá)到一定幅值之后，能自動(dòng)地恢復(fù)等幅振蕩。這里，用兩個(gè)二極管實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。電路如圖3所示。

圖3 自動(dòng)穩(wěn)幅的RC橋式振蕩電路

3 電子琴電路的設(shè)計(jì)

音調(diào)主要由聲音的頻率決定，一定頻率的聲音與特定的樂音之間是相互對(duì)應(yīng)的。以C調(diào)為基準(zhǔn)音的八度音階中，樂音所對(duì)應(yīng)的頻率如表1所示。如果通過振蕩電路產(chǎn)生特定頻率的波形信號(hào)，再利用揚(yáng)聲器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲音信號(hào)，就可以制作一款簡易的音樂發(fā)生器，音樂發(fā)生器的外部制作成電子琴的結(jié)構(gòu)，就可實(shí)現(xiàn)電子琴的制作了。

本實(shí)驗(yàn)的電子琴電路采用RC橋式振蕩電路結(jié)構(gòu)，如圖4所示。其中開關(guān)1—8對(duì)應(yīng)著電子琴的8個(gè)音階按鍵，使用時(shí)一次只能閉合一個(gè)開關(guān)。理論上，電子琴電路的初始信號(hào)是由環(huán)境噪聲及電路內(nèi)部合閘通電時(shí)的干擾信號(hào)提供的。實(shí)際操作時(shí)，為了使電路現(xiàn)象更加明顯，也可通過對(duì)電路中的電容充電來實(shí)現(xiàn)。C調(diào)靶音階對(duì)應(yīng)的基本頻率如表1所示。C調(diào)靶音階對(duì)應(yīng)的基本頻率如表1所示。

表1 C調(diào)靶音階對(duì)應(yīng)的基本頻率

圖4 電子琴電路圖

實(shí)際電路中采用運(yùn)算放大器芯片μA741，功放部分采用以運(yùn)算放大器芯片LM386為核心的集成模塊構(gòu)成，工作電壓是±9V。成品電路如圖5所示。

圖5 實(shí)物圖

4 結(jié)論

本文在RC橋式振蕩電路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并制作了一款電子琴電路。該電路由運(yùn)算放大器、選頻網(wǎng)絡(luò)、正反饋網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)構(gòu)成，同時(shí)在輸出端連接揚(yáng)聲器，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲音信號(hào)。在按下不同的按鍵的時(shí)候，通過改變接入電路中的電阻和電容值，改變輸出信號(hào)的頻率，使電子琴發(fā)出不同音階，實(shí)現(xiàn)了電子琴的基本功能。學(xué)生在理論學(xué)習(xí)之后動(dòng)手實(shí)踐，真正做到學(xué)以致用。