多年来，“设计实例(DI)”专栏介绍了许多有趣的振荡器，但在我的印象中，没有一个是专门用来产生真正干净的正弦波的。由于以前没有，再加上我需要重建我的老式0.01%以下正弦发生器，这就给了我一个绝佳的借口去做一些探索，最终得到了这个DI，它分为两部分。首先，我们将介绍优化方案的难点和问题，然后第2部分将展示如何以RadioShack的价格获得Audio Precision®的失真水平。
我们甚至不会考虑压缩三角波来获得合理的正弦波，因为0.3%的THD(总谐波失真)是这种方法在没有复杂的多断点“压缩”网络的情况下所能达到的最佳值。同样，相移振荡器也不行，它们的Q值很低，而且三联电位器也不是目录项。如果我要为现代生产设计某种东西，那么应该从一个24位DAC开始，其由一个包含大型查找表的小型处理器提供数据，但这并不是一个下午就能用现有组件完成的东西。
那么，老式的文氏电桥电路到底有什么问题呢？相关的维基百科页面包含大量历史、实践和数学细节，并报告称失真水平可以达到0.0003%(3ppm)，因此我们有了一个基准，尽管这很可能是针对某个定点的频率，而不是针对多范围、完全可调的设备。实际目标是96dB或0.0015%，这是CD类型16位线性PCM音频的绝对极限，而更随意的目标是120dB或1ppm。在这些水平下，THD可能会受到电路噪声的影响，我们暂时不考虑这个问题。
为了验证这一点，我使用LM4562运算放大器、精心匹配的电阻器和聚苯乙烯电容器搭建了一个基本电路，并使用光电导光隔离器(本质上是一个LED和一个LDR)进行振幅稳定，该隔离器由一些重型滤波驱动。(热敏电阻仅适用于较高的输出水平，并且非常不稳定。)图1显示了原理图，图2显示了接近1kHz的输出频谱，电平为-20dBV(约-22dBu，或0.283Vpk-pk)。
图1：一个简单的文氏电桥振荡器，使用光电导光隔离器来帮助稳定振幅。
图2：振荡器的频谱运行频率为~1kHz，其输出为-20dBV。
频谱表明THD约为-76dB或0.02%：只能算马马虎虎。但是，我已经学会了在要检查的信号的动态范围超过90dB时谨慎使用FFT，并且更喜欢去除大部分基波，以便更清楚地看到谐波。图3显示了这样做的结果：效果好多了，THD可能为-88dB，或0.004%。
图3：同一信号的频谱，但基波大部分被去除，以更准确地显示谐波。
效果更好，作为应急方案来说也不错，但仍然偏离目标。(请注意，刻度现在显示谐波的相对水平，单位为dBc，因为振荡器的输出为20dBV，陷波滤波器的电压增益为10dB或20dB。)再多考虑一下，再多摆弄一下，我们可能可以将其性能提高到基准水平，但其他的思路看起来更有希望。最大的问题是幅度控制回路，因为消除所有纹波会严重影响阻尼，增加回路稳定时间。文氏电桥的低Q值(只有1/3)，对我们没有任何好处。
我最喜欢的综合滤波器和振荡器电路一直是双二阶、状态可变或双积分器回路配置，其中一种拓扑如图4所示。
图4：经典的双二阶或双积分器回路滤波器，具有高通、带通和低通输出。
这东西非常常见，我认为，它的基础可以追溯到20世纪50年代，当时“运算放大器”通常意味着一排排发光的瓶子。它用途广泛、可设计且可控制，此版本的Q值约为16，增益约为10。我们现在用虚线将其封装起来，并将其视为一个模块。假设电源为±5V至±15V，带有大量去耦电容。
为了使其振荡，我们将带通(BP)输出以合适的电平反馈到输入。这通常是通过使用一对背对背二极管来限制BP信号实现的，如图5所示。
图5：添加二极管限制反馈的滤波器变成振荡器，但有大量谐波，导致THD约为0.08%。
在所示值下，二极管将信号压缩至输出电平的约2/3。低于此值，稳定性就会下降；高于此值，谐波就会变得过多。所示反馈网络使二极管周围的阻抗保持较低水平，从而允许高达100kHz及以上的正常工作，而添加的热敏电阻则可改善振幅随温度变化的稳定性。匹配二极管的正向电压，以最大限度地减少偶次谐波失真。二极管产生的第三谐波在到达LP输出时会降低约22dB，高次谐波会衰减更多。
原始(LP)输出的频谱显示THD约为0.08%，这大约是此方法所能达到的最佳值。(“缺口”频谱(未显示)显示峰值更少且更低，但第三谐波(限制因素)仍处于同一水平。)由于没有控制回路，因此不会出现回路稳定性问题，尽管在低频下稳定时间是可观的。它是多范围通用AF振荡器的良好基础。
通过使用相应更大的电容器和电阻器，它在极低频率下也能很好地工作，尽管需要FET输入运算放大器来避免泄漏。使用5µ7(=4µ7+1µ0；PET电介质)的调谐元件和3M3电阻器，并使用TL072代替LM4562，在~8mHz或计算出的118.2s/cycle下的波形如图6所示。
图6：使用µF和MΩ进行调谐，二极管稳定双二阶滤波器将轻松在mHz区域内工作，在本例中为约8mHz。
我不知道为什么有人会想用纯模拟方法来生成这种低频信号，但尝试一下也无可厚非，即使要花一个小时左右才能正常稳定下来。(我没有耐心尝试更大的定时组件值，也别想问我要频谱。)
在第2部分中，我们将采用双二阶滤波器并添加无失真反馈，类似于文氏电桥所使用的反馈，但更为强大，从而产生真正纯净的正弦波。
(原文刊登于EDN美国版，参考链接：Ultra-low distortion oscillator, part 1: how not to do it.，由Ricardo Xie编译)
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