一种基于忆阻器的频率可调正弦波发生电路

本发明涉及一种频率可调的正弦波发生电路，特别涉及一种基于忆阻器的频率可调正弦波发生电路。

背景技术：

1、正弦波发生电路提供了频率稳定的正弦波信号源，它可使用在各种电子器件和系统中。在测量领域，正弦波发生电路用于产生正弦波测试信号，例如测量放大电路的指标参数；在通信领域，正弦波发生电路用于产生载波信号，从而调制和解调通信信号；在音频处理领域，正弦波发生电路用于产生音频信号，进行语音合成和声音处理等；在控制系统领域，正弦波发生电路用于产生控制信号，例如使用正弦波信号控制直流无刷电机的转矩等。因此，正弦波发生电路被广泛应用于电子行业的各个领域。

2、传统的正弦波发生电路如图1所示，它由电容c1、c2、二极管d1、d2、电阻r1-r5和运算放大器op1构成，通过电路自激振荡而产生正弦波信号。电阻r1和电容c1串联，电阻r2和电容c2并联，共同构成了rc串并联选频电路；二极管d1和二极管d2构成了稳幅电路；电阻r3-r5和运算放大器op1构成了放大电路；运算放大器op1的正负供电电源分别为vcc和vee。电源通电的瞬间产生微小的扰动信号，因此运算放大器op1产生很小的输出信号，并且含有丰富的频率，放大电路确保正弦波发生电路能够有从起振到幅值逐渐增大直至动态平衡的过程。rc串并联选频电路的作用是引入了正反馈，使放大电路的输入信号等于反馈信号，满足振荡条件，同时只允许单一频率的正弦波信号产生正反馈，因此放大电路输出单一频率的正弦波信号且幅值不断增大直至动态平衡。稳幅电路的作用是依靠晶体管的非线性使输出的正弦波电压稳定。在放大电路、rc串并联选频电路和稳幅电路的共同作用下，正弦波发生电路输出幅值和频率稳定的正弦波信号。正弦波信号的频率可以通过rc串并联选频电路中的电阻r1、r2、电容c1和c2来共同决定。

3、传统的正弦波发生电路使用同轴电位器或数字电位器来改变rc串并联选频电路中电阻的大小，从而实现输出的正弦波信号频率可调；但同轴电位器存在体积大，机械结构复杂和精度低等缺点，数字电位器存在速度慢、阻值受温度影响大和功耗高等缺点。

4、当前，忆阻器是除了电阻、电感和电容以外的第四种基本电子元件。忆阻器具有阻值可塑性，其阻值能够根据忆阻器上施加的电压而发生变化，并且在断电后保持阻值不变；忆阻器的阻值可塑性具有方向性，即施加相反的电压可以使得阻值产生相反的变化；同时，电压阈值型忆阻器的特点是只有其两端电压超过阈值时，忆阻器阻值才发生改变。此外，忆阻器还具有速度快、纳米尺寸、功耗低、可靠性高、与cmos兼容和易于大规模集成等优点。因此，忆阻器适合应用于硬件电路设计，可较好的替代传统电阻、同轴电位器和数字电位器等。

5、本发明在忆阻器阻值可塑性的基础上，提出了一种基于忆阻器的频率可调正弦波发生电路，实现正弦波输出信号频率的连续可调，同时也满足高精度、体积小、低功耗和高速度的设计要求。

技术实现思路

1、本发明提出一种基于忆阻器的频率可调正弦波发生电路，使用电压阈值型忆阻器来代替传统正弦波发生电路中的同轴电位器或数字电位器，采用单片机控制忆阻器调控电路，实现忆阻器的阻值连续可调，从而使正弦波发生电路输出的正弦波信号频率能够连续可调。

2、本发明通过以下技术方案实现：一种基于忆阻器的频率可调正弦波发生电路，它包括单片机、正弦波发生电路、忆阻器调控电路和上位机uart串口通信电路。

3、首先，单片机通过uart串口接收上位机输入的正弦波频率大小，并由单片机内部程序计算出忆阻器的目标阻值；其次，单片机断开正弦波发生电路中运算放大器op1的供电电源，因此正弦波发生电路停止工作；然后，单片机控制忆阻器调控电路开始工作，忆阻器的阻值发生改变，当忆阻器达到目标阻值时，由单片机控制的忆阻器调控电路停止工作，同时恢复正弦波发生电路中运算放大器op1的供电电源，此时忆阻器的阻值固定不变，正弦波发生电路开始输出正弦波信号；最后，单片机接收正弦波发生电路输出端反馈回来的正弦波信号，测量正弦波信号的频率大小，实现对输出正弦波信号的闭环监控，进一步调控输出理想频率值的正弦波信号。

4、正弦波发生电路由忆阻器m1、m2、电阻r1-r3、电容c1、c2、正电源vcc、负电源vee、二极管d1、d2、nmos管q6、q7和运算放大器op1构成，通过自激振荡原理来工作。运算放大器op1的正电源管脚和nmos管q7的源极连接，nmos管q7的漏极和正电源vcc连接。运算放大器op1的负电源管脚和nmos管q6的源极连接，nmos管q6的漏极和负电源vee连接。nmos管q6和q7的栅极分别与单片机的p1.1和p1.2引脚连接。单片机通过nmos管q6和q7来控制运算放大器op1的供电电源。正弦波发生电路正常工作时，忆阻器m1和m2两端电压低于其阈值，所以忆阻器m1和m2的阻值固定不变。忆阻器m1和电容c1串联，忆阻器m2和电容c2并联，共同构成了rc串并联选频电路，二极管d1和d2构成稳幅电路，电阻r1-r3和运算放大器op1构成放大电路。电源通电瞬间产生微小的扰动信号，因此运算放大器op1产生很小的输出信号，且含有丰富的频率，放大电路确保电路能够有从起振到幅值逐渐增大直至动态平衡的过程。rc串并联选频网络引入正反馈，使放大电路的输入信号等于反馈信号，并且只对单一频率的正弦波信号产生正反馈过程，因此放大电路输出单一频率的正弦波且幅值不断增大，由于晶体管的非线性特性和电源电压的限制，放大电路输出的正弦波最终维持在一个稳定状态，即正弦波发生电路产生幅值和频率稳定的正弦波信号。通过改变忆阻器m1和m2的阻值来改变正弦波信号的频率。

5、忆阻器调控电路由电压源+vd、电压源-vd和nmos管q1-q5构成，用来调控忆阻器m1和m2的阻值。单片机通过io引脚输出高电平或低电平来控制与之相连的nmos管的导通或关断。电压源+vd和电压源-vd通过nmos管以并联形式与忆阻器的正极连接，忆阻器m1负极通过nmos管接地，忆阻器m2负极直接接地。单片机控制连接电压源+vd的nmos管导通且忆阻器接地时，忆阻器正极的电压超过正阈值电压，忆阻器阻值减小。单片机控制连接电压源-vd的nmos管导通且忆阻器接地时，忆阻器正极的电压超过负阈值电压，忆阻器阻值增大。单片机控制nmos管的导通时间，而忆阻器的阻值变化与施加电压的大小和时间有关，因此单片机可控制与调节忆阻器的阻值。

6、正弦波发生电路输出的正弦波信号通过反馈回路传递给单片机，单片机检测正弦波信号的频率大小，实现精准调节和闭环监控。

技术特征：

1.一种基于忆阻器的频率可调正弦波发生电路，其特征在于，它包括单片机、正弦波发生电路、忆阻器调控电路和上位机uart串口通信电路；其中，单片机首先通过uart串口接收上位机输入的正弦波频率大小，并由单片机内部程序计算出忆阻器的目标阻值；其次，单片机断开正弦波发生电路中运算放大器op1的供电电源，因此正弦波发生电路停止工作；然后，单片机控制忆阻器调控电路开始工作，忆阻器的阻值发生改变，当忆阻器达到目标阻值时，由单片机控制的忆阻器调控电路停止工作，同时恢复正弦波发生电路中运算放大器op1的供电电源，此时忆阻器的阻值固定不变，正弦波发生电路开始输出正弦波信号；最后，单片机接收正弦波发生电路输出端反馈回来的正弦波信号，测量正弦波信号的频率大小，实现对输出正弦波信号的闭环监控，进一步调控输出理想频率值的正弦波；

技术总结
本发明公开了一种基于忆阻器的频率可调正弦波发生电路，它包括单片机、正弦波发生电路、忆阻器调控电路和上位机Uart串口通信电路。首先，单片机通过Uart串口接收上位机输入的正弦波频率大小，并计算忆阻器的目标阻值；其次，单片机断开正弦波发生电路的供电电源，此时正弦波发生电路停止工作；然后，单片机控制忆阻器调控电路开始工作，忆阻器的阻值发生改变，当忆阻器达到目标阻值时，忆阻器调控电路停止工作，忆阻器的阻值停止变化，单片机恢复正弦波发生电路的供电电源，正弦波发生电路开始输出正弦波信号；最后，单片机接收正弦波发生电路输出端反馈的正弦波信号，测量正弦波信号的频率，实现对正弦波信号的闭环监控。

技术研发人员：万求真,王思迪,孙坤亮,黄斐岳,石佳燕,董俊
受保护的技术使用者：湖南师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/17