正弦波振蕩器

1、振蕩電路是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它無需外加信號，就能自動地將直流電能轉(zhuǎn)換成具有一定頻率、一定幅度和一定波形的交流信號。振蕩器按輸出信號波形的不同，可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器兩類。本章將討論正弦波振蕩器，先介紹自激振蕩的概念、產(chǎn)生自激振蕩的條件及用相位平衡條件判別電路能否起振，然后介紹正弦波振蕩電路的基本工作原理及RC振蕩器、LC振蕩器和石英晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)特點及應用。4.1 自激振蕩自激振蕩如果在輸入端不外接信號，只是將輸出信號的一部分正反饋到輸入端以代替輸入信號，輸出端仍有一定頻率和幅度的信號輸出，這種現(xiàn)象稱為自激振蕩。自激振蕩不僅在振蕩電路中產(chǎn)生，在放大電路中也可能產(chǎn)生，例如現(xiàn)實生活中

2、在使用擴音機時，如果話筒和音箱的位置安排不合適時，此時雖然沒有輸入信號，音箱中仍可能會出現(xiàn)嘯叫聲，這其實也是一種自激振蕩，這時的自激振蕩是有害的，應盡量消除。而在振蕩電路中，則正是利用自激振蕩來工作。振蕩條件產(chǎn)生自激振蕩的條件常用圖4-1所示框圖來 分析。 N是放大電路，放大系數(shù)為A，F(xiàn)是反饋電路，反饋系數(shù)為。當開關(guān)S接在2位置時，放大電路的輸入端與正弦波信號相接，輸出電壓：。通過反饋電路得到反饋電壓：。 4-1 產(chǎn)生自激振蕩的條件若適當調(diào)整放大電路和反饋電路的參數(shù)，使，即兩者大小相等，相位相同。再將開關(guān)S接到1位置，反饋電壓即可代替原來的輸入信號，仍維持輸出電壓不變，這樣，整個電路就成為一個

3、自激振蕩電路。由此可知：因 （4-1）故 （4-2）即 1 （4-3）式（4-3）即為自激振蕩的條件。因為A(4-4）F（4-5）式（4-5）即可用向量的模和幅角來表示。AF由此可得到自激振蕩的兩個條件：(1) 幅值平衡條件 AF1 (4-6)(2) 相位平衡條件 2n (4-7)實際的振蕩電路并不需要外接信號源，而是靠電路本身“自激”起振。在振蕩電路接通電源的瞬間，電路中的電流突變，以及電路內(nèi)不可避免的噪聲和干擾，都成為了振蕩電路的原始信號。這些原始信號都很微弱，但只要起振時AF1，這些微弱的信號通過放大正反饋放大再反饋如此反復循環(huán)，就可以由小到大，迅速的振蕩起來。由于三極管是非線性元件，當

4、信號幅度增加到一定程度，必將使三極管工作到非線性區(qū)，放大電路的放大倍數(shù)降低，輸出信號幅度的增加越來越少，最后達到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，振蕩器的輸出就維持在某一幅值穩(wěn)定的振蕩，這時AF1。由此可見，起振過程是從AF1到AF1的過程。引起自激振蕩的擾動信號往往是非正弦的，是由許多不同頻率、不同幅值的正弦信號組合而成。為了保證輸出波形為單一頻率的正弦波，要求振蕩電路必須具有選頻特性。選頻特性通常由選頻網(wǎng)絡來實現(xiàn)，即從許多不同頻率的正弦波中選出所需頻率的正弦波來。按選頻網(wǎng)絡的元件類型，把由電阻、電容組成選頻網(wǎng)絡的振蕩電路稱為RC振蕩電路；把由電感、電容組成選頻網(wǎng)絡的振蕩電路稱為LC振蕩電路；把由石英晶體

5、組成的振蕩電路稱為石英晶體振蕩電路。一個振蕩電路一般應該包括以下幾個部分：(1) 電壓放大電路：由三極管或集成運算放大器組成，具有足夠大的電壓放大倍數(shù)，以能夠獲得較大的輸出電壓。(2) 反饋回路：必須引入正反饋，把輸出信號反饋到輸入端，作為放大器的輸入信號。(3)選頻回路：用于確定振蕩頻率，使電路中只有這種頻率的信號才能滿足自激振蕩的條件而產(chǎn)生振蕩。分析一個正弦波振蕩器時，首先要判斷它是否振蕩，判斷振蕩的一般方法是：(1)是否滿足相位平衡條件。(2)放大電路的結(jié)構(gòu)是否合理，有無放大能力，靜態(tài)工作點是否合適。(3)是否滿足幅度平衡條件，檢驗：1) 1，能起振，但輸出波形明顯失真。3) 1，能產(chǎn)生

6、振蕩，振蕩穩(wěn)定后1。4.2RC正弦波振蕩器常見的RC正弦波振蕩電路是RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路，又稱為文氏橋正弦波振蕩電路，其中串并聯(lián)網(wǎng)絡與此同時還充當選頻和反饋網(wǎng)絡。 下圖為RC橋式振蕩電路的原理圖，這個電路由兩個部分組成，即放大網(wǎng)絡和選頻網(wǎng)絡。為集成運放所組成的電壓串聯(lián)負反饋放大電路，具有輸入阻抗高和輸出阻抗低的特點。而是由Z1、Z2組成，同時兼作正反饋網(wǎng)絡，由上圖可知，Z1、Z2和R1、R2正好形成一個四臂電橋，電橋的對角線頂點接到放大電路的兩個輸入端，橋式振蕩電路的名稱即由此得來。 下面我們首先分析串并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特性再來分析它的振蕩原理。2. RC選頻網(wǎng)絡的選頻特性圖4-3（a）為R

7、C串并聯(lián)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，其選頻特性為： 當信號頻率足夠低時， R1, 圖4-2RC橋式振蕩電路可得到近似的低頻等效電路，如圖4-3（b）所示。它是一個超前網(wǎng)絡，輸出電壓Uo的相位超前輸入電壓Ui。當信號頻率足夠高時，1 （4-19）而以圖4-2為例所示電路的反饋系數(shù)就是RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的傳輸系數(shù)，即（4-20）放大器的放大倍數(shù) （4-21）當時，F(xiàn)Umax=，因而按起振條件，要求（4-22） 即（4-23）如圖4-2所示電路起振后，振蕩器的振幅會不斷增加，由于受運放最大輸出電壓的限制，輸出波形將產(chǎn)生非線性失真。因此，只要設(shè)法使輸出電壓的幅值增大時，適當減?。ǚ粗畡t應增大），就可以維持值基本不變。通常利

8、用二極管和穩(wěn)壓管的非線性特征以及熱敏電阻等元件的非線性特征，來自動地穩(wěn)定振蕩器輸出的幅度。RC振蕩電路的振蕩頻率取決RC乘積，當要求振蕩頻率較高時，RC值必然很小。由于RC網(wǎng)絡是放大電路的負載之一，所以RC值的減小加重了放大電路的負載，且由于電路存在分布電容，其電容減小不能超過一定的限度，否則振蕩頻率將受到寄生電容的影響而不穩(wěn)定。此外，普通集成運放的帶寬較窄，也限制了振蕩頻率的提高，因此，RC振蕩器通常只作為低頻振蕩器用，工作頻率一般在1MHZ以下，如果需要產(chǎn)生更高頻率的正弦信號，可使用下一節(jié)介紹的LC正弦波振蕩電路。4.3 LC正弦波振蕩在LC振蕩電路中，振蕩電路的頻率是由振蕩回路的電感L和

9、電容C決定的，可產(chǎn)生頻率高達1000MHZ以上的正弦波信號。常見的LC正弦波振蕩電路有變壓器反饋式、電感三點式和電容三點式。它們的共同特點是用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡，而且通常采用LC并聯(lián)回路。下面先討論LC并聯(lián)回路的選頻特性。 LC選頻放大電路簡單的LC并聯(lián)回路只包含一個電感和一個電容，如圖4-5所示。R表示回路的等效損耗電阻，其數(shù)值一般很小，電路由電流I激勵。圖4-5 LC并聯(lián)諧振回路由圖可知，回路的等效阻抗為：（4-24）通常并聯(lián)回路中滿足，所以 （4-25）當（4-25）式中分母為零時，LC并聯(lián)回路產(chǎn)生并聯(lián)諧振，其諧振頻率為：或 （4-26）諧振時，回路的等效阻抗呈現(xiàn)純電阻性質(zhì)，且達到

10、最大值，稱之為諧振阻抗Zo,這時（4-27）式中：Q/R=1/,Q成為品質(zhì)因數(shù)，它是LC并聯(lián)回路的重要指標，是用來評價回路損耗大小的指標，一般，Q值在幾十到幾百范圍內(nèi)。損耗電阻R越小，Q值就越大，諧振時的阻抗也越大。LC并聯(lián)回路諧振時的輸入電流為，則（4-28）而流過電感的電流為： (4-29)通常Q1,所以LC并聯(lián)回路的回路電流或且諧振時，相移為零。綜上所述，可畫出LC并聯(lián)回路的頻率特性，如圖4-6所示。圖4-6 LC并聯(lián)諧振回路的頻率響應(a)幅頻響應 (b)相頻響應從圖中的兩條曲線可以得出以下結(jié)論：(1)從幅頻特性可知，當外加信號角頻率時，產(chǎn)生并聯(lián)諧振，回路等效阻抗達到最大值。當角頻率將

11、減小，而愈大，愈小。(2)從相頻特性可見，當時，相對失諧為正，等效阻抗為電感性，因此Z的相角為負值，即回路輸出電壓。反之，當時，等效阻抗為電感性，因此為正值，超前于。(3)諧振曲線的形狀于回路的Q值有密切的關(guān)系，Q值越大，諧振曲線越尖銳，相角變化越大，在附近值變化更為劇烈。利用LC并聯(lián)回路組成的振蕩器，其選頻網(wǎng)絡常常就是放大器的負載，所以放大電路的增益具有選頻特性。由于諧振時，LC回路呈現(xiàn)電阻性，所以對放大電路相移的分析與電阻負載相同。4.3.2 變壓器反饋式LC振蕩電路圖4-7所示為一變壓器反饋式LC振蕩電路，其中，變壓器的原邊線圈L和電容C組成并聯(lián)諧振電路，既是整個電路的選頻網(wǎng)絡，同時又作

12、為其中電壓放大電路三極管的集電極負載，這就構(gòu)成了選頻放大器；反饋是從變壓器副邊繞組N2引出的，由于LC并聯(lián)電路諧振時呈現(xiàn)純電阻性，且阻抗最大，即 時，電壓放大倍數(shù)最大，可滿足幅值平衡條件；Cb、Ce分別是耦合電容和旁路電容，對交流而言，可視為短路，因而在時，管子的集電極輸出與基極輸入信號相位相差180。圖4-7 變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路這個電路能否產(chǎn)生自激振蕩，需要判斷其是否滿足自激振蕩的兩個條件，重點是判斷該電路是否滿足相位平衡條件。如圖所示，只要將圖中的反饋端K點斷開，引入一個頻率為的輸入信號，假定極性為正，根據(jù)瞬時極性法，三極管的集電極A點的電位極性與基極相位相反，為負，故變壓器繞

13、組N1的B端極性為正。由于變壓器副邊與原邊繞組同名端的極性相同，故繞組N2的D端極性也為正，即為正，因此同相，滿足正弦波振蕩的相位平衡條件。放大電路和反饋網(wǎng)絡的相移，故，滿足相位平衡條件。 該電路產(chǎn)生振蕩還必須滿足幅值平衡條件。起振時必須滿足，只要變壓器的變壓比設(shè)計得當，三極管和變壓器等參數(shù)合適，一般很容易滿足幅值平衡條件。 該電路輸出信號的頻率可由LC并聯(lián)回路的諧振頻率決定： （4-30）這種電路由于變壓器繞組存在匝間分布電容和三極管極間電容的影響，因此振蕩頻率不高，一般為幾兆赫至十幾兆赫。 三點式LC振蕩電路前面我們了解了LC振蕩電路的基本工作原理和分析方法。LC振蕩器除了變壓器反饋式，還

14、有常用的電感三點式和電容三點式振蕩電路。圖4-8 電感三點式振蕩電路(a)電路 (b)交流通路 電感三點式振蕩電路如圖4-8（a）所示。LC并聯(lián)回路既是選頻網(wǎng)絡又是共基極放大電路的集電極負載。它的交流通路如圖4-8（b）所示，由于電感L2上的電壓就是反饋電壓，因此稱為電感反饋式振蕩電路。又由于電感的三個端子分別與三極管的三個電極相連，所以也稱為電感三點式振蕩電路。在圖4-8（b）中，設(shè)輸入端信號極性為正，共基極電路三極管的集電極極性與發(fā)射極極性相同，也為正，則反饋信號對地極性也為正，即與相位相同，滿足振蕩電路的相位平衡條件。電感三點式振蕩電路的振蕩頻率基本上也等于LC并聯(lián)回路的諧振頻率： （4

15、-31）上式中M是電感L1與L2之間的互感系數(shù)。 通常L2的匝數(shù)為電感線圈總匝數(shù)的1/81/4，就能滿足起振條件。線圈抽頭的位置可通過調(diào)試來決定。電容三點式振蕩電路如圖4-9(a)所示，圖中CB和CE為耦合和旁路電容。它的交流通路如圖4-9(b)所示，由于反饋電壓取自電容C2兩端的電壓，因此該電路稱為電容反饋式振蕩電路。又由于在LC并聯(lián)回路中，電容C1和C2三個端子分別與三極管的三個電極相連，所以該電路也稱為電容三點式振蕩電路。圖4-9 電容三點式振蕩電路(a)電路 (b)交流通路同電感三點式振蕩電路的分析一樣，用瞬時極性法在圖中標出了各點的極性，可知反饋電壓與輸入端的信號同相，所以滿足相位平

16、衡條件。電容三點式振蕩電路的振蕩頻率為： (4-32)由于電路的反饋電壓取自電容C2兩端的電容，使反饋電壓中的高次諧波分量小，輸出波形較好。又由于三極管的極間電容也包括在內(nèi)，若C1和C2取得小些，可以提高振蕩頻率，一般可達100MHZ以上。4.4 石英晶體振蕩器 正弦波振蕩電路的頻率穩(wěn)定問題在工程實際應用中，不同的電路對振蕩電路的穩(wěn)定度會有不同的要求，例如在實驗用的低頻及高頻信號產(chǎn)生電路中，往往只要求正弦波振蕩電路的振蕩頻率有一定的穩(wěn)定度，而在通訊系統(tǒng)中的射頻振蕩電路、數(shù)字系統(tǒng)的時鐘產(chǎn)生電路則要求振蕩頻率十分穩(wěn)定。因此，經(jīng)常會引用頻率穩(wěn)定度來作為衡量振蕩電路的質(zhì)量指標之一。頻率穩(wěn)定度一般用頻率

17、的相對變化量來表示，為振蕩頻率，為頻率偏移（簡稱頻偏）。頻率穩(wěn)定度有時附加時間條件，如1秒鐘或1分鐘之內(nèi)的頻率相對變化量。影響LC振蕩電路振蕩頻率的主要因素是LC并聯(lián)諧振回路的參數(shù)L、C和R。諧振回路的Q值對頻率也有較大的影響，Q值越大，頻率穩(wěn)定度越高。在頻率穩(wěn)定度要求高的場合，往往采用石英晶體振蕩電路。石英晶體振蕩電路就是用石英晶體取代LC振蕩電路中的L、C元件所組成的正弦波振蕩電路。它的頻率穩(wěn)定度高達。 石英晶體的基本特性與等效電路石英晶體是一種各向異性的結(jié)晶體，它是硅石的一種，從一塊晶體上按一定的方位角切下的薄片稱為晶片，然后在晶片的兩個對應表面上涂敷銀層并裝上一對金屬板，就構(gòu)成了石英晶

18、體產(chǎn)品，如圖4-10所示，石英晶體一般用金屬或玻璃殼封裝。石英晶片之所以能做振蕩電路是基于它的壓電效應，從物理學中知道，若在晶片的兩個極板間加一個電場。會使晶體產(chǎn)生機械形變；反之，若在極板間施加機械力，又會在相應的方向上產(chǎn)生電場，這種現(xiàn)象就稱為壓電效應。如在極板間所加的是交變電壓，就會產(chǎn)生機械振動，同時機械振動又會產(chǎn)生交變電場。一般來說，這種機械振動的振幅是比較小的，其振動頻率則是很穩(wěn)定的。當外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率相等時，機械振動的幅度將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，因此石英晶體又稱為石英晶體諧振器。 石英晶體的壓電諧振現(xiàn)象可以用圖4-11所示的等效電路來模擬。等效電路中的Co為

19、切片與金屬板構(gòu)成的靜電電容，L和C分別模擬晶體的質(zhì)量（代表慣性）和彈性，而晶片振動時，因摩擦而造成的損耗則用電阻R來等效。石英晶體最重要的特點是在于它具有很高的質(zhì)量與彈性的比值（等效于L/C），因而它的品質(zhì)因素Q在高達10 000500 000的范圍內(nèi)。例如一個4MHZ的石英晶體的典型參數(shù)：L100mH,C=0.015pF,Co=5pF,R=100,Q=25 000。圖4-11為石英晶體的代表符號、等效電路和電抗特性。 圖4-10 石英晶體 圖4-11 石英晶體的等效電路與電抗特性(a)結(jié)構(gòu)圖 (b)電路符號 (a)電路符號 (b)等效電路 (c)電抗特性當忽略R時，圖4-11（b）所示的等效

20、電路的等效電抗為（4-33）由等效電路和式（4-33）可知，石英晶體有兩個諧振頻率，即：(1)當L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時，等效阻抗最小，若不考慮損耗電阻R，這時Z0，即式（4-33）中的分子為零，則串聯(lián)諧振頻率為（4-34）(2)當頻率高于時，L、C、R支路呈感性。它與電容發(fā)生并聯(lián)諧振，此時等效阻抗最大，當忽略R時，X，即式（4-33）中分母為零，回路的并聯(lián)諧振頻率為 （4-35）由于C，與非常接近。由式（4-33）可以畫出電抗頻率特性，如圖4-11（c）所示，當時，石英晶體呈感性，其余頻率范圍內(nèi)，石英晶體呈容性。LC正弦波振蕩器1、實驗目的（1）掌握變壓器反饋式LC振蕩器的調(diào)整和測試方法

21、。（2）研究電路參數(shù)對LC振蕩器的起振條件及輸出波形的影響。2、實驗原理LC正弦波振蕩器是用L、C元件組成的選頻網(wǎng)絡的振蕩器，一般用來產(chǎn)生1MHZ以上的高頻正弦信號。根據(jù)LC調(diào)諧回路的不同連接方式，LC正弦波振蕩器又可以分為變壓器反饋式、電感反饋式和電容反饋式三種。圖4-12為變壓器反饋式LC正弦波振蕩器的實驗電路。其中晶體三極管T1組成共射極放大電路，變壓器Tr的原邊繞組L1（振蕩線圈）與電容C組成調(diào)諧回路，它既做為放大器的負載，又起選頻作用，副邊繞組L2為反饋線圈，L1為輸出線圈。 該電路是靠變壓器原、副邊繞組同名端的正確連接來滿足自激振蕩的相位條件的。在實際調(diào)試中可以通過把振蕩線圈L1或

22、反饋線圈L2的首、末端對調(diào)來改變極性。而振幅條件的滿足，一是靠合理選擇電路的參數(shù)，使放大器建立合適的靜態(tài)工作點，其次是改變線圈L2的匝數(shù)，或它與L1之間的耦合程度，以得到足夠的反饋量。穩(wěn)幅作用是利用晶體管的非線性來實現(xiàn)的。由于LC并聯(lián)諧振回路具有良好的選頻作用，因此輸出電壓波形一般失真不大。 振蕩器的振蕩頻率由諧振回路的電感和電容決定式中L為并聯(lián)諧振回路的等效電感。圖4-12LC正弦波振蕩器實驗電路振蕩器的輸出端加一級射極跟隨器，用以提高電路帶負載的能力。3、實驗設(shè)備與器件12V直流電源、雙蹤示波器、交流毫伏表、直流電壓表、頻率計、振蕩器、晶體三極管、電阻器、電容器若干。4、實驗內(nèi)容按圖4-1

23、2連接實驗電路。電位器RW置最大位置，振蕩電路的輸出端接示波器。（1）靜態(tài)工作點的調(diào)整1) UCC12V電源，調(diào)節(jié)電位器RW，使輸出端得到不失真的正弦波形，如果不起振，可以改變L2首末位置，使之起振。測量兩管的靜態(tài)工作點及正弦波的有效值UO，記入表4-1。2) 把RW調(diào)小，觀察輸出波形的變化。測量有關(guān)數(shù)據(jù)，記入表4-1。3) 調(diào)大RW，使振蕩波形剛剛消失，測量有關(guān)數(shù)據(jù)，記入表4-1。表4-1根據(jù)以上三組數(shù)據(jù)，分析靜態(tài)工作點對電路起振、輸出波形幅度和失真的影響。（2）觀察反饋量大小對輸出波形的影響把反饋線圈L2置于“0”（無反饋）、“1”（反饋量不足）、“2”（反饋量合適）、“3”（反饋量過強）

24、，測量相應的波形，記入表4-2。表4-2（3）相位條件改變線圈L2的首末端位置，觀察停振現(xiàn)象；恢復L2的正反饋接法，改變L1的首末位置，觀察停振現(xiàn)象。（4）測量振蕩頻率調(diào)節(jié)RW使電路正常起振，同時用示波器和頻率計測量以下兩種情況下的振蕩頻率f0，記入表4-3。諧振回路電容 （1）C1000Pf（2）C100Pf 表4-3（5）觀察諧振回路Q值對電路工作的影響諧振回路兩端并入R的電阻，觀察R并入后振蕩器波形的變化情況。5、實驗總結(jié)（1）整理實驗數(shù)據(jù)，并分析討論：1）LC正弦波振蕩器的相位條件和幅值條件。2）電路參數(shù)對LC振蕩器起振條件及輸出波形的影響。（2）討論實驗中發(fā)現(xiàn)的問題及解決辦法。 本章小結(jié)1.正弦波振蕩通常是由放大電路、反饋網(wǎng)絡、選頻網(wǎng)絡和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)四部分組成。2.產(chǎn)生正弦波振蕩的條件有