正弦波振蕩電路原理

1、正弦波發(fā)生電路正弦波發(fā)生電路 不需要外加激勵信號，電路就能產(chǎn)生輸出信號的電路稱為信號發(fā)生電路或波形振蕩器。其中能產(chǎn)生正弦波輸出信號的電路稱為正弦波發(fā)生電路或正弦振蕩器。一、自激振蕩原理一、自激振蕩原理 信號發(fā)生電路能產(chǎn)生各種波形的輸出信號，都是基于自激振蕩原理。自激振蕩原理的方框圖如圖1所示：基本放大器A反饋網(wǎng)絡F+iXdXfXoX 它是由基本放大器A和正反饋網(wǎng)絡F組成的閉合正反饋環(huán)路。圖1（X為電量：電壓或電流）A和F分別為基本放大器和反饋網(wǎng)絡的正向傳輸函數(shù)，即：dXXA00XXFf+圖1中的 為相加器，fidXXX因此圖1的輸出： oifidXAFXAXXAXAX)(0ioXAFAX1（1

2、）（2）（3） 由于自激振蕩是一種沒有輸入（ ）,仍有一定大小輸出（ 非零值）的電路，因此，由式（3）必須有： 0iXoX01 AF1AF或（4）即: 1、自激振蕩器是由放大器A和反饋網(wǎng)絡F組成的閉合環(huán)路，其 能形成自激振蕩須滿足：1AF稱 為自激振蕩條件。 1AF由于A,F為復數(shù)形式，故自激振蕩條件又可以表示為：1AFnAF2及 n=0,1,2 Z為整數(shù) 上式中第一項為自激振蕩的幅度條件，第二項為自激振蕩的相位條件。 相位條件是產(chǎn)生自激振蕩的必要條件，即反饋信號 必須與放大器A的輸入信號 同相（正反饋），幅度條件則是自激產(chǎn)生的充分條件，兩者缺一不可。 2、環(huán)路增益函數(shù)T 由A 和 F組成的閉

3、合環(huán)路，若在環(huán)路中的某一處斷開，分別作為環(huán)路的輸入和輸出，它們的比值就是環(huán)路增益函數(shù)，即：ioXXToXiX圖2 由于是閉合環(huán)路，原則上在哪處斷開都可以。對于圖1所示的方框圖，由于 ，若取相加處為環(huán)路的起始和終點，則有：0iXFAAXXFXXToodf（6） 所以自激振蕩條件又可用環(huán)路增益函數(shù)表示：或 1TnTT21（7） 式（6）（7）說明：當反饋網(wǎng)絡的輸出 從相位和幅度大小上完全等同于放大器輸入 時，自激振蕩形成，電路有輸出 。fXdX0X3、正弦波發(fā)生電路的輸出是單一頻率的正弦波，因此由圖1電路實現(xiàn)正弦振蕩的條件是滿足式（5）或式（7）的頻率應該是唯一的所以閉合環(huán)路中的反饋網(wǎng)絡F通常為具

4、有選頻特性的。選頻特性的Q值越高，則電路產(chǎn)生的正弦波越純、越好。利用式（5）或式（7），我們可以分析求解出正弦波發(fā)生電路的振蕩頻率和起振條件。二、自激振蕩的建立和形成二、自激振蕩的建立和形成 1、由閉合環(huán)路組成的自激振蕩器，其振蕩產(chǎn)生的起始信號來自于電路中的各種起伏和外來擾動，例如電路接通電源瞬間的電沖擊、電子器件的噪聲電壓等等，這些電信號中含豐富的頻率成分，經(jīng)選頻網(wǎng)絡選出某頻率的信號輸送至放大器A放大后，經(jīng)F網(wǎng)絡反饋后再放大，反復循環(huán)直至電路的輸出Xo由小至大。最后建立和形成穩(wěn)定的波形輸出。 2、為使振蕩器的輸出穩(wěn)定在一定的幅度，放大器A必須為具有非線形傳輸特性的，如圖3(a)所示。一般，反

5、饋網(wǎng)絡的傳輸特性為線形的，如圖3(b)。 oXdXOAfXoXFO圖3(a)圖3(b) 由于自激振蕩器是閉合環(huán)路，F(xiàn)網(wǎng)絡的輸入Xo就是A放大器的輸出，F(xiàn)網(wǎng)絡的輸出Xd就是A的輸入，因此，可以將圖3(a)和(b)合并畫在同一個圖上，如圖（4），這樣便于分析閉合環(huán)路中放大、反饋、放大的反復循環(huán)過程。1oXoBX2oX1dX2dX3dX圖（4）fdXXoXAF1 由圖4可以看到，放大器輸入Xd1，經(jīng)A放大得Xo1，Xo1經(jīng)F網(wǎng)絡得到Xf1 =Xd2，Xd2經(jīng)F網(wǎng)絡得到Xf2 =Xd3，最后到達|A|和1/|F|的交點 B，振蕩形成。稱B點為振蕩形成的平衡點，B點對應的輸出XoB為振蕩形成的輸出大小。

6、 上述分析表明：、對圖4中，B點以下的部分有 FA1O即|AF|1，這時電路中的任何擾動都會經(jīng)過閉合環(huán)路的多次循環(huán)放大，變得越來越大。 在B點有 ，即|AF|=1，滿足自激振蕩的幅度條件。 FA1B點以上的部分，有 ，即|AF|0 為電感 若X0，以及電阻因此式（9）中須有 。即X1和X3必須是同類電抗。031XX而為滿足（8）式，可知X2必須為和X1、X3的相反類電抗。例如X1、X3為電感時X2必須為電容。通常分析時，由式（8）解得三點式振蕩器的振蕩頻率，由式（9）求得電路的起振條件。 4、電容三點式振蕩器X1和X3取電容，X2取電容，如圖9所示。圖92321111CXLXCX由式（8）得

7、01121LCC振蕩頻率 210111CCL由式（9）得電路的起振條件 122111CCRCCRgDDm5、電感三點式振蕩器 X1和X3取電容，X2取電感，如圖10所示。 圖10振蕩頻率 21011LLC由式（9）得電路的起振條件 21LLRgDm6、由雙極型晶體管（BJT）構成的三點式振蕩器分析 圖11（a） 圖11（a）為交流電路，圖11（b）為晶體管用低頻等效電路替代的交流等效電路，其中設eierh0bbr采用圖11(b)進行分析的時，若能忽略hie的分流作用，即 3Xhie則圖11（b）電路分析與圖8電路完全相同，其結論完全適用圖11。所以通常由BJT構成的三點式振蕩器時，大多要求滿足

8、 圖11(b)3Xhie五、石英晶體振蕩器五、石英晶體振蕩器1、石英晶體諧振器的阻抗特性 利用石英晶體的壓電效應制作的具有高Q值諧振特性的器件，其符號及等效電路如圖12（a）所示，其中圖12（a）圖12（b）C0靜態(tài)等效電容，幾pF幾十pFC1彈性慣性的等效電容10-210-4pF L機械振動慣性等效電感 幾十mH幾百H R振動時摩擦等效電阻，其值很小，幾十歐姆以下，?？珊雎?。從圖12（b）可求出石英晶體的端口等效阻抗：10111CjLjCjjZjY120112011LCCCLCCj0112120111CCLCLCCjjZ即: 通常定義兩種諧振頻率：串聯(lián)諧振頻率 11LCs并聯(lián)諧振頻率 101

9、01CCCCLp由于C0C1,可以有 :01010101011CCCCCCCCCLLCsp即p略大于s，但兩者十分接近。將p、s代入Z(j)式中： jXCjjZps22220111式（10）由式（10）畫得X()曲線：從圖13有：當sp時，X()0 石英晶體呈容性阻抗 當=s時， X()=0當s0 石英晶體呈感性阻抗 當p時，X()0 石英晶體呈容性阻抗 從上述阻抗特性說明： 圖13當=s時，石英晶體阻抗為零（忽略R時，若計及R的影響，則為很小的電阻值）。jXspo當sp時，石英晶體相當于一個高Q值電感。 利用上述的兩個特性，可以組成兩類石英晶體正弦振蕩器。2、石英晶體振蕩器 利用Z(j)呈高Q值電感特性，替代LC三點式振蕩器中的電感，組成振蕩頻率為石英晶體并聯(lián)諧振頻率p的正弦振蕩器。如圖14（a）和（b）。圖14（a）圖14（b）利用Z(j)=0的阻抗特性，使石英晶體成為選頻反饋網(wǎng)絡中的一個反饋元件，用以控制反饋量|Vf|的大小，使=s時才滿足振蕩要求的幅度條件，形成正弦振蕩。故0=s。圖15為在電容三點式電路中加入了由Re與石英晶體組成的正反饋支路，使原來由C1 和C2