71正弦波振荡电路

第7章信号产生电路7.1正弦波振荡电路教学要求掌握正弦波振荡电路的工作原理；掌握RC桥式振荡电路的工作原理；理解变压器反馈式、三点式LC及石英晶体振荡电路的原理。引言信号产生电路通常也称振荡器，用于产生一定频率和幅度的信号。按输出信号波形的不同可分为两大类，即正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路，而正弦波振荡电路按电路形式又可分为RC振荡电路、LC振荡电路和石英晶体振荡电路等；非正弦波振荡电路按信号形式又可分为方波、三角波和锯齿波振荡电路等。振荡电路的性能指标主要有两个：1.要求输出信号的幅度要准确而且稳定；2.要求输出信号的频率要准确而且稳定。一般来讲准确度比稳定度容易做到，而幅度稳定比频率稳定容易实现。此外输出波形的失真度、输出功率和效率也是较重要的指标。一、正弦波振荡电路的工作原理（一）振荡产生的基本原理当反馈信号等于放大器的输入信号时，振荡电路的输出电压不再发生变化，电路达到平衡状态，因此将反馈信号等于放大器的输入信号称为振荡的平衡条件。另外注意，这里的反馈信号和放大器的输入信号都是复数，所以两者相等是指大小相等而且相位也相同。2.振荡的起振条件为使振荡电路在接通直流电源后能够自动起振，则在相位上要求反馈电压与输入电压同相，在幅度上要求Uf＞Ui，因此振荡的起振条件也包括相位条件和振幅条件两个方面，即（三）电路的组成和起振的判断二、RC振荡电路采用RC选频网络构成的振荡电路称为RC振荡电路，它适用于低频振荡，一般用于生产1Hz~1MHz的低频信号。常用的RC振荡电路有RC桥式振荡电路和RC移相式振荡电路。（一）RC桥式振荡电路1.RC串并联选频网络2.RC桥式振荡电路将RC串并联选频网络和放大器结合起来即可构成RC振荡电路，放大器可采用集成运放。电路如下动画所示，运算放大器的输入端和输出端分别跨接在电桥的对角线上，故把这种振荡电路称为RC桥式振荡电路。图中Rf采用了具有负温度系数的热敏电阻，用以改善振荡波形、稳定振荡幅度。负反馈支路中采用热敏电阻有不但使RC桥式振荡电路的起振容易，振幅波形改善，同时还具有很好的稳幅特性，所以实用RC桥式振荡电路中的热敏电阻的选择是很重要的。3）稳幅措施为使电Au为非线性，起振时，应使Au3，稳幅后Au=3。(二)RC移相式振荡电路RC移相式振荡电路如下图所示，电路采用三节RC超前相移网络，三节相移网络对不同频率的信号产生的相移是不同的，电脑其中总有一个频率的信号，通过此网络产生的相移刚好为180°，满足相位平衡条件而产生振荡，该频率即为振荡频率f0。RC移相式振荡电路具有结构简单、经济方便等优点。其缺点是选频性能较差，频率调节不方便，由于输出幅度不够稳定，输出波形较差，一般只用于振荡频率固定，稳定性要求不高的场合。三、LC振荡电路采用LC谐振回路作为选频网络的振荡电路称为LC振荡电路，它主要用来生产高频正弦振荡信号，一般在1MHz以上。根据反馈形式的不同，LC振荡电路可分为变压器反馈式和三点式振荡电路。（一）变压器反馈式LC振荡电路1.LC并联谐振电路回路品质因数Q用来评价回路损耗的大小，一般在几十到几百范围。由以上分析可知，并联谐振的本质是电流谐振，并联谐振具有很好的选频作用。2.变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路原理如下图所示。L、Lf组成变压器，其中L为次侧线圈电感，Lf为反馈线圈电感，用来构成正反馈。L、C构成并联谐振回路，作为放大器的负载，构成选频放大器。由于LC回路的选频作用，电路中只有等于谐振频率的信号得到足够的放大，只要变压器一、二次间有足够的偶合度，就能满足振荡的幅度条件而产生正弦波振荡，其振荡频率决定于LC并联谐振回路的谐振频率ƒ0。（二）三点式LC振荡电路三点式LC振荡电路的特点是电路中LC并联谐振回路的三个端子分别与放大器的三个端子相连，故而称为三点式振荡电路。1.电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路（又称哈特莱振荡器）如上图所示。三极管V构成共发射极放大电路，电感L1、L2和电容C构成正反馈选频网络。谐振回路的三个端点1、2、3分别与三极管的三个电极相接，反馈信号取自电感线圈L2两端电压，故称为电感三点式振荡电路，也称电感反馈式振荡电路。电感三点式振荡电路的优点是起振容易，因为L1、L2之间偶合很紧，正反馈较强的缘故。此外，改变回路电容可调节振荡信号频率。由于反馈信号取自电感L2两端，对高次偕波呈现高阻抗，故不能抑制高次偕波的反馈，因此振荡电路输出信号中的高次偕波较多，信号波形较差。优点：易起振（L间耦合紧）；易调节（C可调）。缺点：输出取自电感，对高次谐波阻抗大，输出波形差。2.电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路又称考皮兹振荡电路，其电路原理如下图所示。电容C1、C2和电感L构成正反馈选频网络，反馈信号取自电容C2两端，故称为电容三点式振荡电路，也称电容反馈式振荡电路。反馈信号与输入端电压同相，满足振荡的相位平衡条件，电路的振荡频率近似等于回路的谐振频率。电容三点式振荡电路的反馈信号取自电容C2两端，因为C2对高次偕波呈现较小的容抗，反馈信号中高次偕波的分量小，故振荡电路的输出信号波形较好。但当改变C1或C2来调节振荡频率时，同时回改变正反馈量的大小，因而会使输出信号幅度发生变化，甚至可能会使振荡电路停振。所以调节这种振荡电路的振荡频率很不方便。优点：波形较好。缺点：1.调频时易停振；2.V极间电容影响fo。改进型电容三点式振荡电路又称可拉波电路，如上图所示。在可拉波电路中，当C3比C1、C2小得多时，振荡频率仅由C3和L来决定，与C1、C2基本无关，C1、C2仅构成正反馈，它们的容量相对来说可以取得很大，从而减小与之相并联的晶体管输入电容、输出电容的影响，提高了频率的稳定度。四、石英晶体（Crystal）振荡电路（一）石英晶体谐振器的阻抗特性石英晶体因其具有压电效应被用作振荡器。所谓压电效应，即当机械力作用于石英晶体使其发生机械变形时，晶片的对应面上会产生正、负电荷，形成电场；反之，在晶片的对应面上加一电场时，石英晶片会发生机械变形。当给石英晶片外加交变电压时，石英晶片将按交变电压的频率发生机械振动，同时机械振动又会在两个电极上产生交变电荷，结果在外电路中形成交变电流。当外加交变电压的频率等于石英晶片的固有机械振动频率时，晶片发生共振，此时机械振动幅度最大，晶和片两面的电荷量电路中的交变电流也最大，产生了类似于回路的谐振现象，此现象称为压电谐振振。晶片的固有机械动频率称为谐振频率1.结构和符号5.使用注意事项1)要接一定的负载电容CL(微调)，以达标称频率。2)要有合适的激励电平。过大会影响频率稳定度、振坏晶片；过小会使噪声影响大，还能停振。（二）石英晶体谐振电路串联型晶体振荡电路——石英晶体作为一个正反馈通路元件，工作在串联谐振状态。并联型晶体振荡电路——石英晶体作为一个高Q值的电感元件，和回路中的其它元件形成并联谐振。