[工学]任务3-2正弦波振荡电路的测试与分析.ppt

2019/4/17,1,项目3： 简易信号发生器的设计与制作,模拟电子技术基础,主讲人：王潇贤,2019/4/17,2,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,工作任务 RC桥式正弦波振荡电路的测试,学习目标 理解振荡电路结构组成及起振条件 理解RC桥式振荡电路的结构功能及各元器件的作用 理解LC振荡电路的结构功能及各元器件的作用 掌握正弦波振荡电路振荡频率的估算方法,2019/4/17,3,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,振荡电路：在没有外加激励的条件下，能自动产生一定波形输出信号的装置或电路。 振荡电路和放大电路都是能量转换装置，它们将电源中的能量转换为有一定要求的能量输出。 区别在于放大电路需要外加激励，而振荡电路不需要外加激励。振荡器产生的信号是“自激”的。 按照产生信号的波形是否为正弦波，振荡器可分为正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路。,2019/4/17,4,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,1.1. 自激振荡的条件,只有正反馈电路才能产生自激振荡。,2019/4/17,5,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,1.1. 自激振荡的条件,反馈信号代替了放大 电路的输入信号。,2019/4/17,6,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,1.1.自激振荡的条件,自激振荡条件,【请看教材P143】,2019/4/17,7,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,1.1.自激振荡的条件,自激振荡的正弦波频率必须一定，也就是说在放大、反馈回路中应该有选频作用，将不要的频率抑制。,振幅条件：可以通过调整放大电路的放大倍数达到 相位条件：意味着振荡电路是正反馈,所以将放大倍数和反馈系数写成：,2019/4/17,8,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,1.2.起振与稳幅, 起振,起振幅值条件为：, 稳幅,图4-1 起振和稳幅波形, 被动：器件非线性 主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节， 用以调节放大电路的增益, 稳幅措施,2019/4/17,9,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,1.3.正弦波振荡器组成,正弦波振荡器组成框图,1、放大电路：满足振荡电路的振幅条件 2、正反馈网络：引入正反馈，使放大电路满足自激振荡的相位条件 3、选频网络：只对一个频率满足振荡条件，从而获得单一频率的正弦波输出 常用的选频网络有 RC选频 和 LC选频 4、稳幅环节：使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小。,【请看教材P144】,2019/4/17,10,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,1.4.正弦波振荡电路的分类,按照选频网络所用元件来命名，分为：,RC振荡电路：,LC振荡电路：,用R、C元件组成；,用于产生1Hz1MHz的低频信号。,用L、C元件组成；,用于产生1MHz以上的高频信号。,石英晶体振荡电路：振荡频率稳定,【请看教材P145】,2019/4/17,11,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,Q1：振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？,电路器件内部噪声。,【答案】,2019/4/17,12,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,Q2：电路器件的内部噪声不是单一频率噪声，而电路输出的是单一频率的正弦波，如何实现？,【答案】,2019/4/17,13,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,【答案】,Q3： 起振条件 是否意味着输出电压将越来越大，趋于无穷 ？,2019/4/17,14,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,R1C1 串联阻抗：,R2C2 并联阻抗：,2. RC串并联网络的频率特性,2019/4/17,15,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,2. RC串并联网络的频率特性,通常，取R1R2R，C1C2C， 则有：,令,则,幅频特性：,相频特性：,Fmax=1/3,2019/4/17,16,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,RC串并联网络频率特性 a）幅频特性 b）相频特性,2. RC串并联网络的频率特性,【请看教材P146】,2019/4/17,17,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,RC选频网络,同相比例运算电路,运放是振荡电路的放大部分，R1、Rf 引入电压串联负反馈，具有较大的输入电阻和较小的输出电阻，减小放大电路对选频特性的影响，使振荡频率几乎决定于选频网络。RC 串并联网络在振荡器中既是选频电路又是正反馈电路。, 电路组成,2. RC串并联正弦振荡电路,RC桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡器）,2019/4/17,18,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,2. RC串并联正弦振荡电路,RC桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡器）,2019/4/17,19,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,2. RC串并联正弦振荡电路,RC桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡器）,2019/4/17,20,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,例题：合理连接电路，组成文氏桥振荡电路,【请看教材P155 题5】,2. RC串并联正弦振荡电路,RC桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡器）,2019/4/17,21,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析, 振荡频率：, 特点：, 用途：一般适用于产生较低频率 （f01MHZ）的场合。, 频率调节方便。, 电路结构简单，易起振。, 稳幅措施：A=3,Rf 2R1, 起振条件：,2. RC串并联正弦振荡电路,RC桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡器）,2019/4/17,22,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,例题:R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf为多大时才能起振？振荡频率f0=？,AF=1，,A=3,Rf=2R1=210=20k,=1592 Hz,解：起振条件为,2. RC串并联正弦振荡电路,RC桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡器）,2019/4/17,23,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,能自动稳幅的振荡电路,起振时Rt较大 使A3,易起振。 当uo幅度自激增长时， Rt减小，A减小。 当uo幅度达某一值时， A3。 当uo进一步增大时， RT再减小 ,使A3。 因此uo幅度自动稳定于某一幅值。,2. RC串并联正弦振荡电路,2019/4/17,24,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,起振时D1、D2不导通，Rf1+Rf2略大于2R1。随着uo的增加， D1、D2逐渐导通，Rf2被短接，A自动下降，起到稳幅作用。,将Rf分为Rf1 和Rf2 ， Rf2并联二极管,能自动稳幅的振荡电路,2. RC串并联正弦振荡电路,【请看教材P147】,2019/4/17,25,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,频率可调的文氏桥振荡器,K1：开关，切换R， 用于粗调振荡频率。,C：可调电容，改变C，用于细调振荡频率。,2. RC串并联正弦振荡电路,2019/4/17,26,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,RC正弦波振荡电路的测试,1、 RC串并联选频网络振荡器 按图组接线路(2) 断开RC串并联网络，测量放大器静态工作点及电压放大倍数。 (3) 接通RC串并联网络，并使电路起振，用示波器观测输出电压uO波形，调节Rf使获得满意的正弦信号，记录波形及其参数。,2019/4/17,27,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,RC正弦波振荡电路的测试,(4) 测量振荡频率，并与计算值进行比较。 (5) 改变R或C值，观察振荡频率变化情况。,2019/4/17,28,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,RC正弦波振荡电路的测试,(6) RC串并联网络幅频特性的观察 将RC串并联网络与放大器断开，用函数信号发生器的正弦信号注入RC串并联网络，保持输入信号的幅度不变（约3V），频率由低到高变化，RC串并联网络输出幅值将随之变化，当信号源达某一频率时，RC串并联网络的输出将达最大值（约1V左右）。且输入、输出同相位，此时信号源频率为,2019/4/17,29,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,LC振荡电路的选频电路由电感和电容构成，可以产生高频振荡。 由于高频运放价格较高，所以一般用分立元件组成放大电路。,2019/4/17,30,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,3.1 LC并联回路的频率特性,R为电感和电容等效损耗电阻,Z为实数，呈电阻性 电压和电流同相 电路发生并联谐振,当 时，,2019/4/17,31,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,电路发生并联谐振,(电阻性),谐振时，电路呈阻性：,谐振角频率 谐振频率,3.1 LC并联回路的频率特性,R为电感和电容等效损耗电阻,2019/4/17,32,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,3.1 LC并联回路的频率特性,Q值越大，曲线越陡越窄，选频特性越好。 Q值越大， LC回路谐振时能量损耗越小。,LC并联谐振回路的频率特性曲线,Q为谐振回路的品质因数, f = f0时，Z=Z0，阻抗最大，阻抗角为0。, f f0时，阻抗迅速衰减，且阻抗角增大。,2019/4/17,33,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,3.2 变压器反馈式LC正弦振荡电路,初级线圈,次级线圈,同名端,在LC振荡器中，反馈信号通过互感线圈引出,互感线圈的极性判别,初级线圈在某一个瞬间极性为正时，次级线圈也在同一个瞬间有一个极性为正的对应端，这时我们把这两个对应端叫做线圈的同极性端，或者叫同名端。,2019/4/17,34,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,工作原理：,三极管共射放大器：,利用互感线圈的同名端：,满足相位条件,3.2 变压器反馈式LC正弦振荡电路,2019/4/17,35,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,判断是否是满足相位条件正反馈,断开反馈到放大器的输入端点，假设在输入端加入一正极性的信号，用瞬时极性法判定反馈信号的极性。若反馈信号与输入信号同相，则满足相位条件；否则不满足。,(+),(-),(+),(+),振荡频率:,3.2 变压器反馈式LC正弦振荡电路,2019/4/17,36,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,(+),(+),(+),(+),举例1：,满足相位平衡条件,特点： 易振，波形较好； 耦合不紧密， 损耗大， 频率稳定性不高。,变压器反馈式LC正弦振荡电路一般适用于振荡频率不太高的场合。 如:中短波段。,3.2 变压器反馈式LC正弦振荡电路,2019/4/17,37,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,(+),(+),(),(+),振荡频率:,(),举例2：,满足相位平衡条件,3.2 变压器反馈式LC正弦振荡电路,2019/4/17,38,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,仍然由LC并联谐振电路构成选频网络,uf与uo反相,uf与uo同相,3.3 电感三点式正弦振荡电路,2019/4/17,39,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,振荡频率：,特点：耦合紧密，易振，振幅大，C 用可调电容可获得较宽范围的振荡频率。波形较差，常含有高次谐波。,满足相位平衡条件,3.3 电感三点式正弦振荡电路,【请看教材P158 习题2(c)】,2019/4/17,40,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,仍然由LC并联谐振电路构成选频网络,uf与uo反相,uf与uo同相,3.4 电容三点式正弦振荡电路,2019/4/17,41,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,振荡频率：,特点：波形好， 振荡频率调整范围小， 适于频率固定的场合。,满足相位平衡条件,3.4 电容三点式正弦振荡电路,2019/4/17,42,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,三点式振荡器的组成原则（补充）,图4-12 三点式振荡器 一般形式（交流通路）,即若Xbe、Xce呈感性，则Xcb必须呈容性； 若Xbe、Xce呈容性，则Xcb必须呈感性； 且Xbe、Xce电抗性质不能相反。,Xbe、Xce必须为同性电抗元件， 且Xcb必须与其性质相反。,3.4 电容三点式正弦振荡电路,2019/4/17,43,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,【例1】已知电路如图所示，试判断这些电路能否产生正弦波振荡？并说明理由。,3.4 电容三点式正弦振荡电路,2019/4/17,44,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,解：判断电路能否产生正弦波振荡应按能否满足振幅平衡条件和相位平衡条件。, 振幅平衡条件：主要看三极管放大电路能否正常工作，能否工作在放大工作状态(静态工作点是否合适)，若能工作在放大区，则一般认为能满足振幅平衡和起振条件。, 相位平衡条件：主要看能否构成正反馈，一般用瞬时极性法。, 若为三点式正弦振荡电路，则可先判断是否符合三点式振荡电路的组成原则，若符合，再按上述(1)、(2)继续判断。,3.4 电容三点式正弦振荡电路,【例1】已知电路如图所示，试判断这些电路能否产生正弦波振荡？并说明理由。,2019/4/17,45,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,构成正反馈，满足相位平衡条件； 静态工作点不合适，发射极接线圈L后接地，直流电压为0，不可以。不满足振幅平衡条件； 不能振荡。,3.4 电容三点式正弦振荡电路,【例1】已知电路如图所示，试判断这些电路能否产生正弦波振荡？并说明理由。,2019/4/17,46,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,构成负反馈，不满足相位平衡条件， 不能振荡。,3.4 电容三点式正弦振荡电路,【例1】已知电路如图所示，试判断这些电路能否产生正弦波振荡？并说明理由。,2019/4/17,47,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,构成正反馈， 满足相位平衡条件； 有合适的静态工作点， 满足振幅平衡条件； 能振荡。,3.4 电容三点式正弦振荡电路,【例1】已知电路如图所示，试判断这些电路能否产生正弦波振荡？并说明理由。,2019/4/17,48,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,例(补充)： 试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件,满足相位平衡条件,3.4 电容三点式正弦振荡电路,2019/4/17,49,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,例(补充)：试判断以下各图所示是否满足自激振荡的相位条件,不满足,满足,3.4 电容三点式正弦振荡电路,【请看教材P157 习题1（b）】,2019/4/17,50,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,不满足,满足,3.4 电容三点式正弦振荡电路,例(补充)：试判断以下各图所示是否满足自激振荡的相位条件,【请看教材P157 习题1（e）】,2019/4/17,51,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,Q 值越高，选频特性越好，频率越稳定。,频率稳定问题,LC 振荡电路 Q 数百,石英晶体振荡电路 Q 10000 1000000,正弦波振荡电路是产生单一频率的振荡器，频率越纯，稳定度越高，正弦波形越好。 而频率稳定度与谐振回路的Q值有关。,2019/4/17,52,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,4.1 石英晶体基本特性, 石英晶体,主要成分是二氧化硅，具有稳定的物理化学性能。,石英晶体电路符号,2019/4/17,53,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,极板间加电场,极板间加机械力,压电效应：,交变电压,机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高。,当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大, 基本特性,4.1 石英晶体基本特性,2019/4/17,54,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,4.1 石英晶体基本特性,当外加交变电压的频率与晶片固有振荡频率相等时，会产生压电谐振。 与LC回路谐振十分相似。,3. 等效电路,2019/4/17,55,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,4.1 石英晶体基本特性,有两个谐振频率。,4. 频率特性,串联谐振频率：,并联谐振频率：,晶体等效纯阻且阻值0,通常,所以,2019/4/17,56,任务3-2：正弦波振荡电路测试与分析,4.2 石英晶体振荡电路,利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。,1. 并联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs与fp之间，相当一个大电感，与C1、