模拟电子技术(第二版)第6章.ppt

实训6 RC音频振荡器 6.1 振荡的基本概念 6.2 RC振荡器 6.3 LC振荡电路,第 6 章 振 荡 器,返回主目录,第 6 章 振 荡 器,实 训 6 RC 音 频 振 荡 器 (一) 实训目的 (1) 了解RC振荡器工作原理。 (2) 观察RC振荡器起振条件。 (3) 学习对振荡电路参数测量。 (4) 通过实训， 对振荡器有个初步了解， 为后面的理论学习打下基础。,(二) 预习要求 (1）预习RC振荡器工作原理， 以及电路中各元件的作用。 (2） 阅读本实训的全部内容。 (3） 掌握测量输入信号、输出信号的方法。 (4） 设计记录实训数据的表格。 (三) 实训电路及实训内容 1. 实训电路 实训电路如实图6.1所示。 ,图中R1、C1和R2、C2组成RC串并联式振荡器，V1、V2组成两级阻容耦合放大器，用来将正反馈信号放大。正反馈信号通过R1C1和R2C2反馈到V1的输入端， 适当选择R1、C1、 R2、C2参数，V1可以得到较大的输入信号。 图中设有开关S1、S2，选择不同的开或关状态，改变RP1、 RP2的大小，使电路产生不失真的正弦振荡波形。 2. 实训内容 （1） 按实训电路图接好电路， 备用， 注意电路中元件参数的合理性。 （2） 把直流电源调到12V， 闭合开关S1、S2，用数字频率计测量振荡信号的频率，并记录在实训报告中。 ,（3） 用示波器观察测量信号周期， 再换算成频率， 和以上测量进行比较。 （4） 计算放大倍数。 在振荡器稳定振荡时，测出输出电压U0的值，然后断开S1, 在V1的输入端用一个同频率的正弦信号，使输出电压与振荡时相等，测量输入电压Ui，则可计算出电压放大倍数。 （5） 观察负反馈对振荡的影响。 接通S1、 S2，使RP1在最小、中间、最大情况，观察振荡波形，并记录。断开S2，观察振荡波形并记录。,(四) 实训报告 (1）整理实训数据， 分析振荡产生的原因和条件。 (2）总结振荡电路的特点。 (五) 思考题 (1） 实验电路中的振荡电路基本组成包括哪几个部分? (2） 找出实验电路中的正反馈支路、 负反馈支路， 说明它们在振荡电路中的作用。 (3）实验中调整RP1、RP2对振荡电路有什么影响? (4）RC串并联振荡电路的振荡频率、 起振条件各是什么？,6.1 振荡的基本概念,6.1.1振荡的基本概念 在实训6中，我们观察到RC音频振荡器与前面讲的放大器不同。放大器在没有输入信号情况下就没有输出信号，而振荡器是在没有输入信号的情况下，仍有一定频率和幅值的输出信号，这种现象称为放大器的自激振荡。这种自激振荡在放大器中是不希望的，它会使放大器不能正常工作。但是在振荡器中恰恰相反， 振荡器就是利用自激振荡来进行工作的， 这一点就是振荡器与放大器的明显区别。但是振荡器与放大器的共同之处，仍然是输出信号是由输入信号引起的。那么振荡器的输入信号是怎样产生的呢？,在实训6中，由于电源供电的作用，在V1输入端要产生很微弱的信号波动，这种信号经过V1、V2两级放大后，由原来的很弱的信号变强， 经过反馈电阻RP1又回到输入端，放大、 反馈、放大、反馈、放大这样反复，就能产生自激振荡。 为了得到我们需要的频率信号，增加了如实训6电路中的选频网络R1C1、R2C2，符合要求的频率信号能通过，不符合要求的频率信号就被排除掉，这就是自激振荡产生的基本过程。 振荡器在通信、广播、自动控制、仪表测量和超声探伤等方面都具有广泛用途。根据振荡产生的波形不同，分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。 根据电路的组成不同，又可分成RC振荡器、LC振荡器和石英晶体振荡器。 ,6.1.2振荡条件及振荡电路的组成 1. 振荡条件 振荡电路条件的方框图如图6.1.1所示， 是放大电路的电压放大倍数， 是反馈电路的反馈参数。由于振荡电路不需要外界输入信号，因此反馈信号 就是放大电路的输入信号 ， 就是放大电路的输出信号。,且有,当,这就是振荡电路的自激振荡条件。 这个条件包含幅值和相位两个内容。 1) 幅值条件 | |=1， 即放大倍数与反馈系数F乘积的模为1。 在自激振荡开始时， | |1， 随着振荡的建立， | |也随着降低， 最后达到| |=1时， 振荡幅度便不再增大，便稳定在某一振荡振幅下工作。从 |1到| |=1是振荡建立的过程。 ,2) 相位条件 反馈电压uf和输入电压uid要同相，即放大电路的相移-A与反馈网络的相移F之和为2n，其中n是整数。 AF=2n （6.1.4） 综上所述，振荡电路必须具备以上两个条件，即幅值条件和相位条件。实际应用中正弦振荡器较多，主要有RC振荡器、 LC振荡器和晶体振荡器。 2. 振荡电路的组成 最简单的振荡器如实图6.1所示， 从以上振荡器看出， 振荡器一般由四个部分组成。,1） 放大电路 放大电路是维持振荡器连续工作的主要环节，没有放大， 信号就会逐渐衰减，不可能产生持续的振荡。要求放大器必须有能量供给，结构合理，静态工作点合适，具有放大作用。如实图6.1中的三极管V1、V2就是两级放大电路。 2） 反馈网络 反馈网络的作用是形成反馈，如实图6.1中的电阻RP1和R-1C-1、R-2C-2都是反馈电路，它们将输出信号的一部分或者全部反馈到输入端，即三极管V1的基极或发射极，构成反馈，通常把整个反馈系统称为反馈网络。 ,3） 选频网络 选频网络的主要作用是产生单一频率的振荡信号，一般情况下这个频率就是振荡器的振荡频率。在很多振荡电路中， 选频网络和反馈网络结合在一起，如实图6.1中的R-1 C-1、R-2 C-2就构成选频网络。 4） 稳幅电路 稳幅环节的作用主要是使振荡信号幅值稳定，以达到振荡器所要求的幅值，使振荡器持续工作。 如实图6.1中的反馈电阻RP1和V1发射极电阻Re1，以及R-1 C-1、 R-2 C-2构成电桥的四臂， 起到稳幅的作用。 综上所述，振荡电路必须首先具备两个条件， 即相位条件和幅值条件。其次, 电路的组成合理，便可产生振荡。实际应用中正弦波振荡器居多，常用的有RC振荡器和LC振荡器。 ,6.2 RC 震 荡 器,6.2.1 RC移相振荡器 1. 电路的组成 图6.2.1 是采用三级RC超前移相电路组成的RC移相振荡器。 C1和R1、 C2和R2构成两级RC移相网络，C3和V1放大电路的输入电阻ri构成第三级RC移相网络。V2为射极输出器，它的作用是减小负载对振荡电路的影响，在分析振荡频率和条件时， 可忽略。 在图6.2.1电路中通常选取C1=C2=C3=C，R1=R2=R。 为什么要用三级RC电路来移相呢？因为基本放大电路在很宽的频率范围内其A为180，若要求满足振荡相位条件，必须在三级RC移相网络中也移相180,但一级RC电路移相在090，不能满足，两级RC移相最大相移可达180， 但在接近180时，超前移相RC网络频率很低， 并且输出电压接近于零，也不能满足振荡幅值条件， 所以实际应用中至少要用三级RC移相电路，三级RC移相电路的相移在0270才能满足振荡条件。 2. 振荡频率和起振条件 在图6.2.1电路中，若把a点断开，它的交流等效电路如图6.2.2(a)所示，为了计算 把图6.2.2（a）画成图6.2.2(b)的等效电压源形式。,当rbeRb1Rb2时，,要使RC振荡电路产生自激振荡，应满足：,取C1=C2=C3=C，R1=R2=RC=R， 列出图6.2.2(b)电路中,式中 解得,-R3=R3 3R2ri-X2(ri5R)-jX(6R2+4Rri-X2),虚部相等,得出,=29+,当riR时，以上两式近似为,=29,以上结果表明，振荡频率主要取决于网络参数RC。图6.2.3是RC移相振荡电路的相频特性图。 RC移相电路具有结构简单、经济方便等优点。 缺点是选频作用较差， 频率调节不方便，一般用于振荡频率固定且稳定性要求不高的场合， 其频率范围为几赫兹到几十千赫兹。,6.2.2 RC桥式振荡器 1. 电路组成 实训6中的实图6.1是桥式RC振荡电路， 实际是一个具有正反馈两级阻容耦合放大电路，现在我们再对它进一步分析。 此电路工作在中频段时，前级输入电压与输出电压反相， 而后级输入电压与输出电压反相，所以前级的输入电压ui与后级的输出电压uo同相。考虑到选频性，反馈信号通过R1、C1、 R2、C2所组成串并联选频电路反馈回去， V1的输入电压ui是从R2C2并联电路取出的， ui是uo的一部分。 ,为了提高振荡电路的稳定性和改善输出电压的波形，引入负反馈电路。输出电压uo通过RP1电阻反馈到V1的发射极，R5上的电压即为负反馈电压uf。这样由R1C1、R2C2和负反馈电路中的R5、RP1正好构成电桥的四臂。从图6.2.4看则更加明显(图中，R-F, R-E分别对应实图 6.1 中RP1, R-5)。 2. 选频特性 从图6.2.4采用运算放大器的RC桥式振荡电路和以前的分析中可以看出，产生振荡的相位条件是=A+F=2n, 而对于RC桥式振荡电路，F=0, 所以必须是A=2n， 即输入电压与输出电压同相位。当C1=C2=C，R1=R2=R时，电路的振荡频率为,f=f-0= (6.2.8) uo与ui同相位，可以证明，在f=f-0时，|F|=Fmax=1/3。 根据振荡的幅值条件，令|AF|1，所以A3。这就是RC桥式振荡电路的起振条件，对于同相比例运算放大器，这很容易实现。 RC正弦振荡电路的振荡频率与R、C乘积成反比，如果要求频率较高，则R、C值要小，这样制作比较困难（且电路分布参数影响较大），因此RC振荡器用来产生低频振荡信号， 要产生更高频率的信号，则应采用LC正弦波振荡器。 ,6.3 LC 振 荡 电 路,6.3.1 变压器反馈式振荡电路 图6.3.1是一个变压器反馈式振荡电路，图中并联回路L-1C作为三极管V的集电极负载，是振荡电路的选频网络。变压器反馈式振荡电路由放大电路、变压器反馈电路和LC选频电路三部分组成。图6.3.1电路中，三个线圈作变压器耦合，线圈L1与电容C组成选频电路，L2是反馈线圈，L3线圈与负载相联。 由图6.3.1可以看出，集电极输出信号与基极相位差为180， 通过变压器的适当连接，使之从L-2两端引回的交流电压又产生180的相移，所以满足相位条件。当产生并联谐振时，谐振频率为,分析可得到该电路的起振条件为,式中，和rbe分别为三极管的电流放大系数和输入电阻； M为N-1和N-2两个绕组之间的等效互感；R为二次侧绕组的参数折合到一次侧绕组后的等效电阻。 当将振荡电路与电源接通时，在集电极选频电路中激起一个很小的电流变化信号，只有与谐振频率f0相同的那部分电流变化信号能通过，其它分量都被阻止，通过的信号经反馈放大再通过选频电路，就可产生振荡。当改变LC电路的参数L或C时，振荡频率也相应地改变。 ,如果没有正反馈电路，反馈信号将很快衰减。形成正反馈电路，线圈L1的极性(即同名端)是关键，不能接错，使用中要特别注意。 变压器反馈振荡电路的特点是，电路结构简单，容易起振，改变电容的大小可以方便地调节频率。其缺陷是，由于变压器耦合的漏感等影响， 这类振荡器工作频率不太高；输出正弦波形不理想。改进电路常应用电感反馈式振荡电路。,6.3.2电感反馈式振荡电路 电感反馈式振荡电路如图6.3.2所示。 L1、L2和C组成振荡回路，起选频和反馈作用，实际就是一个具有抽头的电感线圈， 类似自耦变压器。电感线圈L1、 L2和三个抽头分别与三极管的三个极连接，故又称电感三点式振荡电路。 1. 相位条件 将图6.3.2电路中A点断开，在输入端加上一个频率为f-0的正极性信号，在三极管的集电极得到一个负极性信号。这样1端对地为负，3端对地为正，反馈到输入端是正反馈。因此 与 同相，电路满足相位条件。通常反馈线圈L2的匝数为线圈L1和L2总匝数的1/81/4。 ,2. 振荡频率 在分析振荡频率和起振条件时，可以认为LC回路的Q值很高，且电路产生并联谐振。根据谐振条件，电路的振荡频率为,式中,其中，M为线圈L1与L2之间的互感，M=K，K为耦合系数。当K等于1时，M= ,其中，M为线圈L1与L2之间的互感，M= ， K为耦合系数。 当K等于1时， ， 则 电感反馈式振荡电路的特点是， 振荡电路的L1和L2是自耦变压器，耦合很紧，容易起振，改变抽头位置可获得较好的正弦波振荡，且输出幅度较大；频率的调节可采用可变电容， 调节方便。不足之处是，由于反馈电压取自L2，对高次谐波分量的阻抗大，输出波形中含较多的高次谐波，所以波形较差； 振荡频率的稳定性较差。一般电感反馈式振荡电路用于收音机的本机振荡以及高频加热器等。 ,6.3.3电容反馈式振荡电路 电容反馈式振荡电路与电感反馈式振荡电路比较， 只是把LC回路中的电感和电容的位置互换。电路如图6.3.3所示。 可以认为，回路电容也有3个连接点，分别接到三极管的3个极，因此也称为电容三点式振荡电路。 1. 相位条件 与电感反馈式振荡电路分析方法相同， 当LC回路谐振时， 回路呈纯电阻性， 与 反相， 而 与 反相， 因此 与 同相， 电路满足相位条件。 ,2. 振荡频率 与电感反馈式振荡电路一样， 电路的谐振频率为,其中,电容反馈式振荡电路的特点是，由于反馈电压取自电容C2，它对高次谐波分量的阻抗较小，因此，振荡波形较好； 其较电感反馈式振荡电路受三极管极间电容的影响比较小， 即频率稳定性较高。,不足之处是，频率调节不便，调节范围较小。一般只用于高频振荡器中。为了克服调节范围小的缺点，常在L支路中串联一个容量较小的可调电容，用它来调节振荡频率。 ,6.3.4石英晶体振荡电路 无线电广播发射机的频率稳定度为10-5，而无线电通信的发射机频率稳定度要求达到10-810-10数量级，前面讨论的电路难以达到这种要求。采用石英晶体代替选频电路，就变成了石英晶体振荡器， 可以达到频率稳定度很高的要求。 1. 石英晶体的特性、 符号及等效电路 1） 石英晶体的特性、 压电效应 石英晶体是二氧化硅（SiO2）结晶体，具有各向异性的物理特性。从石英晶体上按一定方位切割下来的薄片叫石英晶片， 不同切向的晶片其特性是不同的。 ,晶片常装在支架上，并引出接线。支架有分夹式和焊接式两种。为了保护晶片， 把它密封于金属或玻璃壳内。 石英晶片之所以能做成谐振器是基于它的压电效应。若在晶片两面施加机械力，沿受力方向将产生电场，晶片两面产生异号电荷， 这种效应称正向压电效应；若在晶片处加一电场， 晶片将产生机械变形，这种效应称为反向压电效应。 事实上， 正、反向压电效应同时存在，电场产生机械形变， 机械形变产生电场， 两者相互限制， 最后达到平衡态。 在石英谐振器两极板上加交变电压，晶片将随交变电压周期性地机械振动；当交变电压频率与晶片固有谐振频率相等时， 振荡交变电流最大，这种现象称压电谐振。,2） 石英晶体的符号和等效电路 石英晶体的符号如图6.3.4（a）所示, 等效电路如图6.3.4（b）所示, 图6.3.4（c）中是石英晶体谐振器忽略R以后的电抗频率特性。 由等效电路可见，石英谐振器有两个谐振频率。当L、 C、 R串联支路发生谐振时，它的等效阻抗最小(等于R)，串联谐振频率为,当频率高于f-S时，L、C、R支路呈感性，可与电