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第4章正弦波振荡器 无线电发送设备需要高频载波 无线电接收设备需要本振信号 很多电子设备中都需要使用正弦波振荡信号 它们都是由正弦波振荡器所产生 振荡器 oscillator 和放大器一样 也是一种能量转换电路 所不同的是振荡器无需外加输入信号 本身就能自动地将直流电能转换为特定频率 波形 幅度的交变电能输出 振荡器分类 低频正弦振荡器高频正弦振荡器微波振荡器 矩形波振荡器三角波振荡器锯齿波振荡器 应用范围 在发射机 接收机 测量仪器 信号发生器 计算机 医疗 仪器乃至电子手表等许多方面振荡器都有着广泛的应用 主要技术指标 1 振荡频率f及频率范围 2 频率稳定度 3 振荡的幅度和稳定度 图4 1反馈型正弦波振荡器原理 振荡器振幅平衡条件 相位平衡条件为 起振条件 4 4 4振荡器的频率稳定度 一 振幅平衡的稳定条件 满足起振条件的环路增益 振幅稳定条件 A Ui Ui UiA 二 相位平衡稳定条件 为了使振荡器的相位平衡条件稳定 必须使得频率变化时产生相反方向的相位变化 以补偿外因引起的相位变化 因此 相位平衡的稳定条件是 三 提高频率稳定度的措施 减小外界因素变化的影响提高振荡回路的标准性 1 采用高质量的回路元件 2 采用温度补偿法 3 改进安装工艺 4 采用固体谐振器 5 减弱振荡管与振荡回路的耦合 4 3LC振荡器4 3 1互感耦合式振荡器互感耦合式振荡器有3种形式 调集型电路 调基型电路调发型电路 它们是根据振荡回路是接在集电极 基极还是发射极来区分的 图4 4调集型互感耦合式振荡器 图4 5和图4 6分别画出了调基型和调发型振荡电路 接线时必须注意同名端的位置以满足自激振荡的相位条件 由于基极和发射极之间输入阻抗较小 为避免回路值降低过多 故在两电路中晶体管与振荡回路间采用部分接入耦合 调集型电路在高频输出方面比其他两种电路稳定 而且幅度大 谐波成分小 调基型的振荡频率在较宽的范围内变化时 振荡幅度比较平稳 互感耦合振荡器在调整反馈时 基本不影响振荡频率 但由于分布电容的影响 限制了振荡频率的提高 一般适合较低频段 图4 5调基型互感耦合式振荡器 图4 6调发型互感耦合式振荡器 什么叫三点式振荡器 所谓三点式振荡器就是对于交流等效电路而言 由LC回路引出三个端点分别与晶体管三个电极相连的振荡器 依靠电容产生反馈电压构成的振荡器则称为电容三点式振荡器 又称考毕兹振荡器 依靠电感产生反馈电压构成的振荡器则称为电感三点式振荡器 又称哈特莱振荡器 构成三点式的基点是如何取出满足相位条件的正反馈电压 4 3 2三点式振荡器 图4 7三点式振荡器原理图 满足相位振荡条件的判断 射同基 集反 射极接二个电抗性质相同的元件 基极 集电极接二个电抗性质相反的元件 交流通道 2 电感三点式振荡器 哈特莱振荡器 振荡频率 3电容三点式振荡器 振荡频率 5 5 4电容三点式与电感三点式振荡器比较电容三点式 1 输出波形好 接近于正弦波 2 因晶体管的输入输出电容与回路电容并联 可适当增加回路电容提高稳定性 3 工作频率可以做得较高 利用极间电容 缺点 调整频率困难 起振困难 电感三点式 优点是起振容易 调整方便 缺点是输出波形不好 在频率较高时 不易起振 4 两种改进型电容三点式振荡器 1 克拉泼振荡器它是在图4 9电容三点式振荡器的电感支路中串入一个电容C3得到的 只要L和C3串联等效为电感 该电路仍然是一个电容三点式振荡器 所以可采用电容三点式的分析方法 可见 g只取决于L C3 而与C1 C2基本无关 于是可以增加C1 C2 不必减小电感L 以减小晶体管极间电容对频率的影响 提高了频率稳定度 改变C3即可改变振荡频率 图4 11西勒振荡器 振荡频率 4 4石英晶体振荡器 石英谐振器的符号和等效电路如图所示 其串联谐振频率为 当等效电路并联时 并联谐振频率为 石英谐振器的电抗 频率特性如图所示 图4 13并联型晶体振荡器 射同基 集反 图4 14皮尔斯振荡器 4 4 2串联型晶体振荡器图4 16所示为串联型晶体振荡器 如将晶体短路 则该电路变为电容三点式振荡器 电路的工作原理是 当振荡频率等于晶体串联谐振频率fs时 晶体等效阻抗最小 正反馈最强 电路满足起振的相位条件和振幅条件 电路能正常工作 当频率远离晶体串联谐振频率fs时 晶体等效阻抗增大 使正 反馈减弱 不满足起振的相位条件和幅度条件 电路不能正常工作 由于振荡频率主要取决于晶体的串联谐振频率 所以振荡频率稳定度较高 图4 16串联型晶体振荡器 4 5RC振荡器当需要产生几十千赫以下的正弦波信号时 如果仍采用LC振荡器 则所需要L C数值较大 使它们的体积增大 给振荡器的安装调试带来不便 因此 在需要较低频率正弦波振荡器时 通常采用RC振荡器 RC振荡器也是反馈型振荡器 它用电阻 电容构成选频网络 由于RC选频网络的选频作用差 所以输出波形和频率稳定度都较差 根据RC选频网络的不同形式 RC振荡器可分为移相式和桥式两种类型 4 5 1RC移相式振荡器移相式振荡器由一级反相放大器和三节以上RC移相电路组成 如图4 18所示 图4 18RC移相式振荡器 图4 19RC串 并联网络及其频率特性 取R1 R2 R C1 C2 C 图4 19RC串 并联网络及其频率特性 当 F 1 3达最大值相移 0 图 20文氏电桥振荡器 AF 1 RF 2R1 Rf由具有负温度系数的热敏电阻Rt代替 图4 21改画成文氏电桥形式的振荡器电路 4 6集成电路振荡器应用介绍集成电路振荡器是由集成电路加外接选频网络构成的 由集成运放代替分立器件晶体管 可以组成以上各节所介绍的正弦波振荡器 本节不再重复介绍 下面重点介绍两种集成振荡器 单片集成振荡器E1648 运用在彩色电视机色度解码电路中作基准色副载波恢复电路的压控振荡器 VCO 4 6 1单片集成振荡器E1648E1648是中规模集成电路 其内部电路如图4 22所示 图4 22单片集成电路振荡器E1648的内部电路 1 电路组成该电路由差分对管振荡电路 放大电路和偏置电路3部分组成 1 差分对管振荡电路 又称索尼振荡器 在图4 22中VT7 VT8管与10 12脚之间外接LC回路组成差分对管振荡电路 其中VT9为可控恒流源 图4 23a为差分对管振荡电路的部分电路图 图4 23b为其交流等效电路 由图4 23b可以看出 它是一个共集 共基反馈式振荡电路 在LC回路的谐振频率时 共集 共基级联放大电路为同相放大电路 且增益可设计为大于1 因此电路满足相位和幅度平衡条件 可产生正弦波振荡输出 图4 23差分对管振荡电路 图4 24E1648组成的正弦波振荡器 E1648单片集成振荡器振荡频率可达200MHz 有两个输出端 3脚由内部VT1管发射极引出 另外可在1脚外接振荡回路 由1脚输出 如在10和12脚外接包括变容二极管在内的LC元件 则可构成压控振荡器 如果外接石英晶体 则可构成石英晶体振荡器 4 6 2副载波恢复电路中的压控振荡器压控振荡器是以电压来控制振荡频率的振荡器 其英文缩写为VCO 在电子通信设备中 压控振荡器 VCO 广泛使用于自动频率控制 AFC 自动相位控制 APC 或锁相环路 PLL 系统中的振荡电路 彩色电视机中要对色度信号解调 就要恢复基准色副载波 副载波恢复电路中的压控振荡器 VCO 就是起这个作用 图4 25所示为副载波恢复电路中的压控振荡器 它是高通型可变相移网络与石英晶体串联组成的压控振荡器 图4 25串联型晶体压控振荡器 4 7正弦波振荡器的选用上面已介绍多种正弦波振荡器 各种正弦波振荡器有不同的特性和使用范围 在电子设备中如何选用正弦波振荡器 是必须考虑的问题 4 7 1振荡器的类型选择首先要考虑的是正弦波振荡器的工作频率范围和频率的稳定度 其次要考虑电路结构和使用的方便性 一般可参考表4 1常用正弦波振荡器的主要特性来选用 6 RC振荡器分为移相式和电桥式两类 其中文氏电桥振荡器在各种低频信号发生器中应用十分普遍 LC振荡器在低频工作时 其选频网络将因电感量增大而变得体积大 重量重 故只适用于高频 RC振荡器不存在类似问题 所以可以很方便的工作在低频 由于RC振荡器要求加深负反馈以提高振荡器的性能 工作于高频时要求有高增