06.正弦波振荡.doc

第三章 正弦波振荡器学习目标 在电子线路中，正弦波是一种非常重要的波形，为什么会这么重要呢?原因在于电子线路中几乎所有的交流信号，不管它的形状如何怪异，都是由各种不同频率和不同强度的正弦波信号组成的，所以在电路中，需要正弦波信号的时候是非常多的，我们现在要给大家介绍的正弦波振荡器不仅可以用来做下面介绍的两种小玩意，更是不少电路的重要组成部分，希望读者能通过下面这些制作对正弦波振荡器有一个清楚的了解。 1、重点掌握串联LC和并联LC电路的频率特性，以及LC电路的振荡器的工作原理，了解RC振荡器的电路构成。2、通过制作，理解正弦波振荡器的电路特点和调试方法。第一节 正弦波振荡器的电路组成正弦波是一种与圆周运动关系很紧密的一种波形，这与荡秋千是非常相似的。如图3-1所示，我们在秋千的漏斗里装上细沙，当这个小秋千在振动的时候拉动下面的纸看到一个正弦波了，而秋千就是一种振荡器，当然，这个正弦波的幅度会越来越小。图3-1 用一个沙漏斗的振荡来画出一个正弦波在电路中，也有与秋千相类似的振荡器，这就是LC电路和RC电路。请读者注意了，这样的电路要振荡，不是让电路板随着通电而上下抖动（那样会将电路板损坏），而是在电感和电容内有一个大小和方向不断来回变化的电压或电流，这就是振荡即是电流和电压的振荡。 为什么用一个电感和一个电容就会产生电流或电压的振荡呢?原因在于电容有电压不能突变的特性，而电感则有电流不能突变的特性。如图3-2所示的电路，假如在电容上已经充有电，也就是说电容上存储有电压，于是电容上的电压就会形成个流过电感的电流，但由于有碍于电感的脾气，这个电流不能突然产生，它只能逐渐地增大，并且随着这个过程的进行电容上的电压会越来越低，当这个电压用完的时候，就不能再对电感进行放电了，于是电感上的电流不再增大了，但这个电流也不会因为电容上没电了就消失，这同样是电感的脾气所致。图3-2 LC电路中电压和电流的变化电感上的电流要逐渐减少，但这个逐渐减少的电流又会对电容形成充电，当这个电流减少为零时，电容上的电压也增加到了个足够的值，于是电容又会对电感放电，于是周而复始，形成了电容对电感放电后，电感又对电容放电（皇帝轮流做，奴隶换着当），于是振荡就形成了。在LC电路的这种振荡中。不同大小的电容和电感所组成的电路会有一个不同的振荡频率，越是大的电感和电容组成的电路，其振荡的频率越低，这里有一个公式，请读者对它有一个印象，或许以后什么时候我们用得着： 但这个振荡是不能维持多长时间的，因为电路中的导线或电容电感都对电流或电压有损耗，于是电流和电压会越来越小，最后消失掉。一、LC电路 由于在电感和电容里的电流和电压会轮着互相转变，在LC电路中会形成振荡，但这个振荡会给电路带来一种什么样的性能呢? 用一个电感和一个电容串联或并联就可以组成个非常有用的电路：LC串联电路和LC并联电路。这两种电路会有一个完全不同的特性。 LC电路自己是不会起振的，但是在有外界信号的刺激下就能起振了，如果外界给这个电路的信号频率与这时所起的振荡频率一致的话，在LC电路就会形成很大的振荡，这个被激起的电流和电压可能会比激励它的电流和电压高出几倍到几十倍，这种情况叫谐振。谐振的条件是外加的信号频率与LC自己振荡的频率（这叫做LC电路的固有频率）一致。 在LC电路处于谐振状态时，这个谐振的电流或电压会对外加的激励信号产生不同的阻碍作用，而LC串联电路和LC并联电路所产生的这种阻碍作用是完全相反的。LC串联电路会让与它固有频率一致的信号很容易通过，而与它固有频率不同的信号很难通过，而且差得越远越难，如图3-3所示。图3-3 LC串联电路的频率特性但LC并联电路就完全相反了：与它的固定频率越接近的信号越难通过，而相差越远的信号越容易通过，如图3-4所示。LC电路的这种特性是一种频率特性，意思是它能从各种频率混杂在一起的信号中将我们需要的频率选出来（或将我们不需要的信号去掉）。图3-4 LC并联电路的频率特性二、RC电路除了LC电路具有选频的功能，RC电路也具有选频的功能，但只是并联或串联的电阻和电容是不能选频的，必须要个串联的电阻电容和一个并联的电阻电容才行，如图2-3-5所示。 由于环境容易引起电感的电感量变化，而电阻则要稳定得多，所以用RC做成的选频电路比用LC做成的选频电路要稳定得多，但振荡的频率不容易做得太高。三、正弦波振荡器图3-5 RC选频电路 前面我们提到过，由于电路中有损耗（这是没办法的事），如果要让一个LC电路或一个RC电路不断的振荡并为我们提供振荡的信号。这是不现实的（不喂草的牛是拉不动车的），但我们会在荡秋千的运动中找到解决问题的方法。为了不让秋千停下来。我们总是在秋千荡到一个适当的位置时去推它一把，或者这样说，我们加个同秋千相同频率的外力给秋千。就可以让它持续振荡。在电路中我们是不是也可以用同样的方法来达到这样的目的？但想下，由于电振荡与秋千振荡实质上并没有什么不同，所以应该是可以实现的，但问题在于，电振荡的频率如此之高，我们如何才能加个同样频率的推力”给LC或RC电路呢？图3-6 LC振荡电路原理显然，从其他地方找这个“推力”是不现实的，因为个LC电路的准确频率是非常难以完全正确地确定的，而且，如果能找到这个“推力”，我们何不就使用这个“推力”，何必要辛辛苦苦再做电路来产生它呢?所以，这个“推力”只能是自力更生，不过对于LC电路而言，它还是现成的：假如LC电路正在起振，从这个电路中取个信号出来，再将它放大不是就可以作“推力”了么?于是我们的用LC电路的振荡器就诞生了，如图3-6所示在这个振荡电路中，使用了运算放大器（关于运算放大器的详细工作原理我们将在下一章里介绍，在这里读者只需要知道它和周围的电阻组成了一个同相放大器）。由运算放大器组成的放大电路从LC串联回路中取出一部分信号，放大后再输送回去，增加LC回路的振荡，因此，如果从LC回路中取得了一个正电压的信号，放大后也必须返回一个正电压。也就是说，放大器必须是个同相的放大器，对于LC电路而言，这个放大器应该是一个正反馈的作用。这是振荡电路能否起振的关键之。比如荡秋千，必须顺着荡的方向推，否则是不行的。在电子学里，将振荡产生的这个条件叫做“相位条件”。振荡电路能否起振的另一个关键是放大电路的放大倍数，如果由放大器返回给LC电路的能量还不足以抵消电路自身的损耗，就像给秋千的推力太小，振荡也是产生不起来的。这在电子学里也有专门的叫法，即“振幅条件”。 只要为LC回路进行放大的放大电路能满足这两个条件，振荡就可以进行了。这两个条件给我们以后制作振荡电路提供了很好的指导。 但上面这个电路要能工作，从逻辑上还有问题（读者的眼睛是雪亮的，不知道你有没有看出问题），那就是为了得到这个电路，我们还有个假设：“假如LC电路已起振”，也就是说，如果这个假设不成立，上面的这个电路就会成为一个笑话。 “阿门”，每当我们遇到困难的时候，要相信上帝总会出现的，的确，上帝出现了：如图3-7所示，让我们接通电路的电源，用万用表的交流电压档隔着一个电容器来测量一下，看指针是否移动，结果起振了！难道一接通电源LC电路就会起振么？是的，是这么回事，因为在接通电源的一瞬间，会有一个突然产生的电流流过LC电路，LC电路被这个电流突然一激，就开始振荡了，然后从这个振荡中取出一点信号，放大后再注入LC电路，于是振荡就维持下去了。 图3-8是个用三极管放大电路来作放大器的LC振荡器，振荡的频率由电感L和电容C决定。在这个电路中，C和L组成个并联的谐振回路，而反馈的电路由变压器L、L构成，三极管作为放大器使用，这只三极管的输入端为基极，而输出端为发射极，所以是个共射电路，是反相放大器，这就不符合作为振荡器的放大器要求，为了将这个反相的信号反回来，可以在变压器上作文章；只要合理地连接变压器的次级线圈，就可以得到一个反相的传输使用变压器来作反馈电路还有一个好处；三极管的输入电阻与输出电阻是不同的，如果相差得太多，会影响放大器的放大能力，而变压器可以进行阻抗变换，将三极管的输出阻抗变换一下，使它正好与输入电阻样大，就可以得到很好的效果。在这个电路中，由于三极管是工作在放大能力很高的共射状态，所以放大器的放大能力是不用担心的，要让这个电路能正常的工作，关键是变压器的次级线圈的两个引脚不能接反，如果发现电路不能起振，可以调换下引脚试试。图3-8 变压器耦合振荡电路图3-7 是否起振的测量 由于变压器所用磁芯一般频率不高，如果需要产生频率非常高的振荡信号通常是不使用这样的变压器耦合的振荡电路，而使用电容或电感分压的方法进行信号的反馈，这样做后电路能产生数兆、数十兆、数千兆赫兹甚至更高频率的信号，这样的电路我们专门的电子线路书中有详细介绍，这里就不赘述了。由同样的思路我们可以将RC振荡电路也做出来，如图3-9所示。图3-9 RC振荡电路 在这个电路中之所以用两个三极管共射放大器，是为了保证放大器能同相地进行信号的放大（一个共射电路反相，两个共射电路就可以同相了）。电路中决定频率的是电容C1、C2和电阻R1和R2，一般来说，这样的电路中，C1与C2、Rl与R2应该同样大小。在下一节，我们将用RC电路来制作一个趣味电路。第二节 单音门铃电路和简易电子琴一、门铃电路 将上一节中的LC电路照搬过来，再在三极管的集电极上加一个电解电容将振荡的信号引出来，再另加一个三极管把信号放大，推动一个小喇叭，就做成了一个门铃电路，最后将电源开关用一个按钮开关并接在门外，就做成了一个电子门铃。 但完全有可能做好电路后我们并没有听见任何的声音，而用万用表的交流档来测试时又有振荡的信号，这是怎么回事呢? 原来，人的耳朵能听到的声音频率是有一个范围的，人能听见的频率最低的声音为20Hz，最高频率的声音为20000Hz，也就是20KHz，如果我们做的振荡电路产生的振荡信号的频率不在这个范围内，我们自然就听不见了。 因此要将振荡器的频率调节一下，这可以采用增加电感的圈数或增加电容大小的方法，但这样做是比较麻烦的，原因很简单，重绕电感肯定不方便，而焊拆电容也比较麻烦，这些都不如变换一个电阻的值来得方便。 所以我们改用RC电路(前面已有介绍)，图3-10和图3-11分别是RC电子门钤的电路图和印制板图。图3-10 RC电子门铃电路图在这个电路中，由BG1和BG2构成了RC振荡器，这里我们将前面的RC电路稍加改动，将反馈的RC电路接在BG2的发射极和BG1的发射极之间，即Cf和Rf，样的电路同样可以满足振荡所需的两个条件，同时还可以使电路更加简单。 从BG2的发射极输出的信号还有部分通过电容C2进人到由BG3BG5组成的低频功率放大电路进行放大，并将放大后的信号通过扬声器播放出来图3-11 电子门铃印制板图这样制作的门铃的声音比较悦耳，因为它发出的声音是比较单纯的正弦波但这个电路比较复杂，同时声音也不够大，因此在实际制作中，一般不采用这样的门铃电路，而更多的是采用由多谐振荡器构成的门钟电路，它更简单，而声音也更大，但声音不好听，像汽车的喇叭声。二、简易电子琴 做好上面的这个电路后，我们可以将Rf用一只可变电阻代替，这样就可以用调节可变电阻的方法来调节振荡器的频率，即在调节可变电阻时，会听见声音的音调随着可变电阻的变化（其实是频率的变化）而变化（这里，我们从电子线路里理解了一点乐理知识，声音的频率就是声音的音调）。图3-12 玩具电子琴电路 既然有了音调的变化，就可以产生多种不同音调的声音，这不就是一个电子琴了么。 电路是很简单的，用一组琴键开关来为RC电路接通不同的电阻就行了，如图3-12所示。当然，形式还可以更多，我们可以用2B4B的软铅笔在一张厚一点的纸上画上一道 宽5毫米，长10厘米（还可以更长）的横道（要将横道涂得很黑），这一横道就是个电阻，把一根导线的一头压在横道的一头，用另一根导线在横道上滑动，就可以成为个电阻可以变化的滑动变阻器。用这个铅笔可变电阻代替电子琴琴键开关中所接的电阻，就做成了一个声音可以连续变化的电子琴，它可以在横道上滑出像二胡一样的婉转的曲调，如图2-3-13所示我们可以在横道的不同位置