正弦波振荡电路

电子技术基础与技能 配套多媒体 CAI 课件 电子教案 1 第五章 正弦波振荡电路 教学重点教学重点 1 掌握正弦波振荡条件 电路组成 2 掌握 LC 振荡电路振荡频率计算 起振条件 3 掌握 RC 桥式振荡电路组成和振荡条件 4 搭建 调试 RC 桥式正弦波振荡器功能电路 教学教学难难点点 1 正弦波振荡可能性的判断 2 理解各种振荡电路组成 学学时时分配分配 序号内 容学 时 15 1 自激振荡2 25 2 常用振荡电路2 3技能实训 RC 桥式正弦波振荡电路的制作4 4本章总学时8 5 1 自激振荡 振荡器产生的信号是 自激 的 通常称为自激振荡器 5 1 1 自激振荡的形成 1 自激振荡的现象 通过扩音系统中的自激现象 感受放大器自激的效果 声波 扩音机电信号 放大后的电信号 输入 输出 2 正弦波振荡电路的组成 正弦波振荡电路由放大器 反馈电路 选频网络和稳幅电路等部分组成 1 放大电路 2 反馈网络 3 选频网络 4 稳幅电路 由于电路通电的瞬间 电路将产生微小的 噪声或扰动信号 电路对频率为 f0的正弦波产 uo uf ui 0 ui 放大器 A 选频网络 稳幅电路 反馈电路 F 电子技术基础与技能 配套多媒体 CAI 课件 电子教案 2 生正反馈过程 则输出信号 uo uf ui uo 于是 uo越来越大 由于管子的非线 性特性 当 uo的幅值增大到一定程度时 放大倍数将减小 稳幅 电路达到动态平衡 5 1 2 自激振荡产生的条件 1 相位平衡条件 要维持振荡 电路必须是正反馈 其条件是 0 或 2n A F n 0 1 2 3 其中为放大器的相移 为反馈电路的相移 为相位差 A F 即 反馈电压的相位与净输入电压的相位必须相同 即反馈回路必须是正反馈 2 振幅平衡条件 自激振荡的振幅平衡条件是 AF 1 即 要维持等幅振荡 反馈电压的大小必须等于净输入电压的大小 即 uf ui 5 2 常用振荡电路 正弦波振荡电路按反馈网络性质分类可分为两大类 RC 振荡电路 由电阻 电容元件和放大电路组成的振荡电路 LC 振荡电路 含石英晶体振荡电路 是由电感 电容元件和放大电路组成的振荡电 路 5 2 1 RC 桥式振荡电路 做一做 用示波器观察RC振荡电路产生的正弦波形 1 RC 网络的选频特性 将电阻R1与电容C1串联 电阻R2与电容C2并联所组成的网络称为RC串并联选频网络 如图所示 通常选取R1 R2 R C1 C2 C 1 谐振频率f0取决于选频网络R C元件的数值 计算公式为 f0 C2 1 R R1 R2 C1 C2 uo ui a RC 串并联网络 b 幅频特性和相频特性 90 90 10f00 1f0f0 0 f f uo 10f00 1f0 f0 1 3 电子技术基础与技能 配套多媒体 CAI 课件 电子教案 3 2 当输入信号的频率f f0时 输出电压uo幅度最大为 其输出信号与输入信号之 3 i u 间的相移 F 0 3 在f f0 输出电压幅度很快衰减 其存在一定的相移 所以RC串并联网络具有选 频特性 2 RC桥式正弦波振荡电路 1 电路组成 由R1 C1和R2 C2构成具有选频作用的正反馈支路 由同相输入运放构成的放大器 二者构成了正反馈放大器 2 振荡原理 1 相位条件 同相放大器的输入与输出信号相位差为0 RC串并联选频网络的移相 也为0 满足正弦波振荡的相位平衡条件 2 幅度条件 f f0时 RC选频网络反馈系数F 1 3 同相放大器的放大倍数 A 1 只要R3和R4的取值满足R4 2R3时 A 3 振荡电路就满足振荡的幅度平衡条件 3 4 R R AF 1 3 振荡频率 通常情况下选取R1 R2 R C1 C2 C 则振荡频率为 f0 C2 1 R 3 RC振荡电路的稳幅 如图所示是利用二极管的非线性特性自动完成稳幅的 当振荡电路输出幅值增大时 流过二极管的电流增大使二极管的动态电阻减小 同 相放大器的负反馈得到加强 放大器的增益下降 从而使输出电压稳定 电子技术基础与技能 配套多媒体 CAI 课件 电子教案 4 电阻R4选用负温度系数热敏电阻 当输出电压升高时 通过负反馈电阻R4的电流增 大 即温度升高 R4阻值减小 负反馈增强 输出幅度下降 从而实现稳幅 电阻R3选用正温度系数的热敏电阻 同样可以实现稳幅 电路评价 RC 桥式振荡电路的频率调节方便 波形失真度小 频率调节范围宽 适用于所需正弦 波振荡频率较低的场合 当振荡频率较高时 应选用 LC 正弦波振荡电路 5 2 2 LC正弦波振荡电路 做一做 用示波器观察LC正弦波振荡电路产生的正弦波形 LC 正弦波振荡电路是一种高频振荡电路 常用的 LC 正弦波振荡电路有变压器反馈 式 电感三点式和电容三点式三种 1 LC 并联网络的选频特性 LC 振荡电路采用 LC 并联谐振电路作为选频网络 如图所示 其中 R 表示电感和电 容的等效损耗电阻 C L R ui i 信号频率 f 较低时 电容的容抗很大 网络呈感性 在信号频率 f 较高时 网络呈容性 只有当 f f0时 网络才呈阻性 其阻抗无穷大 相移 0 LC 并联网络的谐振频率为 f0 2 变压器反馈式振荡电路 1 电路组成 采用分压式偏置的共射放大电路 LC 并联谐振回路 电子技术基础与技能 配套多媒体 CAI 课件 电子教案 5 L1C 并联回路为选频振荡回路 变压器二次绕组 L2作为反馈绕组 将输出电压的一部分反馈到输入端 L3作为振荡信号输出 uf VCC M N2 L2 N3 L3 N1 L1 uo RL Rb1 Rb2 Cb C VT ReCe 2 振荡原理 1 幅度条件 只要三极管的电流放大倍数 及 L1和 L2的匝数比合适 一般情况下 幅度平衡条件容易满足 2 相位条件 必须正确连接反馈绕组 L2的极性 使之符合正反馈的要求 满足相位 平衡条件 判断电路是否满足相位平衡条件通常采用瞬时极性法 具体判断步骤如下 断开反馈支路与放大电路输入端的连接点 在断点处的放大电路输入端引入信号ui 并设其极性对地为正 然后按照先放大 支路 后反馈支路的顺序 逐次推断有关电路各点的电位极性 从而确定ui和uf的相位关 系 如果 ui和 uf同相 则电路满足相位平衡条件 否则 不满足相位平衡条件 3 振荡频率 振荡频率为 f0 例 判断如图所示电路能否产生自激振荡 Cb P ui uf T uf VCC N2 L2 N3 L3 N1 L1 uo RL Rb1 Rb2 C VT ReCe a b uf VCC T N2 L2 Rb1 Rb2Re RL Ce C N1 L1 N3 L3 VT 解 解 1 图 a 所示电路中 三极管 VT 基极偏置电阻 Rb2被反馈绕组 L2短路接地 使 VT 处于截止状态 不能进行放大 所以电路不能产生自激振荡 2 图 b 所示电路中 经检查 放大电路 反馈和选频电路都能正常工作 用瞬时极性 法判断电路是否满足相位平衡条件 具体做法是 断开 P 点 在断开处引入信号 ui 给定极 LC 选频网络 正反馈绕组 电子技术基础与技能 配套多媒体 CAI 课件 电子教案 6 性对地为正 用 表示 根据共射电路的倒相作用 可知集电极电位为负 用 表示 于 是 L1同名端为正 根据同名端的定义可知 L2同名端也为正 反馈电压 uf极性为正 显然 uf和 ui同相 所以电路能产生自激振荡 电路评价 变压器反馈式振荡电路易于产生振荡 波形失真度小 应用范围广泛 振荡频率通常在 几兆赫至几十兆赫之间 但振荡频率的稳定性较差 适用于固定频率的振荡电路 3 电感三点式振荡电路 1 电路组成 Rb1 Rb2和 Re为偏置电阻 L1 L2和 C 组成了选频网络 反馈电压取自 L2两端 Cb为耦合电容 Ce为旁路电容 由于电感的三个引出端分别与三极管的三个电极相连 所以称为电感三点式振荡电路 b 交流通路 VT C L1L2 ufuo 123 a 电路原理图 VCC R b1 R b2Re VT Cb Ce C L1 L2 1 2 3 P uf ui 2 振荡原理 1 相位平衡条件 采用瞬时极性法判断 从三极管基极引入一个 ui其瞬时极性为 的信号 如图 a 所示 2 幅度条件 改变绕组的抽头 可以调节反馈量的强度 使电路满足振幅平衡条件 就能振荡并产生一定频率的正弦信号 3 振荡频率 电路的振荡频率等于 LC 并联电路的谐振频率 即 f0 LC2 1 式中 L L1 L2 2M 其中 M 是 L1与 L2之间的互感系数 电路评价 电感三点式振荡电路结构简单 容易起振 改变绕组抽头的位置 可调节振荡电路的 输出幅度 采用可变电容 C 可获得较宽的频率调节范围 工作频率一般可达几十千赫至几 十兆赫 但波形较差 其频率稳定性也不高 通常用于对波形要求不高的设备中 如接收机 的本机振荡电路等 4 电容三点式振荡电路 1 电路组成 电子技术基础与技能 配套多媒体 CAI 课件 电子教案 7 选频网络由电感 L 电容 C1 C2组成 选频网络中的 1 端通过输出耦合电容 Cc接集 电极 2 端通过旁路电容 Ce接发射极 3 端通过耦合电容 Cb接基极 由于电容的三个端子分别与三极管 VT 的三个电极相连 故称为电容三点式振荡电路 b 交流通路 VT C1 ufuo 123 L C2 a 电路原理图 C1 C2 L VCC Rb1 Rb2 Rc VT Cb CeRe Cc 1 2 3 uf ui uf P 2 振荡原理 用瞬时极性法判断 各点瞬时极性变化如图 b 所示 uf与 ui同相 即电路为正反馈 满足相位平衡条件 适当选择 C1和 C2的数值 就能满足幅度平衡条件 电路起振 3 振荡频率 f0 振荡频率由 LC 回路谐振频率确定 电路的振荡频率为 f0 式中 C C1C2 C1 C2 电路评价 电容三点式振荡电路的结构简单 输出波形较好 振荡频率较高 可达 100MHz 以上 调节 C1或 C2可以改变振荡频率 但同时会影响起振条件 因此 这种电路适用于产生固定 频率的振荡 实用中改变频率的办法是在电感 L 两端并联一个可变电容 用来微调频率 做一做 电容三点式振荡电路的测试 5 2 3 石英晶体振荡电路 通过实物认识石英谐振器 1 石英晶体的压电效应 如果在石英晶片两个极板间加一个交变电压 电场 晶片就会产生与该交变电压频 率相似的机械振动 而晶片的机械振动 又会在其两个电极之间产生一个交变电场 这 种现象称为压电效应 2 石英晶体的等效电路 石英晶体的压电谐振等效电路如图 a 所示 图 b 是其电抗 频率特性曲线 fS 晶体串联谐振频率 X 镀银层 晶片 电极 结构示意 图形符号 电子技术基础与技能 配套多媒体 CAI 课件 电子教案 8 fP 晶体并联谐振频率 产生谐振时的振荡频率称为晶体谐振器的振荡频率 CO L R C a 等效电路 感性 X f O fSfP 容性容性 b 电抗 频率特性 3 石英晶体振荡电路 1 并联型石英晶体振荡电路 2 串联型石英晶体振荡电路 Rb1 Rb2 Rc Re Cb C1 C2 X VCC VT Rb1 Rb2 Rc Re1 Cb X VCC VT1 VT2 Re2 R C uo 技能实训 RC桥式正弦波振荡电路的制作 作 业 任 务 书 一 任一 任务务目目标标 1 会根据原理图绘制装接图和布线图 2 会在通用印制电路板上搭建 RC 桥式正弦波振荡电路 3 能说明电路中各元器件的作用 并能检测元器件 4 学会对电路参数的调试和测量 5 加深对振荡电路的理解 二 器材与工具二 器材与工具 1 通用印制电路板 直流稳压电源 万用表 信号发生器 示波器和毫伏表 2 常用装联和焊接工具 3 RC 桥式振荡电路元器件套件 三 三 实实施步施步骤骤 识读电路原理图 绘制安装布线图 清点元器件 元器件检测 插装和焊 接 通电前检查 通电调试与测量 数据纪录 四 四 调试调试与与测测量量 检查元器件安装正确无误后 才可以接通电源 测量时 先连线后接电源 或打开电源 开关 拆线 改线或维修时一定要先关断电源 电源线不能接错 否则将可能损坏元器件 1 测量 RC 选频网络的参数 电子技术基础与技能 配套多媒体 CAI 课件 电子教案 9 1 电路连接 按电路原理图连接 RC 串并联网络 把函数信号发生器调至正弦波输出 输出端接至网络 作为输入电压 u1 把网络的输出端接至示波器 先估算选频网络的谐振 频率 f01 然后将信号发生器调至估算频率的附近 反复调节频率旋钮 直到在示波器上找 到 u2的最大值为止 此时信号发生器的输出频率就是 RC 选频网络的谐振频率 f0 2 参数测量 用电子毫伏表测出 u1和 u2的幅度 填入表中 并保持此时函数信号发 器的输出频率不变 待下一步与振荡电路的振荡频率相比较 RC 选频网络 C 0 1 F R 10k 输入 输出 u1 u2 C 0 1 F R 10k 示波器 Y1Y2 函数信号发生器 RC 选频网络参数 测量值 f0计算值 f01 u1u2 2 RC 桥式正弦波振荡器测量 1 按电路原理图接线 将稳压电源的 12V 电压接入运放 7 脚和 4 脚 电源的零端接 电路中 uo的地端 2 用双踪示波器观测振荡电路的输出波形 uo 调节 RP使 uo为不失真的正弦波 用示 波器测量电路的振荡频率 f0记入表中 再将函数信号发生器的原输出频率送入到示波器中 与振荡频电路的输出频率相比较 然后将此值与计算值进行比较 振荡电路参数的测试 测量值 f0 计算值 f01 RC 2 1