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9.信号产生电路9.1正弦波振荡电路概述原理上正弦波振荡电路由放大电路和正反馈网络构成。振荡电路对来自输出端经过反馈的信号进行放大，在没有外部输入信号的情况下产生稳定的输出信号。,根据输出信号稳定的要求，可以提出以下的维持振荡的条件,对于上述振荡维持条件，还可以进一步表示为,上式中的AF为相应的相角。该条件可分解为,这两个条件分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件，这两个条件是振荡器维持稳定工作的条件。满足相位平衡条件的频率即为振荡频率，用符号f0表示，是正弦波振荡器的输出信号频率。通常在正弦波振荡器中设有选频网络来满足相位平衡条件，选频网络可以由电阻电容构成，也可以由电容电感构成。电阻电容选频网络常用于音频信号振荡，电容电感选频网络则用于高频信号振荡。,对于对于正弦波振荡电路，仅满足振幅平衡和相位平衡是不够的，因为振荡电路开始工作的时候并没有足够的输出信号用来反馈，因此要求在建立振荡的初期有,这称为振荡电路的起振条件。当振荡电路接通电源开始工作时，电路中自然存在着各种的扰动或噪声信号，所包含的信号频率分布很广，其中只有满足相位平衡条件的频率为f0的微弱成分被反馈回放大器加以放大，最后形成稳定的振荡。在建立振荡的初期电路中的环路增益AF较大，但随着振荡信号幅度的逐渐增加，需要采取措施使环路增益有所下降，直到振荡信号达到额定幅度，而环路增益也达到振幅平衡条件，此后电路进入稳定振荡状态。因此在振荡电路中需要有稳定振幅的机制，通常由非线性元件构成,9.2RC正弦波振荡电路RC正弦波振荡电路是用电阻电容来构成选频网络的振荡电路，其中常见的就是RC桥式振荡电路，如下图所示。RC桥式振荡电路用RC串并联网络作为的选频网络，并兼用作反馈网络。,RC串并联网络的选频特性当选频网络输入信号频率较低时，选频网络可简化为右图所示的电路，频率越低，选频网络输出信号的幅度就越低，而相位却逐渐超前。,如果选频网络的输入信号频率较高时，可以简化成右图所示的电路，频率越高，选频网络输出信号的幅度就越小，而相位却逐渐滞后。,综合以上两种情况，RC串并联网络的幅频特性和相频特性如图所示。由其频率特性可知，在符合相位平衡条件的振荡角频率0处，该网络的输出信号最强，而且输出信号与输入信号同相；角频率0之外的信号，不符合相位平衡条件，而且输出幅度教小。,下面介绍RC串并联网络的定量分析。,网络的两部分的阻抗分别为,网络的电压传输系数为,若取,传输系数可以表示为,根据RC串并联网络的电压传输系数，可以得到其幅频特性和相频特性的表达式：,根据以上特性，当信号角频率为0时幅频特性最大，为1/3，而相频特性的相角为零。,为使电路能够顺利地起振，要求放大电路的增益在开始时要大于3，当振荡信号增强至额定幅度后增益回落到3以维持振荡，可以采用热敏电阻进行稳定幅度，如图所示。,电路的振荡频率为,也可以采用专门的电路来稳幅，如下图中的结型场效应管构成的稳幅电路，当信号逐渐增强时二极管检波后产生的负压作用到结型场效应管上，使其导通电阻增加，放大电路的的负反馈加强，增益下降。,9.3LC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路是采用电感电容谐振回路构成选频网络的正弦波振荡电路，可以产生数百千赫至几十兆赫的高频信号。LC并联谐振回路的频率特性LC并联回路的交流阻抗为,通常回路中的损耗较小，可以忽略上式分子中的R，所以,根据LC并联回路的交流阻抗表达式，可知当阻抗为实数，即,电路处于谐振状态，故用0表示谐振角频率。处于谐振时，不仅回路阻抗为纯电阻，并且其值也最大，为,引入一个称为品质因数的参数,则回路谐振时的阻抗可以表示为,当发生谐振时，回路内部的电流比回路的总电流大得多，电容和电感上流过的电路分别为,上式中的V、I分别是回路的总电压和总电流，并且电容和电感上流过的电流分别超前以及滞后回路电压90，即IC、IL的极性是相反的，其电流值是回路外部的总电流的Q倍。,把谐振频率0的表达式代入LC并联回路的阻抗表达式，有,其中,。根据上式，回路的幅频特性为,相频特性为,式中的,称为相对失谐量。,根据幅频特性曲线，当输入信号具有谐振频率0时，出现并联谐振，回路阻抗达到最大值；输入信号偏离谐振频率时，回路阻抗减小；品质因数影响曲线的尖锐程度。根据相频特性曲线，当信号频率大于谐振频率时，相角小于零，回路阻抗表现为容抗；当信号频率小于谐振频率时相角大于零，回路表现出感抗；品质因数影响着相角在零点附近的变化速度。,电感电容并联谐振回路可以构成选频放大电路。,9.3.2变压器反馈式LC振荡电路把选频放大电路的输出信号以正反馈的形式耦合到输入端，可以构成变压器反馈式LC振荡电路，如下图所示。图中变压器标有黑色圆点的端子成为同名端，是输入信号与感应信号极性相同的端子。,振荡电路中选频放大部分具有180的相移，再通过适当选取变压器的输出端使得反馈网络产生180的相移，在谐振频率电路满足相位平衡条件；如果电路的增益又足够大，就可以产生振荡。,电路的振荡频率近似为LC谐振回路的谐振频率,理论分析表明，电路的起振条件为,上式中M为互感系数，R为LC谐振回路中的等效损耗电阻。,当电路接通电源时，电路中的噪声和扰动将通过正反馈逐渐放大加强，建立振荡；电路形成振荡后晶体管的电流的直流分量逐渐加大，发射极的直流负反馈使得静态点逐渐下移，使电路的增益减小，最终电路达到振幅稳定条件，形成稳定振荡。,9.3.3三点式LC振荡电路也称为三端式振荡器的一般结构如右图所示，这种振荡电路中晶体管的三个电极与谐振回路的三的端点分别相连，因而得名。电感电容谐振回路中的第三个端点通常是电感抽头或电容的串联点。,由于存在电感抽头或电容的串联，可以把谐振回路分为三个电抗元件，这些电抗元件构成了晶体管的负载兼振荡电路的反馈网络和选频网络。由于共发射极电路具有反相放大的特性，因此反馈网络应当具有倒相特性，以满足相位平衡条件：,为保证反馈网络具有倒相特性，电抗X1X2应该具有相同的符号；而谐振时回路总电抗为零，及,因此X3的符号与X1X2相反。由此可以看出，晶体管发射极连接的两个电抗性质相同，而基极和集电极连接的两个电抗则性质相反。,按照上面的原则，可以构成两种三端式振荡电路。一种是X1X2为电感，X3是电容，即晶体管发射极连在电感抽头上，称为电感三端式振荡电路；另一种是X1X2为电容，X3是电感，称为电容三端式振荡电路。,1.电感三端式振荡电路电路如图所示。其中电感抽头连在电源，交流通路中等效于连接在发射极上。电感三端式振荡器易于起振，且便于调节频率，但振荡波形较差，输出高次谐波成分较多。电路的振荡频率为,式中L为总电感，由抽头分开的两个电感及其互感构成。电路的起振条件为,2.电容三端式振荡电路电路如图，谐振回路中两个串联电容之间的连接点接地，交流通路中与晶体管发射极相连。电容三端式振荡电路的特点是振荡波形较好，但不易调节振荡频率。电路的振荡频率为,其中C为两个电容的串联容量。电路的起振条件为,9.3.4石英晶体振荡电路振荡电路的稳定性可以用一定时间内的相对频率偏移ff0来表示。晶体管LC振荡电路的稳定性小于10-5；而使用石英晶体作为谐振器件的振荡电路其频率稳定性可以达到10-910-11，因而得到了广泛的应用。石英晶体制成的器件称为石英晶体谐振器，其结构如图所示，其主要部分为两面镀银的石英单晶切割片。,石英具有压电效应，即外加电压可以使其产生机械振动，反之亦然。若外加电压的频率符合晶体的固有频率，则会发生谐振现象，机械振动和交变电流达到极大，称为压电谐振现象。,石英晶体谐振器简称石英晶振，其符号及等效电路如下图所示。其中C0为晶体两面电极之间形成的静态电容，容量从几个pF到几十pF；L、C是振动时的等效电感和等效电容，等效电感约为10-3102H，等效电容约为10-410-1pF。R为等效的损耗电阻，大约102。,由于石英晶振的等效电感对等效电容的比值非常大，其谐振品质因数（Q值）可以高达104106，因而构成的振荡电路具有极高的频率稳定性。,当石英晶振发生串联谐振时其谐振频率为,当石英晶体的静态电容C0也参与谐振时发生并联谐振，谐振频率为：,由于静态电容C0比谐振等效电容C大得多，因此这两个频率非常接