任务二 正弦波振荡器

1、任务二 正弦波振荡器【教学目标】1、了解正弦波振荡器的电路在电子产品中的作用、电路的构成以及工作原理2、掌握正弦波振荡器中常见的LC三点式振荡电路的构成以及工作特性3、掌握正弦波振荡器中常见的晶体振荡电路的构成以及工作特性4、通过实例分析振荡器的设计方案与调试方法【任务描述】正弦波振荡器是指不需要输入信号控制就能自动地将直流电转换为特定频率和振幅的正弦交变电压（电流）的电路。它由四部分组成：放大电路，选频网络，反馈网络和稳幅电路。常用的正弦波振荡器有电容反馈振荡器和电感反馈振荡器两种。后者输出功率小，频率较低；而前者可以输出大功率，频率也较的高。正弦波振荡器广泛用于各种电子设备中。此类应用中，

2、对振荡器提出的要求是振荡频率和振荡振幅的准确性和稳定性。正弦波振荡器的另一类用途是作为高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源。这类应用中，对振荡器提出的要求主要是高效率地产生足够大的正弦交变功率，而对振荡频率的准确性和稳定性的要求一般不作苛求。在本项目任务中，主要是对第一类的正弦波振荡器做详细的分析。对于正弦波振荡器的研究与分析，主要包含以下几个方面的任务。1、掌握正弦振荡器的基本构成以及波形振荡的原理以及工作过程2、理解正弦波振荡器的起振条件、平衡条件以及稳定条件3、掌握正弦波振荡器设计的基本原则以及设计方法4、掌握常见的LC振荡器以及晶体振荡器电路的设计、分析以及调试项目5 LC三点式

3、正弦波振荡器的调测【项目描述】目前可以产生正弦波的振荡器的类型很多，其中应用较为广泛的为LC三点式正弦波振荡器。三点式振荡器就是通常所说的三端式(又称三点式)的振荡器，即LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路。 根据谐振回路的性质, 谐振时回路应呈纯电阻性，因此三个电抗元件不能是同性质元件。一般情况下，回路Q值很高，因此回路电流远大于晶体管的基极电流İb 、集电极电流İc以及发射极电流İe。本项目中要求研究分析电容三点式振荡电路以及电感三点式振荡电路的工作原理并调试振荡器正常工作。【项目分析】本项目中需要进行振荡电路的工作原理的详细分析。研究振荡器的组成部分以及振荡器发生振荡的

4、过程。重点研究分析振荡器的起振条件、平衡条件以及稳定条件，研究分析电容三点式振荡电路以及改进的克拉泼振荡器和西勒振荡器，研究分析电感三点式振荡器，并对这两种振荡器进行比较分析。最终要实现对LC三点式正弦波振荡器的调试工作。【知识链接】1、LC三点式正弦波振荡器的基本知识振荡器是不需要外加激励，本身能够将直流能量转换为一定幅度与一定频率的交流信号的电路。振荡器与放大器是不同的，放大电路需要在外加激励信号的作用下控制电路中直流能量到交流能量的转换而振荡电路依靠的是电路本身产生的信号控制能量的转换。振荡器在现代科学技术领域具有非常广泛的应用。在无线电通信系统中，振荡器可以产生电波发射所需要的高频载波

5、信号以及解调所需要的本振信号；在电子测量领域，振荡电路用来产生被动测量中所需要的信号源等。振荡器按照其输出波形的不同，可以分为正弦波振荡电路以及非正弦波振荡电路；按照产生振荡的有源器件的特性以及产生振荡原理的不同可以分为反馈式振荡器以及负阻式振荡器。在本项目任务中讨论的LC三点式正弦波振荡器属于反馈式振荡电路。2、LC三点式正弦波振荡器的电路构成LC三点式正弦波振荡器的电路是由振荡回路通过正反馈网络与有源器件连接构成的振荡电路。是目前应用最为广泛的一类振荡电路，其实质就是建立在放大和反馈基础上的振荡电路。LC三点式正弦波振荡器在电路接通的瞬间产生一个频率分量丰富的干扰信号，经过放大电路的放大后

6、再经过由LC组成的选频网络进行频率的选择，经过反馈回路将信号反馈到放大环节的输入端，通过周而复始的过程，振荡信号从无到有，从小到大逐渐建立起来。图2-5-1为LC正弦波振荡器电路组成框图。图2-5-1 LC正弦波振荡电路的组成框图3、LC三点式正弦波振荡器的起振条件以及平衡条件记闭环电压放大倍数 Ku(s)，开环电压放大倍数 K(s)，电压反馈系数 F(s)，环路增益 T(s)，反馈系数 F(j)=-F(j)。LC三点式正弦波振荡器为了能够起振，就必须要满足其起振条件。就必须使振荡过程中输出幅度不断增加，应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大， 即振荡开始时应为增幅振荡，即T(j)>1

7、，称为自激振荡的起振条件。振荡器的起振条件又可细分为起振的振幅条件（|T(j)|>1）和相位条件（A+F=±2n, n=0,1,2），其中起振的相位条件即为正反馈条件。振荡器在起振后，信号从小到大逐渐建立起来。图2-5-2反映了振荡器起振的完成过程。图2-5-2 a) 振荡电路开始起振 图2-5-2 b) 振荡电路输出振荡信号逐渐变大 电路起振后，电路就必须满足振荡电路的平衡条件，电路才能够稳定地对外输出振荡信号。振荡器的平衡条件为振幅条件（|T(j)|=1）和相位条件（A+F=±2n, n=0,1,2）。在此需要说明的就是， 当|T(j)|>1，形成增幅电路振

8、荡；当T|(j)|<1时，形成减幅振荡。 平衡时电源供给的能量等于环路消耗的能量；通常的环路只在某一特定才满足相位条件。4、LC三点式正弦波振荡器频率稳定度振荡器的频率稳定度是指由于外界条件的变化, 引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度, 它是振荡器的一个很重要的指标。频率稳定度又可分为：长期频率稳定度（一般是指一天以上甚至几个月的时间间隔内频率的相对变化）、短期频率稳定度（一般是指一天以内，以小时、分钟或秒记的时间间隔内频率的相对变化）和瞬时频率稳定度（一般是指秒或毫秒的时间间隔内频率的相对变化）。一般所说的频率稳定度是指短期稳定度。一般短波、超短波发射机的的频率稳定度为1010

9、，电视发射台的频率稳定度为5×10左右。 -4-5-7提高频率稳定度的措施有提高振荡回路的标准性（指回路元件和电容的标准性，温度是影响的主要因素）；减少晶体管的影响；提高回路的品质因数；减少电源、负载等的影响。【知识实施】正弦波是电子技术、通信和电子测量等领域中应用最广泛的波形之一。能够产生正弦波的电路称为正弦波振荡器。通常按工作原理的不同，正弦振荡器分为反馈型和负阻型两种，前者应用更为广泛。1、LC振荡电路的工作原理分析反馈型振荡器的原理框图如图2-5-3所示。图2-5-3 反馈型振荡器的原理框图由图可见，反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路, 放大器通常是以某种选频

10、网络(如振荡回路)作负载，是一调谐放大器,反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。其中：Af=UoUS (2-1）A=F= Uo Ui (2-2) UfUo (2-3)Ui=US+Uf (2-4)可得反馈型振荡器的闭环增益为：Af= A1-AF（2-5)（1）振荡的建立与振荡器的起振条件通常US=0，为了使振荡器的起振，建立振荡，在振荡过程中，应使输出幅度不断增加,即反馈回来的信号比输入到放大器的信号大, 振荡开始时应为增幅振荡，即U f （2-6） A(j)F(j)= >1Ui可知起振条件为(2-7)(2-8）分别称为振荡器起振的振幅条件和相位条件，起振的相位条件为正反馈条件。（2）振

11、荡的平衡和平衡条件振荡器振荡平衡状态时，因为US=0，有Ui=Uf=AFUi， （2-9） A(j)F(j)>1y+L+F=2n(n=0,1,2,)所以有A(j)F(j)=AF=1（2-10）(2-11） A+F=y+Z+f=2n(n=0,1,2)分别称为振荡器的振幅平衡条件和相位平衡条件。（3）振荡平衡状态的稳定条件1振荡器处于振荡平衡状态时，任何原因引起的振荡状态的变化，振荡器都应能自动回到振荡平衡状态。即振荡器处于稳定状态。振荡器振荡平衡状态的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。当振荡平衡时，UI=UF；若某种原因导致UI增大，只有AF减小，才能使UF减小，进而使UI减小。所以

12、在平衡状态A点，幅度稳定条件为(AF)UiUi=UiA<0(2-12)如果F不变，则有：AUi2当振荡平衡时，大；只有减小Ui=UiA<0(2-13) ；若某种原因导致=f+L+F=2nf增大，相当于增，才能使减小。若,F为常数，则相位稳定条件为：=1L=<0 (2-14）2、电容三点式振荡电路（Colpitts）图2-5-4（a）是电容三点式振荡器，又称考毕兹（Colpitts）振荡器，图中C1、C2是谐振回路电容，L是谐振回路电感，电阻R1、R2、Re起直流偏置作用，CC、Cb为高频旁路电容和自给偏压电容。图（b）是其交流等效电路。（a） （b） 图2-5-4 电容三点式

13、振荡器及其等效电路振荡器的振荡频率可近似用并联谐振回路的谐振频率来表示，即f0式中，C为回路总电容 12LC （2-15）C=C1C2 （2-16） C1+C2电容三点式振荡器的特点是输出波形好，振荡频率可以很高，可以达到100MHz以上。缺点是频率的调节不方便，通过C2电容量的改变来调节振荡频率时，电容C1和C2间的比例随之变化，电路的起振条件也会受到影响。3、改进型的电容三点式振荡电路容三点式振荡器是一种性能优良的振荡电路。但它有两个主要缺点：其一是频率调整范围窄；其二是振荡器的频率稳定度不高。为了克服这两个缺点，提出了改进型电容三点式振荡器。（1） 串联改进型电容三点式振荡器（Clapp

14、）图2-5-5（a）是串联改进型电容三点式振荡器，又称克拉泼（Clapp）振荡器，图（b）是其交流等效电路。可以看出，此电路与普通电容三点式电路的区别仅仅是在（bc）间的电感支路中串联一个小电容C3，这就是串联改进型电路的命名原因。电路中，满足C3 C1,C3 C2时，C主要决定于C3。（a） 图2-5-5 克拉泼振荡器及其等效电路 （b）克拉泼电路振荡回路的总电容C由下式决定 11111 （2-17） =+CC3C1+C0C2+CiC3这种电路的总电容CC3，因此振荡频率f0为 f0=12LC12LC3 （2-18）可见，C0和Ci对f0几乎没有影响。这是因为对于串联电路，小电容起主要作用，

15、C0和Ci即使发生变化，对回路影响也很小。因此，这种电路的晶体管与回路是弱耦合，频率稳定度较高。从通信系统的频率范围来看，克拉泼电路的缺陷是不适合用作波段振荡器。波段振荡器要求在一频段内频率可调，且振荡幅值保持不变。由于克拉泼电路在改变振荡频率时需调整C3，当C3改变时，晶体管（ce）两端的负载阻抗将发生变化，使环路增益发生变化，从而使振荡幅值也发生变化。所以克拉泼电路只适宜于做固定频率振荡器或波段覆盖系数较小的可变频率振荡器。那么，什么叫波段覆盖系数呢？所谓波段覆盖系数是指振荡器可以在一定波段范围内连续振荡的最高工作频率与最低工作频率之比。一般克拉泼电路的波段覆盖系数为1.21.3。（2）

16、并联改进型电容三点式振荡器（Seiler）为了克服克拉泼电路的上述缺陷，出现了另一种改进型电路。即并联改进型电容三点式振荡器，又称西勒（Seiler）振荡器。图3-10（a）是其原理电路图，图（b）是其交流等效电路。由图可见，西勒电路是在克拉泼电路基础上，在电感L两端并联了一个电容C4。因此称为并联改进型电路。电路中，元件取值满足C1、C2远大于C3，C1、C2远大于C4，因此晶体管与回路之间耦合较弱，频率稳定度高。在一些短波通信机中，常选可变电容C4在20 pF360 pF之间，而C3约在一、二百皮法的量级，微调振荡频率。（a） 图2-5-6 西勒振荡器及其等效电路 （b）从图2-5-6可以

17、看出，回路总电容C的计算公式为 C=C4+1111+C1+C0C2+CiC3C3+C4 （2-19）振荡频率的计算公式为 f0=12LC12L(C3+C4) （2-20）由于西勒电路的振荡频率高，频率稳定度高，波形好，振幅平稳，频率覆盖较宽，其波段覆盖系数为1.61.8左右，因此应用广泛。4、电感三点式振荡器（Hartley）图2-5-7为电感三点式振荡器。图（a）中，L1、L2和C组成LC并联谐振回路，作为集电极交流负载；电阻R1、R2、Re起直流偏置电阻；Cb和Ce为隔直电容和旁路电容。图（b）是其交流等效电路。（a） （b） 图2-5-7 电感三点式振荡器及其等效电振荡器的振荡频率可近似

18、用并联谐振回路的谐振频率来表示，即f012LC （2-21）式中，若电感L1和L2存在互感时，用L=L1+L2+2M来表示，M为L1、L2间的互感；若L1和L2互相屏蔽不存在互感，则L=L1+L2。电感三点式振荡器的优点是容易起振，输出电压幅度较大，而且用一只可变电容器就可以方便地调整振荡频率，调整时不影响反馈，因此可以在较宽的频段内调整频率。缺点是反馈电压取自电感支路，对高次谐波阻抗大，振荡波形含有的谐波成份多，输出波形较差，因此振荡频率不宜很高，一般最高只达几十兆赫。以上介绍的四种LC振荡器均是采用LC元件作为选频网络。由于LC元件的标准性较差，而且谐振回路的Q值较低，空载Q值一般不超过3

19、00，有载Q值就更低，所以LC振荡器的频率稳定度不高，一般只有10数量级，即使用克拉泼电路或西勒电路也只能达到-310-310-5数量级。如果需要频率稳定度更高的振荡器，可以采用晶体振荡器。5、LC振荡器电路识读图2-5-8是松下TC-183型彩色电视机甚高频电调谐高频头中本机振荡器电路，是由分立元件组成。在高频头中，本振的作用是产生一个与输入电视图像载频相差一个中频（38 MHz）的高频正弦波信号。甚高频电视频道范围为112频道，其中15频道（L频段）图像载频范围为49.7585.25 MHz，612频道（H频段）图像载频为168.25216.25 MHz。图2-5-8 高频头本振电路图2-

20、5-9中开关二极管D1受频段选择的控制。L频段时，BS=30V，BV=12V，D1反偏截止，交流等效电路如图3-12（a）所示。H频段时，BS=0V，BV=12V，D1导通，L2被短路（因2.2nF电容对高频信号短路），交流等效电路如图3-12（b）所示。D2、D3是变容二极管，其电容量受电压BT、AFC控制。改变BT、AFC电压，就改变了D2、D3的电容量，也就改变了本振频率。（a） 图2-5-9 本振交流等效电路 （b）由图可见，这是压控西勒电路。由于整个甚高频波段覆盖系数为4.2，数值较大，分成L和H两个频段后，波段覆盖系数均下降为1.7，正好在西勒电路的调整范围之内。项目6 晶体振荡器

21、的调测【项目描述】LC振荡电路的优点是振荡频率较高，可以达到100MHz以上，缺点是频率稳定性不高，即使采取稳频措施后，频率稳定度也只能达到10-5。在需要频率稳定度更高的场合，一般采用石英晶体作谐振回路的元件，并称这种振荡器为石英晶体振荡器。由石英晶体组成的正弦波振荡电路，频率稳定度可以达到10-610-8，一些产品甚至高达10-1010-11，因此它广泛应用于要求频率稳定度高的设备中，例如，标准频率发生器、脉冲计数器和电子计算机的时钟信号发生器等。【项目分析】本项目需要进行石英晶体的工作特性的详细分析。研究石英晶体的结构、压电效应以及等效电路。研究分析串联型以及并联型晶体振荡电路工作原理以

22、及泛音晶体振荡电路的工作原理。同时在项目中进行石英晶体谐振电路的的使用事项。【知识链接】1、晶体振荡电路的基本知识石英晶体因其具有压电效应被用作振荡器。所谓压电效应，即当机械力作用于石英晶体使其发生机械变形时，晶片的对应面上会产生正、负电荷，形成电场；反之，在晶片的对应面上加一电场时，石英晶片会发生机械变形。当给石英晶片外加交变电压时，石英晶片将按交变电压的频率发生 机械振动，同时机械振动又会在两个电极上产生交变电荷，结果在外电路中形成交变电流。当外加交变电压的频率等于石英晶片的固有机械振动频率时，晶片发生共振，此时机械振动幅度最大，晶和片两面的电荷量电路中的交变电流也最大，产生了类似于回路的

23、谐振现象，此现象称为压电谐振振。晶片的固有机械动频率称为谐振频率。采用石英晶体作为振荡选频回路的振荡电路称为晶体振荡电路。2、晶体振荡器的电路构成以及电路工作条件晶体振荡电路同样是由放大环节、稳幅环节、反馈环节以及选频网络构成。所不同的就是在晶体振荡电路中采用了晶体作为选频环节，大大提升了振荡器的输出信号频率的稳定度。晶体振荡器电路的工作条件与LC三点式振荡电路的工作条件抑制，不再赘述。【知识实施】1、 石英晶体的基本特性与等效电路（1） 石英晶体的结构将二氧化硅晶体按一定的方向切割成很薄的晶片，再在晶片的两个表面涂覆银层并作为两极引出管脚，加以封装，即成为石英晶体谐振器，简称石英晶体，石英晶

24、体谐振器已经制成各种规格的产品。石英晶体的结构、电路符号和晶体产品外形如图2-6-1所示，其中(a)所示的是石英晶体结构，(b)为电路符号，(c)是几种产品的外形。(b)(c)图2-6-1 石英晶体谐振器结构及电路符号（2） 压电效应及等效电路石英晶片之所以能作成谐振器，是因为它具有压电效应和反压电效应。当机械力作用于晶片时，晶片两面将产生电荷；反之，当在晶片两面加不同极性的电压时，晶片的几何尺寸将压缩或伸长。因此，在石英谐振器两端加上高频交流电压时，如图2-6-2（a）所示， 晶片将随交流信号的变化而产生机械振动。晶片本身有一固有的机械振动频率，频率的高低取决于晶片的几何尺寸、形状和切割方位

25、，若外加高频交流信号频率与晶片固有机械振动频率相等时，将产生谐振，此时机械振动最强，外电路高频电流i也最大。（a） 晶体振荡器电路 （b） 等效电路 （c）电抗特性曲线 图2-6-2 石英晶体的等效电路及电抗特性曲线图2-6-2（b）石英晶体的为其等效电路。图中Lq称为动态电感，Cq为动态电容，rq是机械磨擦和空气阻尼引起的损耗。实际上，石英晶片两面敷了银层，并固定在安装架上，因此即使晶片不振动，仍然有一个静态电容C0存在。C0是以晶体作为电介质的静电容，其容值一般为几皮法至几十皮法。石英谐振器的等效电抗与频率的关系曲线如图2-6-2（c）所示。当频率很低时，感抗接近于零，而容抗增大，等效电路

26、为Cq与C0并联，等效电路呈容性。当f=fs时，LqCq支路发生串联谐振，X=0；当f=fp时，发生并联谐振，此时X；当ffp以后，等效电路呈容性，从图2-6-2（c）可见，石英谐振器有两个谐振频率fs和fp，在fs和fp之石英谐振器等效为电感，而在ffs或ffp频率范围等效为电容。由图3-16(b)可求得石英晶体串联谐振频率fs和并联谐振频率fpfs=12LqCq （2-22）fp=1C0Cq2Lq C0+Cq （2-23）2、 石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器常用有并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器。在并联型晶体振荡器中，用晶体置换电路的电感元件，晶振工作频率在fs和fp之间；在串联型晶体

27、振荡器中，振荡器工作在串联谐振频率fs上，晶体呈低阻抗起选频短路线作用。（1） 并联型晶体振荡器图2-6-3（a）为并联型晶体振荡电路。又称为皮尔斯(Pierce)振荡电路。图（a）中Lb为高频扼流圈，Cb为旁路电容。石英晶体接在集电极与基极之间，和C1、C2构成类似电容三点式振荡电路。图（b）是其高频等效电路。（a） （b） 图2-6-3 石英晶体振荡电路 （c）（a） 原理图 （b） 等效电路 （c） 石英晶体等效电路图2-6-4（a）为并联型晶体振荡电路的另一种电路形式，也称为密勒振荡电路。图（a） 中石英晶体接在晶体管的b、e之间，它等效为一个电感元件Le。由于晶体管的集电极电路中有并

28、联回路L1C1，该电路属于双谐振回路振荡器。由三点式振荡器的工作原理可知，（a） 原理图 （b） 等效电路 图2-6-4 密勒振荡电路L1C1回路应呈电感性，因此L1C1的谐振频率应略高于振荡器的工作频率。从等效电路可以看出，此电路是电感三点式振荡电路。由于输出回路中接有L1C1谐振回路，故输出波形较好。此外可变电容C1还可用来调节振荡幅度。图（b）是其高频等效电路。实际应用中，密勒振荡电路常采用输入阻抗高的场效应管作放大器，以提高其工作频率的稳定性。（2） 串联型晶体振荡器如图2-6-5所示为串联型非正弦波晶体振荡器。图中，V1和V2组成两级共射放大器，石英谐振器X1和电容CL构成正反馈网络

29、。当发生串联谐振时，串联阻抗最小，正反馈最强。由于等效串联回路的Q值很高，所以振荡频率很稳定。该电路选取不同的晶体，可产生工作频率在几十千赫到几百千赫的方波信号。图2-6-5 串联型非正弦波晶体振荡器如图2-6-6（a）所示，为串联型正弦波晶体振荡器电路，图（b）是它的等效电路。这是一种电容反馈三点电路，电容C3与C1、C2并联电路的中间抽头是经过石英谐振器接在(a) 图2-6-6 串联型非正弦波晶体振荡器 (b)晶体管发射极的，构成了正反馈通路。C1和C2并联，再与C3串联，并与L组成振荡回路。该振荡器振荡频率较高。图中的晶体为1 MHz，改变电路参数(L、C3和发射极电阻的数值)，可使振荡

30、频率高达几十兆赫。（3）泛音晶体振荡器石英谐振器频率越高，石英晶片的厚度越薄。频率很高时，晶片的厚度太薄，加工困难，且机械强度差，容易振碎。因此一般晶体振荡频率最高不超过25 MHz，为了获得更高的振荡频率，可采用泛音晶体振荡器。图2-6-7（a）是一种并联型泛音晶体振荡电路。如果电路的振荡频率是基频的5次泛音，则L1C1回路应调谐在3和5次泛音之间。这样，当频率低于L1C1并联谐振频率时，由图2-6-7（b）可见，L1C1回路呈感性，不满足三点式振荡电路的相位平衡条件，所以不能产生振荡。图2-6-7 并联型泛音晶体振荡电路(a) 交流等效电路 (b) 并联谐振回路的电抗特性 0而对于比5次泛音高的7次及其以上泛音来说，L1C1回路呈容性，但等效容抗非常小，反馈系数太小，不满足振荡电路的起振条件，也不能产生振荡。若将L1C1回路调谐在5和7次泛音之间，则该电路可以在7次泛音上产生振荡。3、 使用石英谐振器注意事项晶体振荡