振荡电路及应用电子技术实践基础

2波形发生电路2.1正弦波振荡电路2.2

非正弦信号发生器2.3集成函数发生器8083简介2.4压控振荡器2.1正弦波振荡电路

2.1.1正弦波振荡电路的基础知识

1.自激振荡现象

扩音系统在使用中有时会发出刺耳的啸叫声,其形成的过程如图示。

A.F.放大电路2S1+--Uid.Ui.+--Uf.+--Uo.反馈电路2.自激振荡形成的条件

可以借助图示的方框图来分析正弦波振荡形成的条件。

由此可见,自激振荡形成的基本条件是反馈信号与输入信号大小相等、相位相同,即,而可得：这包含着两层含义:

（１）反馈信号与输入信号幅值相等,表示即（２）反馈信号与输入信号相位相同,表示输入信号经过放大电路产生的相移φA和反馈网络的相移φF之和为0,2π,4π,…,2nπ,即:φA+φF=2nπ(n=0,1,2,3,…)

称为相位平衡条件。Uo.Ot自激振荡的起振波形ba起振c稳幅３.正弦波振荡的形成过程

放大电路在接通电源的瞬间,随着电源电压由零开始的突然增大,电路受到扰动,在放大器的输入端产生一个微弱的扰动电压ui,经放大器放大、正反馈,再放大、再反馈……,如此反复循环,输出信号的幅度很快增加。这个扰动电压包括从低频到甚高频的各种频率的谐波成分。

为了能得到我们所需要频率的正弦波信号,必须增加选频网络,只有在选频网络中心频率上的信号能通过,其他频率的信号被抑制,在输出端就会得到如图ab段所示的起振波形。

那么,振荡电路在起振以后,振荡幅度会不会无休止地增长下去了呢？这就需要增加稳幅环节,当振荡电路的输出达到一定幅度后,稳幅环节就会使输出减小,维持一个相对稳定的稳幅振荡,如图bc段所示。也就是说,在振荡建立的初期,必须使反馈信号大于原输入信号,反馈信号一次比一次大,才能使振荡幅度逐渐增大;当振荡建立后,还必须使反馈信号等于原输入信号,才能使建立的振荡得以维持下去。由上述分析可知,起振条件：

稳幅后的幅度平衡条件为：４.振荡电路的组成要形成振荡,电路中必须包含以下组成部分:①放大器;②正反馈网络;③选频网络;④稳幅环节。根据选频网络组成元件的不同,正弦波振荡电路通常分为：

ＲＣ振荡电路（振荡频率较低，几百KHZ以下）

ＬＣ振荡电路（振荡频率较高，几百KHZ以上）

石英晶体振荡电路（振荡频率极其稳定）。2.1.2RC正弦波振荡电路

RC正弦波振荡电路结构简单,性能可靠,用来产生几兆赫兹以下的低频信号,常用的RC振荡电路有RC桥式振荡电路和移相式振荡电路。1.RC桥式振荡电路1）RC串并联网络的选频特性+Z2-.U1R2C2+­.U2Z1R1C1RC串并联网络传输系数F：其模值：

相角：

取：C1=C2=C,R1=R2=R,则则上式式可简简化为为

令

即

将f0的表达达式代代入模模值和和相角角的表表达式式,并并将将角频频率ω变换为为由频频率f表示,则则根据上上式可可作出出RC串并联联网络络频率率特性性F310f0fjFf0-90Of0+90O当f=f0时,电电压压传输输系数数最大大,其其值值为:F=1/3,相相角为为零,即即φF=0。。此时时,输输出出电压压与输输入电电压同同相位位。当f≠f0时,F<1/3,且且φF≠0,此此时输输出电电压的的相位位滞后后或超超前于于输入入电压压。由以上上分析析可知知:RC串并联联网络络只在在f=f0=1/(2πRC)时,输输出出幅度度最大大,而而且且输出出电压压与输输入电电压同同相,即即相位位移为为零。。所所以,RC串并联联网络络具有有选频频特性性。2）RC桥式振振荡电电路集成运放A：放大网络稳幅环节++--R1RfV2V1R2RCCRuoA∞

RC串并联网络：正反馈选频网络负反馈网络反馈增益Avf≥3图中,集集成运运放组组成一一个同同相放放大器器,输输出出电压压uo作为RC串并联联网络络的输输入电电压,而而将RC串并联联网络络的输输出电电压作作为放放大器器的输输入电电压。。当f=f0时,RC串并联联网络络的相相位移移为零零,放放大大器是是同相相放大大器,电电路的的总相相位移移是零零,满满足足相位位平衡衡条件件,而而对对于其其他频频率的的信号号,RC串并联联网络络的相相位移移不为为零,不不满足足相位位平衡衡条件件。由于RC串并联联网络络在f=f0时的传传输系系数F＝1/3,因因此此要求求放大大器的的总电电压增增益Au应大于于3,这这对于于集成成运放放组成成的同同相放放大器器来说说是很很容易易满足足的。。只要适适当选选择Rf与R1的比值值,就就能能实现现Au>3的的要求求。其中,Ｖ1、Ｖ2和R2是实现现自动动稳幅幅的限限幅电电路。。由R1、Rf、V1、V2及R2构成负负反馈馈支路路,它它与与集成成运放放形成成了同同相输输入比比例运运算放放大器器2．RC移移相式式振荡荡电路路反馈网网络由由三节节RC移相电电路构构成。。++-­RRCCCRRf+--Uo.∞由于集集成运运算放放大器器的相相移为为180°°,为为满满足振振荡的的相位位平衡衡条件件,要要求求反馈馈网络络对某某一频频率的的信号号再移移相180°,RC构成超超前相相移网网络。。正正如所所知,一一节RC电路的的最大大相移移为90°°,不不能能满足足振荡荡的相相位条条件;二二节RC电电路的的最大大相移移可以以达到到180°°,但但当当相移移等于于180°°时,输输出电电压已已接近近于零零,故故不不能满满足起起振的的幅度度条件件。为为此,采采用三三节RC超前相相移网网络,三三节相相移网网络对对不同同频率率的信信号所所产生生的相相移是是不同同的,但但其中中总有有某一一个频频率的的信号号,通通过过此相相移网网络产产生的的相移移刚好好为180°,满满足相相位平平衡条条件而而产生生振荡荡,该该频频率即即为振振荡频频率f0。RC移相式式振荡荡电路路具有有结构构简单单、经经济济方便便等优优点。。其其缺点点是选选频性性能较较差,频频率调调节不不方便便,由由于于输出出幅度度不够够稳定定,输输出出波形形较差差,一一般般只用用于振振荡频频率固固定、、稳稳定性性要求求不高高的场场合。。振幅起起振条条件为为振荡频频率f02.1.3LC正弦弦波振振荡电电路LC正弦波波振荡电电路常常用来来产生生高频频正弦弦波信信号，，常见见形式式有变变压器器反馈馈式LC振荡电电路、、电电感反反馈式式（电电感三三点式式）LC振荡电电路、、电电容反反馈式式电容容三点点式LC振荡电电路,用用来产产生几几兆赫赫兹以以上的的高频频信号号。它它们的的选频频网络络一般般都采采用LC并联谐谐振电电路。。1.变变压压器反反馈式式LC振荡电电路１）电电路路组成成(+)(--)(+)(+)(+)L1CRLL3L2V+CeReRb2C1Rb1T+UCCV、Rb1、Rb2、Re、Ce、C1组成共射放大电路L2反馈线圈引入入正反馈L1C选频网络变压器同名端端２)振荡条条件（1）相位位平衡条件电路振荡时,f=f0，LC回路的谐振阻阻抗是纯电阻阻性，由变压压器L1及L2同名端可知，，反馈信号与与输出电压极极性相反，即即φF=180°。。于是φA+φF=360°，，保证了电路路的正反馈，，满足振荡的的相位平衡条条件。对频率f≠f0的信号，LC回路的阻抗不不是纯阻抗，，而是感性或或容性阻抗。。此时，LC回路对信号会会产生附加相相移，造成φF≠180°，，那φA+φF≠360°，，不能满足相相位平衡条件件，电路也不不可能产生振振荡。由此此可见，LC振荡电路只有有在f=f0这个频率上，，才有可能振振荡。（2）幅值值条件为了满足幅度度条件AF≥1,对晶晶体管的β值有一定要求求。一般只只要β值较大,就就能满足振幅幅平衡条件。。反馈线圈圈匝数越多,耦合越强强,电路越越容易起振。。3）电路优缺缺点(1)易起起振,输出出电压较大。。由于采用变变压器耦合,易满足阻阻抗匹配的要要求。(2)调频频方便。一般般在LC回路中采用接接入可变电容容器的方法来来实现,调频频范围较宽,工作频率通通常在几兆赫赫左右。(3)输出出波形不理想想。由于反馈馈电压取自电电感两端,它它对高次谐谐波的阻抗大大,反馈也强强,因此在输输出波形中含含有较多高次次谐波成分。。2.电感反反馈式LC振荡电路又称:哈特莱振荡电电路电感三点式电电路1)电路组成成(+)(­)(+)(­)(+)(­)(+)①②③ReCeVC2Rc+UCCRb1Rb2C1CL2L1(+)L2反馈线圈圈(­)(+)

反馈电压是取自电感L2两端,加到晶体管b、e间的。所以改变线圈抽头的位置,即改变L2的大小,就可调节反馈电压的大小。当满足的条件时,电路便可起振。２)振荡条件件分析（1）相位条条件设基极瞬时极极性为正,由由于放大器器的倒相作用用,集电极极电位为负,与基极相相位相反,则则电感的③③端为负,②②端为公共共端,①端端为正。反反馈电压由①①端引至三极极管的基极,故为正反反馈,满足足相位平衡条条件。（2）幅度度条件上式中,L1+L2+2M为LC回路的总电感感,M为L1与L2间的互感耦合合系数。4）电路优优缺点(1)由于于L1和L2之间耦合很紧紧,故电路路易起振,输输出幅度大大。(2)调频频方便,电电容C若采用用可变电容器器,就能获获得较大的频频率调节范围围。(3)由由于于反反馈馈电电压压取取自自电电感感L2两端端,它它对对高高次次谐谐波波的的阻阻抗抗大大,反反馈馈也也强强,因因此此在在输输出出波波形形中中含含有有较较多多高高次次谐谐波波成成分分,输输出出波波形形不不理理想想。。3））振振荡荡频频率率3．．电电容容反反馈馈式式振振荡荡电电路路又称称：：考毕毕兹兹振振荡荡电电路路电容容三三点点式式电电路路(+)①②③ReCeVRc+UCCRb1Rb2CbC2C1L(+)(-­)(+)(-­)(+)(-­­)(-­­)(+)C2反反馈馈电电容容1））相相位位条条件件与电电感感反反馈馈式式振振荡荡电电路路相相位位条条件件相相同同,满满足足相相位位平平衡衡条条件件。。2））幅幅度度条条件件反馈馈电电压压取取自自电电容容C2两端端,所所以以适适当当地地选选择择C1、C2的数数值值,并并使使放放大大器器有有足足够够的的放放大大量量,电电路路便便可可起起振振。。3））振振荡荡频频率率其中中：：谐振振回回路路的的总总电电容容4））电电路路优优缺缺点点优点点：：易起起振振：振振荡荡频频率率可可高高达达100MHz以以上上。。输出出波波形形较较好好：C2对高高次次谐谐波波的的阻阻抗抗小小,反反馈馈电电压压中中的的谐谐波波成成分分少少。。缺点点：：调节节频频率率不不方方便便：C1、C2的大大小小既既与与振振荡荡频频率率有有关关,也也与与反反馈馈量量有有关关。。改改变变C1（或或C2）时时会会影影响响反反馈馈系系数数,从从而而影影响响反反馈馈电电压压的的大大小小,造造成成电电路路工工作作性性能能不不稳稳定定。。②③①ReCeRc+UCCRb1Rb2CbC2C1LC3*４４.串串联联改改进进型型电电容容反反馈馈式式LC振振荡荡电电路路又称称：：克拉拉泼泼振振荡荡电电路路决定定振振荡荡频频率率CΣ表示示回回路路总总电电容容当：：C３«C1且：：C3«C2时，，CΣ≈C3*４４.串串联联改改进进型型电电容容反反馈馈式式LC振振荡荡电电路路振荡荡频频率率2.1.4晶晶体体振振荡荡电电路路1.石石英英晶晶体体的的谐谐振振特特性性与与等等效效电电路路石英英晶晶体体谐谐振振器器是是晶晶振振电电路路的的核核心心元元件件,是是从从一一块块石石英英晶晶体体上上按按确确定定的的方方位位角角切切下下的的薄薄片片,这这种种晶晶片片可可以以是是正正方方形形、、矩矩形形或或圆圆形形、、音音叉叉形形的的,然然后后将将晶晶片片的的两两个个对对应应表表面面上上涂涂敷敷银银层层,并并装装上上一一对对金金属属板板,接接出出引引线线,封封装装于于金金属属壳壳内内。。底座绝缘体管脚晶片引线金属壳为什什么么石石英英晶晶体体能能作作为为一一个个谐谐振振回回路路,而而且且具具有有极极高高的的频频率率稳稳定定度度呢呢？？这这要要从从石石英英晶晶体体的的固固有有特特性性来来进进行行分分析析。。物物理理学学的的研研究究表表明明,当当石石英英晶晶体体受受到到交交变变电电场场作作用用时时,即即在在两两极极板板上上加加以以交交流流电电压压,石石英英晶晶体体便便会会产产生生机机械械振振动动。。反反过过来来,若若对对石石英英晶晶体体施施加加周周期期性性机机械械力力,使使其其发发生生振振动动,则则又又会会在在晶晶体体表表面面出出现现相相应应的的交交变变电电场场和和电电荷荷,即即在在极极板板上上有有交交变变电电压压。。当当外外加加电电场场的的频频率率等等于于晶晶体体的的固固有有频频率率时时,便便会会产产生生““机机——电电共共振振””,振振幅幅明明显显加加大大,这这种种现现象象称称为为压压电电谐谐振振。。它它与与LC回路路的的谐谐振振现现象象十十分分相相似似。。压电电谐谐振振的的固固有有频频率率与与石石英英晶晶体体的的外外形形尺尺寸寸及及切切割割方方式式有有关关。。从从电电路路上上分分析析,石石英英晶晶体体可可以以等等效效为为一一个个LC电路,把把它接到振振荡器上便便可作为选选频环节应应用。C0LCR等效电路电路符号X0fSfPf容性容性感性石英晶体谐谐振器的电电抗-频率率特性它具有两个个谐振频率率,一个个是L、C、R支路发生串串联谐振时时的串联谐谐振频率fs,另一一个是L、C、R支路与C0支路发生并并联谐振时时的并联谐谐振频率fpC0LCR⑴并联型石石英晶体振振荡电路ReC2Rc+UCCRb1Rb2CbC1V当f0在fS~fP的窄小的频频率范围内内时,晶晶体在电路路中起一个个电感作用用,它与与C1、C2组成电容反反馈式振荡荡电路。改改变C1、C2的值可以在在很小的范范围内微调调f0。2．石英英晶体振荡荡电路石英晶体振振荡器可以以归结为两两类,一一类称为并并联型,另另一类称称为串联型型。前者者的振荡频频率接近于于fP，后者的振振荡频率接接近于fS⑵串联型石石英晶体振振荡电路Re1Rc1+UCCRb1Rb2CbV1(+)(+)Re2(+)C2V2RP晶体作为反反馈元件，，工作于串串联谐振频频率fS时，阻抗最最小，呈现纯电阻阻特性，正正反馈最强强，相位为为零，满足足振荡条件件2.2非非正弦弦信号发生生器2.2.1矩形波发发生器也称为方波波振荡器。。它是在在滞回比较较器的基础础上,增增加一条RC充、放电负负反馈支路路Rf、C构成的。++-­R3R1R2R5R4RfV+-­CuCiCiCuo∞++-­R3R1R2R5R4RfV+-­CuCiCiCuo∞1.工作作原理电容Ｃ上的电压加加在集成运运放的反相相端,集集成运放工工作在非线线性区,输输出只有有两个值:+Uz和-Uz。值时,因因运放输入入端u－>u＋,电路翻翻转,输输出电压由由+Uz值翻至－Uz,同相端端电压变为为设在刚接通通电源时,电容Ｃ上的电压为为零,输输出为正饱饱和电压+Uz,同相相端的电压压为电容C在输出电压压+Uz的作用下下开始充电电,充电电电流iＣ经过电阻阻Rf,当充充电电压uC升至uC00ttuOuC00ttuO电容C开始始放电,uC开始下降,放电电流流iC图中虚线所所示。当电电容电压uC降至值时,由由于u－<u＋,于是输输出电压又又翻转到uo=+Uz值。如此周周而复始,在集成成运放的输输出端便得得到了如右右图所示的的输出电压压的波形。。则振荡频率率为改变RC值就可以调调节矩形波波的频率。。2.振荡荡频率及其其调节电路输出的的矩形波电电压的周期期T取决于充、、放电的的RC时间常数。。可以证证明其周期期为++-­A1++-­R2R1R5R3uo1VR4A2uoC∞∞2.2.2三角角波发生器器A1构成滞回电电压比较器器,其反反相端接地地,A1同相端的电电压由uO和uO1共同决定当u＋>0时,uo1＝＋Ｕz当u＋<0时,uo1＝－Ｕz在电源刚接接通时,假假设电容容器初始电电压为零,集成运运放A1输出电压为为正饱和电电压值＋Ｕz,积分器器输入为＋Ｕz,电容Ｃ开始充电,输出电电压uo开始减小,u＋值也随之减减小,当当uo减小到－R2R1Uz时,u＋由正值变为为零,滞滞回比较器器A1翻转,集集成运放A1的输出uo1＝－Ｕz。当Uo1=－Uz时,积分分器输入负负电压,输输出电压压uo开始增大,u＋值也随之增增大,当当uo增加到R2R1Uz时,u＋由负值变为为零,滞滞回比较器器A1翻转,集集成运放A1的输出uo1＝＋Ｕz。2.2.3锯齿齿波发生器器频率可调的的三角波发发生器锯齿波发生生器锯齿波发生生器的工作作原理与三三角波发生生电路基本本相同,只只是电阻阻R3上并联由由二极管V1和电阻R5组成的支支路,使使积分器的的正、反向向积分的速速度明显不不同,当当uo1＝－Ｕz时,Ｖ1反偏截止止,正向向积分的时时间常数为为Ｒ３Ｃ;当uo1＝＋Ｕz时,Ｖ1正偏导通通,负向向积分常数数为（Ｒ３∥Ｒ５）Ｃ,若取Ｒ５＜Ｒ３,则负负向积分时时间小于正正向积分时时间,形形成锯齿波波。2.3集集成函函数发生器器8038简介集成函数发发生器8038是一一种多用途途的波形发发生器,可可以产生生正弦波、、方波、、三角波波和锯齿波波,其频频率可以通通过外加的的直流电压压进行调节节,使用用方便,性性能可靠靠。1．8038的工工作原理由手册和有有关资料可可看出,8038由两个恒恒流源、两两个电压压比较器和和触发器等等组成。8038的的内部原理理电路框图图图中,电电压比较器器Ａ、Ｂ的的门限电压压分别为两两个电源电电压之和（（UCC+UEE）的2/3和1/3,电流源源I1和I2的大小可通通过外接电电阻调节,其中I2必须大于I1。当当触发器的的输出端为为低电平时时,它控控制开关S使电流源I2断开。而而电流源I1则向外外接电容C充电,使使电容两端端电压随时时间线性上上升,当当uC上升到uC=2（UCC+UEE）/3时,比较器器Ａ的输出电压压发生跳变变,使触触发器输出出端由低电电平变为高高电平,这这时,控控制开关关S使电流流源Ｉ２接通。由由于I2>I1,因此外外接电容C放电,uC随时间线性性下降。当uC下降到uC≤（UCC+UEE）/3时,比较器器Ｂ输出发发生跳变,使触发发器输出端端又由高电电平变为低低电平,I2再次断开,I1再次向C充电,uC又随时间线线性上升。。如此周周而复始,产生振振荡。外外接电容C交替地从从一个电流流源充电后后向另一个个电流源放放电,就就会在电容容C的两端产生生三角波并并输出到脚脚3。该该三角波经经电压跟随随器缓冲后后,一路路经正弦波波变换器变变成正弦波波后由脚2输出,另一路路通过比较较器和触发发器,并并经过反向向器缓冲,由脚9输出出方波。8038的的外部引脚脚排列图２.8038的的典型应用用利用8038构成的的函数发生生器,其其振荡频率率由电位器器RP1滑动触点的的位置、C的容量、RA和RB的阻值决定定,C1为高频旁路路电容,用用以消除除8脚脚的寄生交交流电压,RP2为方波占空空比和正弦弦波失真度度调节电位位器,当当RP2位于中间时时,可输输出方波。。8038的的典型应应用*2.4压压控振振荡器1.电路路组成压控振荡器器电路的输输入控制电电压为直流流电压。A1为差动积分分电路,积积分电压压由控制电电压UI提供,积积分方向由由场效应管管V来改变变;A2为滞回比较较器,它它的输出控控制着场效效应管的导导通和截止止。2.工作作原理设滞回比较较器A2的输出电压压为负饱和和电压－Uom,此值一一方面使比比较器的同同相端电压压为下门限限电压,即即另一方面通通过隔离二二极管V2将比较大的的负电压加加在了场效效应管的栅栅极,使使场效应管管进入夹断断区而截止止,此时时,积分分电路可等等效为下图图。积分电流的的流向(a)FET截止止；(b)FET导通可以看