电工电子课件第4部分正弦波振荡电路

正弦波振荡电路振荡电路是不需要外接输入信号就能将直流电能转化成具有一定频率和幅度的交流信号输出的电路。正弦波振荡电路输出的振荡波形是正弦波形，常用的正弦波振荡电路有RC振荡电路、LC振荡电路和晶体振荡电路自激振荡：放大电路在没有输入信号的情况下仍有一定频率和幅值的输出信号，这种现象为放大电路的自激振荡。1.自激振荡的条件•

••

•U

i

=

U

f• •

•

•U

o

=

AU

i

,

U

f

=

FU

o

• •

•

• •

•

U

o

=

AFU

o

AF

=1•

•A

F

=

AF

=

1fA

+fF

=

–2np

(n

=

0,1,2,)振荡电路的原理框图2.自激振荡的建立和稳幅在正弦振荡电路中直流电源是能源，正弦振荡电路将直流电源的能量转化为正弦交流信号输出。电路中的噪声是产生自激振荡的因素。接通电源的瞬间，电路中存在有噪声或瞬态扰动，它们的频谱分布很广。在电路中包含一个具有选频特性的网络，选频网络只让某一频率的信号满足自激振荡的条件产生振荡，输出该频率的正弦波信号。要使电路能自行建立振荡，除满足相位条件还必须满足起振条件AF>1这样输出信号就会由小逐渐变大而自行起振。自行起振中振荡电路的放大器件工作在线性区，随着振幅

的增长放大器件将工作在非线性区，通常会使A降低，电

路建立稳定的振荡，但同时波形将产生严重的非线性失真。自激振荡的建立和稳幅改善和消除非线性失真通常利用在振荡电路中引入负反馈来控制放大倍数A，负反馈回路中采用非线性元件，使电路进入非线性工作区之前满足幅值条件AF=1正弦电路的组成放大电路：起信号放大作用，使输出信号就由小逐渐变大产生振荡。正反馈电路：主要是形成正反馈，以满足振荡的相位条件选频电路：只让单一频率满足振荡条件，以产生单一频率的正弦波。正弦振荡电路中通常把选频电路和反馈电路结合在一起，即同一电路既有选频作用，又起反馈作用。稳幅环节：保证振荡电路输出稳定且波形较好的正弦信号RC振荡电路桥式RC振荡电路RC振荡电路的选频电路由R，C元件组成，一般用来产生几百千赫以下的低频信号。RC串并联电路，以及R1，R2构成的负反馈电路正好形成一个四臂电桥，集成运放的输入端和输出端分别接在电桥的两个对角上，所以又称为桥式RC振荡电路。桥式RC振荡电路RC串并联电路既作为选频电路又是反馈电路，它将输出电压在RC并联电路上的分压反馈到同相输入端起正反馈作用

R1，R2构成的负反馈电路、RC并联电路和集成运放构成同相比例运算电路，作为稳幅环节11R(

+

jwC)Z

2

=jwC11Z

=

R

+桥式RC振荡电路U

oU

fjwRC21Z

2(1

-

w

2

R

2

C

2

)

+

j3wRC=Z

+

Z=F

=•••RC100w

=

2pf

=1w

w-

0

)w

0

w•3

+

j(F

=21Z2U

oU

f=Z

+

ZF

=•••10

)w

ww

0

w-•3

+

j(F

=RC100w

=

2pf

=21w

0

w-

w

0

)32

+

(

w•F

=

F

=3w

ww-

w

0f

=

-arctan

0

F总结电路的振荡频率1f0

=

2pRC•

•起振条件

AF

>12R1RA

=

1

+•1R2A

=

1

+ >

3

R2

>

2R1R•1•F

=3总结R2选用负温度系数的热敏电阻。起振时由于输出电压幅值较小，流过R2的电流也较小，则其阻值较大，电路的放大倍数也较大，有利于起振。当振幅增大，流过R2的电流随之增大，则电阻温度升高，阻值下降，从而放大倍数下降热敏电阻R2就实现了放大倍数的自动调节，使电路在进入非线性区之前达到AF=1，使电路输出稳定的正弦波信号。LC振荡电路变压器反馈式LC振荡电路

三点式振荡电路LC振荡电路以电感、电容元件构成的谐振回路作为选频电路，可以产生频率高达1000MHz的正弦波信号。变压器反馈式振荡电路采用LC并联电路作为选频电路，它同时又作为共发射极电路的集电极负载。正反馈由变压器的次级绕组线圈L2实现电路产生的正弦波通过变压器的次级绕组线圈L3送给负载LC并联电路谐振时是电阻性的，它的等效阻抗最大，因此电压放大倍数最高，电路容易满足起振的幅值条件而起振随着振荡的增强，电压放大倍数有所减小，电路自动调节以满足震荡条件而持续震荡。变压器反馈式振荡电路谐振频率1012p

L

Cf

=三点式振荡电路LC振荡电路变压器反馈式LC振荡电路1.电感三点式振荡电路2.电容三点式振荡电路电感三点式振荡电路由可变电容C和带中间抽头的电感L1，L2构成的谐振回路作为选频电路电感线圈三点分别与三极管的基极、发射极和集电极相连LC振荡电路1.电感三点式振荡电路2.电容三点式振荡电路电感三点式振荡电路L2将反馈电压送到输入端，形成正反馈。反馈电压的大小可以通过改变抽头的位置来调整。用瞬间极性法可分析出电路满足振荡的相位条件10f

»2p

(L1

+

L2

+

2M

)C谐振频率近似等于LC谐振回路的谐振频率电感三点式振荡电路不仅容易起振，而且采用可变电容能方便的调节谐振频率，所以在需要经常改变频率的场合得到广泛的应用。电感三点式振荡电路反馈电压中的高次谐波成分较大，输出波形中含有高次谐波，波形较差，一般用于产生频率在几十兆赫以下的正弦信号1.电感三点式振荡电路补充互感的有关知识线圈L1，L2的互感系数相同为M•

•

•U

1

=

jwL1

I

1

+

jwM

I

2••

•U

2

=

jwL2

I

2

+

jwM

I

1磁棒上绕有线圈L1，L2，图中线圈两端的电压，通过线圈的电流以及感生电动势的参考方向已画出。即电压和电流采取关联正方向，感生电动势的方向与电流方向一致。三点式振荡电路LC振荡电路变压器反馈式LC振荡电路1.电感三点式振荡电路2.电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路LC振荡回路作为选频电路。谐振时流过选频电路三个电抗元件L，C1，C2的电流比三极管三个电极中的电流大得多，可认为C1和C2相串联2.电容三点式振荡电路谐振频率近似为：01C

CL

1

2

C1

+

C2f

»2p反馈电压从C2取出以形成正反馈振荡电路的反馈信号从电容取出，频率越高，容抗越小，反馈越弱，所以可以消除高次谐波，输出波形较好。需要调频时，通常与线圈L串联一个电容量小的可变电容，电容三点式振荡电路的谐振频率一般高达100MHz以上。晶体振荡电路石英晶体是一种各向异性的结晶体，化学成分是二氧化硅。从一块石英晶体上按照一定方位可以切下正方形、矩形或圆形的晶片，然后在晶片的两个对应表面上涂覆银层并装上一对金属极，再加上金属或玻璃外壳封装，就构成了石英晶体谐振器。石英晶体之所以能做振荡电路是基于它的压电效应。若在晶片的两个极板间加一电场，会使晶体产生机械变形；反之，若在两个极板间施加机械力，又会在晶体的相应方向上产生电场，这种现象称为压电效应。如果在极板间所加的是交变电压，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变电压。一般来说，这种机

械振动的振幅是比较小的，其振动频率却是很稳定的。晶体振荡电路当外加交变电压的频率与晶片的固有频率相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压电谐振。晶片的固有频率与晶片的几何形状和尺寸有关。石英晶体的品质因数Q值很大，高达10000~5000000的范围内，选频能力很强。由石英晶体的电路模型可知，石英晶体有两个谐振频率1.当R，L，C支路发生串联谐振时f

s=

12p

LC由于C0很小，它的容抗比R大的多，因此串联谐振的等效阻抗近似为R，呈电阻性，且阻值很小。2.当频率高于fs小于fp时，R，L，C支路呈感性，当与C0发生并联谐振时，其振荡频率为：0

01CCsp1

+

C

=

f

1

+

Cf

=2p

LC由于C<<C0，因此fs和fp很接近通常石英晶体所给出来的标称频率既不是fs也不是fp，而是指