电子技术基础正弦波振荡电路

1、教 案 用 纸§4-1正弦波振荡电路的基本原理一、自激振荡电路的基本组成正弦波振荡电路的基本组成：包括放大电路、反馈电路和选频电路三个基本组成部分。二、自激振荡的条件1幅值条件反馈信号uf与输入信号ui大小相等，即uf=ui由于A=uo ui F=ufuoufuf 则 AF=1 uouiuoui即AF=1，其中A表示基本放大电路的开环放大倍数，F表示反馈电路的反馈系数。AF=1即为振荡电路能够振荡的幅度平衡条件。2相位条件为保证反馈信号uf与输入信号ui相位相同，应确保A+F=±n360上式即为振荡电路的相位平衡条件。式中Ao表示基本放电电路的相移，F表示反馈电路的相移，n

2、=0，1，2，3。反馈信号的相位与输入信号的相位相同，即电路中引入正反馈，才能产生振荡。3自激振荡的建立及稳幅振荡电路能否起振，除了电路中必须引入正反馈之外，反馈信号uf应比输入信号ui的幅度大。 即：AFuoufuf=>1 uiuoui自激振荡一旦建立起来，振荡电路的输出信号的幅值就将逐渐增大，当增大到一定程度后，放大电路部分中的管子就会接近甚至进入饱和区或截止区，输出波形就会失真，所以要在电路中设有稳幅环节，使输出信号的幅值增大到一定大小以后，电路满足，保持等幅振荡。由于三极管是非线性器件，当振荡幅度增大至一定程度后，振荡电路中的三极管将进入非线性区，三极管的将会减小，放大电路的电压

3、放大倍数A会减小，从而使AF减小，当满足AF=1时，输出幅度既不增大，也不减小，将维持在某一幅度进行等幅振荡。因此，正弦波振荡电路产生振荡的条件为：oAF1，A+F=±n360要保证振荡电路能够振荡，必须同时满足以上两个条件，其中相位平衡条件是关键。教 案 用 纸§4-2 LC正弦波振荡电路一、LC并联谐振电路的选频特性LC 振荡电路的选频电路由电感和电容构成，可以产生高频振荡。由于高频运放价格较高，所以一般用分离元件组成放大电路。LC并联谐振电路如图所示，R为电感和电路的其他损耗总的等效电阻，其值很小。RL LC并联谐振电路 LC并联谐振电路幅频特性 LC并联谐振电路相频

4、特性从LC并联谐振电路的幅频特性曲线可以看出，当电路发生谐振（f=f0）时，等效阻抗Z最大，信号频率偏离f0时，等效Z迅速减小。从LC并联谐振电路的相频特性曲线可以看出，当电路发生谐振时，相移=0o，LC并联谐振电路呈纯电阻特性。当f<f0时,LC并联谐振电路呈感性，当f>f0时，LC并联谐振电路呈容性。可见LC并联电路具有选频特性，当f=f0时，电阻呈纯阻性，且阻值最大。LC并联谐振电路的谐振频率f0为：1 f0» 2pLCf0仅与谐振电路的电感L和电容C的参数有关，当L或C任一个改变时，f0也将发生改变。二、变压器反馈式LC振荡电路变压器反馈式LC振荡电路如图所示。基

5、本放大电路有三极管V及其偏置电阻R1、R2、R3构成，选频网络由LC并联谐振电路构成，正反馈网络由变压器的次级线圈N2和耦合电容C1构成，振荡电路通过变压器的次级线圈N3向负载RL提供正弦波振荡信号。LC并联谐振电路对不同频率的信号呈现不同的阻抗，当电路发生谐振时，阻抗最大，并且为纯电阻。LC并联谐振电路作为集电极负载构成的选频放大电路，对f0信号有很大的放大倍数，偏离f0的信号放大倍数急剧下降。根据瞬时极性法判断电路反馈的极性，电路引入的是正反馈，满足相位平衡条件。 电路振荡频率为：1 f0» 2pLC其中，f0电路的振荡频率，Hz（赫兹）；L谐振电路的总电感，H（亨利）；C谐振电

6、路的总电容，F（法拉）。变压器反馈式振荡电路的特点：（1）电路起振容易。（2）频率调节方便。（3）振荡频率不高。（4）输出波形不好。三、电感三点式振荡电路电三点式振荡电路如图，该电路由电感引出三个端点，并且与三极管的三个电极相连，所以称为电感三点式振荡电路。其中，R1、R2、R3为电路提供稳定的静态工作点，L1、L2与C构成振荡电路选频电路。反馈电压取自L2两端。三极管工作于选频放大状态，只要放大电路的工作点合适，抽头位置适当，幅度条件就能满足。 用瞬时极性法判断反馈极性，电路中引入正反馈，满足相位平衡条件，所以电路能够振荡。 电路的振荡频率等于LC并联电路的谐振频率，即 1f0»

7、2pLC式中，L为电路的总电感。电感三点式振荡电路的特点：（1）起振容易；（2）调节频率方便；（3）电路工作频率不高；（4）波形较差，且频率稳定度也不高。四、电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路如图所示。三极管及偏置电路构成了基本放大电路。C1、C2、L构成了LC选频电路，正反馈信号取自电容器C2的两端。用瞬时极性法可以判断电路中引入正反馈，电路满足相位平衡条件，所以能够起振。 振荡电路的振荡频率等于LC电路的谐振频率，即：1f0» 2pLC式中C=C1C2/（C1+C2）。电容三点式振荡电路的特点：（1）输出波形较好；（2）振荡频率较高，可达到100MHz；（3）C1，C2采用双连

8、电容，调节电容的容值可以改变振荡频率的大小，但同时会影响反馈信号的大小，因此这种电路适用于产生固定频率的信号。五、实际应用电路如图所示，为LJ1-24型半导体接近开关的电路原理图，由振荡电路、开关电路和输出电路三部分构成。LC振荡器是接近开关的主要部分，其中，L1、L2、L3绕在同一磁芯上（感应头）。 当没有金属移近开关感应头时，振荡电路维持正常的振荡状态，此时，输出线圈L3有交流电压输出，经二极管VD整流，电容器C4滤波后加在R4上产生直流电压。此直流电压使V2管工作于饱和导通状态，使V3管基极电压接近零而截止，V3管无电流输出，继电器线圈KA不通电。当有金属体移近开关的感应头时，金属体内高

9、频变化的磁场产生感应电流（涡流），由于涡流的去磁作用，使线圈间的磁耦合大为减弱，L2上的反馈电压也大为减弱，振荡电路被迫停振。此时，L3上无交流输出，V2截止，电源电压通过R5在R6上产生分压，使V3饱和导通，输出端负载继电器线圈得电，从而控制电路的状态。这种开关常安装在机床、自动生产线等设备上，用作定位控制、行程控制等。教 案 用 纸§4-3 RC振荡电路一、RC桥式振荡电路的组成RC桥式振荡电路如图。其中放大电路由集成运放组成；R3和R4构成负反馈支路；R1C1和R2C2组成串并联网络，构成正反馈支路。上述两个反馈支路正好形成电桥的四个桥臂，故称之为RC桥式振荡电路。R1C1和R

10、2C2组成串并联网络来实现正反馈和选频。二、RC串并联网络的选频特性RC串并联网络等效电路如图，其中uo为输入电压，uf为反馈电压。当输入信号的频率较低时，由于满足1/(2fC1)>>R1，1/（2fC2）>>R2等效电路如图低频等效电路。在频率趋近于0时，uf趋近于0，相位接近与+90°。当输入信号的频率较高时，由于满足1/(2fC1)<<R1，1/（2fC2）<<R2，等效电路如图高频等效电路。在频率趋近与无穷大时，uf趋近于0，相位接近于-90°。RC串并联网络的幅频特性和相频特性如图所示。-90f f0RC串并联网络的

11、幅频特性 RC串并联网络的相频特性三、振荡条件的判断及振荡频率根据瞬时极性法可以判断出电路中引入正反馈，满足相位平衡条件，所以电路能够起振。 该电路的振荡频率为：f0=12pRC改变选频网络的R或C值可以实现振荡频率的调节。四、稳幅措施振荡电路产生正弦波振荡，还必须满足起振条件AF>1。由前文我们知道f=f0时，串并联网络的反馈系数最大，即Fmax=1/3。因此电压放大倍数只要满足A>3即可，这个条件很容易满足。 实际电路通过R3与R4为电路引入电压串联负反馈，达到降低放大倍数，稳定输出幅度的目的。教 案 用 纸§4-4 石英晶体振荡电路一、石英晶片的特点石英是一种天然的

12、二氧化硅晶体。经正确切割后的石英晶片，当在其两侧施加压力时，将在晶片的两侧平面上出现等量的正、负电荷；当在其两侧施加拉力时，也会在其两侧的平面上出现等量的正、负电荷，但方向与施加压力时相反。如果给石英晶片两侧加上一定方向的直流电压，晶片就会产生形变，如压缩；如果改变所加直流电压的方向，晶片也会产生形变，这时晶片将膨胀。这就是石英晶片的压电效应。当给石英晶片两侧加上交变电压时，石英晶片会产生与所加交变电压相同频率的机械振动，但这种振动的幅度一般很小。当外加交变电压的频率为某一特定值时，石英晶片的振动幅度会突然增大，这种现象叫做石英晶片的压电谐振。二、石英晶体谐振器在石英晶片两侧喷涂金属层，然后将

13、石英晶片夹在两片金属之间，在分别从两金属板上各引出一个电极，并按一定的形式封装就构成了一个石英晶体谐振器，简称晶振。结构示意图如图4-19所示。石英晶体的等效电路如图4-22所示。C0为极板间的电容，C-L-R支路是石英晶体谐振器的等效电路。从等效电路可以看出，石英晶体谐振器有两个谐振频率：一个是串联谐振频率fs，另一个是并联谐振频率fp。图4-19石英晶体结构图 图4-22石英晶体的等效电路当C-L-R支路产生串联谐振时，等效电路的阻抗最小，串联谐振频率为：fs=12pLC 当电路产生并联谐振时，并联谐振频率为：fp=12pLCC0C+C0石英晶体的串联及并联谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。图4-23为石英晶体谐振器的频率特性曲线。图4-23