项目4-正弦波振荡器的认识及制作

1、 1 陈振源主编 项目4 正弦波振荡器的认识及制作1中等职业教育课程改革国家规划新教材 电子技术基础与技能电子技术基础与技能（陈振源主编）（陈振源主编） 电子演示文稿电子演示文稿项目4 正弦波振荡器的认识及制作 2 陈振源主编 项目4 正弦波振荡器的认识及制作2中等职业教育课程改革国家规划新教材 振荡电路是一种能量转换装置，它无需外加信号，就能自动地将直流电能转换成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流信号。振荡器有非常广泛的应用，尤其是正弦波振荡器，其输出波形是正弦波，可用作各种信号发生器、无线电接收机的本振电路、无线电发射机的载波发生器等。项目4 正弦波振荡器的认识及制作 3 陈振源主编

2、项目4 正弦波振荡器的认识及制作3中等职业教育课程改革国家规划新教材 4.1.1 正弦波振荡器的组成 正弦波振荡器主要由放大电路、选频电路和反馈网络三部分所组成。正弦波振荡器主要由放大电路、选频电路和反馈网络三部分所组成。 1.放大电路正弦波振荡器结构框图正弦波振荡器结构框图 利用三极管的电流放大作用使电路具有足够的放大倍数。利用三极管的电流放大作用使电路具有足够的放大倍数。2.选频电路 正弦波振荡器仅对某个特定频率的信号产生谐振，从而保证了正弦波振荡器具正弦波振荡器仅对某个特定频率的信号产生谐振，从而保证了正弦波振荡器具有单一的工作频率。按选频电路组成元件不同，可分为有单一的工作频率。按选频

3、电路组成元件不同，可分为LC振荡器、振荡器、RC振荡器及石振荡器及石英晶体振荡器等几种常见的类型。英晶体振荡器等几种常见的类型。3.反馈网络 将输出信号正反馈到放大电路的输入端，作为输入信号，使电路产生自激振荡。将输出信号正反馈到放大电路的输入端，作为输入信号，使电路产生自激振荡。 4.1 正弦波振荡器正弦波振荡器 4 陈振源主编 项目4 正弦波振荡器的认识及制作4中等职业教育课程改革国家规划新教材 4.1.2 自激振荡的过程 当振荡器接通电源的瞬间，电路受到扰动，在放大器的输入端将产生一个微当振荡器接通电源的瞬间，电路受到扰动，在放大器的输入端将产生一个微弱的扰动电压弱的扰动电压vi，经放大

4、器放大、选频后，通过正反馈网络回送到输入端，形成，经放大器放大、选频后，通过正反馈网络回送到输入端，形成放放大大选频选频正反馈正反馈再放大再放大的过程，使输出信号的幅度逐渐增大，振荡便由小到大的过程，使输出信号的幅度逐渐增大，振荡便由小到大地建立起来。当振荡信号幅度达到一定数值时，由于三极管非线性区域的限制作用，地建立起来。当振荡信号幅度达到一定数值时，由于三极管非线性区域的限制作用，使管子的放大作用削弱，即电路的放大倍数下降，振幅也就减小，最终使电路维持使管子的放大作用削弱，即电路的放大倍数下降，振幅也就减小，最终使电路维持稳幅振荡。稳幅振荡。 4.1.3 自激振荡的条件 1.相位平衡条件

5、相位平衡条件是指反馈信号与输入信号的相位同相，即电路有正反馈存在。相位平衡条件是指反馈信号与输入信号的相位同相，即电路有正反馈存在。 =2n 2.振幅平衡条件 反馈电压的幅值与输入电压的幅值相等，这是电路维持稳幅振荡的振幅条件。反馈电压的幅值与输入电压的幅值相等，这是电路维持稳幅振荡的振幅条件。 Av F=1 5 陈振源主编 项目4 正弦波振荡器的认识及制作5中等职业教育课程改革国家规划新教材 LC振荡器是由放大器、振荡器是由放大器、LC选频回路和反馈电路三部分所组成。选频回路和反馈电路三部分所组成。LC振荡器可振荡器可分为变压器耦合式振荡器和三点式振荡器两大类。分为变压器耦合式振荡器和三点式

6、振荡器两大类。 4.2.1 变压器耦合LC振荡器 1.共发射极变压器耦合式振荡器 （1 1）电路元件作用）电路元件作用 4.2 LC振荡器振荡器 Rb1、Rb2构成分压式偏置电阻构成分压式偏置电阻Re是发射极直流负反馈电阻。是发射极直流负反馈电阻。C1、Ce是信号旁路电容是信号旁路电容 L1、C构成并联谐振回路作为选频回路。构成并联谐振回路作为选频回路。 L2是反馈线圈是反馈线圈 。共发射极变压器耦合式共发射极变压器耦合式LCLC振荡电路振荡电路 6 陈振源主编 项目4 正弦波振荡器的认识及制作6中等职业教育课程改革国家规划新教材（2）振荡原理）振荡原理 开机瞬间产生的电扰动经三极管开机瞬间产

7、生的电扰动经三极管V组成的放大器放大，然后组成的放大器放大，然后由由LC选频回路从众多的频率中选出谐振频率选频回路从众多的频率中选出谐振频率f0，并通过线圈，并通过线圈L1和和L2之间的互感耦之间的互感耦合把反馈信号正反馈至三极管基极。偏离合把反馈信号正反馈至三极管基极。偏离f0的其它频率的信号因有附加相移而不的其它频率的信号因有附加相移而不满足相位平衡相位条件。只要三极管的电流放大倍数满足相位平衡相位条件。只要三极管的电流放大倍数及及L1和和L2的匝数比合适，的匝数比合适，满足振幅条件，就能振荡产生频率为满足振幅条件，就能振荡产生频率为f0的信号。的信号。 振荡频率振荡频率f0的计算公式为的

8、计算公式为 ：（3）电路特点）电路特点 共发射极变压器耦合式振荡器功率增益高，容易起振。但共发射极变压器耦合式振荡器功率增益高，容易起振。但由于共发射极电流放大倍数由于共发射极电流放大倍数随工作频率的增高而急剧降低，故其振荡幅度很容随工作频率的增高而急剧降低，故其振荡幅度很容易受到振荡频率大小的影响，因此常用于固定频率的振荡器。易受到振荡频率大小的影响，因此常用于固定频率的振荡器。 CLf1021 7 陈振源主编 项目4 正弦波振荡器的认识及制作7中等职业教育课程改革国家规划新教材 2共基极变压器耦合式LC振荡器（1 1）电路分析）电路分析 下图所示的是共基极变压器耦合式下图所示的是共基极变压

9、器耦合式LC振荡器。振荡器。L1是负载线圈。是负载线圈。通过变压器通过变压器L1和和L2之间的互感作用，在之间的互感作用，在L2上产生感生电动势，上产生感生电动势，L2C选频网络进行选选频网络进行选频，频，L2线圈线圈2、3端的反馈电压加到晶体管的发射极与地端的反馈电压加到晶体管的发射极与地(基极基极)使之产生振荡。使之产生振荡。 正反馈量的大小可以通过调节正反馈量的大小可以通过调节L2的匝数或两个线圈之间距离来改变。调整可的匝数或两个线圈之间距离来改变。调整可变电容器变电容器C可调节振荡频率可调节振荡频率f0。 共基极变压器耦合式共基极变压器耦合式LCLC振荡器振荡器（2 2）电路特点）电路

10、特点 共基极变压器耦合式振荡器的振荡频共基极变压器耦合式振荡器的振荡频 率调节方便，波形较好，率调节方便，波形较好，常用于收音机的本机振荡电路。常用于收音机的本机振荡电路。 8 陈振源主编 项目4 正弦波振荡器的认识及制作8中等职业教育课程改革国家规划新教材 4.2.2 三点式LC振荡器 1电感三点式振荡器 （1 1）电路分析）电路分析 图（图（a）是电感三点式振荡器的电路原理图，图）是电感三点式振荡器的电路原理图，图(b)是它的交流是它的交流通路，三极管的三个电极分别与电感支路的三个点通路，三极管的三个电极分别与电感支路的三个点1、2、3相连接，电感三点式振相连接，电感三点式振荡器由此得名。

11、荡器由此得名。LC网络能够实现选频，从电感线圈网络能够实现选频，从电感线圈L2两端取出正反馈电压两端取出正反馈电压vf加到加到晶体管输入端。图中晶体管输入端。图中C1是隔直流、耦合正反馈信号的电容，是隔直流、耦合正反馈信号的电容，Ce是射极旁路电容。是射极旁路电容。 振荡频率：振荡频率： 电感三点式振荡器原理电路电感三点式振荡器原理电路 电感三点式振荡器交流通路电感三点式振荡器交流通路 （2 2）电路特点）电路特点 电感三点式电路容易振荡，调节频率方便；工作频率可以做得电感三点式电路容易振荡，调节频率方便；工作频率可以做得很高，可达到几十兆赫。但输出波形中含有高次谐波，波形较差。很高，可达到几

12、十兆赫。但输出波形中含有高次谐波，波形较差。 CMLLf221210 9 陈振源主编 项目4 正弦波振荡器的认识及制作9中等职业教育课程改革国家规划新教材2电容三点式振荡器 将电感三点式振荡电路中的谐振电容和电感互换，就构成了电容三点式振荡将电感三点式振荡电路中的谐振电容和电感互换，就构成了电容三点式振荡器，图（器，图（a）是原理图，图（）是原理图，图（b）为交流通路，三极管的三个电极与电容支路的三）为交流通路，三极管的三个电极与电容支路的三个点相接，电容三点式由此而得名。个点相接，电容三点式由此而得名。（a a） 电容三点式振荡器原理图电容三点式振荡器原理图 （b b）电容三点式振荡器交流通

13、路）电容三点式振荡器交流通路 L和和C1、C2组成振荡选频网络，利用组成振荡选频网络，利用C1和和C2串联分压，将串联分压，将C2上的信号正反馈上的信号正反馈到放大器的输入端。到放大器的输入端。 振荡频率振荡频率 ： 2121021CCCCLf 10 陈振源主编 项目4 正弦波振荡器的认识及制作10中等职业教育课程改革国家规划新教材3改进型电容三点式振荡器 图（图（a）所示的电容三点式振荡交流通路可以看出：三极管极间电容）所示的电容三点式振荡交流通路可以看出：三极管极间电容Cbe和和Cce分别与分别与Cl、C2并联，构成振荡电路的一部分。由于极间电容会随温度变化或更换并联，构成振荡电路的一部分

14、。由于极间电容会随温度变化或更换管子后有所差异，这些因素将造成振荡频率的不稳定。管子后有所差异，这些因素将造成振荡频率的不稳定。 改进的电容三点式振荡器是在改进的电容三点式振荡器是在LC回路的电感支路串入小电容回路的电感支路串入小电容C3，如图（，如图（b）所示。当所示。当C3远小于远小于C1和和C2时，其振荡频率时，其振荡频率f0与与C1、C2、Cbe、Cce都基本无关，因此都基本无关，因此相对削弱了三极管极间电容的影响。相对削弱了三极管极间电容的影响。 （a a）改进型电容三点式振荡器原理图）改进型电容三点式振荡器原理图 （b b）改进型电容三点式振荡器交流通路）改进型电容三点式振荡器交流

15、通路 振荡频率为振荡频率为： 3o21LCf 11 陈振源主编 项目4 正弦波振荡器的认识及制作11中等职业教育课程改革国家规划新教材 图（图（a）所示的是）所示的是KP12-3型电视机高频头的本振电路，其交流等效电路见型电视机高频头的本振电路，其交流等效电路见图（图（b），为改进型电容三点式振荡器。电感），为改进型电容三点式振荡器。电感L9与电容与电容C18、C21、C23、C25组成组成LC谐振回路，谐振回路，R13、R11为三极管的偏置电阻，为三极管的偏置电阻，R18为射极负反馈电阻，为射极负反馈电阻，R17为集电为集电极直流负载电阻，极直流负载电阻，C30为高频旁路电容。为高频旁路电容

16、。 （a a）电视机高频头的本振电路原理图）电视机高频头的本振电路原理图 （b b）电视机高频头的本振等效电路）电视机高频头的本振等效电路 应用实例 12 陈振源主编 项目4 正弦波振荡器的认识及制作12中等职业教育课程改革国家规划新教材 用石英晶体组成的振荡器其频率稳定度可达用石英晶体组成的振荡器其频率稳定度可达10-610-l1数量级，大大提高了数量级，大大提高了振荡频率的稳定度。目前，石英晶体振荡器已广泛应用于石英钟、彩色电视机、振荡频率的稳定度。目前，石英晶体振荡器已广泛应用于石英钟、彩色电视机、手持移动电话、计算机等各类电子设备中。手持移动电话、计算机等各类电子设备中。4.3.1 石

17、英晶体谐振器天然石英属二氧化硅晶体天然石英属二氧化硅晶体(SiO2)，将它按一定方位角切成薄片，称为石英晶，将它按一定方位角切成薄片，称为石英晶体。石英晶体外形、内部结构及符号如图所示。体。石英晶体外形、内部结构及符号如图所示。 石英晶体外形石英晶体外形 石英晶体结构石英晶体结构 石英晶体符号石英晶体符号 4.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 13 陈振源主编 项目4 正弦波振荡器的认识及制作13中等职业教育课程改革国家规划新教材 石英晶振的等效电路如下图所示。由石英晶振等效电路可知，这个电路有两石英晶振的等效电路如下图所示。由石英晶振等效电路可知，这个电路有两个谐振频率。个谐振频率。石英晶体

18、谐振器特性等效电路石英晶体谐振器特性等效电路 石英晶体谐振器频率特性石英晶体谐振器频率特性 (1)当当R、L、C支路发生串联谐振时，等效于纯电阻支路发生串联谐振时，等效于纯电阻R，阻抗最小，其串联谐振，阻抗最小，其串联谐振频率为：频率为： (2)当外加信号频率高于当外加信号频率高于fs时，时，R、L、C支路与支路与Co支路发生并联谐振，谐振频率支路发生并联谐振，谐振频率为：为：LCfs21oopccccLf21 14 陈振源主编 项目4 正弦波振荡器的认识及制作14中等职业教育课程改革国家规划新教材 4.3.2 石英晶体振荡器 石英晶振作为选频元件所组成的正弦波振荡电路称为石英晶体振荡器。石石

19、英晶振作为选频元件所组成的正弦波振荡电路称为石英晶体振荡器。石英晶体振荡器的电路形式有两类：一类为并联型石英晶体振荡器，工作在英晶体振荡器的电路形式有两类：一类为并联型石英晶体振荡器，工作在fp与与fs之之间，石英晶体起电感作用；另一类为串联型石英晶体振荡器，工作在串联谐振频间，石英晶体起电感作用；另一类为串联型石英晶体振荡器，工作在串联谐振频率率fs处，利用阻抗最小的特性来组成振荡电路。处，利用阻抗最小的特性来组成振荡电路。1并联型石英晶体振荡器 该振荡器的实物接线如图（该振荡器的实物接线如图（a）所示，图（）所示，图（b）为交流等效电路。）为交流等效电路。选频回路选频回路由由Cl、C2和石

20、英晶振组成，石英晶振在回路中相当于一个电感，显然这相当于一和石英晶振组成，石英晶振在回路中相当于一个电感，显然这相当于一个电容三点式电路。个电容三点式电路。 并联型石英晶体振荡器原理电路并联型石英晶体振荡器原理电路 并联型石英晶体振荡器交流等效电路并联型石英晶体振荡器交流等效电路 15 陈振源主编 项目4 正弦波振荡器的认识及制作15中等职业教育课程改革国家规划新教材2串联型石英晶体振荡器串联型石英晶体振荡器如图所示。石英晶振接在三极管串联型石英晶体振荡器如图所示。石英晶振接在三极管V1、V2组成的两级放组成的两级放大器的正反馈网络中，起到了选频和正反馈的作用。大器的正反馈网络中，起到了选频和

21、正反馈的作用。 串联型石英晶体振荡器串联型石英晶体振荡器当振荡频率等于石英晶振的串联谐振频率当振荡频率等于石英晶振的串联谐振频率fs时，石英晶振阻抗最小，因此正时，石英晶振阻抗最小，因此正反馈最强，且相移为零，电路满足自激振荡条件而振荡。对于频率不等于反馈最强，且相移为零，电路满足自激振荡条件而振荡。对于频率不等于fs的信的信号来说，石英晶振的阻抗较大，相移不为零，电路不满足自激振荡条件。号来说，石英晶振的阻抗较大，相移不为零，电路不满足自激振荡条件。 16 陈振源主编 项目4 正弦波振荡器的认识及制作16中等职业教育课程改革国家规划新教材 为了提高振荡器的频率稳定度，除了在电路结构上采取措施

22、，还可从以为了提高振荡器的频率稳定度，除了在电路结构上采取措施，还可从以下几方面采取措施。下几方面采取措施。 尽量减少温度的影响，将振荡放大电路与谐振元件置于恒温环境中，尽量减少温度的影响，将振荡放大电路与谐振元件置于恒温环境中，采用空调使其工作温度基本保持不变，该方法一般用于要求较高的控制设备。采用空调使其工作温度基本保持不变，该方法一般用于要求较高的控制设备。另外，谐振元件应选用温度系数很小的元器件。另外，谐振元件应选用温度系数很小的元器件。安装工艺上要注意消除分布电容和分布电感的影响。安装工艺上要注意消除分布电容和分布电感的影响。 减小负载对振荡电路的影响，一般采用方法是在振荡电路与负载

23、之间减小负载对振荡电路的影响，一般采用方法是在振荡电路与负载之间加一缓冲放大电路，这样负载变化对振荡回路的影响便可大为降低。加一缓冲放大电路，这样负载变化对振荡回路的影响便可大为降低。 稳定电源电压，采用稳压电源供电。稳定电源电压，采用稳压电源供电。 谐振元件应密封和屏蔽，使之不受外界电磁场的影响，不受湿度变化谐振元件应密封和屏蔽，使之不受外界电磁场的影响，不受湿度变化的影响。的影响。 17 陈振源主编 项目4 正弦波振荡器的认识及制作17中等职业教育课程改革国家规划新教材RC振荡器主要由振荡器主要由RC选频反馈网络和放大器所组成，常见的类型有桥式选频反馈网络和放大器所组成，常见的类型有桥式振

24、荡电路和移相式振荡电路，本节将介绍振荡电路和移相式振荡电路，本节将介绍RC桥式振荡电路的基本原理。桥式振荡电路的基本原理。 4.4.1 RC串并联选频网络 RC串并联选频网络是由串并联选频网络是由R2、C2并联后与并联后与R1、C1串联组成，一般取串联组成，一般取R1=R2=R，C1=C2=C，其选频特性如右下图所示，输入电压，其选频特性如右下图所示，输入电压vi的幅度一定时，的幅度一定时，输入信号频率变化会引起输出电压输入信号频率变化会引起输出电压vo幅度和相位都变化。幅度和相位都变化。 谐振频率：谐振频率： 谐振输出电压谐振输出电压 ： 4.4 RC振荡器振荡器 RCRC串并联选频网络串并

25、联选频网络 RCRC串并联网络选频特性串并联网络选频特性 RCf210iVV31O 18 陈振源主编 项目4 正弦波振荡器的认识及制作18中等职业教育课程改革国家规划新教材 4.4.2 RC桥式振荡器1电路组成 RC桥式振荡器又称为文氏桥振荡器，它由同相放大器和具有选频作用的桥式振荡器又称为文氏桥振荡器，它由同相放大器和具有选频作用的RC串并串并联正反馈网络所组成。联正反馈网络所组成。 RCRC桥式振荡电路原理电路桥式振荡电路原理电路 RCRC桥式振荡电路实物图桥式振荡电路实物图 2振荡原理 RC串并联选频网络组成正反馈回路，集成运放输出信号经选频网络选出频率串并联选频网络组成正反馈回路，集成

26、运放输出信号经选频网络选出频率为为 的信号从同相端输入，形成正反馈，使之产生自激振荡。的信号从同相端输入，形成正反馈，使之产生自激振荡。 Rt和和 R3 组成负反馈回路，组成负反馈回路，自动调节振荡输出信号趋于稳定。自动调节振荡输出信号趋于稳定。 RCf210 19 陈振源主编 项目4 正弦波振荡器的认识及制作19中等职业教育课程改革国家规划新教材 20 陈振源主编 项目4 正弦波振荡器的认识及制作20中等职业教育课程改革国家规划新教材1. 音频信号发生器的整机印刷电路板图如图音频信号发生器的整机印刷电路板图如图4-17所示，按原理图和印刷板图安所示，按原理图和印刷板图安装电路。装电路。图图4

27、-17 音频信号发生器印刷电路板图音频信号发生器印刷电路板图 21 陈振源主编 项目4 正弦波振荡器的认识及制作21中等职业教育课程改革国家规划新教材 2. 用木板或塑料自制外壳，并按图用木板或塑料自制外壳，并按图4-18所示开出各个安装孔。所示开出各个安装孔。 3. 将电位器将电位器RP1和和 RP2、频段开关、频段开关S1、电源开关、电源开关S2和输出端插座直接固定在面和输出端插座直接固定在面板上，电路板和电池固定在面板后面，如图板上，电路板和电池固定在面板后面，如图4-19所示。所示。 图图4-18 音频信号发生器的外壳音频信号发生器的外壳 图图4-19 整机部件的固定整机部件的固定 22 陈振源主编 项目4 正弦波振荡器的认识及制作22中等职业教育课程改革国家规划新教材4. 按图按图4-20所示，用透明邮寄玻璃板制成一个带刻度线的指针板，粘牢在所示，用透明邮寄玻璃板制成一个带刻度线的指针板，粘牢在电位器电位器RP1的旋钮上。的旋钮上。 图图4-20 指针板的制作指针板的制作 图图4-21 起振调整起振调整5. 电路安装完毕，经检查无误后，接入电路安装完毕，经检查无误后，接入+ 9V直流电源，用示波器观察输直流电源，用示波器观察输出端的波形，按图