振荡电路分析及应用

振荡电路分析及应用第1页，共65页，2023年，2月20日，星期五2.1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。

第2页，共65页，2023年，2月20日，星期五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。第3页，共65页，2023年，2月20日，星期五

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。第4页，共65页，2023年，2月20日，星期五Uo.Ot自激振荡的起振波形ba起振c稳幅第5页，共65页，2023年，2月20日，星期五３.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。第6页，共65页，2023年，2月20日，星期五

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：第7页，共65页，2023年，2月20日，星期五４.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）。第8页，共65页，2023年，2月20日，星期五2.1.2RC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+­.U2Z1R1C1第9页，共65页，2023年，2月20日，星期五RC串并联网络传输系数F：第10页，共65页，2023年，2月20日，星期五其模值：

相角：

取：C1=C2=C,R1=R2=R,则上式可简化为第11页，共65页，2023年，2月20日，星期五

令

即

将f0

的表达式代入模值和相角的表达式,并将角频率ω变换为由频率f表示,则第12页，共65页，2023年，2月20日，星期五

根据上式可作出RC串并联网络频率特性F310f0fjFf0-90Of0+90O

当f=f0时,电压传输系数最大,其值为:F=1/3,相角为零,即φF=0。此时,输出电压与输入电压同相位。

当f≠f0时,F<1/3,且φF≠0,此时输出电压的相位滞后或超前于输入电压。

由以上分析可知:

RC串并联网络只在f=f0=1/(2πRC)

时,输出幅度最大,而且输出电压与输入电压同相,即相位移为零。所以,RC串并联网络具有选频特性。第13页，共65页，2023年，2月20日，星期五2）RC桥式振荡电路

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第14页，共65页，2023年，2月20日，星期五

图中,集成运放组成一个同相放大器,输出电压uo作为RC串并联网络的输入电压,而将RC串并联网络的输出电压作为放大器的输入电压。当f=f0时,RC串并联网络的相位移为零,放大器是同相放大器,电路的总相位移是零,满足相位平衡条件,而对于其他频率的信号,RC串并联网络的相位移不为零,不满足相位平衡条件。由于RC串并联网络在f=f0

时的传输系数F＝1/3,因此要求放大器的总电压增益Au应大于3,这对于集成运放组成的同相放大器来说是很容易满足的。第15页，共65页，2023年，2月20日，星期五

只要适当选择Rf与R1的比值,就能实现Au>3的要求。其中,Ｖ1、Ｖ2和R2是实现自动稳幅的限幅电路。

由R1、Rf、V1、V2及R2构成负反馈支路,它与集成运放形成了同相输入比例运算放大器第16页，共65页，2023年，2月20日，星期五2．RC移相式振荡电路

反馈网络由三节RC移相电路构成。++-­RRCCCRRf+--Uo.∞第17页，共65页，2023年，2月20日，星期五

由于集成运算放大器的相移为180°,为满足振荡的相位平衡条件,要求反馈网络对某一频率的信号再移相180°,RC构成超前相移网络。正如所知,一节RC电路的最大相移为90°,不能满足振荡的相位条件;二节RC电路的最大相移可以达到180°,但当相移等于180°时,输出电压已接近于零,故不能满足起振的幅度条件。为此,采用三节RC超前相移网络,三节相移网络对不同频率的信号所产生的相移是不同的,但其中总有某一个频率的信号,通过此相移网络产生的相移刚好为180°,满足相位平衡条件而产生振荡,该频率即为振荡频率f0。第18页，共65页，2023年，2月20日，星期五

RC移相式振荡电路具有结构简单、经济方便等优点。其缺点是选频性能较差,频率调节不方便,由于输出幅度不够稳定,输出波形较差,一般只用于振荡频率固定、稳定性要求不高的场合。振幅起振条件为

振荡频率f0第19页，共65页，2023年，2月20日，星期五2.1.3LC正弦波振荡电路

LC正弦波振荡电路常用来产生高频正弦波信号，常见形式有变压器反馈式LC振荡电路、电感反馈式（电感三点式）LC振荡电路、电容反馈式电容三点式LC振荡电路,用来产生几兆赫兹以上的高频信号。它们的选频网络一般都采用LC并联谐振电路。第20页，共65页，2023年，2月20日，星期五1.变压器反馈式LC振荡电路１）电路组成(+)(--)(+)(+)(+)L1CRLL3L2V+CeReRb2C1Rb1T+UCCV、Rb1、Rb2、Re、Ce、C1组成共射放大电路L2反馈线圈引入正反馈L1C选频网络变压器同名端第21页，共65页，2023年，2月20日，星期五２)振荡条件（1）相位平衡条件

电路振荡时,f=f0，LC回路的谐振阻抗是纯电阻性，由变压器L1及L2同名端可知，反馈信号与输出电压极性相反，即φF=180°。于是φA+φF=360°，保证了电路的正反馈，满足振荡的相位平衡条件。

对频率f≠f0的信号，LC回路的阻抗不是纯阻抗，而是感性或容性阻抗。此时，LC回路对信号会产生附加相移，造成φF≠180°，那φA+φF≠360°，不能满足相位平衡条件，电路也不可能产生振荡。由此可见，LC振荡电路只有在f=f0这个频率上，才有可能振荡。第22页，共65页，2023年，2月20日，星期五（2）幅值条件

为了满足幅度条件AF≥1,对晶体管的β值有一定要求。一般只要β值较大,就能满足振幅平衡条件。反馈线圈匝数越多,耦合越强,电路越容易起振。

3）电路优缺点

(1)易起振,输出电压较大。由于采用变压器耦合,易满足阻抗匹配的要求。

(2)调频方便。一般在LC回路中采用接入可变电容器的方法来实现,调频范围较宽,工作频率通常在几兆赫左右。

(3)输出波形不理想。由于反馈电压取自电感两端,它对高次谐波的阻抗大,反馈也强,因此在输出波形中含有较多高次谐波成分。第23页，共65页，2023年，2月20日，星期五2.电感反馈式LC振荡电路又称:哈特莱振荡电路电感三点式电路1)电路组成(+)(­)(+)(­)(+)(­)(+)①②③ReCeVC2Rc+UCCRb1Rb2C1CL2L1(+)L2反馈线圈(­)(+)第24页，共65页，2023年，2月20日，星期五

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)振荡条件分析（1）相位条件

设基极瞬时极性为正,由于放大器的倒相作用,集电极电位为负,与基极相位相反,则电感的③端为负,②端为公共端,①端为正。反馈电压由①端引至三极管的基极,故为正反馈,满足相位平衡条件。（2）幅度条件第25页，共65页，2023年，2月20日，星期五

上式中,L1+L2+2M为LC回路的总电感,M为L1与L2

间的互感耦合系数。

4）电路优缺点

(1)由于L1和L2之间耦合很紧,故电路易起振,输出幅度大。

(2)调频方便,电容C若采用可变电容器,就能获得较大的频率调节范围。

(3)由于反馈电压取自电感L2两端,它对高次谐波的阻抗大,反馈也强,因此在输出波形中含有较多高次谐波成分,输出波形不理想。3）振荡频率

第26页，共65页，2023年，2月20日，星期五3．电容反馈式振荡电路又称：考毕兹振荡电路电容三点式电路(+)①②③ReCeVRc+UCCRb1Rb2CbC2C1L(+)(-­)(+)(-­)(+)(-­)(-­)(+)C2反馈电容第27页，共65页，2023年，2月20日，星期五1）相位条件与电感反馈式振荡电路相位条件相同,满足相位平衡条件。2）幅度条件

反馈电压取自电容C2两端,所以适当地选择C1、C2的数值,并使放大器有足够的放大量,电路便可起振。3）振荡频率其中：谐振回路的总电容第28页，共65页，2023年，2月20日，星期五4）电路优缺点

优点：

易起振：振荡频率可高达100MHz以上。

输出波形较好：C2

对高次谐波的阻抗小,反馈电压中的谐波成分少。缺点：

调节频率不方便：C1、C2的大小既与振荡频率有关,也与反馈量有关。改变C1

（或C2

）时会影响反馈系数,从而影响反馈电压的大小,造成电路工作性能不稳定。第29页，共65页，2023年，2月20日，星期五②③①ReCeRc+UCCRb1Rb2CbC2C1LC3*４.串联改进型电容反馈式LC振荡电路又称：克拉泼振荡电路决定振荡频率第30页，共65页，2023年，2月20日，星期五CΣ表示回路总电容

当：C３«C1且：C3«C2时，CΣ≈C3*４.串联改进型电容反馈式LC振荡电路振荡频率第31页，共65页，2023年，2月20日，星期五2.1.4晶体振荡电路1.石英晶体的谐振特性与等效电路

石英晶体谐振器是晶振电路的核心元件,是从一块石英晶体上按确定的方位角切下的薄片,这种晶片可以是正方形、矩形或圆形、音叉形的,然后将晶片的两个对应表面上涂敷银层,并装上一对金属板,接出引线,封装于金属壳内。底座绝缘体管脚晶片引线金属壳第32页，共65页，2023年，2月20日，星期五

为什么石英晶体能作为一个谐振回路,而且具有极高的频率稳定度呢？这要从石英晶体的固有特性来进行分析。物理学的研究表明,当石英晶体受到交变电场作用时,即在两极板上加以交流电压,石英晶体便会产生机械振动。反过来,若对石英晶体施加周期性机械力,使其发生振动,则又会在晶体表面出现相应的交变电场和电荷,即在极板上有交变电压。当外加电场的频率等于晶体的固有频率时,便会产生“机—电共振”,振幅明显加大,这种现象称为压电谐振。它与LC回路的谐振现象十分相似。

第33页，共65页，2023年，2月20日，星期五

压电谐振的固有频率与石英晶体的外形尺寸及切割方式有关。从电路上分析,石英晶体可以等效为一个LC电路,把它接到振荡器上便可作为选频环节应用。C0LCR等效电路电路符号第34页，共65页，2023年，2月20日，星期五X0fSfPf容性容性感性石英晶体谐振器的电抗-频率特性

它具有两个谐振频率,一个是L、C、R支路发生串联谐振时的串联谐振频率fs,另一个是L、C、R支路与C0支路发生并联谐振时的并联谐振频率fpC0LCR第35页，共65页，2023年，2月20日，星期五⑴并联型石英晶体振荡电路ReC2Rc+UCCRb1Rb2CbC1V

当f0在fS~fP的窄小的频率范围内时,晶体在电路中起一个电感作用,它与C1、

C2组成电容反馈式振荡电路。改变C1、

C2

的值可以在很小的范围内微调f0

。

2．石英晶体振荡电路

石英晶体振荡器可以归结为两类,一类称为并联型,另一类称为串联型。前者的振荡频率接近于fP，后者的振荡频率接近于fS第36页，共65页，2023年，2月20日，星期五⑵串联型石英晶体振荡电路

Re1Rc1+UCCRb1Rb2CbV1(+)(+)Re2(+)C2V2RP晶体作为反馈元件，工作于串联谐振频率fS时，阻抗最小，呈现纯电阻特性，正反馈最强，相位为零，满足振荡条件第37页，共65页，2023年，2月20日，星期五2.2非正弦信号发生器2.2.1矩形波发生器

也称为方波振荡器。它是在滞回比较器的基础上,增加一条RC充、放电负反馈支路Rf、C构成的。++-­R3R1R2R5R4RfV+-­CuCiCiCuo∞第38页，共65页，2023年，2月20日，星期五++-­R3R1R2R5R4RfV+-­CuCiCiCuo∞1.工作原理

电容Ｃ上的电压加在集成运放的反相端,集成运放工作在非线性区,输出只有两个值:+Uz和-Uz。第39页，共65页，2023年，2月20日，星期五

值时,因运放输入端u－>u＋,电路翻转,输出电压由+Uz值翻至－Uz,同相端电压变为

设在刚接通电源时,电容Ｃ上的电压为零,输出为正饱和电压+Uz,同相端的电压为

电容C在输出电压+Uz的作用下开始充电,充电电流iＣ经过电阻Rf,当充电电压uC升至uC00ttuO第40页，共65页，2023年，2月20日，星期五uC00ttuO电容C开始放电,uC开始下降,放电电流iC图中虚线所示。当电容电压uC降至值时,由于u－<u＋,于是输出电压又翻转到uo=+Uz值。如此周而复始,在集成运放的输出端便得到了如右图所示的输出电压的波形。第41页，共65页，2023年，2月20日，星期五

则振荡频率为改变RC值就可以调节矩形波的频率。2.振荡频率及其调节

电路输出的矩形波电压的周期T取决于充、放电的RC时间常数。可以证明其周期为第42页，共65页，2023年，2月20日，星期五++-­A1++-­R2R1R5R3uo1VR4A2uoC∞∞2.2.2三角波发生器

A1构成滞回电压比较器,其反相端接地,A1同相端的电压由uO和uO1共同决定第43页，共65页，2023年，2月20日，星期五当u＋>0时,uo1＝＋Ｕz当u＋

<0时,uo1＝－Ｕz第44页，共65页，2023年，2月20日，星期五

在电源刚接通时,假设电容器初始电压为零,集成运放A1输出电压为正饱和电压值＋Ｕz,积分器输入为＋Ｕz,电容Ｃ开始充电,输出电压uo开始减小,u＋值也随之减小,当uo减小到－R2R1Uz时,u＋由正值变为零,滞回比较器A1翻转,集成运放A1的输出uo1＝－Ｕz。当Uo1=－Uz时,积分器输入负电压,输出电压uo开始增大,u＋值也随之增大,当uo增加到R2R1Uz

时,u＋由负值变为零,滞回比较器A1翻转,集成运放A1的输出

uo1＝＋Ｕz。第45页，共65页，2023年，2月20日，星期五2.2.3锯齿波发生器

频率可调的三角波发生器第46页，共65页，2023年，2月20日，星期五锯齿波发生器第47页，共65页，2023年，2月20日，星期五

锯齿波发生器的工作原理与三角波发生电路基本相同,只是电阻R3上并联由二极管V1和电阻R5组成的支路,使积分器的正、反向积分的速度明显不同,当uo1＝－Ｕz时,Ｖ1反偏截止,正向积分的时间常数为Ｒ３Ｃ;当uo1＝＋Ｕz时,Ｖ1正偏导通,负向积分常数为（Ｒ３∥Ｒ５）Ｃ,若取Ｒ５＜Ｒ３,则负向积分时间小于正向积分时间,形成锯齿波。第48页，共65页，2023年，2月20日，星期五2.3集成函数发生器8038简介

集成函数发生器8038是一种多用途的波形发生器,可以产生正弦波、方波、三角波和锯齿波,其频率可以通过外加的直流电压进行调节,使用方便,性能可靠。

1．8038的工作原理由手册和有关资料可看出,8038由两个恒流源、两个电压比较器和触发器等组成。第49页，共65页，2023年，2月20日，星期五8038的内部原理电路框图第50页，共65页，2023年，2月20日，星期五

图中,电压比较器Ａ、Ｂ的门限电压分别为两个电源电压之和（UCC+UEE）的2/3和1/3,电流源I1和I2的大小可通过外接电阻调节,其中I2必须大于I1。当触发器的输出端为低电平时,它控制开关S使电流源I2断开。而电流源I1则向外接电容C充电,使电容两端电压随时间线性上升,当uC上升到uC=2（UCC+UEE）/3时,比较器Ａ的输出电压发生跳变,使触发器输出端由低电平变为高电平,这时,控制开关S使电流源Ｉ２接通。由于I2>I1,因此外接电容C放电,uC随时间线性下降。第51页，共65页，2023年，2月20日，星期五

当uC下降到uC≤（UCC+UEE）/3时,比较器Ｂ输出发生跳变,使触发器输出端又由高电平变为低电平,I2再次断开,I1再次向C充电,uC又随时间线性上升。如此周而复始,产生振荡。外接电容C交替地从一个电流源充电后向另一个电流源放电,就会在电容C的两端产生三角波并输出到脚3。该三角波经电压跟随器缓冲后,一路经正弦波变换器变成正弦波后由脚2输出,另一路通过比较器和触发器,并经过反向器缓冲,由脚9输出方波。第52页，共65页，2023年，2月20日，星期五8038的外部引脚排列图第53页，共65页，2023年，2月20日，星期五

２.8038的典型应用利用8038构成的函数发生器,其振荡频率由电位器RP1滑动触点的位置、

C的容量、RA和RB的阻值决定,C1为高频旁路电容,用以消除8脚的寄生交流电压,RP2为方波占空比和正弦波失真度调节电位器,当RP2位于中间时,可输出方波。

第54页，共65页，2023年，2月20日，星期五8038的典型应用第55页，共65页，2023年，2月20日，星期五*2.4压控振荡器

1.电路组成压控振荡器电路的输入控制电压为直流电压。A1为差动积分电路,积分电压由控制电压UI提供,积分方向由场效应管V来改变;A2为滞回比较器,它的输出控制着场效应管的导通和截止。第56页，共65页，2023年，2月20日，星期五第57页，共65页，2023年，2月20日，星期五2.工作原理设滞回比较器A2的输出电压为负饱和电压－Uom,此值一方面使比较器的同相端电压为下门限电压,即另一方面通过隔离二极管V2将比较大的负电压加在了场效应管的栅极,使场效应管进入夹断区而截止,此时,积分电路可等效为下图。第58页，共65页，2023年，2月20日，星期五积分电流