電子技術(shù)基礎(chǔ)正弦波振蕩電路

1、教 案 用 紙§4-1正弦波振蕩電路的基本原理一、自激振蕩電路的基本組成正弦波振蕩電路的基本組成：包括放大電路、反饋電路和選頻電路三個(gè)基本組成部分。二、自激振蕩的條件1幅值條件反饋信號(hào)uf與輸入信號(hào)ui大小相等，即uf=ui由于A=uo ui F=ufuoufuf 則 AF=1 uouiuoui即AF=1，其中A表示基本放大電路的開環(huán)放大倍數(shù)，F(xiàn)表示反饋電路的反饋系數(shù)。AF=1即為振蕩電路能夠振蕩的幅度平衡條件。2相位條件為保證反饋信號(hào)uf與輸入信號(hào)ui相位相同，應(yīng)確保A+F=±n360上式即為振蕩電路的相位平衡條件。式中Ao表示基本放電電路的相移，F(xiàn)表示反饋電路的相移，n

2、=0，1，2，3。反饋信號(hào)的相位與輸入信號(hào)的相位相同，即電路中引入正反饋，才能產(chǎn)生振蕩。3自激振蕩的建立及穩(wěn)幅振蕩電路能否起振，除了電路中必須引入正反饋之外，反饋信號(hào)uf應(yīng)比輸入信號(hào)ui的幅度大。 即：AFuoufuf=>1 uiuoui自激振蕩一旦建立起來，振蕩電路的輸出信號(hào)的幅值就將逐漸增大，當(dāng)增大到一定程度后，放大電路部分中的管子就會(huì)接近甚至進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū)，輸出波形就會(huì)失真，所以要在電路中設(shè)有穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，使輸出信號(hào)的幅值增大到一定大小以后，電路滿足，保持等幅振蕩。由于三極管是非線性器件，當(dāng)振蕩幅度增大至一定程度后，振蕩電路中的三極管將進(jìn)入非線性區(qū)，三極管的將會(huì)減小，放大電路的電壓

3、放大倍數(shù)A會(huì)減小，從而使AF減小，當(dāng)滿足AF=1時(shí)，輸出幅度既不增大，也不減小，將維持在某一幅度進(jìn)行等幅振蕩。因此，正弦波振蕩電路產(chǎn)生振蕩的條件為：oAF1，A+F=±n360要保證振蕩電路能夠振蕩，必須同時(shí)滿足以上兩個(gè)條件，其中相位平衡條件是關(guān)鍵。教 案 用 紙§4-2 LC正弦波振蕩電路一、LC并聯(lián)諧振電路的選頻特性LC 振蕩電路的選頻電路由電感和電容構(gòu)成，可以產(chǎn)生高頻振蕩。由于高頻運(yùn)放價(jià)格較高，所以一般用分離元件組成放大電路。LC并聯(lián)諧振電路如圖所示，R為電感和電路的其他損耗總的等效電阻，其值很小。RL LC并聯(lián)諧振電路 LC并聯(lián)諧振電路幅頻特性 LC并聯(lián)諧振電路相頻

4、特性從LC并聯(lián)諧振電路的幅頻特性曲線可以看出，當(dāng)電路發(fā)生諧振（f=f0）時(shí)，等效阻抗Z最大，信號(hào)頻率偏離f0時(shí)，等效Z迅速減小。從LC并聯(lián)諧振電路的相頻特性曲線可以看出，當(dāng)電路發(fā)生諧振時(shí)，相移=0o，LC并聯(lián)諧振電路呈純電阻特性。當(dāng)f<f0時(shí),LC并聯(lián)諧振電路呈感性，當(dāng)f>f0時(shí)，LC并聯(lián)諧振電路呈容性?？梢奓C并聯(lián)電路具有選頻特性，當(dāng)f=f0時(shí)，電阻呈純阻性，且阻值最大。LC并聯(lián)諧振電路的諧振頻率f0為：1 f0» 2pLCf0僅與諧振電路的電感L和電容C的參數(shù)有關(guān)，當(dāng)L或C任一個(gè)改變時(shí)，f0也將發(fā)生改變。二、變壓器反饋式LC振蕩電路變壓器反饋式LC振蕩電路如圖所示?；?/p>

5、本放大電路有三極管V及其偏置電阻R1、R2、R3構(gòu)成，選頻網(wǎng)絡(luò)由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成，正反饋網(wǎng)絡(luò)由變壓器的次級(jí)線圈N2和耦合電容C1構(gòu)成，振蕩電路通過變壓器的次級(jí)線圈N3向負(fù)載RL提供正弦波振蕩信號(hào)。LC并聯(lián)諧振電路對(duì)不同頻率的信號(hào)呈現(xiàn)不同的阻抗，當(dāng)電路發(fā)生諧振時(shí)，阻抗最大，并且為純電阻。LC并聯(lián)諧振電路作為集電極負(fù)載構(gòu)成的選頻放大電路，對(duì)f0信號(hào)有很大的放大倍數(shù)，偏離f0的信號(hào)放大倍數(shù)急劇下降。根據(jù)瞬時(shí)極性法判斷電路反饋的極性，電路引入的是正反饋，滿足相位平衡條件。 電路振蕩頻率為：1 f0» 2pLC其中，f0電路的振蕩頻率，Hz（赫茲）；L諧振電路的總電感，H（亨利）；C諧振電

6、路的總電容，F(xiàn)（法拉）。變壓器反饋式振蕩電路的特點(diǎn)：（1）電路起振容易。（2）頻率調(diào)節(jié)方便。（3）振蕩頻率不高。（4）輸出波形不好。三、電感三點(diǎn)式振蕩電路電三點(diǎn)式振蕩電路如圖，該電路由電感引出三個(gè)端點(diǎn)，并且與三極管的三個(gè)電極相連，所以稱為電感三點(diǎn)式振蕩電路。其中，R1、R2、R3為電路提供穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)，L1、L2與C構(gòu)成振蕩電路選頻電路。反饋電壓取自L2兩端。三極管工作于選頻放大狀態(tài)，只要放大電路的工作點(diǎn)合適，抽頭位置適當(dāng)，幅度條件就能滿足。 用瞬時(shí)極性法判斷反饋極性，電路中引入正反饋，滿足相位平衡條件，所以電路能夠振蕩。 電路的振蕩頻率等于LC并聯(lián)電路的諧振頻率，即 1f0»

7、2pLC式中，L為電路的總電感。電感三點(diǎn)式振蕩電路的特點(diǎn)：（1）起振容易；（2）調(diào)節(jié)頻率方便；（3）電路工作頻率不高；（4）波形較差，且頻率穩(wěn)定度也不高。四、電容三點(diǎn)式振蕩電路電容三點(diǎn)式振蕩電路如圖所示。三極管及偏置電路構(gòu)成了基本放大電路。C1、C2、L構(gòu)成了LC選頻電路，正反饋信號(hào)取自電容器C2的兩端。用瞬時(shí)極性法可以判斷電路中引入正反饋，電路滿足相位平衡條件，所以能夠起振。 振蕩電路的振蕩頻率等于LC電路的諧振頻率，即：1f0» 2pLC式中C=C1C2/（C1+C2）。電容三點(diǎn)式振蕩電路的特點(diǎn)：（1）輸出波形較好；（2）振蕩頻率較高，可達(dá)到100MHz；（3）C1，C2采用雙連

8、電容，調(diào)節(jié)電容的容值可以改變振蕩頻率的大小，但同時(shí)會(huì)影響反饋信號(hào)的大小，因此這種電路適用于產(chǎn)生固定頻率的信號(hào)。五、實(shí)際應(yīng)用電路如圖所示，為LJ1-24型半導(dǎo)體接近開關(guān)的電路原理圖，由振蕩電路、開關(guān)電路和輸出電路三部分構(gòu)成。LC振蕩器是接近開關(guān)的主要部分，其中，L1、L2、L3繞在同一磁芯上（感應(yīng)頭）。 當(dāng)沒有金屬移近開關(guān)感應(yīng)頭時(shí)，振蕩電路維持正常的振蕩狀態(tài)，此時(shí)，輸出線圈L3有交流電壓輸出，經(jīng)二極管VD整流，電容器C4濾波后加在R4上產(chǎn)生直流電壓。此直流電壓使V2管工作于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使V3管基極電壓接近零而截止，V3管無電流輸出，繼電器線圈KA不通電。當(dāng)有金屬體移近開關(guān)的感應(yīng)頭時(shí)，金屬體內(nèi)高

9、頻變化的磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流），由于渦流的去磁作用，使線圈間的磁耦合大為減弱，L2上的反饋電壓也大為減弱，振蕩電路被迫停振。此時(shí)，L3上無交流輸出，V2截止，電源電壓通過R5在R6上產(chǎn)生分壓，使V3飽和導(dǎo)通，輸出端負(fù)載繼電器線圈得電，從而控制電路的狀態(tài)。這種開關(guān)常安裝在機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線等設(shè)備上，用作定位控制、行程控制等。教 案 用 紙§4-3 RC振蕩電路一、RC橋式振蕩電路的組成RC橋式振蕩電路如圖。其中放大電路由集成運(yùn)放組成；R3和R4構(gòu)成負(fù)反饋支路；R1C1和R2C2組成串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成正反饋支路。上述兩個(gè)反饋支路正好形成電橋的四個(gè)橋臂，故稱之為RC橋式振蕩電路。R1C1和R

10、2C2組成串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)正反饋和選頻。二、RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等效電路如圖，其中uo為輸入電壓，uf為反饋電壓。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率較低時(shí)，由于滿足1/(2fC1)>>R1，1/（2fC2）>>R2等效電路如圖低頻等效電路。在頻率趨近于0時(shí)，uf趨近于0，相位接近與+90°。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率較高時(shí)，由于滿足1/(2fC1)<<R1，1/（2fC2）<<R2，等效電路如圖高頻等效電路。在頻率趨近與無窮大時(shí)，uf趨近于0，相位接近于-90°。RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性如圖所示。-90f f0RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的

11、幅頻特性 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的相頻特性三、振蕩條件的判斷及振蕩頻率根據(jù)瞬時(shí)極性法可以判斷出電路中引入正反饋，滿足相位平衡條件，所以電路能夠起振。 該電路的振蕩頻率為：f0=12pRC改變選頻網(wǎng)絡(luò)的R或C值可以實(shí)現(xiàn)振蕩頻率的調(diào)節(jié)。四、穩(wěn)幅措施振蕩電路產(chǎn)生正弦波振蕩，還必須滿足起振條件AF>1。由前文我們知道f=f0時(shí)，串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)最大，即Fmax=1/3。因此電壓放大倍數(shù)只要滿足A>3即可，這個(gè)條件很容易滿足。 實(shí)際電路通過R3與R4為電路引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，達(dá)到降低放大倍數(shù)，穩(wěn)定輸出幅度的目的。教 案 用 紙§4-4 石英晶體振蕩電路一、石英晶片的特點(diǎn)石英是一種天然的

12、二氧化硅晶體。經(jīng)正確切割后的石英晶片，當(dāng)在其兩側(cè)施加壓力時(shí)，將在晶片的兩側(cè)平面上出現(xiàn)等量的正、負(fù)電荷；當(dāng)在其兩側(cè)施加拉力時(shí)，也會(huì)在其兩側(cè)的平面上出現(xiàn)等量的正、負(fù)電荷，但方向與施加壓力時(shí)相反。如果給石英晶片兩側(cè)加上一定方向的直流電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生形變，如壓縮；如果改變所加直流電壓的方向，晶片也會(huì)產(chǎn)生形變，這時(shí)晶片將膨脹。這就是石英晶片的壓電效應(yīng)。當(dāng)給石英晶片兩側(cè)加上交變電壓時(shí)，石英晶片會(huì)產(chǎn)生與所加交變電壓相同頻率的機(jī)械振動(dòng)，但這種振動(dòng)的幅度一般很小。當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，石英晶片的振動(dòng)幅度會(huì)突然增大，這種現(xiàn)象叫做石英晶片的壓電諧振。二、石英晶體諧振器在石英晶片兩側(cè)噴涂金屬層，然后將

13、石英晶片夾在兩片金屬之間，在分別從兩金屬板上各引出一個(gè)電極，并按一定的形式封裝就構(gòu)成了一個(gè)石英晶體諧振器，簡稱晶振。結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-19所示。石英晶體的等效電路如圖4-22所示。C0為極板間的電容，C-L-R支路是石英晶體諧振器的等效電路。從等效電路可以看出，石英晶體諧振器有兩個(gè)諧振頻率：一個(gè)是串聯(lián)諧振頻率fs，另一個(gè)是并聯(lián)諧振頻率fp。圖4-19石英晶體結(jié)構(gòu)圖 圖4-22石英晶體的等效電路當(dāng)C-L-R支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振時(shí)，等效電路的阻抗最小，串聯(lián)諧振頻率為：fs=12pLC 當(dāng)電路產(chǎn)生并聯(lián)諧振時(shí)，并聯(lián)諧振頻率為：fp=12pLCC0C+C0石英晶體的串聯(lián)及并聯(lián)諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。圖4-23為石英晶體諧振器的頻率特性曲線。圖4-23