配套第6章 正弦波振蕩器

6.1振蕩的基本概念6.2RC振蕩器6正弦波振蕩器6.1振蕩的基本概念振蕩電路是一種不需要外接輸入信號就能直接將直流能源轉(zhuǎn)換成具有一定頻率、一定幅度和一定波形的交流能量輸出的電路。在實踐中，有各種各樣的信號產(chǎn)生電路，就其波形來說，可分為正弦波或非正弦波。在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻（高頻）發(fā)射，因此需要能產(chǎn)生高頻信號的振蕩器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，都需要各種頻率振蕩器?？梢?，正弦波振蕩器的應(yīng)用十分廣泛。同樣，非正弦波振蕩器（方波、鋸齒波等）發(fā)生器在測量設(shè)備、數(shù)字系統(tǒng)及自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用也日益廣泛.負(fù)反饋可以改善放大電路的性能指標(biāo)，但是負(fù)反饋引入不當(dāng)，會引起放大電路自激。為了使放大電路正常工作，必須要研究放大電路產(chǎn)生自激的原因和消除自激的有效方法。如果在中頻條件下，放大電路有180的相移，在其它頻段電路中如果出現(xiàn)了附加相移AF，且AF達(dá)到180，使總的相移為360，負(fù)反饋變?yōu)檎答?。如果幅度條件滿足要求，放大電路產(chǎn)生自激。產(chǎn)生正弦波的條件與負(fù)反饋放大電路產(chǎn)生自激的條件十分類似。只不過負(fù)反饋放大電路中是由于信號頻率達(dá)到了通頻帶的兩端，產(chǎn)生了足夠的附加相移，從而使負(fù)反饋變成了正反饋。在振蕩電路中加的就是正反饋，振蕩建立后只是一種頻率的信號，無所謂附加相移。(a)負(fù)反饋放大電路(b)正反饋振蕩電路正弦波發(fā)生電路能產(chǎn)生正弦波輸出，它是在放大電路的基礎(chǔ)上加上正反饋而形成的，它是各類波形發(fā)生器和信號源的核心電路。正弦波發(fā)生電路也稱為正弦波振蕩電路或正弦波振蕩器。為了產(chǎn)生正弦波，必須在放大電路里加入正反饋，因此放大電路和正反饋網(wǎng)絡(luò)是振蕩電路的最主要部分。但是，這樣兩部分構(gòu)成的振蕩器一般得不到正弦波，這是由于很難控制正反饋的量。如果正反饋量大，則增幅，輸出幅度越來越大，最后由三極管的非線性限幅，這必然產(chǎn)生非線性失真。反之，如果正反饋量不足，則減幅，可能停振，為此振蕩電路要有一個穩(wěn)幅電路。為了獲得單一頻率的正弦波輸出，應(yīng)該有選頻網(wǎng)絡(luò)，選頻網(wǎng)絡(luò)往往和正反饋網(wǎng)絡(luò)或放大電路合在一起。選頻網(wǎng)絡(luò)由R、C和L、C等電抗性元件組成。正弦波振蕩器的名稱一般由選頻網(wǎng)絡(luò)來命名。放大電路正反饋網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)幅電路正弦波發(fā)生電路的組成6.1.1．產(chǎn)生振蕩的條件一、產(chǎn)生振蕩的條件放大電路凈輸入電壓：產(chǎn)生正弦波振蕩時，應(yīng)滿足：二、起振與穩(wěn)幅過程起振條件和振蕩電路穩(wěn)定工作時的振蕩條件是有差別的。相位條件要求是正反饋。起振的幅值條件要求：晶體管是非線性器件，振蕩幅度增大到一定程度后，晶體管進(jìn)入飽和區(qū)和截止區(qū)，電路放大倍數(shù)降低，限制了輸出幅度的增大。直到，電路達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)。振蕩電路輸出信號的振幅不會無限制地增大。原因：電源電壓一定，放大電路動態(tài)范圍受到限制。6.1.2正弦波振蕩電路的組成和分析方法一、正弦波振蕩電路的組成(1)放大電路：具有信號放大作用，并通過電源供給能量。(2)反饋網(wǎng)絡(luò)；作用是形成正反饋，滿足相位平衡條件。(3)選頻網(wǎng)絡(luò)：選擇某一個頻率滿足振蕩條件，形成單一頻率的正弦波振蕩。有的振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)與反饋網(wǎng)絡(luò)是同一個網(wǎng)絡(luò)。(4)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：使振幅穩(wěn)定、改善波形。有的振蕩電路的穩(wěn)幅是通過負(fù)反饋實現(xiàn)的。二、振蕩電路的分析首先判斷它能否產(chǎn)生正弦波振蕩。對能振蕩的電路，其振蕩頻率可根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)選頻條件推算，為了保證振蕩電路起振，必須由起振條件確定電路的某些參數(shù)。判斷能否產(chǎn)生正弦波振蕩的步驟(1)檢查電路的基本組成，一般應(yīng)包含放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)等。(2)檢查放大電路是否工作在放大狀態(tài)。(3)檢查電路是否滿足振蕩產(chǎn)生的條件。一般情況下，幅度平衡條件容易滿足，重點檢查是否滿足相位平衡條件和起振條件。判斷電路是否滿足相位平衡條件(3)如果和在某一頻率下同相，電路滿足相位平衡條件。否則，不滿足相位平衡條件。(1)斷開反饋支路與放大電路輸入端的連接點。(2)在斷點處的放大電路輸入端加信號，并設(shè)其極性為正(對地)，然后按照先放大支路后反饋支路的順序逐次推斷電路有關(guān)各點的電位極性，確定和的相位關(guān)系。瞬時極性法——沿著放大和反饋環(huán)路判斷反饋的性質(zhì)，如果是正反饋則滿足相位平衡條件，否則不滿足相位平衡條件。具體判斷步驟：三、正弦波振蕩電路的種類(3)石英晶體振蕩電路：選頻作用主要依靠石英晶體諧振器來完成。根據(jù)石英晶體諧振器的工作狀態(tài)和聯(lián)接形式的不同，可以分為并聯(lián)式和串聯(lián)式兩種石英晶體振蕩電路。根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所用的元器件的不同，正弦波振蕩電路一般分為3種類型：(1)RC振蕩電路：選頻網(wǎng)絡(luò)由R、C元件組成。根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和RC連接形式的不同，又分為文氏橋式(RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò))，移相式和雙T式等3種。(2)LC振蕩電路：選頻網(wǎng)絡(luò)由L、C元件組成?？煞譃樽儔浩鞣答伿?、電感三點式和電容三點式等3種LC振蕩電路。6.2RC振蕩器6.2.1電路組成RF和R3組成的負(fù)反饋支路沒有選頻作用，故只有依靠R1C1和R2C2組成的串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)正反饋和選頻作用，才能使電路產(chǎn)生振蕩。

文氏橋式振蕩電路集成運放是放大電路。RF和R3構(gòu)成負(fù)反饋支路。RlCl和R2C2組成串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成正反饋支路。6.2.2RC網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)諧振頻率為：當(dāng)R1=R2，C1=C2時，諧振角頻率和諧振頻率分別為：幅頻特性相頻特性當(dāng)f=f0時的反饋系數(shù)，且與頻率f0的大小無關(guān)，此時的相角F=0。即調(diào)節(jié)諧振頻率不會影響反饋系數(shù)和相角，在調(diào)節(jié)頻率的過程中，不會停振，也不會使輸出幅度改變。RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及等效電路（a）電路（b）低頻等效電路（c）高頻等效電路RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性當(dāng)6.2.3電路的振蕩頻率和起振條件一、振蕩頻率根據(jù)相位平衡條件，當(dāng)f=f0時，反饋電壓與輸出電壓同相，即電路滿足相位平衡條件，其它頻率不可能產(chǎn)生自激振蕩。二、起振條件通過改變R或C的值可以實現(xiàn)振蕩頻率的調(diào)節(jié)。電路產(chǎn)生振蕩的頻率只能是：同相比例放大電路的電壓放大倍數(shù)表達(dá)式為：

A=1+RF/R3

若滿足起振條件，要求反饋電阻RF和R3的關(guān)系為：

RF＞2R3

電壓放大倍數(shù)應(yīng)滿足：6.2.4負(fù)反饋支路的作用RF和R3構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋支路。調(diào)整RF值可以改變電路的放大倍數(shù)，使放大電路工作在線性區(qū)，減小波形失真。選用具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻作RF，可以克服溫度和電源電壓等參數(shù)變化對振蕩幅度的影響。當(dāng)輸出幅度UO增大時，RF上功耗加大，溫度升高。因RF是負(fù)溫度系數(shù)電阻，故阻值減小，于是放大倍數(shù)下降，使UO減小，從而使輸出幅度保持穩(wěn)定。相反，當(dāng)UO減小時，RF的負(fù)反饋支路會使放大倍數(shù)增大，使UO保持穩(wěn)定，從而實現(xiàn)了穩(wěn)幅。例在文氏橋正弦波振蕩電路中，若R1＝R2＝100Ω，Cl＝C2＝0.22μF，R3＝10kΩ，求振蕩頻率以及滿足振