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1、6.1 概述 6.2 RC正弦波振荡器 6.3 LC正弦波振荡器 6.4 石英晶体振荡器,第6章 正弦波振荡器,我们前面着重介绍了各种类型的放大电路，放大电路的作用是把输入信号的电压或功率进行放大。从能量的观点看,它们是在外部输入信号的控制下,把直流电能转换为按外部输入信号规律变化的交流电能。本章要介绍的是一种不须外部输入信号控制而是通过自身正反馈使电路产生振荡就输出交流电能（交流信号）的振荡电路，也叫信号发生器，如图6-1所示。 信号发生器在广播、通讯、测量和遥控等技术领域中有着广泛的应用。除此之外，还应用在电源技术、电声技术等其他工业技术当中。如，在调试收音机时，常常需要用信号发生器加入一
2、些信号，以观察电路工作是否正常。 信号发生器按产生的波形不同，可分为正弦波信号发生器和非正弦波信号发生器。前者产生的波形是连续的按正弦规律变化的波形，后者产生的是按非正弦规律变化的波形（如三角波、锯齿波、矩形波等)，如图6-2所示。不同的波形，应用的领域也不同。,6.1 概述,返回,下一页,一般家用电器里应用的波形都是正弦波，而计算机和数码产品里应用的是方波，电视机里应用的是复杂波等。本章只介绍正弦波信号发生器，它的作用是产生一定频率、一定幅度的正弦交流信号，也叫正弦波振荡器。 6.1.1 正弦波振荡器 1.正弦波振荡器组成 正弦波振荡器由以下几个部分组成,如图6-3所示。 （1）基本放大器：
3、具有放大作用，它将电源的直流电能转换成交流能量。 （2）正反馈网络：它与放大器共同满足振荡条件。 （3）选频网络：它从各种频率成分的信号中选出所需要的某种频率信号。 在实际电路中，可将基本放大器和选频网络组合在一起，或者将选频网络与正反馈网络组合在一起。,6.1 概述,返回,下一页,上一页,2.正弦波振荡器的分类 正弦波振荡器按构成选频网络的元件，可分为RC正弦振荡器、LC正弦振荡器和石英晶体振荡器三大类。RC正弦振荡器一般输出数百千赫以下的低频信号，LC正弦振荡器主要输出数百千赫的高频信号，石英晶体振荡器主要产生稳定的高频信号。 6.1.2 振荡条件 1.自激振荡原理 正弦波振荡器之所以能产
4、生各种频率的正弦波信号，都是源于自激振荡原理。自激振荡原理如图6-4所示。 图中基本放大器A和正反馈网络F组成正反馈闭合回路 是基本放大器输入信号， 是从输出经正反馈网络回到输入的反馈信号， 是基本放大器输出信号。所谓自激是指一种没有外部输入信号,而由内部正反馈作用自动维持交流信号输出的现象。,6.1 概述,返回,下一页,上一页,具有自激现象的特殊放大器就是自激振荡器。要维持自激振荡器的输出，必须把反馈信号 看成是放大器正常的输入信号 ，即 ，这样才能保证放大器正常工作。那么，基本放大器的放大倍数为： ，正反馈网络的反馈系数为： ，则 即 称为自激振荡条件。由于 为复数形式。故自激振荡条件又可
5、表示为：,6.1 概述,返回,下一页,上一页,及 其中,n =0,1,2，jAF为自激振荡的相位条件，即反馈信号必须与放大器的输入信号同相，也就是振荡电路必须引入正反馈，并且 。 2.自激振荡的条件 通过上面对自激振荡原理的介绍，我们知道只要满足以下条件电路就能产生自激振荡。第一,相位平衡条件：反馈信号Xf与输入信号Xi要同相，即电路必须是正反馈。第二,振幅平衡条件： 。 表示自激振荡电路的电压放大倍数与反馈系数的乘积不能小于1。也就是说，在振荡建立的初期，必须使反馈信号大于原输入端信号，反馈信号一次比一次大，才能使振荡幅度逐渐增大，最后趋于稳定。另外，当振荡建立后，还必须使反馈信号不小于原输
6、入端信号，才能使建立的振荡维持下去。 正弦波振荡器就是按照自激振荡的原理制作的。振荡器必须同时满足相位平衡条件和振幅平衡条件，才能产生自激振荡。它们是振荡的必要条件，两者缺一不可。,6.1 概述,返回,上一页,RC正弦波振荡器一般在需要低频振荡的音频信号发生器中，其电路的类型较多，常见的有桥式和相移式两种。 6.2.1 RC串并联选频电路 RC构成的串并联选频电路具有选择频率的特性。RC串并联网络是由R2和C2并联后又与R1和C1串联组成，设R1和C1串联阻抗是Z1，R2和C2并联阻抗是Z2如图6-5（a)所示。下面分析RC串并联选频电路的频率特性。 在信号频率很低时，RC串并联选频电路可等效
7、为图6-5（b）所示电路，在低频等效电路中，Z1=-jXc1,Z2=R2，此时，由于Xc1R2,所以|Uf|Uo|。在信号频率很高时，RC串并联选频电路可等效为图6-5（c）所示电路，在高频等效电路中，Z1=R1，Z2=-jXc2，此时，由于R1Xc2,所以|Uf| |Uo|。 在高低频率两端的Uf都很小，说明在高低频率的中间某一频率上会出现Uf的最大值，即 为最大。又因为低频时 相位超前 ，而高频时 相位滞后 ，说明当频率由低到高变化时，,6.2 RC正弦波振荡器,返回,下一页,的相位由超前变到滞后的过程中必然有一频率使 与 同相，即 与 的相位差j=0。在图6-5（a）中 从以上分析可知，
8、当f=f0时， 为最大值,且相角jF=0，即 与 同相位，可见RC构成的串并联选频电路具有选择信号频率的特性。这种选择信号频率的特性还可用如图6-6所示的曲线表示。,6.2 RC正弦波振荡器,返回,下一页,上一页,6.2.2 RC正弦波振荡器 这里着重介绍RC桥式正弦波振荡器。RC桥式正弦波振荡器具有输出波形失真小、频率调节范围宽等特点，在低频振荡器中广泛使用。 1. RC桥式正弦波振荡器基本结构 RC桥式正弦波振荡器基本结构如图6-7（a）所示。 RC桥式正弦波振荡器由两部分组成：第一部分是集成运算放大器A和电阻R1、Rf组成的同相比例运算放大器，第二部分是RC串并联选频电路构成的正反馈网络
9、。 RC桥式正弦波振荡器也可以画成如图6-7（b）所示。由于电阻R1和电容C1相串联的阻抗Z1及电阻R2和电容C2相并联的阻抗Z2和电阻R1、Rf四个器件组成电桥的四个臂，电桥的两对顶点分别接到放大电路的输入端和输出端，所以该电路又称为文氏电桥振荡电路。,6.2 RC正弦波振荡器,返回,下一页,上一页,2.振荡频率和起振条件 下面用图6-7（a）说明振荡频率和起振条件。 （1）振荡频率。根据RC串并联选频电路的选频特性，RC串并联选频电路选出荡频率为 的信号，该频率就是RC正弦波振荡器的振荡频率。 （2）起振条件。由正弦波振荡器振荡条件的分析可知，RC桥式正弦波振荡器要起振，也必须满足 ，即也
10、必须满足两个条件： 振幅条件： 根据反馈放大器的分析方法可知，RC串并联选频电路与同相比例运算放大器组成电压串联正反馈电路。为了调节方便，通常取R1=R2，C1=C2，电压串联正反馈放大器反馈系数的为：,6.2 RC正弦波振荡器,返回,下一页,上一页,电压串联正反馈运算放大器的电压放大倍数要等于3。即 可见只要使电阻RF2R1就可使振荡电路满足振幅条件。 相位条件：j=2n，（n=0,1,2,） 在图6-7（a）所示电路中，集成运算放大器采用同相输入方式，所以，反馈信号与输入信号同相，满足正弦波振荡器振荡的相位条件。 3.基本原理 （1)振荡的建立。电路接通电源的瞬间，相当于给振荡电路注入一个
11、脉冲信号，根据频谱分析的理论可知，脉冲信号是由不同频率、不同幅度的正弦波信号叠加而成的。这些信号中含有与RC选频网络谐振频率f0相同的正弦波信号。,6.2 RC正弦波振荡器,返回,下一页,上一页,振荡器对该频率信号具有选频放大的作用而对其他频率信号具有阻碍作用，振荡器输出较大的f0信号又经选频网络正反馈到输入端当满足振荡的幅度条件时，振荡器将输出频率为f0的正弦波信号。 （2）稳幅措施。在图6-7（a)所示的电路中，只要将电阻RF改成负温度系数的热敏电阻Rt即可组成稳幅电路，实现自动稳幅的作用，如图6-8所示。该电路稳幅的工作原理是：刚接通电源时，电阻Rt的值比2R1的值大，振荡放大器的电压放
12、大倍数略大于3，振荡放大器对f0信号进行有效的放大，使f0信号的幅度逐渐增大。随着f0信号幅度的增大，电阻Rt的温度上升，阻值下降，振荡放大器的电压放大倍数也随着下降到3，振荡器输出信号幅度将不再增大，保证了振荡器输出信号幅度的稳定。,6.2 RC正弦波振荡器,返回,下一页,上一页,4.可调节RC正弦波振荡电路 在图6-7（a)所示的电路中，若将RC选频网络中的RC改成如图6-8所示的可调节电路，即可构成频率可变的正弦波信号发生器。实验室中做实验用的低频信号发生器就是用该电路来实现正弦波振荡，输出正弦波信号。,6.2 RC正弦波振荡器,返回,上一页,RC正弦波振荡器通常用来产生频率低于1 MH
13、z的低频信号，要产生频率高于1 MHz的高频信号，必须用LC正弦波振荡器。LC正弦波振荡器的选频网络由LC谐振电路组成，反馈信号的耦合方式有变压器反馈式、电感反馈式和电容反馈式三种类型。 6.3.1 LC并联选频电路 LC并联电路如图6-9（b)所示。由LC并联谐振电路原理可知，若忽略电阻R的影响，LC并联电路的谐振频率为： ， 此时电压与电流同相，电路呈纯电阻性，LC并联电路两端的电压最大，所以LC并联电路具有选择信号频率的特性。LC并联电路这种选择信号频率的特性还可用如图6-10（a)所示频率特性曲线表示。 从图6-9所示频率特性曲线可以看出，当外加信号的频率f=f0时，LC并联电路发生谐
14、振，此时阻抗最大，输出电压Uo也达最大值，并且输出电压Uo与输出电流I0同相。,6.3 LC正弦波振荡器,返回,下一页,当外加信号的频率f偏离f0时，LC并联电路的阻抗很快下降，且相位差不为零，频率偏离越大，LC并联电路的阻抗越小，相位差就越大。图中Q为LC并联电路的品质因数。Q值越大，选频效果越好。 6.3.2 变压器反馈式振荡器 1.电路组成 变压器反馈式振荡器电路如图6-10所示。之所以叫变压器反馈式振荡器是因为其反馈电路由变压器N2构成。变压器反馈式振荡器由放大电路、反馈电路和选频电路三部分组成。其中，选频电路由LC并联电路组成，它也是振荡电路放大器的集电极负载，L2为反馈线圈，L3为
15、输出线圈。 2.起振条件及振荡频率 （1）起振条件。 相位条件。为满足振荡器的相位条件实现正反馈，变压器初次级之间的同名端必须正确连接。,6.3 LC正弦波振荡器,返回,下一页,上一页,利用瞬时极性法可判断变压器的同名端设置是否正确。判断的方法是：在放大器的输入端输入一个正极性的瞬时信号，经放大器放大后，从反馈电路反馈到输入端的信号也是正极性时，放大器是正反馈，即满足了振荡的相位条件。 振幅条件。为满足 的条件，合理选择变压器的匝比及放大管的值很容易满足了振荡的振幅条件。值的选取与电路中其他参数有一定的配合关系，如与放大管的输入电阻，变压器的互感系数等有关。 （2）振荡频率。只有在LC并联电路
16、振谐振时，即f等于频率f0时，电路才满足振荡条件，所以振荡频率就是LC并联电路的谐振频率，即 。,6.3 LC正弦波振荡器,返回,下一页,上一页,3.基本原理 当电源接通瞬间，在集电极选频电路中激起一个含多种谐波的电流变化信号，选频电路对频率为f0的电流呈现很大阻抗，该频率的电流在选频电路两端产生很大电压，这个电压经变压器耦合到L2，反馈到放大电路输入端，而选频电路对其他频率的电流，呈现的阻抗很小，选频电路两端几乎不产生电压，L2中也就没有其他频率信号的电压，这些信号也就没有反馈到放大电路的输入端。就这样，频率为f0的信号经反馈、放大、再反馈、再放大就形成振荡。当改变选频电路的L或C参数时，振荡频率将发生相应变化。 4.电路特点 变压器反馈式振荡器的主要特点是：电路结构简单，容易起振，输出电压较大，另外容易满足阻抗匹配的要求，改变电容大小可方便地调节振荡频率。但是，由于输出电压与反馈电压靠磁路耦合，因而耦合
