模拟电子技术(第二版)第6章.ppt

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1、实训6 RC音频振荡器 6.1 振荡的基本概念 6.2 RC振荡器 6.3 LC振荡电路,第 6 章 振 荡 器,返回主目录,第 6 章 振 荡 器,实 训 6 RC 音 频 振 荡 器(一)实训目的(1)了解RC振荡器工作原理。(2)观察RC振荡器起振条件。(3)学习对振荡电路参数测量。(4)通过实训，对振荡器有个初步了解，为后面的理论学习打下基础。,(二)预习要求(1）预习RC振荡器工作原理，以及电路中各元件的作用。(2）阅读本实训的全部内容。(3）掌握测量输入信号、输出信号的方法。(4）设计记录实训数据的表格。(三)实训电路及实训内容 1.实训电路 实训电路如实图6.1所示。,图中R1、

2、C1和R2、C2组成RC串并联式振荡器，V1、V2组成两级阻容耦合放大器，用来将正反馈信号放大。正反馈信号通过R1C1和R2C2反馈到V1的输入端，适当选择R1、C1、R2、C2参数，V1可以得到较大的输入信号。图中设有开关S1、S2，选择不同的开或关状态，改变RP1、RP2的大小，使电路产生不失真的正弦振荡波形。2.实训内容（1）按实训电路图接好电路，备用，注意电路中元件参数的合理性。（2）把直流电源调到12V，闭合开关S1、S2，用数字频率计测量振荡信号的频率，并记录在实训报告中。,（3）用示波器观察测量信号周期，再换算成频率，和以上测量进行比较。（4）计算放大倍数。在振荡器稳定振荡时，测

3、出输出电压U0的值，然后断开S1,在V1的输入端用一个同频率的正弦信号，使输出电压与振荡时相等，测量输入电压Ui，则可计算出电压放大倍数。（5）观察负反馈对振荡的影响。接通S1、S2，使RP1在最小、中间、最大情况，观察振荡波形，并记录。断开S2，观察振荡波形并记录。,(四)实训报告(1）整理实训数据，分析振荡产生的原因和条件。(2）总结振荡电路的特点。(五)思考题(1）实验电路中的振荡电路基本组成包括哪几个部分?(2）找出实验电路中的正反馈支路、负反馈支路，说明它们在振荡电路中的作用。(3）实验中调整RP1、RP2对振荡电路有什么影响?(4）RC串并联振荡电路的振荡频率、起振条件各是什么？,

4、6.1 振荡的基本概念,6.1.1振荡的基本概念 在实训6中，我们观察到RC音频振荡器与前面讲的放大器不同。放大器在没有输入信号情况下就没有输出信号，而振荡器是在没有输入信号的情况下，仍有一定频率和幅值的输出信号，这种现象称为放大器的自激振荡。这种自激振荡在放大器中是不希望的，它会使放大器不能正常工作。但是在振荡器中恰恰相反，振荡器就是利用自激振荡来进行工作的，这一点就是振荡器与放大器的明显区别。但是振荡器与放大器的共同之处，仍然是输出信号是由输入信号引起的。那么振荡器的输入信号是怎样产生的呢？,在实训6中，由于电源供电的作用，在V1输入端要产生很微弱的信号波动，这种信号经过V1、V2两级放大

5、后，由原来的很弱的信号变强，经过反馈电阻RP1又回到输入端，放大、反馈、放大、反馈、放大这样反复，就能产生自激振荡。为了得到我们需要的频率信号，增加了如实训6电路中的选频网络R1C1、R2C2，符合要求的频率信号能通过，不符合要求的频率信号就被排除掉，这就是自激振荡产生的基本过程。振荡器在通信、广播、自动控制、仪表测量和超声探伤等方面都具有广泛用途。根据振荡产生的波形不同，分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。根据电路的组成不同，又可分成RC振荡器、LC振荡器和石英晶体振荡器。,6.1.2振荡条件及振荡电路的组成 1.振荡条件 振荡电路条件的方框图如图6.1.1所示，是放大电路的电压放大倍数，是反

6、馈电路的反馈参数。由于振荡电路不需要外界输入信号，因此反馈信号 就是放大电路的输入信号，就是放大电路的输出信号。,且有,当,这就是振荡电路的自激振荡条件。这个条件包含幅值和相位两个内容。1)幅值条件|=1，即放大倍数与反馈系数F乘积的模为1。在自激振荡开始时，|1，随着振荡的建立，|也随着降低，最后达到|=1时，振荡幅度便不再增大，便稳定在某一振荡振幅下工作。从|1到|=1是振荡建立的过程。,2)相位条件 反馈电压uf和输入电压uid要同相，即放大电路的相移-A与反馈网络的相移F之和为2n，其中n是整数。AF=2n（6.1.4）综上所述，振荡电路必须具备以上两个条件，即幅值条件和相位条件。实际

7、应用中正弦振荡器较多，主要有RC振荡器、LC振荡器和晶体振荡器。2.振荡电路的组成 最简单的振荡器如实图6.1所示，从以上振荡器看出，振荡器一般由四个部分组成。,1）放大电路 放大电路是维持振荡器连续工作的主要环节，没有放大，信号就会逐渐衰减，不可能产生持续的振荡。要求放大器必须有能量供给，结构合理，静态工作点合适，具有放大作用。如实图6.1中的三极管V1、V2就是两级放大电路。2）反馈网络 反馈网络的作用是形成反馈，如实图6.1中的电阻RP1和R-1C-1、R-2C-2都是反馈电路，它们将输出信号的一部分或者全部反馈到输入端，即三极管V1的基极或发射极，构成反馈，通常把整个反馈系统称为反馈网

8、络。,3）选频网络 选频网络的主要作用是产生单一频率的振荡信号，一般情况下这个频率就是振荡器的振荡频率。在很多振荡电路中，选频网络和反馈网络结合在一起，如实图6.1中的R-1 C-1、R-2 C-2就构成选频网络。4）稳幅电路 稳幅环节的作用主要是使振荡信号幅值稳定，以达到振荡器所要求的幅值，使振荡器持续工作。如实图6.1中的反馈电阻RP1和V1发射极电阻Re1，以及R-1 C-1、R-2 C-2构成电桥的四臂，起到稳幅的作用。综上所述，振荡电路必须首先具备两个条件，即相位条件和幅值条件。其次,电路的组成合理，便可产生振荡。实际应用中正弦波振荡器居多，常用的有RC振荡器和LC振荡器。,6.2

9、RC 震 荡 器,6.2.1 RC移相振荡器 1.电路的组成 图6.2.1 是采用三级RC超前移相电路组成的RC移相振荡器。C1和R1、C2和R2构成两级RC移相网络，C3和V1放大电路的输入电阻ri构成第三级RC移相网络。V2为射极输出器，它的作用是减小负载对振荡电路的影响，在分析振荡频率和条件时，可忽略。在图6.2.1电路中通常选取C1=C2=C3=C，R1=R2=R。为什么要用三级RC电路来移相呢？因为基本放大电路在很宽的频率范围内其A为180，若要求满足振荡相位条件，必须在三级RC移相网络中也移相180,但一级RC电路移相在090，不能满足，两级RC移相最大相移可达180，但在接近18

10、0时，超前移相RC网络频率很低，并且输出电压接近于零，也不能满足振荡幅值条件，所以实际应用中至少要用三级RC移相电路，三级RC移相电路的相移在0270才能满足振荡条件。2.振荡频率和起振条件 在图6.2.1电路中，若把a点断开，它的交流等效电路如图6.2.2(a)所示，为了计算 把图（a）画成图6.2.2(b)的等效电压源形式。,当rbeRb1Rb2时，,要使RC振荡电路产生自激振荡，应满足：,取C1=C2=C3=C，R1=R2=RC=R，列出图6.2.2(b)电路中,式中解得,-R3=R3 3R2ri-X2(ri5R)-jX(6R2+4Rri-X2),虚部相等,得出,=29+,当riR时，以

11、上两式近似为,=29,以上结果表明，振荡频率主要取决于网络参数RC。图6.2.3是RC移相振荡电路的相频特性图。RC移相电路具有结构简单、经济方便等优点。缺点是选频作用较差，频率调节不方便，一般用于振荡频率固定且稳定性要求不高的场合，其频率范围为几赫兹到几十千赫兹。,6.2.2 RC桥式振荡器 1.电路组成实训6中的实图6.1是桥式RC振荡电路，实际是一个具有正反馈两级阻容耦合放大电路，现在我们再对它进一步分析。此电路工作在中频段时，前级输入电压与输出电压反相，而后级输入电压与输出电压反相，所以前级的输入电压ui与后级的输出电压uo同相。考虑到选频性，反馈信号通过R1、C1、R2、C2所组成串

12、并联选频电路反馈回去，V1的输入电压ui是从R2C2并联电路取出的，ui是uo的一部分。,为了提高振荡电路的稳定性和改善输出电压的波形，引入负反馈电路。输出电压uo通过RP1电阻反馈到V1的发射极，R5上的电压即为负反馈电压uf。这样由R1C1、R2C2和负反馈电路中的R5、RP1看则更加明显(图中，R-F,R-E分别对应实图 6.1 中RP1,R-5)。2.选频特性 从图6.2.4采用运算放大器的RC桥式振荡电路和以前的分析中可以看出，产生振荡的相位条件是=A+F=2n,而对于RC桥式振荡电路，F=0,所以必须是A=2n，即输入电压与输出电压同相位。当C1=C2=C，R1=R2=R时，电路的

13、振荡频率为,f=f-0=(6.2.8)uo与ui同相位，可以证明，在f=f-0时，|F|=Fmax=1/3。根据振荡的幅值条件，令|AF|1，所以A3。这就是RC桥式振荡电路的起振条件，对于同相比例运算放大器，这很容易实现。RC正弦振荡电路的振荡频率与R、C乘积成反比，如果要求频率较高，则R、C值要小，这样制作比较困难（且电路分布参数影响较大），因此RC振荡器用来产生低频振荡信号，要产生更高频率的信号，则应采用LC正弦波振荡器。,6.3 LC 振 荡 电 路,6.3.1 变压器反馈式振荡电路 图6.3.1是一个变压器反馈式振荡电路，图中并联回路L-1C作为三极管V的集电极负载，是振荡电路的选频

14、网络。变压器反馈式振荡电路由放大电路、变压器反馈电路和LC选频电路三部分组成。图6.3.1电路中，三个线圈作变压器耦合，线圈L1与电容C组成选频电路，L2是反馈线圈，L3线圈与负载相联。由图6.3.1可以看出，集电极输出信号与基极相位差为180，通过变压器的适当连接，使之从L-2两端引回的交流电压又产生180的相移，所以满足相位条件。当产生并联谐振时，谐振频率为,分析可得到该电路的起振条件为,式中，和rbe分别为三极管的电流放大系数和输入电阻；M为N-1和N-2两个绕组之间的等效互感；R为二次侧绕组的参数折合到一次侧绕组后的等效电阻。当将振荡电路与电源接通时，在集电极选频电路中激起一个很小的电

15、流变化信号，只有与谐振频率f0相同的那部分电流变化信号能通过，其它分量都被阻止，通过的信号经反馈放大再通过选频电路，就可产生振荡。当改变LC电路的参数L或C时，振荡频率也相应地改变。,如果没有正反馈电路，反馈信号将很快衰减。形成正反馈电路，线圈L1的极性(即同名端)是关键，不能接错，使用中要特别注意。变压器反馈振荡电路的特点是，电路结构简单，容易起振，改变电容的大小可以方便地调节频率。其缺陷是，由于变压器耦合的漏感等影响，这类振荡器工作频率不太高；输出正弦波形不理想。改进电路常应用电感反馈式振荡电路。,6.3.2电感反馈式振荡电路 电感反馈式振荡电路如图6.3.2所示。L1、L2和C组成振荡回

16、路，起选频和反馈作用，实际就是一个具有抽头的电感线圈，类似自耦变压器。电感线圈L1、L2和三个抽头分别与三极管的三个极连接，故又称电感三点式振荡电路。1.相位条件 将图6.3.2电路中A点断开，在输入端加上一个频率为f-0的正极性信号，在三极管的集电极得到一个负极性信号。这样1端对地为负，3端对地为正，反馈到输入端是正反馈。因此 与 同相，电路满足相位条件。通常反馈线圈L2的匝数为线圈L1和L2总匝数的1/81/4。,2.振荡频率 在分析振荡频率和起振条件时，可以认为LC回路的Q值很高，且电路产生并联谐振。根据谐振条件，电路的振荡频率为,式中,其中，M为线圈L1与L2之间的互感，M=K，K为耦

17、合系数。当K等于1时，M=,其中，M为线圈L1与L2之间的互感，M=，K为耦合系数。当K等于1时，则 电感反馈式振荡电路的特点是，振荡电路的L1和L2是自耦变压器，耦合很紧，容易起振，改变抽头位置可获得较好的正弦波振荡，且输出幅度较大；频率的调节可采用可变电容，调节方便。不足之处是，由于反馈电压取自L2，对高次谐波分量的阻抗大，输出波形中含较多的高次谐波，所以波形较差；振荡频率的稳定性较差。一般电感反馈式振荡电路用于收音机的本机振荡以及高频加热器等。,6.3.3电容反馈式振荡电路 电容反馈式振荡电路与电感反馈式振荡电路比较，只是把LC回路中的电感和电容的位置互换。电路如图6.3.3所示。可以认

18、为，回路电容也有3个连接点，分别接到三极管的3个极，因此也称为电容三点式振荡电路。1.相位条件 与电感反馈式振荡电路分析方法相同，当LC回路谐振时，回路呈纯电阻性，与 反相，而 与 反相，因此 与 同相，电路满足相位条件。,2.振荡频率 与电感反馈式振荡电路一样，电路的谐振频率为,其中,电容反馈式振荡电路的特点是，由于反馈电压取自电容C2，它对高次谐波分量的阻抗较小，因此，振荡波形较好；其较电感反馈式振荡电路受三极管极间电容的影响比较小，即频率稳定性较高。,不足之处是，频率调节不便，调节范围较小。一般只用于高频振荡器中。为了克服调节范围小的缺点，常在L支路中串联一个容量较小的可调电容，用它来调

19、节振荡频率。,6.3.4石英晶体振荡电路 无线电广播发射机的频率稳定度为10-5，而无线电通信的发射机频率稳定度要求达到10-810-10数量级，前面讨论的电路难以达到这种要求。采用石英晶体代替选频电路，就变成了石英晶体振荡器，可以达到频率稳定度很高的要求。1.石英晶体的特性、符号及等效电路 1）石英晶体的特性、压电效应 石英晶体是二氧化硅（SiO2）结晶体，具有各向异性的物理特性。从石英晶体上按一定方位切割下来的薄片叫石英晶片，不同切向的晶片其特性是不同的。,晶片常装在支架上，并引出接线。支架有分夹式和焊接式两种。为了保护晶片，把它密封于金属或玻璃壳内。石英晶片之所以能做成谐振器是基于它的压

20、电效应。若在晶片两面施加机械力，沿受力方向将产生电场，晶片两面产生异号电荷，这种效应称正向压电效应；若在晶片处加一电场，晶片将产生机械变形，这种效应称为反向压电效应。事实上，正、反向压电效应同时存在，电场产生机械形变，机械形变产生电场，两者相互限制，最后达到平衡态。在石英谐振器两极板上加交变电压，晶片将随交变电压周期性地机械振动；当交变电压频率与晶片固有谐振频率相等时，振荡交变电流最大，这种现象称压电谐振。,2）石英晶体的符号和等效电路 石英晶体的符号如图6.3.4（a）所示,等效电路如图6.3.4（b）所示,图6.3.4（c）中是石英晶体谐振器忽略R以后的电抗频率特性。由等效电路可见，石英谐

21、振器有两个谐振频率。当L、C、R串联支路发生谐振时，它的等效阻抗最小(等于R)，串联谐振频率为,当频率高于f-S时，L、C、R支路呈感性，可与电容C-0发生并联谐振，并联谐振频率为,当频率高于f-S时，L、C、R支路呈感性，可与电容C-0发生并联谐振，并联谐振频率为,通常C0C，比较以上两式可见，两个谐振频率非常接近，且fP稍大于fS。由图6.3.4（c）可知，频率很低时，两个支路的容抗起主要作用，电路呈容抗性；随频率增加，容抗减小；当f=fS时，LC串联谐振，阻抗最小，呈电阻性；当ffS时，LC支路电感起主要作用，呈感抗性；,当f=fP时，并联谐振，阻抗最大且呈纯电阻性；当ffP时，C0支路

22、起主要作用，电路又呈容抗性。6.3.4表明，在晶体振荡器中，常把石英谐振器当作一个电感器元件，由于Q值大，振荡器的频率稳定性很高。2.石英晶体振荡器 石英晶体振荡器简称晶振，其电路有两种类型。1）并联型晶振 电路如图6.3.5所示。当工作频率介于fS和fP之间时，晶片等效为一电感元件，它与电容C1、C2组成并联谐振回路。它属于电容反馈式振荡器。谐振频率,由于（C0+CL）C时，即使电容量CL不稳定，其对谐振频率的影响也甚微，因此，振荡器的频率取决于稳定的谐振频率fS。2）串联型晶振 图6.3.6所示是串联型晶体振荡器。图中，用石英晶体谐振器代替了RC串并联网络中的电阻，与C串联，整个RC串并联网络构成正反馈网络，集成运算放大器组成放大电路，其余部分构成振荡器的负反馈和电路自动稳幅环节。当f=f-0时，晶体振荡器产生串联谐振。谐振时阻抗呈最小，反馈量最大，且相移为零，该频率满足自激振荡条件。当ff-0时，晶体振荡器的阻抗呈最大，而且相移不为零，不能产生谐振，所以该电路的振荡频率只能是f=f-0。,