正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識(shí)

1、7.1 7.1 正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識(shí)正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識(shí) 7.2 r7.2 r正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 7.37.3 lclc正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 7.4 7.4 石英晶體正弦波振蕩電路石英晶體正弦波振蕩電路 7.5 7.5 集成函數(shù)發(fā)生器集成函數(shù)發(fā)生器80388038簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 本章小結(jié)本章小結(jié) 第7章 波形發(fā)生電路 7.1 7.1 正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識(shí)正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識(shí) 7.1.1 7.1.1 自激振蕩現(xiàn)象及其振蕩條件自激振蕩現(xiàn)象及其振蕩條件 1.自激振蕩現(xiàn)象 擴(kuò)音系統(tǒng)在使用中有時(shí)會(huì)發(fā)出刺耳的嘯叫聲，其 形成的過(guò)程如圖7.1所示。 擴(kuò)音機(jī) 揚(yáng)聲器 話筒 圖7.1

2、 自激振蕩現(xiàn)象 2.自激振蕩形成的條件 振蕩電路的方框圖如圖7.2所示。 圖7.2 振蕩電路的方框圖 由圖可得：自激振蕩形成的基本條件是反饋信自激振蕩形成的基本條件是反饋信 號(hào)與輸入信號(hào)大小相等、相位相同號(hào)與輸入信號(hào)大小相等、相位相同。 即 ，而 ，可得： (7.1) （1）反饋信號(hào)與輸入信號(hào)大小相等意味著 即： =1 （7.2） 稱為幅度平衡條件。 if uu if ufau if uu 1 fa fa （ 2）反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相位相同意味著輸入 信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路產(chǎn)生的相移和反饋網(wǎng)絡(luò)的相移 之和為 即： （n=0,1,2,3,） （7.3） 稱為相位平衡條件。 ,2.,4,2, 0n n

3、fa 2 f 7.1.27.1.2起振和穩(wěn)幅起振和穩(wěn)幅 在起振階段的幅度條件應(yīng)為： （7.4） 穩(wěn)幅后的幅度平衡條件為 fa fa 7.1.3 7.1.3 基本組成部分基本組成部分 （1）放大電路 （2）反饋網(wǎng)絡(luò) （3）選頻網(wǎng)絡(luò) （4）穩(wěn)幅環(huán)節(jié) 7.1.47.1.4分析方法分析方法 判斷能否產(chǎn)生正弦波振蕩的一般方法和步驟是： （1）檢查基本組成部分，即是否有放大電路、反 饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)等。 （2）在合適的地方將振蕩電路斷開(kāi)，使之成為 放大電路和反饋網(wǎng)絡(luò)，如圖7.3所示。 圖7.3 正弦振蕩電路的分析示意圖 （3）放大電路是否具有放大作用，例如放大電路 的結(jié)構(gòu)是否合理、靜態(tài)工作點(diǎn)是否合適等。

4、（4）分析是否滿足相位平衡條件。 （5）分析是否滿足幅值條件。 思考題思考題 p自激振蕩的條件是什么？ p 一個(gè)正弦波振蕩電路應(yīng)該由哪幾部分組成？ 返 回 7.2 rc7.2 rc正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 7.2.17.2.1rcrc串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性 rc串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)如圖7.4所示。 圖7.4 rc串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 1 2 u u f 1 11 1 cj rz 22 2 2 1rcj r z 12 21 1 2 2 1 21 2 1 2 1 1 1 cr crj c c r rzz z u u f 由圖可知： 在實(shí)際電路中取 c1=c2=c，r1=r2=r， 則式可簡(jiǎn)化為：

5、 ) 1 (3 1 rc rcj f ) 1 (3 1 2 rc rc ff 3 1 arctan rc rc f rc f 1 2 00 rc f 2 1 0 rc串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)頻率特性如圖7.5所示。 圖7.5 rc串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性 當(dāng) f=f0 時(shí)，電壓傳輸系數(shù)最大，即f=1/3；相角為 零，即 。此時(shí)，輸出電壓與輸入電壓同相位。 當(dāng) 時(shí)，f3的要 求。 1 1 r r a f u 3.穩(wěn)幅措施 穩(wěn)幅電路由二極管d1、d2和電阻r2組成。 不論在振蕩的正半周或者負(fù)半周，兩只二極 管總有一只處于正向?qū)顟B(tài)。 當(dāng)振蕩幅度增大時(shí)，二極管正向?qū)?電阻減 小，放大電路的增益下降，限制了輸出幅度

6、的增 大，起到了自動(dòng)穩(wěn)幅的作用。 4.估算振蕩頻率 rc f 2 1 0 思考題思考題 p為什么說(shuō)rc串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性？ prc橋式振蕩器是如何穩(wěn)幅的？ 返 回 7.3 7.3 lclc正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 7.3.1 7.3.1 變壓器反饋式變壓器反饋式lclc正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 1.電路組成 電路如圖7.7所示。 圖7.7 變壓器反饋式lc正弦波振蕩電路 2.振蕩條件 利用瞬時(shí)極性法的（+）、（）來(lái)表示這種簡(jiǎn) 單的相位關(guān)系。如圖7.7各點(diǎn)標(biāo)注所示。 lc正弦波振蕩電路起振的幅值條件是 。 只要變壓器的變比設(shè)計(jì)恰當(dāng)，三極管和變壓器原、副 邊繞組之間的互感等參數(shù)合適，一

7、般都可滿足幅值條 件。 3.振蕩頻率 f u i u cl f 0 2 1 （7.8） 7.3.27.3.2電感三點(diǎn)式正弦波振蕩電路電感三點(diǎn)式正弦波振蕩電路 1.電路組成 電路如圖7.8(a)所示。 圖7.8(a) 電感三點(diǎn)式正弦波振蕩電路 由于這種lc并聯(lián)電路中的電感有“首端”、中間 抽頭和“尾端”三個(gè)端點(diǎn)，因此這種電路被稱為電感 三點(diǎn)式正弦波振蕩電路。 2.振蕩條件 采用瞬時(shí)極性法可知該電路滿足相位平衡條件。 電感三點(diǎn)式正弦波振蕩電路的幅值條件是容易滿 足的，只需要lc并聯(lián)電路的q值和三極管的 值不是 太低，而且lc并聯(lián)電路諧振時(shí)的阻抗在幾千歐姆以 上。因此只要滿足相位條件，即可起振。 3

8、.振蕩頻率 cl f 2 1 0 （7.9） 其中是諧振回路的等效電感，即 12 （7.10） 式中的m是繞組n1與n2之間的互感。 7.3.3 電容三點(diǎn)式正弦波振蕩電路電容三點(diǎn)式正弦波振蕩電路 1.電路組成 電路如圖7.9所示。 圖7.9電容三點(diǎn)式正弦波振蕩電路 2.振蕩條件 圖7.9中已用（+）和（）標(biāo)出了 、 和 的相位關(guān)系，可 與 都為（+），表示它們同 相，說(shuō)明滿足相位平衡條件。只要電路參數(shù)合適， 它也可滿足幅值條件。 3.振蕩頻率 i u o u f u f u i u lc f 2 1 0 （7.11） 21 21 cc cc c （7.12） 電容三點(diǎn)式改進(jìn)電路如圖7.10所示

9、。 圖7.10 電容三點(diǎn)式改進(jìn)型正弦波振蕩電路 （7.13） 式中的 可由下式求出： 在選取電容參數(shù)時(shí)，可使c1c ，且 c2c ，因此 ，（7.13）式可變?yōu)?（7.14） 0 2 1 lc f 21 1111 ccc c 0 2 1 lc f cc c 思考題思考題 p 總結(jié)三點(diǎn)式振蕩器的電路連接規(guī)律，說(shuō)明振蕩 條件的判斷方法。 返 回 7.4 7.4 石英晶體正弦波振蕩電路石英晶體正弦波振蕩電路 7.4.17.4.1石英晶體的基本知識(shí)石英晶體的基本知識(shí) 1.石英晶體諧振器的結(jié)構(gòu) 圖7.11是一種金屬外殼封裝的石英晶體結(jié)構(gòu)示 意圖。 圖7.11石英晶體結(jié)構(gòu)示意圖 2.壓電效應(yīng) 若在石英晶體

10、的兩個(gè)電極上加一個(gè)電場(chǎng)，晶片就 會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓 力，則在晶片相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場(chǎng)。這種物理現(xiàn)象 稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。 如果在晶片的兩極上加一個(gè)交變電壓，晶片就會(huì) 產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電 場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng) 的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特 定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得 多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振壓電諧振。 圖7.12 石英晶體的符號(hào)、等效電路 3.符號(hào)和等效電路 石英晶體諧振器的符號(hào)和等效電路如圖7.12所示。 當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)平板電容器 0，稱為靜電電容靜電電容。0

11、的大小與晶片的幾何尺寸、 電極面積有關(guān)，一般約幾個(gè)皮法到幾十皮法。 當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感l(wèi)來(lái)等 效。一般l的值為幾十毫亨至幾百亨。 晶片的彈性可用電容c來(lái)等效，c的值很小，一 般 只有0.00020.1 pf。晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損 耗用r來(lái)等效，它的數(shù)值約為100。由于晶片的等 效電感很大，而c很小，r也小，因此回路的品質(zhì)因 數(shù)q很大，可達(dá)104106。加上晶片本身的諧振頻率 基本上只與晶片的切方式、幾何形狀、尺寸有關(guān)，而 且可以做得很精確，因此利用石英諧振器組成的振蕩 電路可獲得很高頻率穩(wěn)定度。 4.諧振頻率 從石英晶體諧振器的等效電路可知，它有兩個(gè)諧 振頻率，即 （1

12、）當(dāng)l、c、r支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，它的等效 阻抗最?。ǖ萺）。串聯(lián)諧振頻率為 （7.15） lc fs 2 1 （2）當(dāng)頻率高于時(shí)，l、c、r支路呈感性，可與 電容c0發(fā)生并聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振頻率為 （7.16） 0 0 0 1 2 1 c c f cc cc l f sp 由于cc0，因此fs和fp非常接近。 石英晶體的電抗頻率特性曲線如圖7.12 （c）所示。 圖7.12（c） 石英晶體的電抗頻率特性（設(shè)r0） 可見(jiàn)當(dāng)頻率低于串聯(lián)諧振頻率fs或者頻率高于并 聯(lián)諧振頻率fp時(shí)，石英晶體都呈容性。僅在fsffp狹 窄的范圍內(nèi)，石英晶體呈感性。 7.4.2 7.4.2 石英晶體正弦波振蕩電路石英晶

13、體正弦波振蕩電路 1.并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路 電路如圖7.13所示。 圖7.13并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路 2.串聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路 利用fsfp時(shí)石英晶體呈純阻性、相移為零的特 性構(gòu)成正弦波振蕩電路，如圖7.14所示。 圖7.14 串聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路 思考題思考題 p石英晶體具有什么特性？ p石英晶體振蕩電路的優(yōu)點(diǎn)是什么？ 返 回 7.5 7.5 集成函數(shù)發(fā)生器集成函數(shù)發(fā)生器80388038簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 7.5.1 80387.5.1 8038的工作原理的工作原理 8038能輸出方波、三角波、正弦波和鋸 齒波等四種不同的波形，其內(nèi)部原理電路框圖如圖 7.15所示。 圖7

14、.158038的原理電路框圖 7.5.2 80387.5.2 8038的典型應(yīng)用的典型應(yīng)用 8038管腳排列如圖7.16所示。 圖7.16 8038管腳圖（頂視圖） 由圖7.16可見(jiàn)，管腳8為調(diào)頻電壓控制輸入端， 管腳7輸出調(diào)頻偏置電壓，其值（指管腳6與7之間的 電壓）是（vccvee）5，它可作為管腳8的輸入電 壓。 此外，該器件的方波輸出端為集電極開(kāi)路形式， 一般需在正電源與9腳之間外接一個(gè)電阻，其值常選 用10k左右，如圖7.17所示。 圖7.17 8038接成波形發(fā)生器 當(dāng)電位器rp1動(dòng)端在中間位置，并且圖中管腳8與 7短接時(shí)，管腳9、3和2的輸出分別為方波、三角波和 正弦波。電路的振

15、蕩頻率f約為 。調(diào)節(jié)rp1、 rp2可使正弦波的失真達(dá)到比較理想的程度。 crpr) 2 1 ( 3 . 0 11 思考題思考題 p 試?yán)?038接成圖7.17電路，用示波器 測(cè)試8038的3個(gè)端輸出的波形。 返 回 本本 章章 小小 結(jié)結(jié) 1. 本章介紹的正弦波振蕩電路是利用選頻網(wǎng)絡(luò)通 過(guò)正反饋產(chǎn)生自激振蕩的，它的相位平衡條件是 ，幅值平衡條件是 。 2. 正弦波振蕩電路一般有放大、反饋、選頻和 穩(wěn)幅四個(gè)基本組成部分。按構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)的元件不 同，正弦波振蕩電路可分為rc、lc（包括石英晶 體）兩大類。 n fa 21fa 3. rc正弦波振蕩電路的振蕩頻率較低，在 常用的rc串并聯(lián)式正弦波

16、振蕩電路中當(dāng)r12 ，c12c時(shí)，它的振蕩頻率是 幅度平衡條件要求它的a3，相位平衡條件要求 它的 =0。 rc f 2 1 0 a . lc正弦波振蕩電路可產(chǎn)生頻率很高的正弦 波，它的電路一般由分立元件組成。lc正弦波振蕩 電路有變壓器反饋式，電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式三 種，它們的振蕩頻率由諧振回路決定，即 f0 lc正弦波振蕩電路的幅值條件容易滿足，關(guān)于 相位條件分析有以下幾點(diǎn)值得注意： cl2 1 （1）對(duì)于諧振頻率，lc諧振回路的阻抗呈純阻 性。 （2）變壓器原邊繞組和副邊反饋繞組通常各有一 端交流接地，其余兩個(gè)端點(diǎn)若互為同名端則相位相 同，否則相位相反。 （3）電感三點(diǎn)式正弦波振蕩電路中電感中間抽頭 的交流瞬時(shí)電位一定在“首”、“尾”兩端點(diǎn)的瞬時(shí) 電位之間