正弦波振蕩電路及其應(yīng)用

1、單元九 正弦波振蕩電路及其應(yīng)用內(nèi)容提要正弦波振蕩電路是一個(gè)無(wú)外加輸入信號(hào)、具有選頻特性的正反饋電路。它是用來(lái)產(chǎn)生一定頻率和幅度的正弦交流信號(hào)的電子電路。本單元在反饋放大電路的基礎(chǔ)上，先分析振蕩電路的自激振蕩條件，然后介紹LC和RC正弦波振蕩電路并簡(jiǎn)要介紹石英晶體正弦波振蕩電路。學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握正弦波振蕩電路的自激振蕩原理。掌握LC正弦波振蕩電路、RC正弦波振蕩電路、石英晶體正弦波振蕩電路等幾種電路的工作原理與基礎(chǔ)的應(yīng)用。應(yīng)用領(lǐng)域正弦波振蕩電路在無(wú)線電技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、控制技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中都有應(yīng)用，還可用作高頻信號(hào)源及加工設(shè)備中的高頻能源，如：高頻加熱爐、超聲波壓焊機(jī)等。9.1正弦波振蕩電路

2、的自激振蕩9.1.1自激振蕩的平衡條件自激振蕩:振蕩電路是一種將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔艿哪芰哭D(zhuǎn)換電路，實(shí)際上它是一種特殊的放大電路。正弦波振蕩電路就是一個(gè)沒(méi)有輸入信號(hào)的帶選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大電路。如圖9-1-1所示。圖9-1-1 產(chǎn)生自激振蕩的原理方框圖方框圖中標(biāo)有A的是放大電路，標(biāo)有F的是反饋電路。將輸出信號(hào)通過(guò)反饋電路反饋到輸入端，。調(diào)整放大電路和反饋電路的參數(shù)使。即反饋信號(hào)和輸入信號(hào)兩者大小相等，相位相同，此時(shí)就可以用反饋信號(hào)來(lái)替代外加輸入信號(hào)。這就是去除信號(hào)源而接上反饋電壓。如果仍能保持輸出信號(hào)不變，這時(shí)整個(gè)電路就成為一個(gè)自激振蕩電路。1.自激振蕩平衡條件如上述所知，自激振蕩不需外加輸

3、入信號(hào)，本身就能產(chǎn)生交流信號(hào)的電路。如果需要維持振蕩時(shí)，必須是反饋電壓信號(hào)與輸入電壓信號(hào)相同。反饋電壓代替輸入電壓必須滿足:(1)與相位相同（正反饋）。(2)與幅度相等。 (9-1-1)且這就是自激振蕩的平衡條件。式中，A為放大電路的開環(huán)電壓放大倍數(shù)，F(xiàn)為閉環(huán)時(shí)反饋電路的反饋系數(shù)。設(shè) （9-1-2)得出結(jié)論： 幅度平衡條件： （9-1-3)相位平衡條件： （9-1-4)即: 與同相因此，對(duì)于任何類型的振蕩器，只有這兩個(gè)條件同時(shí)滿足，振蕩才能維持。9.1.2 振蕩的建立與穩(wěn)定(1)初始信號(hào)由來(lái)：接通電源瞬間，有一個(gè)電沖擊，激起微弱的信號(hào),包含豐富的頻率成分。(2)起振、選頻放大。為保證單一頻率的

4、正弦波，振蕩器要具有選頻特性。只有某一特定頻率的信號(hào)滿足自激振蕩條件,從初始信號(hào)中挑選出來(lái)。f0的信號(hào)放大輸出反饋放大起振條件 （9-1-5) 即 （9-1-6)(3)穩(wěn)幅。當(dāng)信號(hào)幅度增大到一定幅度時(shí)，進(jìn)入三極管的非線性區(qū)，電壓放大倍數(shù)A降低，振蕩幅度自動(dòng)穩(wěn)定在某一值上。當(dāng)最后到達(dá)振蕩幅度不再繼續(xù)增長(zhǎng)，電路輸出就會(huì)自動(dòng)穩(wěn)定在某一振蕩幅度上。從到的過(guò)程，就是振蕩電路自激振蕩的建立與穩(wěn)定的過(guò)程。9.1.3正弦波振蕩電路的基本組成部分綜上所述，正弦波振蕩電路一般都包含以下幾個(gè)基本組成部分：(1)放大電路。必須有供給能量的電源，而且結(jié)構(gòu)合理，設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)Q，以保證放大電路具有放大作用。(2)反

5、饋網(wǎng)絡(luò)。主要是形成正反饋，滿足相位平衡條件。(3)選頻電路。它的主要作用是只保證產(chǎn)生單一頻率滿足自激振蕩條件，以產(chǎn)生單一頻率的的正弦波。 選頻網(wǎng)絡(luò)所確定的頻率一般就是正弦波振蕩電路的振蕩頻率fo本節(jié)思考題試說(shuō)明振蕩平衡條件與相位平衡條件、振幅平衡條件之間的關(guān)系。9.2 LC正弦波振蕩電路采用諧振網(wǎng)絡(luò)作為選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路稱為振蕩電路。正弦波振蕩電路同樣是利用正反饋產(chǎn)生振蕩，因諧振電路選頻特性較好，振蕩頻率也更高些，所以它主要用來(lái)產(chǎn)生幾兆赫以上的高頻正弦波信號(hào)。根據(jù)其電路結(jié)構(gòu)，有變壓器反饋式、電感反饋式和電容反饋式及其改進(jìn)型等多種電路形式。9.2.1變壓器反饋式振蕩電路圖9-2-1 變壓器反饋式

6、LC振蕩電路1.并聯(lián)諧振回路特性并聯(lián)回路如圖9-2-2所示，其中R表示回路中和回路所帶負(fù)載的等效總損耗電阻。由圖9-2-2可得并聯(lián)諧振回路的等效阻抗Z為 （9-2-1) （9-2-2)當(dāng)回路發(fā)生諧振時(shí),、同相，Z為一實(shí)數(shù)，則上式虛部為零。=0 諧振時(shí)的角頻率=0=f=f0= （9-2-3)諧振時(shí)，回路的等效阻抗為純電阻性質(zhì)，其值最大，即 = （9-2-4)通常令Q為 （9-2-5)Q稱為諧振回路的品質(zhì)因素，是用來(lái)衡量回路損耗大小的指標(biāo)。在L、C為定值的情況下，回路損耗R愈小，則Q值愈大。一般Q值約為幾十到幾百0 （9-2-6)由上式可知，Q值愈大，諧振時(shí)回路的阻抗也愈大。2.關(guān)于電流諧振的說(shuō)明

7、諧振時(shí)，若電壓一定的情況下，電流|將達(dá)到最小值，即 （9-2-7)所以，此時(shí)各并聯(lián)支路的電流為 （9-2-8) （9-2-9） 圖9-2-3所示。結(jié)論：諧振時(shí)，電容、電感中和大小相等、相位相反，且其模值是電流的Q倍，即諧振時(shí)，只需模值較小的激勵(lì)電流便可在并聯(lián)諧振回路內(nèi)產(chǎn)生很大的諧振電流。所以并聯(lián)諧振又稱為電流諧振。3.推導(dǎo)阻抗的頻率特性 （9-2-10)如果上式中所討論的并聯(lián)等效阻抗只局限于附近，即當(dāng)，可認(rèn)為 （9-2-11)Z為 （9-2-12)從而阻抗的模為 （9-2-13)其阻抗角為 （9-2-14)4.討論(1)諧振時(shí)，Z達(dá)最大值。當(dāng)角頻率偏離0時(shí)，將減小，且愈大，愈小。(2)諧振時(shí)，

8、電路中與同相；等效阻抗為純電阻性。當(dāng)時(shí)，等效阻抗為電容性，為負(fù)值，即滯后于。反之，當(dāng)時(shí)，等效阻抗為電感性，為正值，超前于。(3)選頻特性與回路的Q值有密切聯(lián)系，Q值愈大，曲線愈尖銳，且相角變化愈快，在附近值和值變化更急劇，選頻特性愈好；同時(shí)，諧振時(shí)的阻抗值也愈大。既然并聯(lián)諧振回路諧振時(shí)表現(xiàn)為一個(gè)很大的純電阻性，而一旦偏離了諧振頻率，就會(huì)出現(xiàn)劇烈的相角變化，等效阻抗也迅速減小。那么如果將其作為三極管的集電極負(fù)載應(yīng)用于放大電路中，就可以使放大電路只對(duì)與諧振頻率相同的輸入信號(hào)具有很強(qiáng)的放大能力，對(duì)于諧振頻率之外的信號(hào)，則放大倍數(shù)迅速下降，并產(chǎn)生較大的附加相移。這種放大電路被稱為選頻放大電路或者將并聯(lián)

9、諧振回路應(yīng)用于反饋網(wǎng)絡(luò)中，使反饋網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性。這兩種方法都可以使電路在構(gòu)成正反饋的同時(shí)具有很好的選頻特性。并聯(lián)諧振回路的應(yīng)用：與放大器結(jié)合選頻放大；與反饋網(wǎng)絡(luò)結(jié)合；電路：先畫共射極放大電路改說(shuō)明選頻放大特性（幅頻、相頻）添加反饋同名端5. 電路原理(1)諧振頻率下，并聯(lián)諧振回路為純電阻，增益最大，電路輸出電壓與輸入電壓反相。(2)諧振頻率之外，增益迅速減小，放大器的相移或超前、或滯后，迅速偏離。(3)如果反饋網(wǎng)絡(luò)也能移相，則電路將在諧振頻率處滿足相位平衡條件，振蕩頻率。(4)為避免三極管因信號(hào)振幅過(guò)大，進(jìn)入飽和區(qū)，引起Q值下降電路停振，靜態(tài)工作點(diǎn)通常設(shè)置的較低，靠近截止區(qū)。(5)畫交流通路

10、時(shí)，諧振回路中的電容不能短接。(6)關(guān)于幅值條件：因?yàn)橐圆⒙?lián)諧振回路為負(fù)載的電路放大倍數(shù)很大，比較容易滿足幅值條件。如果不能起振，只需調(diào)整與的耦合程度或變比即可。(7)關(guān)于振幅穩(wěn)定。利用的非線性來(lái)實(shí)現(xiàn),隨著振幅逐漸增大，三極管的工作點(diǎn)將有一段時(shí)間進(jìn)入截止區(qū)。使得集電極電流波形不再連續(xù)，變成電流脈沖，如圖9-2-4所示。的集電極電流平均值會(huì)有所增大，使得的減小，促使進(jìn)一步靠近截止區(qū)。波形產(chǎn)生這種失真后，出現(xiàn)了高次諧波，其中基波成分在出現(xiàn)失真后便逐漸趨于一個(gè)定值，導(dǎo)致放大倍數(shù)減?。ɑㄝ敵鲭妷弘S輸入變化的趨勢(shì)變緩）。由于并聯(lián)諧振回路具有很好的選頻能力，通過(guò)變壓器繞組送到負(fù)載的電壓波形一般失真不大。

11、圖9-2-4 LC正弦波振蕩電路的起振與穩(wěn)定(8)集電極調(diào)諧式振蕩電路、發(fā)射極調(diào)諧式振蕩電路、基極調(diào)諧式振蕩電路。振蕩頻率：僅在諧振頻率上，電路才滿足振蕩條件，所以。9.2.2三點(diǎn)式振蕩電路電路結(jié)構(gòu)：用具有抽頭的電感與電容組成并聯(lián)諧振回路。反饋網(wǎng)絡(luò)由電感組成，即反饋電壓取自電感，故得此名。由于電感和引出的三個(gè)端點(diǎn)與放大管的三個(gè)電極分別相連，故該電路也常稱為電感三點(diǎn)式正弦波振蕩電路。如圖9-2-5所示。 圖9-2-5 電感反饋式振蕩電路分析電路可知，放大電路為共射組態(tài)， （9-2-15)在諧振頻率處，串聯(lián)支路的電抗X呈容性，在作用下，串聯(lián)支路電流超前，在 上產(chǎn)生的壓降即反饋電壓超前，所以超前（與

12、反相），即； （9-2-16)改變與的匝比（一般取=），可使振蕩器滿足幅度條件。振蕩頻率 （9-2-17)其中L為回路的總電感。M為與之間的互感系數(shù)。電感反饋式的特點(diǎn)：、之間耦合較緊，易起振；調(diào)節(jié)頻率方便，調(diào)節(jié)頻率范圍較寬，可用來(lái)產(chǎn)生幾十兆赫茲以下的正弦信號(hào)；反饋電壓取自電感，因電感對(duì)高次諧波的阻抗較大，使反饋電壓中高次諧波分量較多，輸出波形中含有較大的高次諧波。9.2.3應(yīng)用舉例1.電容反饋式振蕩電路LC并聯(lián)諧振回路如圖9-2-6所示，由電容、，電感L組成，電容支路、有三個(gè)端點(diǎn)分別與放大管的三個(gè)電極相連，故該電路也稱為電容三點(diǎn)式振蕩電路。如圖9-2-6所示。根據(jù)電容反饋式LC振蕩電路的交流等

13、效電路如圖9-2-6所示，可分析出(1)放大電路采用共射組態(tài) （9-2-18)(2)在諧振頻率處，LC2串聯(lián)支路的電抗X呈感性，在作用下，串聯(lián)支路電流滯后，在C2上產(chǎn)生的壓降即反饋電壓滯后，所以滯后，即 （9-2-19)圖9-2-6電容反饋式振蕩電路至于起振的幅值條件，只要保證管子的值在幾十倍以上，適當(dāng)選取的值，即可正常工作，通常選取 1。 （9-2-20)振蕩頻率 （9-2-21)式中C為并聯(lián)諧振回路總的電容量。2.電容反饋式特點(diǎn)反饋電壓取自電容，因電容對(duì)高次諧波的阻抗小則反饋電壓中諧波分量小，使得輸出波形較好。電容、的容量可以選得較小，可使電路的振蕩頻率較高，一般可達(dá)100MHz以上，但調(diào)

14、節(jié)振蕩頻率較困難。3.三點(diǎn)式振蕩電路的連接特點(diǎn)（射同基反）與發(fā)射極相連的兩個(gè)元件電抗同性質(zhì)（如電容），基極和集電極之間所連元件電抗性質(zhì)與前兩者相反（如電感）。滿足此條件，即可產(chǎn)生正弦波振蕩。本節(jié)思考題根據(jù)正弦波振蕩電路，寫出振蕩頻率表達(dá)式。9.3 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)的不同，分別有串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路、移相式振蕩電路、雙T網(wǎng)絡(luò)振蕩電路等等。9.3.1串并聯(lián)選頻電路的選頻特性一種最常見(jiàn)的振蕩電路。其主要特點(diǎn)是采用串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為選頻網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)。如圖9-3-1所示。R1R2C1C2uoui(a) RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(b) 幅頻特性和相頻特性909010f00.1f0f00ff

15、uo10f00.1f0f01/3圖9-3-1 串并聯(lián)選頻電路1串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性與的串聯(lián)阻抗、與的并聯(lián)阻抗為 （9-3-1)討論：（假設(shè)輸入一個(gè)幅值恒定的正弦波電壓）當(dāng)頻率較低時(shí)，則，,低頻等效電路是一個(gè)高通電路。愈低，相位角差也就越大，當(dāng)趨近于零時(shí)，趨近于零，接近于。當(dāng)頻率較高時(shí)，則，高頻等效電路是一個(gè)低通電路。愈高，愈小，而滯后于的相位角愈大，當(dāng)趨近于無(wú)窮大時(shí)，趨近于零，接近。分析：隨著的頻率從低到高變化，只有當(dāng)頻率為某一中間值時(shí)，可能有某一最大值，同時(shí)，相位角從超前到滯后的過(guò)程中，在某一頻率下必有=0，即與同相位。定量分析：RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的電壓傳輸系數(shù)（即反饋系數(shù)）為 （9-3-2)通

16、常取，此時(shí)如令，則上式可簡(jiǎn)化為 （9-3-3)由上式可分別得的幅頻特性為 （9-3-4)的相頻特性為 = （9-3-5)如圖9-3-2可知。結(jié)論：當(dāng)時(shí)，的幅值最大，為，且的相位角為零，即。這說(shuō)明當(dāng)時(shí)，的幅值達(dá)到最大，等于幅值的1/3，且與同相位。2串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)正弦波振蕩電路橋式振蕩電路或文氏電橋振蕩電路。產(chǎn)生自激振蕩的條件：(1)產(chǎn)生振蕩的相位平衡條件,，則 （9-3-6)滿足相位平衡條件。 (2)產(chǎn)生振蕩的幅值條件起振條件： （9-3-7) (3)振蕩頻率 （9-3-8)改變R、C的值，就可調(diào)節(jié)振蕩頻率，通常以調(diào)節(jié)電容為頻率粗調(diào)，調(diào)節(jié)電阻為頻率細(xì)調(diào)。串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路的振蕩頻率范圍為幾赫茲至幾

17、百千赫茲。說(shuō)明：放大電路的輸入、輸出電阻對(duì)振蕩頻率有影響。對(duì)電路輸入、輸出電阻的要求對(duì)負(fù)反饋類型的要求（電壓串聯(lián)負(fù)反饋）。(4)振蕩的穩(wěn)幅目的：使起振后輸出電壓幅度達(dá)到穩(wěn)定；避免外界因素影響；實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的等幅振蕩。原因：和不容易平衡（又能可靠起振又不失真）；外界溫度、電源電壓等因素的變化電路元器件參數(shù)變化打破原有平衡可能停振、可能失真加劇。方法：用熱敏電阻實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)；利用二極管的正向特性改變負(fù)反饋系數(shù)；利用FET的線性電阻區(qū)實(shí)現(xiàn)壓控負(fù)反饋?？傊梅蔷€性元件使負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)成為非線性的。9.3.2橋式振蕩電路圖9-3-3（a）是一種常見(jiàn)的 橋式振蕩電路。圖中左側(cè)的 和 串并聯(lián)電路就是

18、它的選頻網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)選頻網(wǎng)絡(luò)又是正反饋電路的一部分。這個(gè)選頻網(wǎng)絡(luò)對(duì)某個(gè)特定頻率為 的信號(hào)電壓沒(méi)有相移（相移為），其它頻率的電壓都有大小不等的相移。由于放大器有2級(jí)，從輸出端取出的反饋電壓是和放大器輸入電壓同相的（2 級(jí)相移）。因此反饋電壓經(jīng)選頻網(wǎng)絡(luò)送回到的輸入端時(shí)，只有某個(gè)特定頻率為 的電壓才能滿足相位平衡條件而起振?？梢?jiàn)串并聯(lián)電路同時(shí)起到了選頻和正反饋的作用。實(shí)際上為了提高振蕩器的工作質(zhì)量，電路中還加有由和組成的串聯(lián)電壓負(fù)反饋電路。其中是一個(gè)有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，它對(duì)電路能起到穩(wěn)定振蕩幅度和減小非線性失真的作用。從圖9-3-3（b）的等效電路看到，這個(gè)振蕩電路是一個(gè)橋形電路。 、和分別是電橋

19、的4個(gè)臂，放大器的輸入和輸出分別接在電橋的兩個(gè)對(duì)角線上，所以被稱為橋式振蕩電路。 橋式振蕩電路的性能比相移振蕩電路好。它的穩(wěn)定性高、非線性失真小，頻率調(diào)節(jié)方便。它的振蕩頻率是：當(dāng) 、 時(shí) 。它的頻率范圍從1赫1兆赫。1.網(wǎng)絡(luò)的選頻特性將電阻與電容串聯(lián)、電阻與電容并聯(lián)所組成的網(wǎng)絡(luò)稱為串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，如圖9-3-3所示。通常選取，。(1)諧振頻率取決于選頻網(wǎng)絡(luò)R、C元件的數(shù)值，計(jì)算公式為 （9-3-9)(2)當(dāng)輸入信號(hào)的頻率時(shí)，輸出電壓幅度最大為。其輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的相移。(3)在，輸出電壓幅度很快衰減，其存在一定的相移。所以串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性。2.橋式正弦波振蕩電路(1)電路組成，如圖

20、9-3-4所示。由、和、構(gòu)成具有選頻作用的正反饋支路。由同相輸入運(yùn)放構(gòu)成的放大器，二者構(gòu)成了正反饋放大器。(2)振蕩原理。相位條件是同相放大器的輸入與輸出信號(hào)相位差為，串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的移相也為，滿足正弦波振蕩的相位平衡條件。幅度條件為 （9-3-10）選頻網(wǎng)絡(luò)反饋系數(shù)。同相放大器的放大倍數(shù) ，只要和的取值滿足時(shí)，振蕩電路就滿足振蕩的幅度平衡條件 （9-3-11）(3)振蕩頻率。通常情況下選取，則振蕩頻率為 （9-3-12）3振蕩電路的穩(wěn)幅如圖9-3-5所示是利用二極管的非線性特性自動(dòng)完成穩(wěn)幅的。當(dāng)振蕩電路輸出幅值增大時(shí)，流過(guò)二極管的電流增大使二極管的動(dòng)態(tài)電阻減小、同相放大器的負(fù)反饋得到加強(qiáng)，放

21、大器的增益下降，從而使輸出電壓穩(wěn)定。圖9-3-5 RC振蕩電路的穩(wěn)幅電阻選用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，通過(guò)負(fù)反饋電阻的電流增大，即溫度升高，阻值減小，負(fù)反饋增強(qiáng)，輸出幅度下降，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。電阻選用正溫度系數(shù)的熱敏電阻，同樣可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。9.3.3應(yīng)用舉例200kHz以下的正弦振蕩電路，一般采用振蕩頻率較低的振蕩電路。常用的振蕩電路有相移式和橋式兩種。圖9-3-6是典型的超前型相移振蕩電路，它是由一個(gè)反相放大器和一個(gè)移相反饋網(wǎng)絡(luò)組成的。如果放大器在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)為，反饋網(wǎng)絡(luò)還必須使通過(guò)它的某一特定頻率的正弦電壓再移相，才能滿足自激振蕩的相位平衡條件。由它的相量圖可知超前一個(gè)相角

22、，當(dāng)時(shí)，；時(shí)，。這說(shuō)明：一節(jié)電路最大相移不超過(guò)，不能滿足相位平衡條件。若兩節(jié)電路最大相移雖可接近，但此時(shí)頻率必須很低，從而容抗很大，致使輸出電壓接近于零，又不能滿足自激振蕩的幅度平衡條件。所以，實(shí)際上至少要用三節(jié)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)移相，才能滿足振蕩條件。圖9-3-6所示振蕩電路，反饋網(wǎng)絡(luò)由三節(jié)移相電路組成?？捎盟矔r(shí)極性法判斷它是否滿足振蕩的相位平衡條件：在基極與的連接處斷開，若輸入一頻率由低到高的信號(hào)，經(jīng)放大器移相后，再經(jīng)過(guò)移相網(wǎng)絡(luò)移相，而可從連續(xù)變到，其間必有一頻率使，于是在此頻率上滿足相位平衡條件，若同時(shí)滿足幅度平衡條件，則電路可產(chǎn)生自激振蕩。將圖9-3-6移相網(wǎng)絡(luò)中的R、C位置互換，便得到滯后移

23、相振蕩器，分析方法同上。為了得到振蕩頻率和起振條件，可畫圖a的微變等效電路9-3-7，并設(shè)，列出回路方程，可解出振蕩頻率為 （9-3-13）式中 （9-3-14）當(dāng)時(shí)，上式可化簡(jiǎn)為： （9-3-15）圖 9-3-8為由運(yùn)算放大器組成的相移振蕩電路，三節(jié)網(wǎng)絡(luò)在特定頻率下產(chǎn)生相移，只要反相放大器增益適當(dāng)，即可滿足振蕩條件而產(chǎn)生振蕩，放大器的放大倍數(shù)應(yīng)當(dāng)可調(diào)，使之既能起振，失真又較小。移相式振蕩器，具有電路簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)，但選頻作用較差，振幅不夠穩(wěn)定，頻率調(diào)節(jié)不便，因此一般用于頻率固定、穩(wěn)定性要求不高的場(chǎng)合。本節(jié)思考題對(duì)于RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路，當(dāng),時(shí)，求其振蕩頻率。9.4石英晶體正弦波振

24、蕩電路如圖9-4-1，頻率穩(wěn)定度是振蕩電路的一項(xiàng)重要的質(zhì)量指標(biāo)。頻率穩(wěn)定度常用頻率的相對(duì)變化量表示，表示實(shí)際因某些因素引起的實(shí)際振蕩頻率與的偏差，為額定振蕩頻率，愈小表示振蕩電路的頻率穩(wěn)定性愈好。造成振蕩頻率不穩(wěn)定的因素:主要有選頻網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)隨溫度和時(shí)間而變化，晶體管參數(shù)變化和負(fù)載變動(dòng)等。在振蕩電路中，Q值愈大，頻率的穩(wěn)定度愈高。但一般并聯(lián)諧振回路的Q值只可達(dá)數(shù)百，使其頻率穩(wěn)定度很難突破的數(shù)量級(jí)。因此我們可以使用石英晶體諧振器代替LC回路的諧振電感，由于石英晶體具有性能穩(wěn)定，等效Q值極高等優(yōu)點(diǎn)，使得振蕩頻率具有很高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，一般石英晶體振蕩電路的頻率穩(wěn)定度可達(dá)甚至數(shù)量級(jí)。石英晶體是一

25、種各向異性的結(jié)晶體，其化學(xué)成份是二氧化硅（SiO2），具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)。將石英晶體按一定方位角切割成薄片，稱為晶片，在晶片的兩個(gè)對(duì)應(yīng)表面用噴涂工藝涂上銀層形成一對(duì)極板，且在每個(gè)極板上焊接一根引線，裝在支架上密封后就成為石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱石英晶體。壓電效應(yīng)與諧振，如果加一個(gè)電場(chǎng)，晶片會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形；相反，如果對(duì)晶體施加機(jī)械力使其變形，又會(huì)在極板上產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在石英晶體的兩個(gè)極板上加上交變電壓，晶片便會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形振動(dòng)，同時(shí)伴隨著這種機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。 這種機(jī)械變形振動(dòng)的振幅一般非常微小，伴隨產(chǎn)生的交變電場(chǎng)也較弱。但當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有

26、頻率（取決于晶片形狀和幾何尺寸）相等時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的幅度會(huì)急劇增加，伴隨產(chǎn)生的交變電場(chǎng)強(qiáng)度也增大。此時(shí)晶片發(fā)生機(jī)械諧振，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。這種壓電諧振現(xiàn)象與一般LC回路的諧振現(xiàn)象非常相似，故可以用電參數(shù)來(lái)模擬等效。用電容等效晶片兩金屬極板間的靜電電容，的值與晶片的幾何尺寸和電極面積有關(guān)，一般約為幾到幾十。用電感L模擬晶片機(jī)械振動(dòng)的慣性，L的值為H。用電容C模擬晶片的彈性，C的值為。電阻R用來(lái)模擬晶片振動(dòng)時(shí)的摩擦損耗，約為幾十歐。電感L、電容C的值與晶體的切割方式及晶片和電極的尺寸、形狀等有關(guān)。晶片的等效電感L很大，等效電容C很小，等效電阻R也小，所以回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大，可高達(dá)104-106

27、；晶片的固有頻率僅與晶片的自身的形狀、幾何尺寸有關(guān)，所以很穩(wěn)定且可很精確?；谏鲜鲈?，由石英晶體諧振器組成的振蕩電路具有很高的頻率穩(wěn)定度。因等效電阻R很小，可以忽略。回路的等效電抗X為 （9-4-1）由式可畫出電抗X的頻率特性如圖9-4-2所示。當(dāng)時(shí)，即L、C支路的串聯(lián)諧振角頻率S 為 （9-4-2） （9-4-3）時(shí)，上式分母為零，并聯(lián)諧振角頻率為 （9-4-4）圖9-4-2 頻率特性由于，所以和非常接近。由圖9-4-2可知，當(dāng)，時(shí)，電抗X為容性，只有時(shí)，X呈感性。由式可得石英晶體并聯(lián)諧振頻率為 （9-4-5）9.4.2石英晶體振蕩電路兩種基本電路類型：并聯(lián)型晶體振蕩電路和串聯(lián)型晶體振蕩電

28、路。1并聯(lián)型石英晶體振蕩電路用石英晶體取代電容反饋式振蕩電路中的電感L，就構(gòu)成了并聯(lián)型石英晶體振蕩電路，電路原理圖如圖9-4-3（a）所示。振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)由石英晶體和電容、組成。電路的交流通路如圖9-4-3（b）。（a）電路原理圖 （b）交流通路圖9-4-3 石英晶體振蕩電路若將石英晶體視為電感，則該電路類似于電容反饋式振蕩電路，石英晶體與電容、組成并聯(lián)諧振回路，因此該電路為并聯(lián)型石英晶體振蕩電路，電路的振蕩頻率即是并聯(lián)諧振回路的諧振頻率 （9-4-6）為回路的總電容，即晶體等效電路內(nèi)電感兩端的等效電容 （9-4-7）其中是與晶體有關(guān)聯(lián)的外部電容 。即。 （9-4-8）由于通常有 、 （9

29、-4-9）所以 。 （9-4-10）可得 （9-4-11）振蕩頻率 （9-4-12）由上式可知，振蕩頻率在與之間，此時(shí)石英晶體的電抗呈感性，即可把石英晶體視為一個(gè)電感。事實(shí)上因?yàn)橥ǔ＃栽诨芈分衅饹Q定性作用的是電容C，即 （9-4-13）振蕩頻率近似為 （9-4-14）由上式可知振蕩頻率基本上由石英晶體的固有頻率來(lái)決定，與的關(guān)系很小，因此振蕩頻率的穩(wěn)定度很高。實(shí)際電路通常用外接微調(diào)電容來(lái)微調(diào)晶體的振蕩頻率使之達(dá)到要求的頻率。2串聯(lián)型晶體振蕩電路串聯(lián)型晶體振蕩器是將石英晶體用于正反饋支路中，利用其串聯(lián)諧振時(shí)等效為短路元件的特性，電路反饋?zhàn)饔米顝?qiáng)，滿足振幅起振條件，使振蕩器在晶體串聯(lián)諧振頻率上起

30、振。圖9-4-4是一種串聯(lián)型單管晶體振蕩器電路。這種振蕩器與三點(diǎn)式振蕩器基本類似，只不過(guò)在正反饋支路上增加了一個(gè)晶體。與電容三點(diǎn)式振蕩電路十分相似，所不同的是反饋信號(hào)不是直接接到晶體管的發(fā)射極，而是經(jīng)石英晶體接入實(shí)現(xiàn)正反饋。若選頻回路的振蕩頻率等于石英晶體的串聯(lián)諧振頻率，石英晶體諧振器就會(huì)呈現(xiàn)很小的電阻，實(shí)現(xiàn)正反饋?zhàn)顝?qiáng)，滿足振蕩條件，振蕩電路便可起振。電路圖9-4-4及交流等效電路（如圖9-4-5）,，,為晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)的控制，輸出用LC并聯(lián)諧振回路晶體加在反饋回路中。為可變電容，為12v電壓。 本節(jié)思考題1. 石英晶體正弦波振蕩電路的主要特點(diǎn)是什么？2. 石英晶體振蕩電路的振蕩頻率基本上取

31、決于什么？_單元九小結(jié)自激振蕩電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)滿足自激振蕩條件的正反饋放大電路。自激振蕩的幅值條件是，即必須有足夠強(qiáng)的反饋；自激振蕩的相位條件是，即必須是正反饋。正弦波振蕩電路是具有選頻網(wǎng)絡(luò)的自激振蕩電路，是利用選頻網(wǎng)絡(luò)通過(guò)正反饋產(chǎn)生自激振蕩的。正弦波振蕩電路一般有放大電路、選頻網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)三個(gè)基本部分組成。按選頻網(wǎng)絡(luò)的不同，有LC正弦波振蕩電路和RC正弦波振蕩電路兩大類。LC正弦波振蕩電路按反饋元件不同會(huì)有三種基本電路：變壓器反饋式、電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式振蕩電路。LC正弦波振蕩電路主要用作高頻振蕩電路。RC正弦波振蕩電路用作低頻振蕩電路。常用的為RC橋式正弦波振蕩電路，他的振蕩頻率由RC

32、串并聯(lián)選頻回路決定。石英晶體正弦波振蕩電路具有很高的頻率穩(wěn)定度，電路有串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種類型。單元九習(xí)題1. 自激振蕩需具備哪些條件？2. 電路如圖9.1所示，已知，。（1）若要產(chǎn)生自激振蕩，試問(wèn)應(yīng)為多少？（2）試計(jì)算電阻R值和振蕩頻率值。3. 電路如圖9.2（所示，變壓器繞組極性已表明在圖上，變化=5，。（1）試用相位條件判別電路能否產(chǎn)生振蕩？若不能振蕩，應(yīng)如何改接電路使其產(chǎn)生振蕩？（2）在振蕩情況下，求電阻和的值。 4. 試用相位條件判別圖9.3所示兩個(gè)電路能否產(chǎn)生振蕩？并之處其中反饋元件，標(biāo)出其反饋電壓極性（假定三極管基極電位為正）。 5. 試說(shuō)明振蕩條件、振蕩建立和振蕩穩(wěn)定三個(gè)問(wèn)題。6

33、. 從到，是自激振蕩的建立過(guò)程，在此過(guò)程中，哪個(gè)量減小了？7. 在正弦波振蕩電路中，為什么要有選頻電路？沒(méi)有它是否也能產(chǎn)生振蕩？這時(shí)輸出的是不是正弦信號(hào)？8. 圖9.4是用運(yùn)算放大器構(gòu)成的音頻信號(hào)發(fā)生器的簡(jiǎn)化電路。（1）大致調(diào)到多大才能起振？（2）為雙聯(lián)電位器，可從0跳刀14.4，試求振蕩頻率的調(diào)節(jié)范圍。圖9.49. 圖9.5所示是簡(jiǎn)易電子琴電路，按下不同琴鍵（圖示為開關(guān)）就可以改變的阻值。當(dāng)，而時(shí)，振蕩頻率且在時(shí) 當(dāng)時(shí)，。已知8個(gè)基本音階在C調(diào)時(shí)鎖對(duì)應(yīng)的頻率如下表所列。試問(wèn)：（1）大致調(diào)到多大才能起振？（2）計(jì)算。表9.1C調(diào)123456726429733035239644049552810

34、. 試用相位條件判斷圖9.6所示兩個(gè)電路能否產(chǎn)生自激振蕩，并說(shuō)明理由。圖9.611. 試用自激振蕩的相位條件判斷圖9.7所示各電路能否產(chǎn)生自激振蕩，哪一段上產(chǎn)生反饋電壓？12. 試證明LC并聯(lián)電路在并聯(lián)諧振時(shí)其等效阻抗為13. 在調(diào)試圖9.8所示電路時(shí)，試解釋下列現(xiàn)象：（1）對(duì)調(diào)反饋線圈的兩個(gè)接頭后就能起振；（2）調(diào)，或的阻值后就能起振；（3）改用較大的晶體管后就能起振；（4）適當(dāng)增加反饋線圈的圈數(shù)后就能起振；（5）適當(dāng)增大L值或減小C值后就能呢個(gè)起振；（6）反饋太強(qiáng)，波形變壞；（7）調(diào)整，或的阻值后可使波形變好；（8）負(fù)載太大不僅影響輸出波形，有時(shí)甚至不能起振；單元九習(xí)題參考答案1.第一：相位具備正反饋；第二：幅值條件滿足2.（1）9；（2）6，。3.（1）不能，調(diào)換極性；（2）。4.（a）不能，上“+”下“-”；（b）能，左“+”右“-”5. 解：振蕩建立：為了產(chǎn)生振蕩，首先在放大器輸入端應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)干擾輸入信號(hào)，經(jīng)放大器放大后再反饋到輸入端的反饋信號(hào)應(yīng)大于原有干擾輸入信號(hào)，這樣信號(hào)便愈來(lái)愈大，振蕩便建立起來(lái)了。即要建立振蕩，開始時(shí)應(yīng)滿足。振蕩穩(wěn)定：振蕩建立后，由于放大器中元件的非線性特性，最后達(dá)到飽和，和不再增大，電路便穩(wěn)定了。為了