正弦波振蕩器的認識和制作

正弦波振蕩器的認識和制作第一頁，共二十六頁，2022年，8月28日

振蕩電路是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它無需外加信號，就能自動地將直流電能轉(zhuǎn)換成具有一定頻率、一定幅度和一定波形的交流信號。振蕩器有非常廣泛的應(yīng)用，尤其是正弦波振蕩器，其輸出波形是正弦波，可用作各種信號發(fā)生器、無線電接收機的本振電路、無線電發(fā)射機的載波發(fā)生器等。

4.1

正弦波振蕩器

4.3

石英晶體振蕩器

4.2

LC振蕩器

4.4RC振蕩器

項目小結(jié)

項目4正弦波振蕩器的認識及制作第二頁，共二十六頁，2022年，8月28日4.1.1正弦波振蕩器的組成正弦波振蕩器主要由放大電路、選頻電路和反饋網(wǎng)絡(luò)三部分所組成。

1.放大電路正弦波振蕩器結(jié)構(gòu)框圖

利用三極管的電流放大作用使電路具有足夠的放大倍數(shù)。

2.選頻電路

正弦波振蕩器僅對某個特定頻率的信號產(chǎn)生諧振，從而保證了正弦波振蕩器具有單一的工作頻率。按選頻電路組成元件不同，可分為LC振蕩器、RC振蕩器及石英晶體振蕩器等幾種常見的類型。

3.反饋網(wǎng)絡(luò)

將輸出信號正反饋到放大電路的輸入端，作為輸入信號，使電路產(chǎn)生自激振蕩。

4.1正弦波振蕩器第三頁，共二十六頁，2022年，8月28日4.1.2自激振蕩的過程當(dāng)振蕩器接通電源的瞬間，電路受到擾動，在放大器的輸入端將產(chǎn)生一個微弱的擾動電壓vi，經(jīng)放大器放大、選頻后，通過正反饋網(wǎng)絡(luò)回送到輸入端，形成放大→選頻→正反饋→再放大的過程，使輸出信號的幅度逐漸增大，振蕩便由小到大地建立起來。當(dāng)振蕩信號幅度達到一定數(shù)值時，由于三極管非線性區(qū)域的限制作用，使管子的放大作用削弱，即電路的放大倍數(shù)下降，振幅也就減小，最終使電路維持穩(wěn)幅振蕩。

4.1.3自激振蕩的條件

1.相位平衡條件相位平衡條件是指反饋信號與輸入信號的相位同相，即電路有正反饋存在。

φ=2nπ

2.振幅平衡條件

反饋電壓的幅值與輸入電壓的幅值相等，這是電路維持穩(wěn)幅振蕩的振幅條件。

Av

F=1第四頁，共二十六頁，2022年，8月28日

LC振蕩器是由放大器、LC選頻回路和反饋電路三部分所組成。LC振蕩器可分為變壓器耦合式振蕩器和三點式振蕩器兩大類。

4.2.1變壓器耦合LC振蕩器

1.共發(fā)射極變壓器耦合式振蕩器

（1）電路元件作用

4.2LC振蕩器Rb1、Rb2構(gòu)成分壓式偏置電阻Re是發(fā)射極直流負反饋電阻。C1、Ce是信號旁路電容

L1、C構(gòu)成并聯(lián)諧振回路作為選頻回路。

L2是反饋線圈。共發(fā)射極變壓器耦合式LC振蕩電路

第五頁，共二十六頁，2022年，8月28日（2）振蕩原理

開機瞬間產(chǎn)生的電擾動經(jīng)三極管V組成的放大器放大，然后由LC選頻回路從眾多的頻率中選出諧振頻率f0，并通過線圈L1和L2之間的互感耦合把反饋信號正反饋至三極管基極。偏離f0的其它頻率的信號因有附加相移而不滿足相位平衡相位條件。只要三極管的電流放大倍數(shù)β及L1和L2的匝數(shù)比合適，滿足振幅條件，就能振蕩產(chǎn)生頻率為f0的信號。

振蕩頻率f0的計算公式為：（3）電路特點

共發(fā)射極變壓器耦合式振蕩器功率增益高，容易起振。但由于共發(fā)射極電流放大倍數(shù)β隨工作頻率的增高而急劇降低，故其振蕩幅度很容易受到振蕩頻率大小的影響，因此常用于固定頻率的振蕩器。

第六頁，共二十六頁，2022年，8月28日

2．共基極變壓器耦合式LC振蕩器（1）電路分析下圖所示的是共基極變壓器耦合式LC振蕩器。L1是負載線圈。通過變壓器L1和L2之間的互感作用，在L2上產(chǎn)生感生電動勢，L2C選頻網(wǎng)絡(luò)進行選頻，L2線圈2、3端的反饋電壓加到晶體管的發(fā)射極與地(基極)使之產(chǎn)生振蕩。正反饋量的大小可以通過調(diào)節(jié)L2的匝數(shù)或兩個線圈之間距離來改變。調(diào)整可變電容器C可調(diào)節(jié)振蕩頻率f0。

共基極變壓器耦合式LC振蕩器（2）電路特點

共基極變壓器耦合式振蕩器的振蕩頻

率調(diào)節(jié)方便，波形較好，常用于收音機的本機振蕩電路。

第七頁，共二十六頁，2022年，8月28日4.2.2三點式LC振蕩器

1．電感三點式振蕩器

（1）電路分析圖（a）是電感三點式振蕩器的電路原理圖，圖(b)是它的交流通路，三極管的三個電極分別與電感支路的三個點1、2、3相連接，電感三點式振蕩器由此得名。LC網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)選頻，從電感線圈L2兩端取出正反饋電壓vf加到晶體管輸入端。圖中C1是隔直流、耦合正反饋信號的電容，Ce是射極旁路電容。振蕩頻率：電感三點式振蕩器原理電路電感三點式振蕩器交流通路

（2）電路特點電感三點式電路容易振蕩，調(diào)節(jié)頻率方便；工作頻率可以做得很高，可達到幾十兆赫。但輸出波形中含有高次諧波，波形較差。第八頁，共二十六頁，2022年，8月28日2．電容三點式振蕩器

將電感三點式振蕩電路中的諧振電容和電感互換，就構(gòu)成了電容三點式振蕩器，圖（a）是原理圖，圖（b）為交流通路，三極管的三個電極與電容支路的三個點相接，電容三點式由此而得名。（a）電容三點式振蕩器原理圖（b）電容三點式振蕩器交流通路

L和C1、C2組成振蕩選頻網(wǎng)絡(luò)，利用C1和C2串聯(lián)分壓，將C2上的信號正反饋到放大器的輸入端。

振蕩頻率：

第九頁，共二十六頁，2022年，8月28日3．改進型電容三點式振蕩器

圖（a）所示的電容三點式振蕩交流通路可以看出：三極管極間電容Cbe和Cce分別與Cl、C2并聯(lián)，構(gòu)成振蕩電路的一部分。由于極間電容會隨溫度變化或更換管子后有所差異，這些因素將造成振蕩頻率的不穩(wěn)定。改進的電容三點式振蕩器是在LC回路的電感支路串入小電容C3，如圖（b）所示。當(dāng)C3遠小于C1和C2時，其振蕩頻率f0與C1、C2、Cbe、Cce都基本無關(guān)，因此相對削弱了三極管極間電容的影響。（a）改進型電容三點式振蕩器原理圖（b）改進型電容三點式振蕩器交流通路振蕩頻率為：第十頁，共二十六頁，2022年，8月28日

圖（a）所示的是KP12-3型電視機高頻頭的本振電路，其交流等效電路見圖（b），為改進型電容三點式振蕩器。電感L9與電容C18、C21、C23、C25組成LC諧振回路，R13、R11為三極管的偏置電阻，R18為射極負反饋電阻，R17為集電極直流負載電阻，C30為高頻旁路電容。

（a）電視機高頻頭的本振電路原理圖（b）電視機高頻頭的本振等效電路應(yīng)用實例

第十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日

用石英晶體組成的振蕩器其頻率穩(wěn)定度可達10-6—10-l1數(shù)量級，大大提高了振蕩頻率的穩(wěn)定度。目前，石英晶體振蕩器已廣泛應(yīng)用于石英鐘、彩色電視機、手持移動電話、計算機等各類電子設(shè)備中。4.3.1石英晶體諧振器天然石英屬二氧化硅晶體(SiO2)，將它按一定方位角切成薄片，稱為石英晶體。石英晶體外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及符號如圖所示。石英晶體外形石英晶體結(jié)構(gòu)石英晶體符號

4.3石英晶體振蕩器第十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日

石英晶振的等效電路如下圖所示。由石英晶振等效電路可知，這個電路有兩個諧振頻率。石英晶體諧振器特性等效電路石英晶體諧振器頻率特性

(1)當(dāng)R、L、C支路發(fā)生串聯(lián)諧振時，等效于純電阻R，阻抗最小，其串聯(lián)諧振頻率為：

(2)當(dāng)外加信號頻率高于fs時，R、L、C支路與Co支路發(fā)生并聯(lián)諧振，諧振頻率為：第十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日

4.3.2石英晶體振蕩器石英晶振作為選頻元件所組成的正弦波振蕩電路稱為石英晶體振蕩器。石英晶體振蕩器的電路形式有兩類：一類為并聯(lián)型石英晶體振蕩器，工作在fp與fs之間，石英晶體起電感作用；另一類為串聯(lián)型石英晶體振蕩器，工作在串聯(lián)諧振頻率fs處，利用阻抗最小的特性來組成振蕩電路。

1．并聯(lián)型石英晶體振蕩器

該振蕩器的實物接線如圖（a）所示，圖（b）為交流等效電路。選頻回路由Cl、C2和石英晶振組成，石英晶振在回路中相當(dāng)于一個電感，顯然這相當(dāng)于一個電容三點式電路。

并聯(lián)型石英晶體振蕩器原理電路并聯(lián)型石英晶體振蕩器交流等效電路第十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日2．串聯(lián)型石英晶體振蕩器串聯(lián)型石英晶體振蕩器如圖所示。石英晶振接在三極管V1、V2組成的兩級放大器的正反饋網(wǎng)絡(luò)中，起到了選頻和正反饋的作用。

串聯(lián)型石英晶體振蕩器當(dāng)振蕩頻率等于石英晶振的串聯(lián)諧振頻率fs時，石英晶振阻抗最小，因此正反饋最強，且相移為零，電路滿足自激振蕩條件而振蕩。對于頻率不等于fs的信號來說，石英晶振的阻抗較大，相移不為零，電路不滿足自激振蕩條件。

第十五頁，共二十六頁，2022年，8月28日

為了提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，除了在電路結(jié)構(gòu)上采取措施，還可從以下幾方面采取措施。

●盡量減少溫度的影響，將振蕩放大電路與諧振元件置于恒溫環(huán)境中，采用空調(diào)使其工作溫度基本保持不變，該方法一般用于要求較高的控制設(shè)備。另外，諧振元件應(yīng)選用溫度系數(shù)很小的元器件。●安裝工藝上要注意消除分布電容和分布電感的影響。

●減小負載對振蕩電路的影響，一般采用方法是在振蕩電路與負載之間加一緩沖放大電路，這樣負載變化對振蕩回路的影響便可大為降低。

●穩(wěn)定電源電壓，采用穩(wěn)壓電源供電。

●諧振元件應(yīng)密封和屏蔽，使之不受外界電磁場的影響，不受濕度變化的影響。

第十六頁，共二十六頁，2022年，8月28日RC振蕩器主要由RC選頻反饋網(wǎng)絡(luò)和放大器所組成，常見的類型有橋式振蕩電路和移相式振蕩電路，本節(jié)將介紹RC橋式振蕩電路的基本原理。

4.4.1RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)是由R2、C2并聯(lián)后與R1、C1串聯(lián)組成，一般取R1=R2=R，C1=C2=C，其選頻特性如右下圖所示，輸入電壓vi的幅度一定時，輸入信號頻率變化會引起輸出電壓vo幅度和相位都變化。諧振頻率：諧振輸出電壓：

4.4RC振蕩器

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)選頻特性第十七頁，共二十六頁，2022年，8月28日4.4.2RC橋式振蕩器

1．電路組成

RC橋式振蕩器又稱為文氏橋振蕩器，它由同相放大器和具有選頻作用的RC串并聯(lián)正反饋網(wǎng)絡(luò)所組成。

RC橋式振蕩電路原理電路RC橋式振蕩電路實物圖

2．振蕩原理

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)組成正反饋回路，集成運放輸出信號經(jīng)選頻網(wǎng)絡(luò)選出頻率為的信號從同相端輸入，形成正反饋，使之產(chǎn)生自激振蕩。

Rt和R3組成負反饋回路，自動調(diào)節(jié)振蕩輸出信號趨于穩(wěn)定。

第十八頁，共二十六頁，2022年，8月28日第十九頁，共二十六頁，2022年，8月28日1.音頻信號發(fā)生器的整機印刷電路板圖如圖4-17所示，按原理圖和印刷板圖安裝電路。圖4-17音頻信號發(fā)生器印刷電路板圖第二十頁，共二十六頁，2022年，8月28日2.用木板或塑料自制外殼，并按圖4-18所示開出各個安裝孔。3.將電位器RP1和RP2、頻段開關(guān)S1、電源開關(guān)S2和輸出端插座直接固定在面板上，電路板和電池固定在面板后面，如圖4-19所示。

圖4-18音頻信號發(fā)生器的外殼圖4-19整機部件的固定第二十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日4.按圖4-20所示，用透明郵寄玻璃板制成一個帶刻度線的指針板，粘牢在電位器RP1的旋鈕上。圖4-20指針板的制作圖4-21起振調(diào)整5.電路安裝完畢，經(jīng)檢查無誤后，接入+9V直流電源，用示波器觀察輸出端的波形，按圖4-21所示用小螺絲刀緩慢調(diào)節(jié)R3使電路起振，并調(diào)到示波器顯示的正弦波波形最好。第二十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日圖4-22輸出信號頻率刻度線的確定6.按圖4-22所示，將頻率計接音頻信號發(fā)生器的輸出端，轉(zhuǎn)動頻率細調(diào)旋鈕（RP1），根據(jù)頻率計顯示的輸出頻率數(shù)值，畫出刻度線并標(biāo)注信號頻率。第二十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日項目小結(jié)

1．正弦波振蕩器主要由放大電路、選頻電路和正反饋網(wǎng)絡(luò)三部分所組成，電路要起振必須同時滿足相位平衡條件和振幅平衡條件，即