7. 正弦波振荡器
概述
振荡器与放大器的区别：
◆放大器：对外加的激励信号进行不失真的放大。
◆振荡器：在没有激励信号的情况下，能自动的将直流电源能量转换为周期性交流信号输出的电子
电路。振荡器的应用十分广泛，振荡器的种类也很多。
反馈振荡器
LC 振荡器
◆按振荡原理分类 ◆按选频回路元件性能分类 RC 振荡器
负阻振荡器 晶体振荡器
正弦波振荡器 低频振荡器
◆按振荡波形分类 ◆按振荡频率分类
非正弦波振荡器（多谐振荡器等） 高频振荡器
反馈振荡器：利用有源器件和选频回路，根据正反馈原理组成
负阻振荡器：把一个呈现负阻性的二端有源器件直接与谐振回路相连
应用：无线电发射机用它产生载荷信息的载波信号。无线电发射机用它产生载荷信息的载波信号。
各种电子测量设备和计时仪表用它产生频率（或时间）基准信号。工业生产部门广泛应用的
高频电加热设备等。
基本构成：◆一个由储能元件构成的决定振荡频率的选频网络。
◆一个在规定频段内具有能量变换（或放大）作用的换能机构。（有源器件──放大器）
◆一个有助于补充元器件能量损耗和保证振荡器工作稳定的反馈电路。
◆一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件。
事实上，在晶体管正弦振荡器中，晶体管既起着能量变换的作用，又起着调整和控制振荡强度
的非线性作用。
优点：1)它将直流电能转变为交流电能．而本身静止不动，不需作机械转动或移动。如果用高频交
流发电机，则其旋转速度必须很高，最高频率也只能达50kHz ，但却需要很坚实的机械构造。
2)它产生的是“等幅振荡”，而火花发射机等产生的是“阻尼振荡”。
3)使用方便，灵活性很大，它的功率可自毫瓦级至几百千瓦，工作频率则可自极低频率(例如
每分钟几个周被)至微波波段。 电子振荡器的输出波形可以是正弦波，也可以是非正弦波。
7.2 LCR 回路中的瞬变现象
参阅图7.2.1，假设开关s 先放于1的位置，使电容c
最初充电到电压V ，然后将s 转换到2的位置，C 上的电荷
即经过L 、R 放电。由基尔霍夫定律可得：
01=++?idt C
Ri dt di L 将上式微分一次可得：
022022=++i dt di dt
i d L ωδ 图7.2.1 LCR 自由振荡电路
δ=R/2L ，为回路的衰减系数；0ω=LC /1，为回路的固有角频率。解微分方程，并带入初时
条件，t ＝0，i ＝0，V dt di L t =??? ??=0
，得：??? ??---=----t t t e e e L V i
2022022022ωδωδδωδ
负号的物理意义说明放电电流的方向正好与充电时相反。上式（7.2.2）可分成下列三种情况：(1)()C L R /22
02>>ωδ，上式可以写为：()t e L V i t 202202sinh 2ωδω
δδ---=- 此时，不能产生振荡。此种情形称为过阻尼。也就是说，只太大，无法产生振荡。 (2) ()C L R /22
2==ωδ,上式可以写为：t te L V i δ--= 由此仍然是不振荡的。此时称为临界阻尼。因为只要只再减小，就可以进入振荡区域。 (3) ()C L R /22
02<<ωδ,此时jw =<202ωδ，为虚数。wt e L
V i t sin δω--=，此时电流做周期变化，也就是说，产生了自由振荡，频率为：22
2204121212L R LC w f -=-==π
δωππ
（a ）0>δ，C L R R /20<>且 （b ）0=δ，R ＝0 （c ）0<δ，0 图7.2.4 时产生振荡电流的情形 202ωδ<，从左往右为减幅振荡、等幅振荡、增幅振荡 由此可知，为了获得等幅振荡，就必须设法使Lc 回路中的电阻等于零。由于实际的LC 回路本 身总是有正电阻的，因此必须人为地引入一个负电阻，将回路本身的正电阻完全抵消，以获得等幅 振荡。以后我们会知道，在电路中引入正反馈，即等效于引入一个负电阻。另一种方法是利用有源 器件本身的负阻特性，使之抵消LC 回路的正电阻。因此负阻振荡器与反馈振荡器两种概念是统一 的。从某种意义来说，负阻的概念比正反馈的概念能决有普遍性。 当只为负值时，振荡振幅将随时间而增长，得到图7.2.4(c)的增幅振荡波形。如果只的负值不变， 则振幅将继续无限制地增大。但这在实际上是不可能的。因为一个振荡器开始振荡时，回路的等效 串联电阻为负值(由有源器件供给负阻)，随着振荡振幅的增长．有源器件的工作状态逐渐改变，负电 阻的绝对但逐渐减小。最后负电阻与回路本身的正电阻正好互相抵消时，整个串联等效电阻变为零， 振荡器即依照图7.2.4(b)产生等幅振荡，它的振荡频率则取决于电路参数L 、C 、R 的值。 实际上，回路中总是有电阻存在的，因此为了维持回路产生等幅振荡，就必须不断地在正确的 时间补充由于回路电阻所耗去的电能，这就需要采用有源器件与正反馈电路来完成这一任务。 7.3 LC 振荡器的基本原理 构成一个振筋器必须具备下列三个条件： ◆振荡回路，包含两个或两个以上的储能元件 A 、存储能量； B 、决定振荡频率； C 、具有选频特性，保证输出单一正弦波。 ◆能量来源：补充振荡时回路电阻损耗的能量。 ◆控制设备，即有源器件和正反馈电路： A 、控制能量补充； B 、保证能量交换。 （a ）实际电路 （b ）等效电路 图7.3.1 互感耦合调集振荡电路 r i dt di L h i h h L L ob ob fb ++=1 C L i i i += dt di M v h h i L C rb ib e += ?=+=dt i C dt di L r i v C L L C 1 由方程组消去ic ，i ，vc 可得：()011122=??? ? ??+?+-?++L ib b L fb b ib ib L i r h h LC dt di M h h L Crh LC h dt i d 式中， rb fb ib ob b h h h h h -=?，产生振荡时，必须有：()012=-?+=M h h L Crh LC h fb b ib ib δ 因此，可得振荡的条件为：fb b ib h M h L Crh =?+，显然，M 与hfb 越大，越容易起振。 振荡角频率为：)r (110很小时当LC r h h LC ib b ≈??? ? ??+?=ω 应当指出，用这种近似的方法只能解决起始振荡条件和振荡频率的问题，不能决定稳定振幅的大小。 7.4 由正反馈的观点来决定振荡的条件 在本节以前，我们是由电路中的瞬变现象来决定起始振 荡题需满足的条件和振荡频率值。本节则由反馈放大器的观 点来决定振荡条件，并以调集振荡器为例，证明这两种观点 所得的结果相同的。 由图知：???-=c f V F V ，?????-==o c o o i A V A V V 振荡时，??=i f V V ，因此，振荡条件为：01=-? ?F A o 事实上，放大器的闭环增益为：????-=F A A A o o f 1， 图7．4.1 反馈振荡器方框图 当01=-??F A o ，∞→?f A ，放大器就称为振荡器。 7.5振荡器的平衡与稳定条件 当振荡器收到了外部因素的扰动，破坏了平衡状态，振 荡器应具有自动恢复到原来平衡状态的能力。 当振荡器接通电源后，即开始有隅变电流产生。这瞬变 电流所包含的频带极宽，但由于谐振回路的选择性，它只选出 了本身谐振额率的信号。由于正反馈作用，谐振按串信号越来越强，即形成稳定的振荡。至于瞬变 电流中所包含的其它频率则被振荡电路滤掉，不被放大，而逐渐消失。 由上述可知，振荡器起振之后，振荡振幅便由小到大地增长起来。但它不可能无限制地增长， 而是在达到一定数值后，便自动稳定下来。本节即研究振荡如何达到平衡，以及平衡的稳定条件。 正反馈放大器产生振荡的条件是：01=-??F A o ，上式没有考虑电子器件的非线性，亦即假定 晶体管放大器是工作于小信号线性放大状态，它的放大倍致Ao 为常数。 我们定义，负载谐振阻抗上基波电压?1C V 与基极输人电压b V ? 之比称为平均电压放大倍数， 即?????==b p C b C V R I V V A 11 ，因此，振荡器的起振条件是1>??F A o ，振荡器的平衡条件是1=? ?F A 。 τ/??=o A A ，τ为工作系数，一般为2---4。 用相角和模的概念表示为：1=F A j j Fe Ae ??，则A*F ＝1，π??n F A 2=+（n ＝0,1, 2,3…） 上2式对于任何类型的反馈振荡器都是适用的。在对振荡器进行理论分析时，利用振幅平衡条 件可以确定振荡器的振幅；利用相位平衡条件可以确定振荡器的频率。 但应说明，由于振荡回路总是处于微小失谐状态，因而使振荡器的频牢稳定度与效率都降低。 当要求提高LC 振荡器的频率稳定度与改善功率振荡器的效率时，可采用相角补偿法。这种方法是 在振荡器电路中加入辅助元件(电感或电容)，以使Z ?＝0。这样可以同时获得提高频率稳定度与改善 效率的结果。 7.5.2 振荡器平衡状态的稳定条件 隐定条件也分为振幅稳定与相位稳定两种。以下分别讨论之。 1) 振幅平衡的稳定条件：将式(7.5.--7)所表示的振幅平衡条件写为：A=1/F 其中A 表示平衡点的电压放大倍数，F 为振荡电路的反馈系数。在平衡条件的讨论中我们曾经 指出，放大倍数A 是振幅V om 的非线性函数。在起振时Ao ＞1/F 。当振幅增大到一定程度后，由于晶体管工作状态进 入饱和区或截止区，放大倍数A 迅速下降。式(7.5.--15)右边 的反馈系数F 则仅取决于外电路的参数，而与振幅无关。为 了说明振幅稳定条件的物理概念，在图7.5.2中分别画出放 大倍数A 和反馈系数的倒数专随振幅V om 的变化曲线。由 于反馈系数严与振幅无关(反馈电路为线性网络)，所以它是 一条平行于Vom 坐标轴的直线。一般情况下，A ＝f1(V om) 与1/F ＝f2(Vom)会出现交点。图7.5.2中，两者相交的Q 点 就是振荡器的振幅平衡点，因为在这个点上满足了AF ＝ l 的条件。但这一点是不是稳定的平衡点呢?那就要看在此点附近振幅发生变化时，是否能恢复原状。 图7.5.2 软自激的振荡特性 假定由于某种因素使振幅增大超过了Vom Q ，可见这时A ＜1/F ，即出现AF ＜1的情况，于是振幅 就自动衰减而回到V om Q 。之，当某种因素使振幅小于V om Q 这时A ＞1/F ，即出现AF ＞1的情况， 于是振幅就自动增强．从而又回到V om Q 。因此Q 点是稳定平衡点。 形成稳定平衡点的根本原因是什么呢?由上所述可知，关控就在于在平衡点附近，放大倍数随振幅的变化特性具有负的斜率，即：0 Vom om V A 式(7．5—16)表示平衡点的振幅稳定条件。这个条件说明，在反馈型振荡器中，放大器的放大倍 数随振荡幅度的增强而下降，振幅才能处于稳定平衡状态。工作于非线性状态的有源器件(晶体管、 电子管等)正好具有这一性能，因而它们具有稳定振幅的功能。一般只要伯置电路和反馈网络设计正 确，则A ＝f1(Vom)曲线是一条单调下降曲线，且与1/F ＝f2(V om)曲线仅有一点相交，如图7.5.2所 示。在开始起振时， F ＞l ，振荡处于增幅振茵状态，振荡幅度从小到大，直到达到Q 点为止。这就 是软自激状态，它的特点是不需外加激励，振荡便可以自激。 如果晶体管的静态工作点取得太低，甚至为反向伯置，而 且反馈系数F 又较小时，可能会出现图7.5.3所示的另一种振 荡形式。这因此．这种振荡器不能自行起振，除非在起振时外 加一个大于Vom B 的冲击信号，使其冲过B 点，才有可能激起 稳定于Q 点的平衡状态。像这样要预先加上一个一定幅度的 信号才能起振的现象，称为硬自激。一般情况下都是使振荡电 路工作于软自激状态，通常应当避免硬自激。 图7.5.3 硬自激的振荡特性 2)相位平衡的稳定条件 所谓相位稳定条件，是指相位平衡条件遭到破坏时，线路本身能重新建立起相位平衡点的条件； 若能建立，则仍能保持其稳定的振荡。 必须强调指出：相位稳定条件和频率稳定条件实质上是一回事。因为振荡的角频率就是相位的 变化率w ＝dt d ?，所以当振荡器的相位变化时，频率也必然发生变化。 如果由于某种原因，相位平衡遭到破坏，产生了一个很小的相位增量??，并且假定所产生的是 一个正的增量??，这就意味着反馈电压电?f V 超前于原有输入电压?i V (前一次反馈电压)一个相角。 相位超前就意味着周期缩短。如果振荡电压不断地放大、反馈、再放大，如此循环下去，反馈到基 极上电压的相位将一次比一次超前，周期不断地缩短，相当于每秒钟内循环的次数在增加。这就意 味着频率不断地提高。反之，如果??为负，即?f V 滞后于原输入电压?i V ，同理将导致频率的不断 降低。 从以上分新可知．外因引起的相位变化与频率的关系是：相位超前导致频率升高，相位滞后导致频率降低，频率随相位的变化关系可表示为：0>???w 。 为了保持振荡器相位平衡点稳定，振荡器本身应该具有恢复相位平衡的能力。换句话说，就是 在振荡频率发生变化的同时，振荡电路中能够产生一个新的相位变化．以抵消由外因引起的??变 化．因而这二者的符号应该相反，亦即相位稳定条件应为0 但是，由于Y ?和F ?对于频率变化的敏感性一般远小于Z ?对频率变化的敏感性，即： ω???Y <<ω???Z ，(7．5—19) ω ?ω???< 式(7.5—18)可写为：0 式(7．5—21)就是振荡器的相位(频率)稳定的条件。它说明 当满足式(7．5—19)和(7．5—20)的条件时，只有谐振回路 的相频特性曲线)(w f Z =?在工作频率附近具有负的斜 率，才能满足频牢稳定条件。事实上，由第二章对并联谐 振回路的讨论可知，它的相频特性正好具有负的斜率，如 图7.5.4所示。因而LC 并联谐振回路不但是决定振荡频率 的主要角色．而且是稳定振荡频率的机构。用图7.5.4来 说明振荡频率的稳定原理。可满足： ↓↑→→→?ω?ω周期落后当i i v v '00 图7.5.4 并联谐振目路的相频特性 相位稳定条件是指：当处于平衡状态的系统受到某一外来因素的干扰，相位平衡状态受到破坏，总相移角大于或小于πn 2时，环路是否具有自动恢复平衡状态重新回到π?n 2∑=的条件。 要使振荡系统满足相位稳定条件，系统内应含有某一相频特性具有负斜率的单元，在LC 振荡器中这种负斜率变化的功能恰好可以由LC 并联谐振回路来完成。为了抵消不稳定因素引入的相移增量，要求系统的振荡频率有相应的偏移，两者之间产生了频差f ? 。 显然，这是不希望的。为此必须加大LC 回路的有载Q 值，因为当Q 值提高时，回路相频特性斜率也相应加大。这样，要产生同样的相位增量，只需较小的频率偏移，从而提高了系统的频率稳定性。 7.6 反馈型LC 振荡线路 7.6.2 电感反馈式三端振荡器(哈脱莱电路) 图7.6.2电感反馈式三端振荡器 7.6.3 电容反馈式三端振荡器考毕兹电路) 图7.6.3 电容反馈式三端振荡器 改变Cl、C2的值，在一定条件下可改善起振条件，C1/C2通常取0.125---0.5为宜。 7.10 振荡器中的几种现象 寄生振荡现象：但在实际线路中，往往存在寄生反馈，引起放大器工作不稳定。在极端情况，即使没有输入信号，也有交流输出。这叫做产生了寄生振荡。不稳定和寄生振荡使放大器产生寄生辐射，减小有用的倍号功率箱出，使被传递的信号产生失真。对于晶体管放大器来说，不稳定和寄生振荡的危害，远比在振荡器中严重得多，有时甚至可能引起晶体管的PN结被击穿或瞬时损坏。因此，防止和消除寄生振荡是保证晶体管放大器(尤其是晶体管高频功率放大器)的工作稳定，防止晶体管损坏，使设备正常工作的必要条件之一。寄生振荡的种类很多，主要是反馈寄生振荡、负阻寄生振荡和参量自激振荡。 间歇振荡现象：间歇振荡是指振荡器工作时,时而起振，时而停振的一种振荡现象。一般来说，在正弦波振荡器中，间歇振荡是一种危害性很大的振荡现象，必须力求避免和消除。但有时也利用这种现象来达到一定的目的，例如超再生接收机就利用这种间歇振荡现象，使其灵敏度大大提高。 频率拖曳现象：振荡器为了将信号传输到下一级负载上,往往采用互感或其它藕合形式，一旦藕合系数过大，而负载又是一个调谐回路，则调节次级回路时，振荡频率也会随之变化，甚至产生频率跳变，这一现象通常称为频率拖曳现象。 频率占据(或牵引)现象：是指外加电动势颠率与振荡器自激频率接近到一定程度时，可以使振荡频率随外电动势频率的改变而改变。这时振荡器频率完全受外电动势控制，不再取决于回路参数。一般不希望出现频率占据现象。但有时又可利用这种现象来实现分颜、稳频、同步等。 7.12 RC振荡器 在需产生较低的振荡频率(几十kHz或更低)时，从理论上讲，可以采用LC振荡器。但实际上，由 于这时需要采用大的电感L与电容C，有时还需要用有铁 芯的线圈，构造笨重，需用材料多，价格贵。而且制造损 耗较小的大电感与大电容比较困难，回路元件体积大，安 装调试均不方便。因此，较低的振荡频率一般都采用RC 振荡器来产生。RC振荡器的主要优点是：构造较简单， 经济方便。 RC振荡器的工作原理和LC振荡器一样，也是由放 大器和正反馈网络两部分所构成，区别仅在于用RC选频 网络电路代替LC回路。因此，RC振荡器也必须满足振 幅和相位平衡条件，即：图7.12.1 超前相移RC振荡器原理 AF ＝1和...)2,1,0(,2==+n n F A π?? 根据RC 网络的不同形式，可以将RC 振荡器分为相移振荡器和桥式振荡器两大类。 7.12.1 RC 相移振荡器 电路结构：如图7.12.1，输出电压从集电极经RC 相移器反馈到基极,为满足振荡器的相位平衡条件,RC 相移器必须具有相移180o 的功能。 RC 相移器的工作原理： 图7.12.2（a ）相位超前的相移网络 （b ）相位滞后的相移网络 图（a ）所示的网络的传输系数或是反馈系数为：?j i o Fe jwRC jwRC jwC R R V V F =+=+==???1/1 其中：()21wRC wRC F += w R C 1a r c t a n =? 图（b ）即滞后网络的模和相角分别为：()211 wRC F += w R C a r c t a n -=? 除相移不同以外，这两种相移网络有以下共性： (1) 单节RC 相移电路所产生的相移在0—90o 之间，但最大相移不超过90。 (2) 输出电压幅度也随频率变化而变化，但输出电压总小于输入电压，且相移越大，输出越小，当相移90o 时，输出趋于零。 (3) 相移值与频率相关，因此,当RC 参数一定时，相位值与一定的信号频率相对立。 故为了使相移网络倒相180o,至少要用三节移相网络,且可以证明如果采用相同的RC 相移网络,振荡频率为：RC f 621π=，起振条件为: 29≥fe h RC 相移振荡器结构简单，经济方便，但改变频率不方便。因而只用作技术指标要求不高的固定频率振荡器。为了克服相移振荡器的上述缺点，常采用下面所讲的文氏电桥振荡器。 7.12.2 文氏电桥振荡器 文氏电桥振荡器广泛用于产生几Hz 到几百kHz 频段范围的可变频串振荡器。图7.12.3为该振荡器的原理电路。图中虚线内为完成正反馈作用的串、并联RC 选频网络，右边为具有负反馈作用的同相放大器。它的工作原理可以用负电阻或正反馈的观点来说明。首先用负电阻的观点来阐明它的工作原理。其中负反馈电路由R3,R4纯电阻电路构成。正反馈电路由R1,C1,R2,C2选频网络构成。 )11(1)1/(1222122221C j R C j R C j R C j R C j R v v F ωωωωω+?+++? == 当R1=R2=R,C1=C2=C 时, w ＝1/RC F=1/3 RC f π2/10= 图7.12.3示该振荡器的原理电路 当频率f 很低时，相位超前型，相当于高通滤波器。f 很高时，相位滞后型，相当于低通滤波器。 图7.12.6 串联RC 选频网络的幅频与相频特性 为产生自激振荡，因为F 最大为1/3，A 的增益至少应等于3，实际上应取A ＞3。同时要求A 的相角等于增益至少应等于3，实际上应取A ＞3。同时要求A 的相角等于零．因此必须采用两级放大(每级的相移为180。)。它的振荡频率则取决于R1、R2、C1和C2之值。实际上由两级放大器所组成的同相放大器，其电压放大倍数远大于3。为了把放大倍数控制在A ＞3，同时也起到改善振荡波形和稳定振幅的作用，在电路中除了起正反馈作用的RC 选颠网络外，还引入了反馈较深而且具有自动调整作用的负反馈电路。 文氏电桥振荡器的工作原理 也可以从正负反馈电路的作用来解 释。参阅图7.12.5可知，负反馈电 路Rt3、R4是纯电阻，因此负反馈 电压的振幅和相角不随频率变化。 但在正反馈电路中，正反馈电压的 振幅和相角则与频率有关。 图 图7.12.5 文氏电桥振荡器原理 当频率趋于零时，C1、C2的容抗很大，接近于开路，RC 网络的输入电压2V 几乎都降落在C 上，因此V1近似为0。随着频率的升高，C1、C2的容抗逐渐成小，于是C1上的电压降低，R2上的电压逐渐升高。当频率趋近于无穷时，C1、C2的容抗趋近于零R2近于短路，故Vl 又趋近于零。图7.12.6(a)表示串联RC 选频网络反馈系数F 的振幅颇率特性曲线。由图可见，在某一频f 0处，Vl 有最大值。因此，对于f 0的信号反馈最强，而对其他频率反馈较弱。 为了使负反馈系数F ＝l ／3，必须取Rt3＝R4。则在f ＝f 0时，同时满足振幅平衡和相位平衡条件，从而产生稳定的正弦振荡。实际上应取F ＜l/3，即Rt3>R4，以满足起振条件。这时负反馈较强，可以改善振荡器的质量指标。 摘要 自激式振荡器是在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅值的交变能量电路。正弦波振荡器的作用是产生频率稳定、幅度不变的正弦波输出。基于频率稳定、反馈系数、输出波形、起振等因素的综合考虑，本次课程设计采用电容三点式振荡器，运用multisim软件进行仿真。根据静态工作点计算出回路的电容电感取值，得出输出频率与输出幅度有效值以达到任务书的要求。 关键词：电容三点式；振荡器；multisim； 目录 1、绪论 (1) 2、方案的确定 (2) 3、工作原理、硬件电路的设计和参数的计算 (3) 3.1 反馈振荡器的原理和分析 (3) 3.2. 电容三点式振荡单元 (4) 3.3 电路连接及其参数计算 (5) 4、总体电路设计和仿真分析 (6) 4.1组建仿真电路 (6) 4.2仿真的振荡频率和幅度 (7) 4.3误差分析 (8) 5、心得体会 (9) 参考文献 (10) 附录 (10) 附录Ⅰ元器件清单 (10) 附录Ⅱ电路总图 (11) 1、绪论 振荡器是不需外信号激励、自身将直流电能转换为交流电能的装置。凡是可以完成这一目的的装置都可以作为振荡器。一个振荡器必须包括三部分：放大器、正反馈电路和选频网络。放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的，只有这样才能使振荡维持 下去。选频网络则只允许某个特定频率0f能通过，使振荡器产生单一频率的输出。 振荡器能不能振荡起来并维持稳定的输出是由以下两个条件决定的；一个是反馈电压 U和输入电压i U要相等，这是振幅平衡条件。二是f U和i U必须相位相同，这是相位f 平衡条件，也就是说必须保证是正反馈。一般情况下，振幅平衡条件往往容易做到，所以在判断一个振荡电路能否振荡，主要是看它的相位平衡条件是否成立。 本次课程设计我设计的是电容反馈三点式振荡器，电容三点式振荡器，也叫考毕兹振荡器，是自激振荡器的一种，这种电路的优点是输出波形好。电容三点式振荡器是由串联电容与电感回路及正反馈放大器组成。因振荡回路两串联电容的三个端点与振荡管三个管脚分别相接而得名。 本课题旨在根据已有的知识及搜集资料设计一个正弦波振荡器，要求根据给定参数设计电路，并利用multisim仿真软件进行仿真验证，达到任务书的指标要求，最后撰写课设报告。报告内容按照课设报告文档模版的要求进行，主要包括有关理论知识介绍，电路设计过程，仿真及结果分析等。 主要技术指标：输出频率9 MHz，输出幅度（有效值）≥5V。 思考题与习题 3.3 若反馈振荡器满足起振和平衡条件，则必然满足稳定条件，这种说法是否正确？为什 么？ 解：不正确。因为满足起振条件和平衡条件后，振荡由小到大并达到平衡。但当外界因素（温度、电源电压等）变化时，平衡条件受到破坏。若不满足稳定条件，振荡起就不 会回到平衡状态，最终导致停振。 3.4 分析图 3.2.1(a)电路振荡频率不稳定的具体原因？ 解：电路振荡频率不稳定的具体原因是晶体管的极间电容与输入、输出阻抗的影响，电路的工作状态以及负载的变化，再加上互感耦合元件分布电容的存在，以及选频回路接在基极回路中，不利于及时滤除晶体管集电极输出的谐波电流成分，使电路的电磁干扰大，造成频率不稳定。 3.7 什么是振荡器的起振条件、平衡条件和稳定条件？各有什么物理意义？振荡器输出信号 的振幅和频率分别是由什么条件决定的？ 解：（ 1）起振条件： 振幅起振条件A0 F 1 相位起振条件 A F 2n (2) 平衡条件： 振幅平衡条件AF=1 相位平衡条件 A F 2n （ 3）平衡的稳定条件：（n=0,1, ）（n=0,1,） A 振幅平衡的稳定条件0 U 0 相位平衡的稳定条件Z0 振幅起振条件A0F 1 是表明振荡是增幅振荡，振幅由小增大，振荡能够建立起来。振幅平衡条件AF=1 是表明振荡是等幅振荡，振幅保持不变，处于平衡状态。 相位起振条件和相位平衡条件都是 馈，是构成反馈型振荡器的必要条件。 A F2n（n=0,1,），它表明反馈是正反 振幅平衡的稳定条件A/U0<0表示放大器的电压增益随振幅增大而减小，它能 保证电路参数发生变化引起 A 、F 变化时，电路能在新的条件下建立新的平衡，即振幅 产生变化来保证AF=1 。相位平衡的稳定条件Z /<0 表示振荡回路的相移Z 随频率增大而减小是负斜率。它能保证在振荡电路的参数发生变化时，能自动通过频率的变 化来调整 A F = YF Z =0，保证振荡电路处于正反馈。 显然，上述三个条件均与电路参数有关。A是由放大器的参数决定，除于工作点 I 《电子设计基础》 课程报告 设计题目： RC正弦波振荡器电路设计及仿真学生班级： 学生学号： 学生姓名： 指导教师： 时间： 成绩： 西南xx大学 信息工程学院 一.设计题目及要求 RC正弦波振荡器电路设计及仿真，要求： （1）设计完成RC正弦波振荡器电路； （2）仿真出波形，并通过理论分析计算得出频率。 二.题目分析与方案选择 在通电瞬间电路中瞬间会产生变化的信号且幅值频率都不一样，它们同时进入放大网络被放大，其中必定有我们需要的信号，于是在选频网络的参与下将这个信号谐振出来，进一步送入放大网络被放大，为了防止输出幅值过大所以在电路中还有稳幅网络（如图一中的两个二极管），之后再次通过选频网络送回输入端，经过多次放大稳定的信号就可以不断循环了，由于电路中电容的存在所以高频阻抗很小，即无法实现放大，且高频在放大器中放大倍数较小。 三.主要元器件介绍 10nf电容两个；15kΩ电阻一个；10kΩ电阻三个；滑动变阻器一个；2.2k Ω电阻一个；二极管两个；运算放大器；示波器 四.电路设计及计算 电路震荡频率计算： f=1/2πRC 起振的复制条件：R f/R i>=2 其中R f=R w+R2+R3/R d 由其电路元件特性 R=10KΩ C=10nF 电路产生自激震荡，微弱的信号1/RC 经过放大，通过反馈的选频网络，使输出越来越大，最后经过电路中非线性器件的限制，使震荡幅度稳定了下来，刚开始时A v=1+R f/R i >3。 平衡时A v=3，F v=1/3(w=w0=1/RC) 五.仿真及结果分析 在multisim中进行仿真，先如图一连接好电路，运行电路，双击示波器，产生波形如下图 图2 刚开始运行电路时，输出波形如图2，几乎与X轴平行，没有波形输出。 第一章 设计内容 第一节：设计题目：正弦波振荡电路的设计与实现 第二节：设计指标 振荡频率: f=7MHZ ； 频率稳定度:小时/105/30-?≤?f f ； 电源电压：V=12V ； 波形质量 较好； 第三节： 方案设计与选择 LC 振荡器的电路种类比较多，根据不同的反馈方式，又可分为互感反馈振荡器，电感反馈三点式振荡器，电容反馈三点式振荡器，其中互感反馈易于起振，但稳定性差，适用于低频，而电容反馈三点式振荡器稳定性好，输出波形理想，振荡频率可以做得较高。 所以选择电容反馈三点式振荡器是不容置疑的，而电容反馈三点式振荡器又分为考毕兹振荡器，克拉波振荡器，西勒振荡器。本次课程设计我们选择考毕兹振荡器,因为此振荡电路适用于较高的工作频率。 第二章 设计原理 第一节 自激振荡的工作原理 正弦波振荡器：一种不需外加信号作用，能够输出不同频率正弦信号的自激振荡电路。 LC 回路中的自由振荡如图1(a)所示。 自由振荡——电容通过电感充放电，电路进行电能和磁能的转换过程。 阻尼振荡——因损耗等效电阻R 将电能转换成热能而消耗的减幅振荡。图1(b)所示。 等幅振荡——利用电源对电容充电，补充电容对电感放电的振荡过程，图1(c) 所示。这种等幅正弦波振荡的频率称为LC 回路的固有频率，即 LC f π= 210 图1 LC 回路中的电振荡 一、自激振荡的条件 振荡电路如图2所示。 振荡条件：相位平衡条件和振幅平衡条件。 1．相位平衡条件 反馈信号的相位与输入信号相位相同，即为正反馈，相位差是180?的偶数倍，即 ?=2n π 。其中，? 为vf 与vi 的相位差，n 是整数。vi 、vo 、vf 的相互关系参见图3。 2.振幅平衡条件 反馈信号幅度与原输入信号幅度相等。即 AVF=1 图2 变调谐放大器为振荡器 图3 自激振荡器方框图 二、自激振荡建立过程 自激振荡器：在图2中，去掉信号源，把开关S 和点“2”相连所组成的电路。 综合设计 正弦波振荡器的设计与测试 一．实验目的 1． 掌握运用Multisim 设计RC 振荡电路的设计方法 2． 掌握RC 正弦波振荡器的电路结构及其工作原理 3． 熟悉RC 正弦波振荡器的调试方法 4． 观察RC 参数对振荡器的影响，学习振荡器频率的测定方法 二．实验原理 在正弦波振荡电路中，一要反馈信号能够取代输入信号，即电路中必须引入正反馈；二要有外加 的选频网络，用以确定振荡频率。正弦波振荡的平衡条件为：.. 1AF = 起振条件为.. ||1A F > 写成模与相角的形式：.. ||1A F = 2A F n πψ+ψ=（n 为整数） 电路如图1所示： 1． 电路分析 RC 桥式振荡电路由RC 串并联选频网络和同相放大电路组成，图中RC 选频网络形成正反馈电路， 决定振荡频率0f 。1R 、f R 形成负反馈回路，决定起振的幅值条件，1D 、2D 是稳幅元件。 该电路的振荡频率 ： 0f =RC π21 ① 起振幅值条件：311 ≥+ =R R A f v ② 式中 d f r R R R //32+= ，d r 为二极管的正向动态电阻 2． 电路参数确定 （1） 根据设计所要求的振荡频率0f ，由式①先确定RC 之积，即 RC= 21f π ③ 为了使选频网络的选频特性尽量不受集成运算放大器的输入电阻i R 和输出电阻o R 的影响，应使 R 满足下列关系式：i R >>R>>o R 一般i R 约为几百千欧以上，而o R 仅为几百欧以下，初步选定R 之后，由式③算出电容C 的值，然后再算出R 取值能否满足振荡频率的要求 （2） 确定1R 、f R ：电阻1R 、f R 由起振的幅值条件来确定，由式②可知f R ≥21R ， 通常 取f R =（2.1~2.5）1R ，这样既能保证起振，也不致产生严重的波形失真。此外，为了减小输入失调电流和漂移的影响，电路还应满足直流平衡条件，即： R=1R //f R （3） 确定稳幅电路：通常的稳幅方法是利用v A 随输出电压振幅上升而下降的自动调节作用实 现稳幅。图1中稳幅电路由两只正反向并联的二极管1D 、2D 和电阻3R 并联组成，利用二极管正向动态电阻的非线性以实现稳幅，为了减小因二极管特性的非线性而引起的波形失真，在二极管两端并联小电阻3R 。实验证明，取3R ≈d r 时，效果最佳。 三．实验任务 1．预习要求 （1） 复习RC 正弦波振荡电路的工作原理。 （2） 掌握RC 桥式振荡电路参数的确定方法 2． 设计任务 设计一个RC 正弦波振荡电路。其正弦波输出要求： （1） 振荡频率：接近500Hz 或1kHz 左右，振幅稳定，波形对称，无明显非线性失真 （2）* 振荡频率：50Hz~1kHz 可调，其余同（1） 四．实验报告要求 1． 简述电路的工作原理和主要元件的作用 2． 电路参数的确定 3． 整理实验数据，并与理论值比较，分析误差产生的原因 4． 调试中所遇到的问题以及解决方法 五．思考题 1． 在RC 桥式振荡电路中，若电路不能起振，应调整哪个参数？若输出波形失真应如何调整？ 2． 简述图-1中21D D 和的稳幅过程。 六．仪器与器件 仪器： 同实验2 单管 器件： 集成运算放大器μA741 二极管 1N4001 电阻 瓷片电容 若干 第五章 正弦波振荡器 5－1 把题图5－1所示几个互感反馈振荡器交流等效电路改画成实际电路，并注明变压器的同名端（极性）。 5－9 用相位平衡条件的判断规则说明题5－2所示几个三点振荡器交流等效电路中，哪个电路是正确的（可能振荡），哪个电路是错误的（不可能振荡）。 [解]： （a ）、（b ）、（c ）不能振荡。（d ）、（e ）、（f ）可能振荡，但（e ）应满足 11011C L g = >ωω （f ）应满足11221 1 C L C L > 使0201ωωω< 华侨大学电子工程系 电子电路设计实验 模数电技术 Lab # 4 正弦波振荡器设计 实 验 时 间2016 年第 周 机电信息实验大楼Ａ526 文 档 名 称 正弦波振荡器设计 文 档 类 型 实验教学文档 文 档 撰 写 HWW 文 档 版 本 Ver：1.2 更 新 时 间 2014.04.15 更 新 内 容 结构调整，优化已知错误 文 档 更 新 新建文档，配套实验报告 支 持 软 件 NI Multisim 12 适 用 专 业 电子信息工程/集成电路设计专业华侨大学厦门专用集成电路与系统重点实验室 国立华侨大学 信息科学与工程学院电子工程系 电子电路设计实验 模数电技术 #4 正弦波振荡器设计 实验指导教师：HWW 实验时间：：2016- - ： - ： 地点：机电信息实验大楼Ａ526 实验要求说明： 1.完成实验报告内容中的预习部分的内容 2.独立完成实验，实验中不清楚的可以相互讨论或询问指导老师 3.数据严禁抄袭，发现抄袭现象，抄袭者和被抄袭者本次实验都得0分 4.实验需要先打印实验报告第一页，用于实验数据签字确认，实验完成后经实验指导老师签字后方可离开。数据记录中因为存在仿真波形抓取，所以等实验完成后再打印实验报告后几页。 5.本次实验的实验报告(封面+实验内容装订一起)在下次实验课时一起缴交 正弦波振荡器概述 运放振荡器是有意设计成维持不稳定状态的电路，可以用来产生均匀的信号，这种均匀的信号可以在许多运用中作为基准信号：比如可以应用在音频电路、函数发生器、数字系统和通信系统。振荡器可以分为两大类：正弦波振荡器和张弛振荡器、正弦波振荡器由放大器和RC或LC电路构成，这种振荡器的频率是可调的；正弦波振荡器也可以使用晶振构成，但是晶振的振荡频率是固定的。弛张振荡器可以用来产生三角波、锯齿波、方波、脉冲波或指数型波形。本实验讨论的是正弦波振荡器的设计。 运放的正弦波振荡器的工作不需要外加输入信号，这种振荡器利用了正反馈或负反馈的某些组合把运放驱动到不稳定的状态，这样输出就不断的来回翻转。振荡的幅度和频率可以通过围绕中心运放的那些无源和有源器件共同设定。 需要注意的是运放的振荡器被限制在频谱的低频区，因为运放没有足够的带宽以实现高频下的低相移。电压反馈运放被限制在很低的数千赫范围，因为开路的主极点可以低到10Hz。晶振可以拥有高到数百兆赫的高频范围。 图4.1 带有正反馈或负反馈的反馈系统 3-1 若反馈振荡器满足起振和平衡条件，则必然满足稳定条件，这种说法是否正确？为什么？ 解：否。因为满足起振与平衡条件后，振荡由小到大并达到平衡。但当外界因素(T 、V CC )变化时，平衡条件受到破坏，若不满足稳定条件，振荡器不能回到平衡状态，导致停振。 3-2 一反馈振荡器，欲减小因温度变化而使平衡条件受到破坏，从而引起振荡振幅和振荡频率的变化，应增大 i osc )(V T ??ω和ω ω???) (T ，为什么？试描述如何通过自身调节建立新平衡状态的过程（振幅和相位）。 解：由振荡稳定条件知： 振幅稳定条件： 0) (iA i osc 3-5 试判断下图所示交流通路中，哪些可能产生振荡，哪些不能产生振荡。若能产生振荡，则说明属于哪种振荡电路。 解： (a) 不振。同名端接反，不满足正反馈； (b) 能振。变压器耦合反馈振荡器； 实训报告正弦波振荡器设计multisim 高频电路（实训）报告 项目：正弦波振荡器仿真设计班级：级应电2班 姓名：周杰 学号： 14052 2 摘要 自激式振荡器是在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅值的交变能量电路。正弦波振荡器的作用是产生频率稳定、幅度不变的正弦波输出。基于频率稳定、反馈系数、输出波形、起振等因素的综合考虑，本次课程设计采用电容三点式振荡器，运用multisim软件进行仿真。根据静态工作点计算出回路的电容电感取值，得出输出频率与输出幅度有效值以达到任务书的要求。 关键词：电容三点式；振荡器；multisim； 目录 1、绪论.................................................................................... 错误!未定义书签。 2、方案的确定 ........................................................................ 错误!未定义书签。 3、工作原理、硬件电路的设计和参数的计算 ..................... 错误!未定义书签。 3.1 反馈振荡器的原理和分析.............................................. 错误!未定义书签。 3.2. 电容三点式振荡单元 .................................................... 错误!未定义书签。 3.3 电路连接及其参数计算 ................................................. 错误!未定义书签。 4、总体电路设计和仿真分析................................................. 错误!未定义书签。 4.1组建仿真电路................................................................. 错误!未定义书签。 4.2仿真的振荡频率和幅度 ................................................. 错误!未定义书签。 5、参数调整对比/结论........................................................... 错误!未定义书签。附录.......................................................................................... 错误!未定义书签。附录Ⅰ元器件清单 .................................................................. 错误!未定义书签。附录Ⅱ电路总图 ...................................................................... 错误!未定义书签。 目录 摘要 (2) 1．系统基本方案 (2) 1.1 正弦波振荡电路的选择与论证 (2) 1.2. 运算放大器的选择 (3) 1.3最终的方案选择 (3) 2.正弦波发生器的工作原理 (3) 2.1正弦波振荡电路的组成 (3) 2.1.1 RC选频网络 (3) 2.1.2放大电路 (6) 2.1.3正反馈网络 (6) 2.2产生正弦波振荡的条件 (6) 2.3.判断电路是否可能产生正弦波的方法和步骤 (7) 3．系统仿真 (7) 4．结论 (8) 参考文献： (11) 附录 (13) 1KHZ 桥式正弦波震荡器电路的设计与制作 摘要 本设计的主要电路采用文氏电桥振荡电路。如图1-1文氏桥振荡电路由放大电路和选频网络两部分组成,施加正反馈就产生振荡，振荡频率由RC 网络的频 率特性决定。它的起振条件为： ，振荡频率为： 。运算放大 器选用LM741CN,采用非线性元件（如温度系数为负的热敏电阻或JFET ）来自动调节反馈的强弱以维持输出电压的恒定，进而达到自动稳幅的目的，这样便可以保证输出幅度为2Vp-p ；而频率范围的确定是根据式RC f π21 0= 以及题目给出的频 率范围来确定电阻R 或电容C 的值，进而使其满足题目的要求。 关键词：文氏电桥、振荡频率、LM741CN 1．系统基本方案 1.1 正弦波振荡电路的选择与论证 本设计选用文氏电桥振荡电路。 图1 RC 桥式振荡电路 这种电路的特点是：它由放大器即运算放大器与具有频率选择性的反馈网络构成，施加正反馈就产生振荡。振荡频率由RC 网络的频率特性决定。它的起振条件为： 12R R f > 。它的振荡频率为：RC f π21 0= 。 1.2. 运算放大器的选择 考虑到综合性能和题目要求的关系这里我们选用LM741CN 作为运算放大。 1.3最终的方案选择 文氏电桥振荡电路适用的频率范围为几赫兹到几千赫兹，可调范围宽，电路简单易调整，同时波形失真系数为千分之几。很适合我们题目的要求。故采用文氏电桥振荡电路. RC 文氏电桥振荡电路是以RC 选频网络为负载的振荡器. 这个电路由两部分组成，即放大电路和选频网络。放大电路由集成运放所组成的电压串联负反馈放大电路，取其输入阻抗高和输出阻抗低的特点。而选频网络则由Z1、Z2组成，同时兼做正反馈网络。 2正弦波发生器的工作原理 2.1正弦波振荡电路的组成 放大电路 选频网络 正反馈网络 2.1.1 RC 选频网络 第三章 正弦波振荡器习题解 3-5 (a) 不振。不满足正反馈；(b)能振。变压器耦合反馈振荡器；(c)不振。不满足三点式振荡电路的组成法则；(d)能振。当ω1<ωosc <ω2(ω1、ω2分别L 1C 1、L 2C 2谐振频率)，即L 2C 2回路呈感性，L 1C 1回路呈容性，组成电感三点式振荡电路；(e)能振。计入结电容e 'b C ，组成电容三点式振荡电路；(f)能振。 (b) 当ω1、ω2<ωosc (ω1、ω2分别L 1C 1并联谐振回路、L 2C 2串联谐振回路谐振频率)时，L 1C 1回路呈容性，L 2C 2回路呈感性，组成电容三点式振荡电路。 3-6 交流通路如图3-6所示。 (a)、(c)、(f)不振；不满足三点式振荡电路的组成法则；(b)、(d)、(e)、(g)能振。(b)、(d)为电容三点式振荡电路，其中(d)的管子发射结电容e 'b C 成为回路电容之一，(e)为电感三点式振荡电路，(g)LC 1o osc = ω≈ω,电路 同时存在两种反馈。由于LC 串联谐振回路在其谐振频率o ω上呈现最小的阻抗，正反馈最强，因而在o ω上产生振荡。 L 图3-7 C L 2 L 1 T C R C L 1 L 2 M T R E L C 2 C 1 T C L 1 L 2 R D T R E1 R E3 C L R C1 R C2 R T 1 T 2 C 2 C 1 L T (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) 3-7 按并联谐振回路相频特性可知：在电感三点式振荡电路中ωo3<ωosc <ωo1、ωo2,在电容三点式振荡电路中ωo1、ωo2<ωosc <ωo3。振荡电路如图3-7所示，图中 1C C 、2C C 、B C 、E C 对交流呈短路。设1B R 、2B R 阻抗较大，对回路影响不大。 3-8 改正后的电路如图3-8所示。 说明，图(c)中可在2B R 两端并联旁路电容B C 。 3-9 图(a)满足正反馈条件，LC 并联回路保证了相——频特性负斜率，因而满足相位稳定条件，电路可振。图(b)不满足正反馈条件，将1T 基极开路，反馈电压f V 比1i V 滞后一个小于 90的相位。图(c)不满足正反馈条件，不振。 3-10 用万用表测量发射极偏置电阻E R 上的直流电压：先使振荡器停振（例如回路线 (a) B C C R B1 R B2 E CC C CC R B1 R B2 (b) (c) (e) (f) (g) R f 思考题与习题 3.3 若反馈振荡器满足起振和平衡条件，则必然满足稳定条件，这种说法是否正确？为什 么？ 解：不正确。因为满足起振条件和平衡条件后，振荡由小到大并达到平衡。但当外界因素（温度、电源电压等）变化时，平衡条件受到破坏。若不满足稳定条件，振荡起就不会回到 平衡状态，最终导致停振。 3.4 分析图3.2.1(a)电路振荡频率不稳定的具体原因？ 解：电路振荡频率不稳定的具体原因是晶体管的极间电容与输入、输出阻抗的影响，电路 的工作状态以及负载的变化，再加上互感耦合元件分布电容的存在，以及选频回路接在基极回路中，不利于及时滤除晶体管集电极输出的谐波电流成分，使电路的电磁干扰大，造成频率不稳定。 3.7 什么是振荡器的起振条件、平衡条件和稳定条件？各有什么物理意义？振荡器输出信号 的振幅和频率分别是由什么条件决定的？ 解：（1） 起振条件： 振幅起振条件 01A F > 相位起振条件 2A F n ??π+=（n=0,1,…） (2) 平衡条件： 振幅平衡条件 AF=1 相位平衡条件2A F n ??π+=（n=0,1,…） （3） 平衡的稳定条件： 振幅平衡的稳定条件 0A U ?是表明振荡是增幅振荡，振幅由小增大，振荡能够建立起来。振幅平 衡条件AF=1是表明振荡是等幅振荡，振幅保持不变，处于平衡状态。 相位起振条件和相位平衡条件都是2A F n ??π+=（n=0,1,…），它表明反馈是正反馈，是 构成反馈型振荡器的必要条件。 振幅平衡的稳定条件A ?/0U ?<0表示放大器的电压增益随振幅增大而减小，它能保证电 路参数发生变化引起A 、F 变化时，电路能在新的条件下建立新的平衡，即振幅产生变化来保证AF=1。相位平衡的稳定条件Z ??/ω?<0表示振荡回路的相移Z ?随频率增大而减小是负斜率。它能保证在振荡电路的参数发生变化时，能自动通过频率的变化来调整A F ??+=YF Z ??+=0，保证振荡电路处于正反馈。 显然，上述三个条件均与电路参数有关。0A 是由放大器的参数决定，除于工作点eQ I 有关外，还与晶体管的参数有关，而反馈系数F 是由反馈元件的参数值有关。对电容三点式与反馈电容1C 、2C 有关，对于电感三点式与反馈电感有关。 3.8 反馈型LC 振荡器从起振到平衡，放大器的工作状态是怎样变化的？它与电路的哪些参 数有关？ 农林大学学院 课程设计报告 课程名称：数字信号处理课程设计 课程设计题目：高频正弦波振荡器设计与仿真姓名： 系：计算机系 专业：电子信息工程 年级： 学号： 指导教师： 职称： 2015年12月30日 高频正弦波振荡器的设计 目录 目录 (1) 摘要： (2) 一、设计要求 (3) 二、总体方案设计 (3) 三、工作原理说明 (3) 1、振荡器概念 (3) 2、静态工作点的确定 (4) 3、振荡器的起振检查 (4) 4、高频功率放大器 (5) 5、电路设计原理框图如图1所示。 (5) 四、电路设计 (6) 1、正弦波振荡器的设计 (6) 2、高频功率放大器的设计 (9) 五、性能的测试 (11) 1振荡器振荡频率为2MHz (11) 2振荡器振荡频率为4MHz (11) 3高频功率放大器电路 (12) 4输出功率 (13) 六、结论、性价比 (13) 七、课设体会及合理化建议 (14) 八、参考文献 (14) 摘要： 本次课程设计通过对课本知识的运用，简单介绍了高频正弦波振荡器的设计方法，主要应用LC振荡电路产生正弦波，再经高频功率放大器进行功率放大，并用仿真软件进行仿真，以及对其性能进行测试，经过反复的调试最终得到满足课题要求的电路。 关键词：正弦波；振荡器；高频功率放大器。 一、设计要求 设计要求： 1. 选择合适的高频正弦波振荡器形式； 2. 从理论上分析振荡器的各个参数及起振条件； 3. 设计高频振荡器，选取电路各元件参数，使其满足起振条件及振幅条件。 主要技术指标：电源电压12V，工作频率2M-4MHz，输出电压1V，频率稳定度较高。 二、总体方案设计 该课程设计主要涉及了振荡器的相关容还有高频功率放大器的容，正弦波振荡器非常具有实用价值，通过该课题的研究，可以加深对振荡器以及丙类高频功率放大器的了解。 三、工作原理说明 1、振荡器概念 振荡器主要分为RC，LC振荡器和晶体振荡器。其中电容器和电感器组成的LC回路，通过电场能和磁场能的相互转换产程自由振荡。要维持振荡还要有具有正反馈的放大电路，LC振荡器又分为变压器耦合式和三点式振荡器，现在很多应用石英晶体的石英晶体振荡器，还有用集成运放组成的LC振荡器。 振荡器的作用主要是将直流电变交流电.它有很多用途.在无线电广播和通信设备中产生电磁波.在微机中产生时钟信号.在稳压电路中产生高频交流电.。 题目要求产生高频正弦波，所以选用电容三点式电路，进一步考虑从而选用并联改进型电容三点式振荡器（西勒电路），因为它具有输出波形不易失 实验六 RC 正弦波振荡器的设计及调试 一、实验目的 1、进一步学习RC 正弦波振荡器的组成及其振荡条件； 2、学会测量、调试振荡器。 二、实验原理 从结构上看，正弦波振荡器是没有输入信号的，带选频网络的正反馈放大电路。若用R 、C 元件组成选频网络，就称为RC 振荡器，一般用来产生1Hz ～1MHz 的低频信号。 1、RC 移相振荡器 电路型式如图8.1所示，选择R ＞＞R i 。 振荡频率：126O f RC 起振条件：放大电路A 的电压放大倍数｜A ｜＞29 电路特点：简便，但选频作用差，振幅不稳，频率调节不便，一般用于频率固定且稳定性要求不高的场合。 频率范围：几Hz ～数十kHz 。 2、RC 串并联网络（文氏桥）振荡器 电路型式如图8.2所示。 振荡频率：12O f RC 起振条件：|A |＞3 电路特点：可方便地连续改变振荡频率，便于加负反馈稳幅，容易得到良好的振荡波形。 三、实验条件 1、12V 直流电源 2、函数信号发生器 3、双踪示波器 图8.1 RC 移相振荡器原理图 图8.2 RC 串并联网络振荡器原理图 4、频率计 5、直流电压表 6、3DG12×2或9013×2，电阻、电容、电位器等 四、实验内容 1、RC串并联选频网络振荡器 2、双T选频网络振荡器 3、RC移相式振荡器的组装与调试 五、实验步骤 1、RC串并联选频网络振 荡器 （1）按图8.4组接线路； （2）接通12V电源，调节 电阻，使得Vce1=7-8V， Vce2=4V左右。用示波器观察 图8.4 RC串并联选频网络振荡器有无振荡输出。若无输出或振 荡器输出波形失真，则调节Rf以改变负反馈量至波形不失真。并测量电压放大倍数及电路静态工作点。 （3）观察负反馈强弱对振荡器输出波形的影响。 逐渐改变负反馈量，观察负反馈强弱程度对输出波形的影响，并同时记录观察到的波形变化情况及相应的Rf值。 实验现象Rf值V o波形 停振 起振 幅值增加 波形失真 （4）改变R（10KΩ）值，观察振荡频率变化情况； （5）RC串并联网络幅频特性的观察。 将RC串并联网络与放大电路断开，用函数信号发生器的正弦信号注入RC 第5章正弦波振荡器习题参考答案 5-2为什么晶体管LC振荡器总是采用固定偏置与自生偏置混合的偏置电路？ 答：晶体管LC振荡器采用固定的正向偏置是为了使振荡器起振时为软激励状态，在无需外加激励信号时就能起振，也不致停振。而采用自生反向偏置则可以稳幅。若两者不结合，则两者优点不可兼而有之。 5-6LC振荡器的静态工作点应如何选择？根据是什么？ 5-9试用相位条件的判断准则，判明题图5-1所示的LC振荡器交流等效电路，哪个可以振荡？哪个不可以振荡？或在什么条件下才能振荡？ 答：题图5-1（a）：可以起振。 题图5-1（b）：不能起振（晶体管be与bc电抗性质相同了）。 题图5-1（c）：考虑管子的极间电容C i时可能起振。 题图5-1（d）：当L2C2＞L1C1时可以起振。 5-12 试画出题图5-2各振荡器的交流等效电路，并判断哪些电路可以振荡？哪些电路不能产生振荡？若不能振荡，请改正。 答：题图5-2各振荡器的交流等效电路如图5-12所示。 5-14 已知某振荡器的电路如题图5-4所示，Lc是扼流圈，设L＝1.5μH，振荡频率为49.5MHz，试求： （1）说明各元件的作用； （2）画出交流等效电路； （3）求C 4的大小（忽略管子极间电容的影响）； （4）若电路不起振应如何解决？ 答：R b1、R b2是基极偏置电阻；R e 是射极偏置电阻；C 1、 C 2、C 3、C 4、L 是振荡回路的元件，C p 是输出耦合电路。 （2）交流等效电路如题图5-14所示。 （3） ()4321C C L f o +≈π ()4366105.121 105.49C C +?≈?-π 解得 ()pF C C 12431091.6-?=+ ()pF pF C 91.3391.64=-= （4）若电路不起振，可以改变偏置或加大C 3。 5-17 题图5-6（a ）（b ）分别为10MHz 和25MHz 的晶体振荡器。试画出交流等效电路，说明晶体在电路中的作用，并计算反馈系数。 答：题图5-6的交流等效电路分别如解题图5-17（a ）、（b ）所示，图5-17（a ）中晶体等效为电感，反馈系数，5.0300150 == F 图5-17（b ）中晶体等效为短路元件，反馈系数 16.027043 ==F 。 四、RC正弦波振荡器设计（一）设计目的 1、进一步理解用集成运放构成的正弦波发生器的工作原理。 2、学习振荡器的调整和主要性能指标的测试方法。 （二）基础知识与能力层次要求 1、课程涉及课程 模拟电路 2、能力层次要求（四项中之一） （1）电子电路基础应用能力（基础）（第一级）:√ （2）电类专业综合实践能力（综合）（第二级）: （3）电类专业工程设计能力（设计）（第三级）: （4）研究与创新设计能力（创新）（第四级）: 3、指导教师 周妮、向腊 （三）设计技术指标与要求 1、设计要求 可以产生正弦波，频率范围为10Hz~100kHz，输出电压可调，带载能力强，波形尽量不失真。设计完成后可以利用示波器测量出其输出频率的上限和下限，还可以进一步测出其输出电压 的范围。 2、项目仪器、设备 信号发生器，双踪示波器，直流稳压电源，万用表，交流毫伏表，焊接工具，设计电 路所需的元器件，电路仿真软件等 （四）项目原理 1、基本原理 RC桥式正弦波振荡器（文氏电桥振荡器） 图4.1为RC桥式正弦波振荡器。其中RC串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络， R、R、R及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器R，可以改变负WW21反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。利用两个反向并联二极管D、D正向电阻21的非线性特性来 实现稳幅。D、D采用硅管（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保证21输出波形正、负半 周对称。R的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。31f?电路的振荡频率O RC2πR f??1A≥3 起振的幅值条件f R1式中R＝R＋R＋（R/ r），r 二极管正向导通电阻。—DD3 2Wf 调整反馈电阻R（调R），使电路起振，且波形失真最小。如不能起振，则说明负反Wf馈太强， 应适当加大R。如波形失真严重，则应适当减小R。ff改变选频网络的参数C或R，即可调节 振荡频率。一般采用改变电容C作频率量程切换，而调节R作量程内的频率细调。 7-1判断下面所述的正误 1. 串联型石英晶体振荡电路中，石英晶体相当于一个电感而起作用。（） 2. 电感三点式振荡器的输出波形比电容三点式振荡器的输出波形好。（） 3. 反馈式振荡器只要满足振幅条件就可以振荡。 （） 4. 串联型石英晶体振荡电路中，石英晶体相当于一个电感而起作用。（） 5. 放大器必须同时满足相位平衡条件和振幅条件才能产生自激振荡。（） 6. 正弦振荡器必须输入正弦信号。 （） 7. LC振荡器是靠负反馈来稳定振幅的。（） 8. 正弦波振荡器中如果没有选频网络，就不能引起自激振荡。（） 9. 反馈式正弦波振荡器是正反馈一个重要应用。 （） — 10. LC正弦波振荡器的振荡频率由反馈网络决定。 （） 11. 振荡器与放大器的主要区别之一是：放大器的输出信号与输入信号频率相同， 而振荡器一般不需要输入信号。 （） 12. 若某电路满足相位条件（正反馈），则一定能产生正弦波振荡。（） 13. 正弦波振荡器输出波形的振幅随着反馈系数F的增加而减小。（）7-2并联谐振回路和串联谐振回路在什么激励下（电压激励还是电流激励）才能产生负斜率的相频特性 解：并联谐振回路在电流激励下，回路端电压V 的频率特性才会产生负斜率的相频特性，如图(a)所示。串联谐振回路在电压激励下，回路电流I 的频率特性才会产生负斜率的相频特性，如图(b)所示。 7-3电路如题7-3图所示，试求解：(1)R W的下限值；(2)振荡频率的调节范围。 ^ 题7-3图 解：(1) 根据起振条件 ''2,2f W W R R R R k +>>Ω 故R w 的下限值为2k Ω。 (2) 振荡频率的最大值和最小值分别为 0max 11 1.62f kHz R C π= ≈， 0min 1211452()f Hz R R C π=≈+ 7-4 在题7-4图所示电路中，已知R 1=10k Ω，R 2=20k Ω，C = μF ，集成运放的最大输出电压幅 值为±12V ，二极管的动态电阻可忽略不计。(1)求出电路的振荡周期；(2)画出u O 和u C 的波形。 题7-6图 解7-6图 解：(1)振荡周期： 12()ln 3 3.3ms T R R C ≈+≈ (2)脉冲宽度：11ln 3 1.1T R C mS ≈≈ ) ∴u O 和u C 的波形如解7-6图所示。 7-5 试判断如图所示各RC 振荡电路中，哪些可能振荡，哪些不能振荡，并改正错误。图中， C B 、C C 、C E 、C S 对交流呈短路。 四、RC 正弦波振荡器设计 （一）设计目的 1、 进一步理解用集成运放构成的正弦波发生器的工作原理。 2、 学习振荡器的调整和主要性能指标的测试方法。 （二）基础知识与能力层次要求 1、课程涉及课程 模拟电路 2、能力层次要求（四项中之一） （1）电子电路基础应用能力（基础）（第一级）:√ （2）电类专业综合实践能力（综合）（第二级）: （3）电类专业工程设计能力（设计）（第三级）: （4）研究与创新设计能力（创新）（第四级）: 3、指导教师 周妮、向腊 （三）设计技术指标与要求 1、设计要求 可以产生正弦波，频率范围为10Hz~100kHz ，输出电压可调，带载能力强，波形尽量不失真。设计完成后可以利用示波器测量出其输出频率的上限和下限，还可以进一步测出其输出电压的范围。 2、项目仪器、设备 信号发生器，双踪示波器，直流稳压电源，万用表，交流毫伏表，焊接工具，设计电 路所需的元器件，电路仿真软件等 （四）项目原理 1、基本原理 RC 桥式正弦波振荡器（文氏电桥振荡器） 图4.1为RC 桥式正弦波振荡器。其中RC 串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，R 1、R 2、R W 及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器R W ，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。利用两个反向并联二极管D 1、D 2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。D 1、D 2采用硅管（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。R 3的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。 电路的振荡频率 2πRC 1f O = 起振的幅值条件 1f R R +=1A f ≥3 式中R f ＝R W ＋R 2＋（R 3 / r D ），r D — 二极管正向导通电阻。 调整反馈电阻R f （调R W ），使电路起振，且波形失真最小。如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大R f 。如波形失真严重，则应适当减小R f 。 改变选频网络的参数C 或 R ，即可调节振荡频率。一般采用改变电容C 作频率量程切换，而调节R 作量程内的频率细调。正弦波振荡器设计multisim(DOC)
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