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图4.1所示电路表示的是一个带负反馈的系统，其反馈系统的表达式为1OUT IN V A V A β=+振荡器的操作不需要外加输入电压，它是反馈网络所组成的输出信号的一部分用于作为输入信号，是正反馈作用下的噪声电压为电路提供看最初的启动信号，经过一阵时间后，输出逐渐建立起来，电路便开始振荡，而振荡频率是由电路元件设定的。
振荡的形式是因为反馈系统未能找到一个稳定的状态，也就是说它的传递函数未能满足，当反馈系统的表达式中的分母等于0时，系统就变成不稳定。
也就是说10A β+=就表示1A β=−。
因此设计振荡器的关键是保证1A β=−，这个条件称为Barkhausen criterion （巴克豪森准则）。
这个准则要求环路增益为1，而且相应的相移为180°，这个180°就是表达式中的那个负号。
一旦电路的相移为180°，环路增益为1，不稳定系统的输出电压就奔向无穷大(但是受电源电压限制)，当输出电压接近电源一个端电压时，放大器中的有源器件就会改变增益，因而改变了A 值，使得1A β≠。
因此，向无穷大电压的变化速度就开始减慢，并最终停了下来。
此时，可以发生三种情况：(1)处于饱和或截止状态的非线性可以使系统变得稳定，并锁定在电源的一个端电压上。
(2)原先的充电电荷可以使系统进入饱和(或截止)并保持一段很长的时间，然后回到线性区，再奔向电源的另一个端电压。
这种情况将产生高度失真的振荡(通常为准方波)由此生成的振荡器就叫驰张振荡器(3)系统保持在线性状态，并改变方向，奔向电源的另一个端电压，这种情况则产生正弦波振荡器。
注意在设计正弦波振荡器时，由于等式中的180°相移是由有源和无源元件引起的，就是理想的反馈电路一样，希望设计的振荡器的相移也被做成取决于无源元件，同时把有源元件提供的相移尽可能降低到最小，因为有源元件的相移会随温度和工艺偏差而发生变化。
因为需要把运放选择在振荡频率上几乎没有或者完全没有相移，这些约束条件使得振荡器只能工作在相对很低的频率区。
单极点的RL 和RC 电路可以提供90°的相移，由于产生振荡需要180°相移，所以在振荡器设计中必须至少使用两个极点。
一个LC 电路有2个极点，因此两个极点可以产生180°相移。
本实验不考虑LC 和LR 振荡器，因为低频电感价格昂贵、体积也很多，而且LC 振荡器一般设计成高频应用，超过了电压反馈运放的频率范围。
振荡频率是由相移确定的，因为电路总是振荡在累积相移达到180°的频率上，相位对于频率的变化率/d d ϕω则确定了频率的稳定性。
振荡频率的稳定性很大程度上取决于相移等于180°上那个频率点的相位变化率。
当频率指标很严格时，就要求在180°相移处很小的频率偏移d ω能够引起很大的相移变化d ϕ。
图4.2所示，虽然两级RC 的串联最终可以提供180°相移，但是在振荡频率点/d d ϕω低得无法接受。
因此，2级RC 串联而成的振荡器有很差的频率稳定性，相对而言，4级RC 串联而成的振荡器就是相对稳定的振荡器结构。
4.2 RC 级的相位曲线振荡器在振荡频率点的增益必须等于1(1A β=),通常只要增益大于1电路即变成稳定而停止振荡，但是当增益超过1而且相移为-180°时，有源器件的非线性会使增益降低到1，因而电路会继续振荡。
所以这里出现了一个相互冲突的选择：为了达到可靠性，我们要求吧最坏情况下的标称增益设计成大于1，但是过量的增益又会引起输出正弦波的较大失真。
增益太低时，振荡会在最坏情况下停止振荡；当增益太高时，输出波形看起来就不像正弦波，更像方波。
失真的直接原因是放大器受到了太大增益的过度驱动，因此在低失真振荡器中，增益必须严格控制。
在很多教科书中，一直假设运放具有无限大的带宽，因而运放的输出不随着频率的变化，但是实际上，电路的环路增益与频率有关。
系统的带宽c f 被规定为闭环增益CL A 与开环增益OL A 滚降曲线的交点。
其实在这个频率点上的CL A 已经衰减了3dB,运放在这一个频率点上提供了45°相移。
大多数运放都是有补偿的，而且在3dB ω处会有大于45°的相移。
所以运放应该被选择为它的增益带宽至少在频率的10倍以上。
图4.3运放的频率响应振荡器电路分析振荡器是由正负反馈各种组合结构构成的，其框图结构是基本负反馈放大器中增加了一个正反馈环路。
图4.4 振荡器框图带有正负反馈的运放的一般形式如图4.5所示。
图4.5 带有正负反馈运放的电路形式分析的第一步是在环路的某一点把环路断开，但不能改变电路增益，如图6.5所示X点处断开，然后把测试信号V TEST 加到断开的环路上，再测量此时输出电压V OUT 。
图4.6 环路增益计算时的等效电路434(TEST Z V V Z Z +=+ 121(OUT Z Z V V Z ++= 因此有31341()(OUT TEST V Z Z V Z Z Z +=+2)Z 在某些振荡器电路中，如相移振荡器，一般使用负反馈，因此反馈因子20β=，某些振荡器如文氏电桥，同时使用了正负反馈以达到恒定的振荡状态。
在实验中，将进行各种正弦波振荡器设计(LC 、RL 正弦波振荡器在高频电子线路里面涉及)。
实验４.1 文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器是最简单最著名的振荡器之一，被广泛运用于音频电路，电路结构如图4.7所示，电路只有几个元件，却有很好的频率稳定性，主要缺点是输出振幅达到了电源电压，引起输出失真。
图6.7 文氏电桥电路,,(1/G F 从图中可以看出12311)Z R Z R Z R sC ==+422(||1/)，Z R sC ==把环路在输出与Z3处断开，V TEST 加在Z3上，然后计算V OUT 。
24222341221()1([1()(1TEST TEST R Z R C s V V V R Z Z R ])R C s C s ++==++++1212221111TEST V 1R C V R C s R R C s C +=++++把012122111,,s j R C R ωωω===C 代入上式，其中0ω为振荡频率1202211011(TEST V R C V j R C )ωωωω+=+++−1ω表示零点中的电容，2ω表示极点电容，必须各自贡献90°相移，才能构成振荡于0ω频率下所需要的180°。
这就要求121,C C R R 2==，这样得出的13β=00001131(TEST V R C V j R C ωωωω+==+++−)3电路中负反馈的增益A 必须设定成||1A A β=⇒=设计无源器件值使振荡频率为0122c c f f RCωππ=⇒=文氏电桥中如果运放使用单电源，则VREF 用于调整把运放的轨到轨输出电压偏置到单电源电压的中间值，如果是使用正负电源，则VREF 接地。
如图所示，将振荡频率设计为1.56kHz图4.8 1.6kHz文氏电桥正弦波振荡电路注意：Aβ增益设计一般要略大①由于运放存在一定输入、输出阻抗，会影响环路增益，所以||于1，但是要小心，太大会导致输出失真，微调RF电路让输出峰峰值大约为10-15V。
②瞬态仿真时，开始电路可能不会振荡，经过一定时间后才会正常起振。
需要将初始条件设置为零，设置合理的起始和结束时间，为了保证精度，最小时间点数量可以选择10000或者更高。
起始时间可以先设置为0.等确定振荡稳定的大概时间后，再把起始时间修正。
③如果电路无法振荡，请适量增大RF值，摆幅失真请适量减小RF值。
修正后的仿真结果如下：峰峰值为17.5V(实验中请将其稳定在10-15V期间)，频率为1.544k（3.088k/2），如果振荡频率误差超过1kHz请微调修改无源器件，将频率稳定回设计值。
①根据附录给定指标设计文氏电桥振荡器电路②输出峰峰值10-15V，不足或已经明显失真的微调电路进行调整③频率误差不能超过指标1kHz，超过的微调电路进行调整④输出波形需抓出稳定波形，如上图所示，抓出峰峰值、频率(半波周期1/dx)实验４-2 相移振荡器相移振荡器具有很好的频率稳定性，同文氏电桥振荡器相比失真也较小。
相移振荡器可以使用单运放后面使用串联RC得到稳定的振荡频率(如图4.9所示)。
