正弦波振荡器原理

**大学

正弦波振荡器 1 正弦波振荡器

本文重点

1．了解调谐放大器的电路结构、工作特点及工作原理。

2．理解正弦波振荡电路的工作原理、振荡条件。

3．掌握变压器耦合及三点式LC振荡电路的工作原理及振荡频率。

4．了解石英晶体振荡电路。

本文难点

1．调谐放大器的选频能力。

2．正弦波振荡电路的振荡条件。

1 正弦波振荡器的基本知识

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。

.1 自激振荡的工作原理

LC回路中的自由振荡

如图5 2.1(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6.2.1(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6.2.1(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

LCf210 (5.2.1)

图5 2.1 LC回路中的电振荡

一、自激振荡的条件

振荡电路如图5.2.2所示。

振荡条件：相位平衡条件和振幅平衡条件。 **大学

正弦波振荡器 2 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 (5.2.2)

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6.2.3。

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     (5.2.3)

.

正弦波振荡器总结

模块参数要求：设计制作20MHZ石英晶体振荡器、30MHZ克拉泼（串联改进型电容三点式振荡器）震荡器，40MHZ西勒（并联改进型电容三点式振荡器）震荡器频率，工作电压+5V。

模块完成情况：设计制作了20MHZ石英晶体振荡器、24.1MHZ--38.7MHZ克拉泼震荡器、38.9MHZ--40.5MHZ西勒震荡器。

模块涉及的理论知识：

振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路，它无需外加激励信号。

为了使振荡器在接通直流电源后能够自动起振，要求反馈电压在相位上与放大器输入电压同相在幅度上则要求Uf>Ui，即

nFA2 n=0，1，2，…

10FA

式中，A0为振荡器起振时放大器工作于甲类状态时的电压放大倍数。

振荡建立起来之后，振荡幅度会无限制地增长下去吗？不会的，因为随着振荡幅度的增长，放大器的动态范围就会延伸到非线性区，放大器的增益将随之下降，振荡幅度越大，增益下降越多，最后当反馈电压正好等于原输入电压时，振荡幅度不再增大而进入平衡状态。

1AF .

综上所述，为了确保振荡器能够起振，设计的电路参数必须满足A0F>1的条件。而后，随着振荡幅度的不断增大，A0就向A过渡，直到AF=1时，振荡达到平衡状态。显然，A0F越大于1，振荡器越容易起振，并且振荡幅度也较大。但A0F过大，放大管进入非线性区的程度就会加深，那么也就会引起放大管输出电流波形的严重失真。所以当要求输出波形非线性失真很小时，应使A0F的值稍大于1。

当振荡器受到外部因素的扰动（如电源电压波动、 温度变化、噪声干扰等），将引起放大器和回路的参数发生变化破坏原来的平衡状态。如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器越来越偏离原来的平衡状态，从而导致振荡器停振或突变到新的平衡状态，则表明原来的平衡状态是不稳定的。反之，如果通过放大和反馈的不断循环，振荡器能够产生回到原平衡点的趋势，并且在原平衡点附近建立新的平衡状态， 则表明原平衡状态是稳定的。

正弦波振荡器设计 1 1、方案论证与选择

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。选择电容反馈三点式振荡器，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。

振荡器是一种能量转换器，由晶体管等有源器件和具有选频作用的无源网络及反馈网络组成，其框图如图1所示。

图1 振荡器框图

本次设计在两个方案中进行选择

方案一：设计电容三点式振荡器（考毕兹振荡器）；

方案二：设计串联改进型电容三点式振荡器（克拉波振荡器）；

方案一：电容三点式振荡器（又称考毕兹振荡器）

图2 电容三点式振荡器 电容三点式振荡器交流通路

1.相位平衡条件

电容三点式振荡电路又称考毕兹振荡电路，如上图所示，该电路的交流通路放大电路 选频网络

正反馈网络 输出 正弦波振荡器设计

2

如右图所示。可以看出，它符合三点是振荡电路“射同基反”的构成原则，满足自激振荡的相位平衡条件。

2.起振条件

反馈系数：

102iCCFCC

令'101CCC，'22iCCC，则

'1'2CFC

得到起振表达式：

1isRFRF

在F较小时，可近似写为：

'2'1isRCRC

3.振荡频率

在LC谐振回路Q值足够高的条件下,电路的振荡频率为

0''12''121122fLCCCLCC

其中 1212CCCCC

0f的精确表示式为：

0''121112sifLCCCRR

故考毕兹三点线路振荡要比12LC稍高一点 ，sR，iR越小，耦合越松，振荡频率偏高越显著。

正弦波振荡器设计

3

考毕兹电路的优点：

(1)电容反馈三端电路的振荡波形好。

实验十四 RC正弦波振荡器

一、实验目的

1、掌握RC正弦波振荡器的电路结构及其工作原理。

2、熟悉正弦波振荡器的测试方法。

3、观察RC参数对振荡频率的影响，学习振荡频率的测定方法。

二、实验仪器

1、双踪示波器 2、低频信号发生器 3、频率计 4、交流毫伏表 5、直流电源。

三、实验原理及测量方法

正弦振荡电路一般包括两部分，放大电路A和反馈网络F，如图1所示。

图1 正弦振荡电路原理框图

由于振荡电路不需要外界输入信号，因此，通过反馈网络输出的反馈信号Xf就是基本放大电路的输入信号Xid。该信号经基本放大电路放大后，输出为Xo，若能使Xf与Xid大小相等，极性相同，构成正反馈电路，那么这个电路就能维持稳定的输出。因而，Xf=Xid可引出正弦振荡条件。由方框图1可知：

oidXAX

而Xf=FXo 当Xf=Xid时，则有：

AF=1

上述条件可写成|AF|=1，称幅值平衡条件。

即放大倍数A与反馈系数F乘积的模为1，表明振荡电路已达到稳幅振荡，但若要求电路能够自行振荡，开始时必须满足|AF|>1的起振条件。

由Xf与Xid极性相同，可得：

2AFn 称相位平衡条件

即放大电路的相角和反馈网络的相角之和为2n,其中n为整数。

要使振荡电路输出确定频率的正弦信号，电路还应包含选频网络和稳幅电路两部分。选频电路的作用使单一频率的信号满足振荡条件，稳幅电路能保证电路的输出幅度是稳定不失真的，这两部分电路通常可以是反馈网络，或放大电路的一部分。

RC正弦振荡电路也称为文氏桥振荡电路。它的主要特点是利用RC串并联网络作为选频和反馈网络。如图2所示 U17413247651R123.5kΩ1Rp23.5kΩR3100ΩR41kΩ2Rp10kΩKey=A19%C168nFC268nF102430VCC-12VVCC112VVCC1VCCXSC1ABExt Trig++__+_5

（a）电路图