波形發(fā)生電路(自激振蕩電路)

1、第八章 波形發(fā)生電路（自激振蕩電路）8.1 正弦波發(fā)生電路原理8.2 RC正弦波振蕩電路8.3 LC正弦波振蕩器8.4 石英晶體振蕩器(簡稱晶振)波形發(fā)生電路的基本類型有兩種：正弦波發(fā)生電路與非正弦波發(fā)生電路。§8.1 正弦波發(fā)生電路原理正弦波發(fā)生電路通常稱為正弦波振蕩器。是模擬電子電路的一種重要形式。特點是不需要外加任何輸入信號就能根據(jù)要求而輸出特定頻率的正弦波信號。這種特點稱為“自激振蕩”。波形發(fā)生電路是非常典型的正反饋放大電路。一、 產(chǎn)生自激振蕩的條件假設圖示電路中：先通過輸入一個正弦波信號，產(chǎn)生一個輸出信號，此時，以極快的速度使輸出信號，通過反饋網(wǎng)絡送到輸入端，且使反饋信號與

2、原輸入信號“一模一樣”，同時切斷原輸入信號，由于放大器本身不能識別此時的輸入究竟來自信號源，還是來自本身的輸出，既然切換前后的輸入信號“一模一樣”，放大器就一視同仁地給予放大，形成：輸出反饋輸入放大輸出反饋這是一個循環(huán)往復的過程，放大器就構(gòu)成了一個“自給自足”的自激振蕩器。上述假設指出：只有反饋到輸入端的信號與原輸入信號“一模一樣”。才能產(chǎn)生自激振蕩，“一模一樣”就是自激振蕩的條件亦稱平衡條件。是正弦波，而描述正弦波的三要素是：振幅、頻率和相位。 振幅相等；相位相同（若相位總相同，則頻率和初相一定都相等）因為自激振蕩是一個正反饋放大器，故可用反饋的概念來描述振蕩條件。當時由于和都是復數(shù) 此式要

3、成立，則必有，（） 振幅平衡條件 （）相位平衡條件 （正反饋相移為0、2）要維持自激振蕩必須滿足這兩個條件：（可以用蕩秋千為例說明兩個條件） 一要“順勢”（相位平衡條件） 二要用力足夠（振幅平衡條件）保證兩個條件，秋千才能等幅擺動。其中“順勢”（更重要，順勢才能省力）* 回過來再看負反饋放大器中產(chǎn)生自激的情況：負反饋放大器中，為了改善電路的性能，引入的是負反饋，即） （深度負反饋的條件）一旦在多級放大電路的低頻或高頻段上，附加相移）使（深度負反饋條件下的自激條件）（中的） 負反饋變成了正反饋 ）這種情況是要設法避免的。但我們?nèi)粢狗糯笃鳟a(chǎn)生振蕩時，就要有意識地將電路接成正反饋。* 振蕩的建立與

4、穩(wěn)定實際上，振蕩不需要上述假設就可建立起來。接通電源的瞬間，總會有通電瞬間的電沖擊、電干擾、晶體管的熱噪聲等，盡管這些噪聲很微弱，也不是單一頻率的正弦波，但卻是由許多不同頻率的正弦波疊加組合而成的。在不斷放大反饋選頻放大反饋選頻的過程中，振蕩就可以自行建立起來。這個過程可簡述為；電干擾放大選頻正反饋放大選頻正反饋顯然，建立過程中，每一次反饋回來的信號都比前一次大。那么，振蕩輸出會不會無休止的增長呢？晶體管是一個非線性元件，只有在線性區(qū)才會有放大作用。開始振蕩時，信號較小，工作在線性區(qū)，正常值，正反饋，使； 當信號增大到進入非線性區(qū)時，輸出信號產(chǎn)生削波失真，在信號的一個周期的部分時間內(nèi)才有放大作

5、用，平均放大量要減小，也隨之下降，當降到時，輸出和反饋的振幅不再增長，振蕩就穩(wěn)定下來了，可見，穩(wěn)幅的關鍵在于晶體管的非線性特性，所以：起振條件 穩(wěn)定條件（平衡條件）二、 正弦波振蕩器的組成和分析步驟組成：上述分析已經(jīng)指出：正弦波振蕩器必須包含這樣幾個組成部分：放大部分振蕩器的核心，將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換成交流信號能量；補充振蕩過程中的能量損耗，以獲得連續(xù)的等幅正弦波。選頻部分從信號中選出所需的頻率。正反饋電路將選出來的所需頻率的信號送回到輸入端放大。穩(wěn)幅電路一般靠振蕩管自身的非線性穩(wěn)幅，要求高的振蕩器有專門的穩(wěn)幅電路。在實際應用中，放大和穩(wěn)幅“三合一”；選頻和正反饋“二合一”。2、分析步驟（

6、1） 判斷能否產(chǎn)生正弦波振蕩， 組成是否完整，靜態(tài)工作點是否能夠保證放大電路正常工作；用瞬時極性法或電路特點判斷電路是否引入正反饋（是否滿足相位平衡條件）等。（2） 分析振蕩頻率和起振條件§8.2 RC正弦波振蕩電路由放大器和具有選頻正反饋特性的RC網(wǎng)絡所組成的。放大器+RC選頻反饋網(wǎng)絡。教材中介紹了三種RC振蕩電路：高低電橋振蕩器，相移式振蕩器，雙T型選頻網(wǎng)振蕩器。一、 RC網(wǎng)絡的選頻特性和傳輸特性1、單節(jié)RC網(wǎng)絡電容上電流超前電壓；電阻上電流電壓相移為0，該網(wǎng)絡超前于一個，超前型具體分析以超前型單節(jié)RC網(wǎng)絡為例：該網(wǎng)絡滯后于一個相角，稱為滯后型。傳輸系數(shù) 模： 相角：可以看出：模

7、和相角都是角頻率的函數(shù)。討論：（1）w很小，使時， 輸出（2）w很小，使時， 輸出結(jié)論：單節(jié)RC網(wǎng)絡在傳輸信號時，傳輸系數(shù)在01之間，相移在之間，輸出在之間。引伸：要滿足的相移要求，同時要滿足振幅平衡條件，一節(jié)不行，兩節(jié)也不行，必須要有三節(jié)才能滿足，且又有一定的傳輸量，故RC相移振蕩器由三節(jié)RC網(wǎng)絡和反相放大器組成。2、RC串聯(lián)網(wǎng)絡其中： 討論L（1）頻率較低，使時，容抗大，從而使： 串聯(lián)部分： 忽略次要，突出主要 并聯(lián)部分： 電路被簡化為：這是單節(jié)超前型RC網(wǎng)絡，（1）輸出超前于輸入一個相角（2）由于低頻時，很小，使很小（3） 頻率較高使時，容抗小，從而使 電路具有滯后型RC網(wǎng)絡的特征：輸出

8、滯后輸入一個相角，由于頻率高 很小，使很小，（3）當頻率時，串并聯(lián)網(wǎng)絡的傳輸特性： （當取 時） 討論：當時， 模有最大值，相角為0， 時，模值都下降，相角不為0結(jié)論：RC串并聯(lián)網(wǎng)絡在 時，相移為0，且有最大傳輸系數(shù) ，這就是RC串聯(lián)型網(wǎng)絡的選頻反饋特性，所以高氏電橋振蕩器由同組放大器和一個串聯(lián)RC網(wǎng)絡組成。§8.3 LC正弦波振蕩器用LC并聯(lián)諧振回路作為選頻網(wǎng)絡的振蕩器。*分析此類振器的方法學會作振蕩信號等效電路,其原則:將電源、小電阻、大電容，固有頻率遠離振蕩頻率的并聯(lián)諧振回路，固有頻率等于振蕩頻率的串聯(lián)諧振回路流看作短路；將恒流源、大電阻、大電感，固有頻率等于振蕩頻率的并聯(lián)諧振

9、回路；固有頻率遠離振頻率的串聯(lián)諧振回路流看作是開路；根據(jù)等效電路或電路組成判斷相位條件。根據(jù)等效電路估算振蕩頻率和振蕩條件。*LC振蕩器與RC振蕩器的區(qū)別。由電感和電容組成選頻網(wǎng)絡的LC振蕩器，適用于振蕩頻率較高的場合。（一般情況下）高頻振蕩器由電阻和電容組成選頻網(wǎng)絡的RC振蕩器，適用于振蕩頻率較低的場合。（一般情況下）低頻振蕩器二者不能兼用，RC用于高頻振蕩，則R和C的值要求很小，LC用于低頻振蕩，則L和C的值要求很大，在制造上和電路實現(xiàn)上都會造成較大的困難。LC振蕩器根據(jù)反饋電壓取出的方式不同，分為變壓反饋式、電感和電容三點式三種。一、變壓器反饋式振蕩電路將偏置電阻視為開路。將視為短路，振

10、蕩信號等效電路如圖。1、用瞬時極性法判斷，為正反饋。滿足相位一平衡條件。2、振蕩頻率3、振蕩條件為L的損耗和的損耗折合到原邊的（即諧振回路中）的等效總損耗電阻；M：互感系數(shù)據(jù)， R：耦合系數(shù)根據(jù)振蕩條件可知：愈小，M愈大（耦合越緊），值愈容易滿足要求，愈易振蕩。事實上，振蕩條件對三極管的值要求并不高，很容易滿足，相位條件最重要。二、電感三點式振蕩電路將視為開路將視為短路得到振蕩信號等效電路 電路突出的特點：管子的三個電極分接回路的三條引線；反饋電壓取自和的分壓。，取自兩端，故稱電感三點式。曖時極性法判斷：正反饋，滿足相位平衡條件。振蕩頻率，LC回路的諧振頻率振蕩條件三、電容三點式振蕩器將視為開

11、路將視為短路得振蕩信號等效電路 電路特點：管子三個電極分別接LC回路的三條引線，反饋電壓取自和分壓，取自兩端，故稱電容三點式。曖時極性法判斷：正反饋，滿足相位平衡條件。振蕩頻率： 振蕩條件：改進型電容三點式：串聯(lián)型電容三點式振蕩器，在電感支路上串聯(lián)一個小電容，則并聯(lián)型電容三點式：在電感兩端再并聯(lián)一個小電容由于和均可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍更寬，與串聯(lián)型電容三點式一樣，使都幾乎與無關。*三點式振蕩器組成原則：由于三點式振蕩器的諧振回路是由三個分屬于電感和電容兩種不同性質(zhì)的電抗元件所組成。若用X表示電抗（即可以是感抗，也可以是容抗），則等效電路的一般表示形成如右圖。諧振時，總電抗為0，即（這意味著至少有一個電

12、抗為異類異號）亦應為，即（這意味和性質(zhì)必須相同，方保 “射同集（基）反”§8.4 石英晶體振蕩器（簡稱晶振）石英晶體振蕩器是一個特殊的LC振蕩器，是一種高頻振蕩器。特點：頻率穩(wěn)定度極高。*何謂頻率穩(wěn)定度？頻率穩(wěn)定度是衡量頻率相對變化量的值。頻率相對變化量用表示。其大小取決于LC諧振回路的品質(zhì)因素Q，Q值愈大，幅頻特性曲線愈尖銳選頻特性愈好，相對于諧振頻率的頻率變化量愈小，頻率的穩(wěn)定度愈高。指實際頻率偏離振蕩頻率的大小。一、石英晶體的特點1、主要成分：天然的石英晶體有六個側(cè)面，呈六棱雙角錐形。經(jīng)過適當?shù)那懈?，可獲得石英晶體薄片晶片。不同切向得到的晶片特性不同固有諧振頻率不同。2、主要特

13、性：壓電效應在晶片上加電場，晶片會產(chǎn)生機械變形，加交變電場，晶片會產(chǎn)生機械變形振動機械振蕩，同時，它的機械振蕩又會產(chǎn)生交變電場。換句話說，晶片能實現(xiàn)電能和機械能的相互轉(zhuǎn)換。這種能量轉(zhuǎn)換的過程與LC并聯(lián)諧振回路中：電感的磁場能與電容的電場能相互轉(zhuǎn)換的情況相類似。晶片的這種物理特征稱為“壓電效應”。當外加交變電壓的頻率等于晶片的固有頻率時，石英晶體振蕩的振幅會突然增加，晶體呈現(xiàn)出純電阻性質(zhì)，損耗極小，Q值極高，這種現(xiàn)象稱為“壓電諧振”，所以石英晶體實際上是一種電機械的諧振子。3、電路符號及等效電路電路符號： 中間表示石英晶片，晶片表面鍍一層金屬膜，焊上金屬電極。其等效電路分為靜態(tài)等效電路和動態(tài)等效

14、電路。靜態(tài)時：石英晶體相當于一個平板電容器，晶片相當于介質(zhì)，金屬膜相當于兩個極板，等效電路為：晶體的靜態(tài)電容，PF數(shù)量級動態(tài)時：石英晶體相當于一個振蕩電路，其等效電路為：L：晶體電感，反映晶體的慣性，C：晶體電容，反映晶體的彈性，R：晶體的損耗電阻，幾歐幾百歐。分析：由于L很大，C、R很小，所以這樣大的值是一般的LC回路所做不到的。4、兩種諧振頻率從等效電路可以看出。串聯(lián)諧振狀態(tài)：諧振頻率并聯(lián)諧振狀態(tài)：諧振頻率從數(shù)量級上看，因此，和兩個頻率非常接近。石英晶體的電抗頻率特性曲線。 在頻率區(qū)間內(nèi)，晶體呈感性； 在其余的頻率區(qū)間內(nèi)，晶體呈容性。二、石英晶體振蕩器因為石英晶體具有兩種電抗特性，串聯(lián)和并聯(lián)，所以1、并聯(lián)型晶振這類晶振的等效