项目4-正弦波振荡器的认识及制作

1《电子技术基础与技能》陈振源主编项目4正弦波振荡器的认识及制作1中等职业教育课程改革国家规划新教材《电子技术基础与技能》（陈振源主编）电子演示文稿项目4正弦波振荡器的认识及制作2《电子技术基础与技能》陈振源主编项目4正弦波振荡器的认识及制作2中等职业教育课程改革国家规划新教材振荡电路是一种能量转换装置，它无需外加信号，就能自动地将直流电能转换成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流信号。振荡器有非常广泛的应用，尤其是正弦波振荡器，其输出波形是正弦波，可用作各种信号发生器、无线电接收机的本振电路、无线电发射机的载波发生器等。4.1正弦波振荡器4.3石英晶体振荡器4.2LC振荡器4.4RC振荡器项目小结项目4正弦波振荡器的认识及制作3《电子技术基础与技能》陈振源主编项目4正弦波振荡器的认识及制作3中等职业教育课程改革国家规划新教材4.1.1正弦波振荡器的组成正弦波振荡器主要由放大电路、选频电路和反馈网络三部分所组成。1.放大电路正弦波振荡器结构框图利用三极管的电流放大作用使电路具有足够的放大倍数。2.选频电路正弦波振荡器仅对某个特定频率的信号产生谐振，从而保证了正弦波振荡器具有单一的工作频率。按选频电路组成元件不同，可分为LC振荡器、RC振荡器及石英晶体振荡器等几种常见的类型。3.反馈网络将输出信号正反馈到放大电路的输入端，作为输入信号，使电路产生自激振荡。4.1正弦波振荡器4《电子技术基础与技能》陈振源主编项目4正弦波振荡器的认识及制作4中等职业教育课程改革国家规划新教材4.1.2自激振荡的过程当振荡器接通电源的瞬间，电路受到扰动，在放大器的输入端将产生一个微弱的扰动电压vi，经放大器放大、选频后，通过正反馈网络回送到输入端，形成放大→选频→正反馈→再放大的过程，使输出信号的幅度逐渐增大，振荡便由小到大地建立起来。当振荡信号幅度达到一定数值时，由于三极管非线性区域的限制作用，使管子的放大作用削弱，即电路的放大倍数下降，振幅也就减小，最终使电路维持稳幅振荡。4.1.3自激振荡的条件1.相位平衡条件相位平衡条件是指反馈信号与输入信号的相位同相，即电路有正反馈存在。φ=2nπ2.振幅平衡条件反馈电压的幅值与输入电压的幅值相等，这是电路维持稳幅振荡的振幅条件。AvF=15《电子技术基础与技能》陈振源主编项目4正弦波振荡器的认识及制作5中等职业教育课程改革国家规划新教材LC振荡器是由放大器、LC选频回路和反馈电路三部分所组成。LC振荡器可分为变压器耦合式振荡器和三点式振荡器两大类。4.2.1变压器耦合LC振荡器1.共发射极变压器耦合式振荡器（1）电路元件作用4.2LC振荡器Rb1、Rb2构成分压式偏置电阻Re是发射极直流负反馈电阻。C1、Ce是信号旁路电容L1、C构成并联谐振回路作为选频回路。L2是反馈线圈。共发射极变压器耦合式LC振荡电路6《电子技术基础与技能》陈振源主编项目4正弦波振荡器的认识及制作6中等职业教育课程改革国家规划新教材（2）振荡原理开机瞬间产生的电扰动经三极管V组成的放大器放大，然后由LC选频回路从众多的频率中选出谐振频率f0，并通过线圈L1和L2之间的互感耦合把反馈信号正反馈至三极管基极。偏离f0的其它频率的信号因有附加相移而不满足相位平衡相位条件。只要三极管的电流放大倍数β及L1和L2的匝数比合适，满足振幅条件，就能振荡产生频率为f0的信号。振荡频率f0的计算公式为：（3）电路特点共发射极变压器耦合式振荡器功率增益高，容易起振。但由于共发射极电流放大倍数β随工作频率的增高而急剧降低，故其振荡幅度很容易受到振荡频率大小的影响，因此常用于固定频率的振荡器。CLf10217《电子技术基础与技能》陈振源主编项目4正弦波振荡器的认识及制作7中等职业教育课程改革国家规划新教材2．共基极变压器耦合式LC振荡器（1）电路分析下图所示的是共基极变压器耦合式LC振荡器。L1是负载线圈。通过变压器L1和L2之间的互感作用，在L2上产生感生电动势，L2C选频网络进行选频，L2线圈2、3端的反馈电压加到晶体管的发射极与地(基极)使之产生振荡。正反馈量的大小可以通过调节L2的匝数或两个线圈之间距离来改变。调整可变电容器C可调节振荡频率f0。共基极变压器耦合式LC振荡器（2）电路特点共基极变压器耦合式振荡器的振荡频率调节方便，波形较好，常用于收音机的本机振荡电路。8《电子技术基础与技能》陈振源主编项目4正弦波振荡器的认识及制作8中等职业教育课程改革国家规划新教材4.2.2三点式LC振荡器1．电感三点式振荡器（1）电路分析图（a）是电感三点式振荡器的电路原理图，图(b)是它的交流通路，三极管的三个电极分别与电感支路的三个点1、2、3相连接，电感三点式振荡器由此得名。LC网络能够实现选频，从电感线圈L2两端取出正反馈电压vf加到晶体管输入端。图中C1是隔直流、耦合正反馈信号的电容，Ce是射极旁路电容。振荡频率：电感三点式振荡器原理电路电感三点式振荡器交流通路（2）电路特点电感三点式电路容易振荡，调节频率方便；工作频率可以做得很高，可达到几十兆赫。但输出波形中含有高次谐波，波形较差。CMLLf2212109《电子技术基础与技能》陈振源主编项目4正弦波振荡器的认识及制作9中等职业教育课程改革国家规划新教材2．电容三点式振荡器将电感三点式振荡电路中的谐振电容和电感互换，就构成了电容三点式振荡器，图（a）是原理图，图（b）为交流通路，三极管的三个电极与电容支路的三个点相接，电容三点式由此而得名。（a）电容三点式振荡器原理图（b）电容三点式振荡器交流通路L和C1、C2组成振荡选频网络，利用C1和C2串联分压，将C2上的信号正反馈到放大器的输入端。振荡频率：2121021CCCCLf10《电子技术基础与技能》陈振源主编项目4正弦波振荡器的认识及制作10中等职业教育课程改革国家规划新教材3．改进型电容三点式振荡器图（a）所示的电容三点式振荡交流通路可以看出：三极管极间电容Cbe和Cce分别与Cl、C2并联，构成振荡电路的一部分。由于极间电容会随温度变化或更换管子后有所差异，这些因素将造成振荡频率的不稳定。改进的电容三点式振荡器是在LC回路的电感支路串入小电容C3，如图（b）所示。当C3远小于C1和C2时，其振荡频率f0与C1、C2、Cbe、Cce都基本无关，因此相对削弱了三极管极间电容的影响。（a）改进型电容三点式振荡器原理图（b）改进型电容三点式振荡器交流通路振荡频率为：3o21LCf11《电子技术基础与技能》陈振源主编项目4正弦波振荡器的认识及制作11中等职业教育课程改革国家规划新教材图（a）所示的是KP12-3型电视机高频头的本振电路，其交流等效电路见图（b），为改进型电容三点式振荡器。电感L9与电容C18、C21、C23、C25组成LC谐振回路，R13、R11为三极管的偏置电阻，R18为射极负反馈电阻，R17为集电极直流负载电阻，C30为高频旁路电容。（a）电视机高频头的本振电路原理图（b）电视机高频头的本振等效电路应用实例12《电子技术基础与技能》陈振源主编项目4正弦波振荡器的认识及制作12中等职业教育课程改革国家规划新教材用石英晶体组成的振荡器其频率稳定度可达10-6—10-l1数量级，大大提高了振荡频率的稳定度。目前，石英晶体振荡器已广泛应用于石英钟、彩色电视机、手持移动电话、计算机等各类电子设备中。4.3.1石英晶体谐振器天然石英属二氧化硅晶体(SiO2)，将它按一定方位角切成薄片，称为石英晶体。石英晶体外形、内部结构及符号如图所示。石英晶体外形石英晶体结构石英晶体符号4.3石英晶体振荡器13《电子技术基础与技能》陈振源主编项目4正弦波振荡器的认识及制作13中等职业教育课程改革国家规划新教材石英晶振的等效电路如下图所示。由石英晶振等效电路可知，这个电路有两个谐振频率。石英晶体谐振器特性等效电路石英晶体谐振器频率特性(1)当R、L、C支路发生串联谐振时，等效于纯电阻R，阻抗最小，其串联谐振频率为：(2)当外加信号频率高于fs时，R、L、C支路与Co支路发生并联谐振，谐振频率为：LCfs21oopccccLf2114《电子技术基础与技能》陈振源主编项目4正弦波振荡器的认识及制作14中等职业教育课程改革国家规划新教材4.3.2石英晶体振荡器石英晶振作为选频元件所组成的正弦波振荡电路称为石英晶体振荡器。石英晶体振荡器的电路形式有两类：一类为并联型石英晶体振荡器，工作在fp与fs之间，石英晶体起电感作用；另一类为串联型石英晶体振荡器，工作在串联谐振频率fs处，利用阻抗最小的特性来组成振荡电路。1．并联型石英晶体振荡器该振荡器的实物接线如图（a）所示，图（b）为交流等效电路。选频回路由Cl、C2和石英晶振组成，石英晶振在回路中相当于一个电感，显然这相当于一个电容三点式电路。并联型石英晶体振荡器原理电路并联型石英晶体振荡器交流等效电路15《电子技术基础与技能》陈振源主编项目4正弦波振荡器的认识及制作15中等职业教育课程改革国家规划新教材2．串联型石英晶体振荡器串联型石英晶体振荡器如图所示。石英晶振接在三极管V1、V2组成的两级放大器的正反馈网络中，起到了选频和正反馈的作用。串联型石英晶体振荡器当振荡频率等于石英晶振的串联谐振频率fs时，石英晶振阻抗最小，因此正反馈最强，且相移为零，电路满足自激振荡条件而振荡。对于频率不等于fs的信号来说，石英晶振的阻抗较大，相移不为零，电路不满足自激振荡条件。16《电子技术基础与技能》陈振源主编项目4正弦波振荡器的认识及制作16中等职业教育课程改革国家规划新教材为了提高振荡器的频率稳定度，除了在电路结构上采取措施，还可从以下几方面采取措施。●尽量减少温度的影响，将振荡放大电路与谐振元件置于恒温环境中，采用空调使其工作温度基本保持不变，该方法一般用于要求较高的控制设备。另外，谐振元件应选用温度系数很小的元器件。●安装工艺上要注意消除分布电容和分布电感的影响。●减小负载对振荡电路的影响，一般采用方法是在振荡电路与负载之间加一缓冲放大电路，这样负载变化对振荡回路的影响便可大为降低。●稳定电源电压，采用稳压电源供电。●谐振元件应密封和屏蔽，使之不受外界电磁场的影响，不受湿度变化的影响。17《电子技术基础与技能》陈振源主编项目4正弦波振荡器的认识及制作17中等职业教育课程改革国家规划新教材RC振荡器主要由RC选频反馈网络和放大器所组成，常见的类型有桥式振荡电路和移相式振荡电路，本节将介绍RC桥式振荡电路的基本原理。4.4.1RC串并联选频网络RC串并联选频网络是由R2、C2并联后与R1、C1串联组成，一般取R1=R2=R，C1=C2=C，其选频特性如右下图所示，输入电压vi的幅度一定时，输入信号频率变化会引起输出电压vo幅度和相位都变化。谐振频率：谐振输出电压：4.4RC振荡器RC串并联选频网络RC串并联网络选频特性RCf210iVV31O18《电子技术基础与技能》陈振源主编项目4正弦波振荡器的认识及制作18中等职业教育课程改革国家规划新教材4.4.2RC桥式振荡器1．电路组成RC桥式振荡器又称为文氏桥振荡器，它由同相放大器和具有选频作用的RC串并联正反馈网络所组成。RC桥式振荡电路原理电路RC桥式振荡电路实物图2．振荡原理RC串并联选频网络组成正反馈回路，集成运放输出信号经选频网络选出频率为的信号从同相端输入，形成正反馈，使之产生自激振荡。Rt和R3组成负反馈回路，自动调节振荡输出信号趋于稳定。RCf21019《电子技术基础与技能》陈振源主编项目4正弦波振荡器的认识及制作19中等职业教育课程改革国家规划新教材20《电子技术基础与技能》陈振源主编项目4正弦波振荡器的认识及制作20中等职业教育课程改革国家规划新教材1.音频信号发生器的整机印刷电路板图如图4-17所示，按原理图和印刷板图安装电路。图4-17音频信号发生器印刷电路板图21《电子技术基础与技能》陈振源主编项目4正弦波振荡器的认识及制作21中等职业教育课程改革国家规划新教材2.用木板或塑料自制外壳，并按图4-18所