1、 本章学习要点：本章学习要点：振荡电路是一种不需要外振荡电路是一种不需要外接输入信号就能将直流电源转换成具有一定频率、接输入信号就能将直流电源转换成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出电路，按振一定幅度和一定波形的交流能量输出电路，按振荡波形可分为正弦波振荡电路和非正弦波振荡电荡波形可分为正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路。路。本章仅介绍正弦波振荡电路，振荡的基本概本章仅介绍正弦波振荡电路，振荡的基本概念，念，RC正弦波振荡电路，正弦波振荡电路，LC正弦波振荡电路以正弦波振荡电路以及石英晶体振荡电路。及石英晶体振荡电路。第第7 7章正弦波振荡电路章正弦波振荡电路 正弦波振荡电路通常在没
2、有外加输入信号时正弦波振荡电路通常在没有外加输入信号时就能产生自激振荡，输出正弦波信号就能产生自激振荡，输出正弦波信号。正弦波振荡电路组成框图正弦波振荡电路组成框图 7.1 7.1 正弦波振荡电路的基本原理正弦波振荡电路的基本原理 实质上是一个实质上是一个带选频网络的带选频网络的正反馈闭环放正反馈闭环放大电路大电路 正弦波振荡电路通常是由放大电路、反馈网正弦波振荡电路通常是由放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节四部分组成。络、选频网络和稳幅环节四部分组成。正弦波振荡电路组成正弦波振荡电路组成放大放大电路电路稳幅稳幅环节环节反馈反馈网络网络选频选频网络网络正正反馈反馈负反馈负反馈正弦波正弦波输
3、出输出闭闭环环回路回路（1）放大电路：具有信号放大作用，并通过电源）放大电路：具有信号放大作用，并通过电源供给能量。供给能量。（2）反馈网络：作用是形成正反馈，满足相位平）反馈网络：作用是形成正反馈，满足相位平衡条件。衡条件。（3）选频网络：选择某一个频率的信号满足振荡）选频网络：选择某一个频率的信号满足振荡条件，形成单一频率的正弦波振荡条件，形成单一频率的正弦波振荡（4 4）稳幅环节：使幅度稳定，改善波形。振荡电）稳幅环节：使幅度稳定，改善波形。振荡电路的稳幅通常是通过负反馈实现的。路的稳幅通常是通过负反馈实现的。正弦波振荡电路组成及作用正弦波振荡电路组成及作用相位平衡条件相位平衡条件：保证
4、反馈信号与基本放大：保证反馈信号与基本放大电路的输入信号同相电路的输入信号同相幅度平衡条件幅度平衡条件：保证反馈信号与基本放大：保证反馈信号与基本放大电路的输入信号相等电路的输入信号相等 即即|=|=FA 产生振荡的条件有两条产生振荡的条件有两条振荡电路的起振与幅度稳定的过程振荡电路的起振与幅度稳定的过程 当振荡电路接通电源时，电路中会产生微小的当振荡电路接通电源时，电路中会产生微小的不规则的噪声和扰动信号，它包含各种频率分量。不规则的噪声和扰动信号，它包含各种频率分量。通过选频网络选择，只有一种频率的信号满足相位通过选频网络选择，只有一种频率的信号满足相位条件。只要满足相位条件，同时又满足环
5、路增益大条件。只要满足相位条件，同时又满足环路增益大于的于的产生振荡的条件产生振荡的条件，通过正反馈，输出信号就，通过正反馈，输出信号就会逐渐由小变大，使振荡电路自行起振。可见，环会逐渐由小变大，使振荡电路自行起振。可见，环路增益大于路增益大于(即即|)是产生振荡必须满足的幅是产生振荡必须满足的幅度条件又称为度条件又称为起振条件起振条件。振荡电路起振的相位条件。振荡电路起振的相位条件仍然是需接成正反馈。仍然是需接成正反馈。一般都在电路中采取引入负反馈的措施，使振一般都在电路中采取引入负反馈的措施，使振荡电路的幅度稳定，并改善输出波形。荡电路的幅度稳定，并改善输出波形。FA（1）检查电路的基本组
6、成，一般应包含放大电路、）检查电路的基本组成，一般应包含放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节等。反馈网络、选频网络和稳幅环节等。（2）检查放大器是否工作在放大状态。）检查放大器是否工作在放大状态。（3）检查电路是否满足产生振荡的条件。一般情况）检查电路是否满足产生振荡的条件。一般情况下，幅度条件容易满足，重点检查是否满足相位平下，幅度条件容易满足，重点检查是否满足相位平衡条件和起振条件。衡条件和起振条件。（4 4）判断电路是否满足相位条件一般采用瞬时极）判断电路是否满足相位条件一般采用瞬时极性法，即沿着放大和反馈环路判断反馈的性质。如性法，即沿着放大和反馈环路判断反馈的性质。如果是正反馈则满
7、足相位平衡条件，否则不满足相位果是正反馈则满足相位平衡条件，否则不满足相位条件。条件。判断能否产生正弦波振荡的步骤判断能否产生正弦波振荡的步骤（1）R C振荡电路：振荡电路：选频网络选频网络由由R、C元件组成。元件组成。R C振荡电路工作频率较低，一般为工作在振荡电路工作频率较低，一般为工作在1 Hz 1 MHz。常用于低频电子设备中。常用于低频电子设备中。（2）L C振荡电路：选频网络由振荡电路：选频网络由L、C元件组成。元件组成。L C振荡电路工作频率较高，一般在振荡电路工作频率较高，一般在1M Hz以上。用以上。用于高频电子电路和设备中。于高频电子电路和设备中。（3）石英晶体振荡电路：选
8、频作用主要依靠石英晶）石英晶体振荡电路：选频作用主要依靠石英晶体谐振器来完成。体谐振器来完成。振荡电路的工作频率取决于石英振荡电路的工作频率取决于石英晶体的振荡频率，频率稳定度较高，多用于时基电晶体的振荡频率，频率稳定度较高，多用于时基电路和电子测量设备中。路和电子测量设备中。正弦波振荡电路的分类正弦波振荡电路的分类 最常用的R C正弦波振荡电路是文氏振荡电桥 7.2 RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路图7-2 R C 文氏电桥振荡电路原理图瞬时极性法瞬时极性法判断正反馈判断正反馈RC选选频网频网络正络正反馈反馈负反馈负反馈放大环节放大环节 放大电路由集成运放组成放大电路由集成运放组成 RF和
9、和R3构成负反馈支路构成负反馈支路 R1C1和和R2C2组成串、并联网络，它构成组成串、并联网络，它构成正反馈支路。正反馈支路。上述两个反馈支路正好形成四臂电桥，上述两个反馈支路正好形成四臂电桥，故称之为故称之为R C文氏振荡电桥。文氏振荡电桥。文氏电桥振荡电路的组成文氏电桥振荡电路的组成图图7-3(7-3(a)a)是由是由R1C1和和R2C2组成的串并联网络的等效电路图。组成的串并联网络的等效电路图。R C选频网络的特性选频网络的特性低频等低频等效电路效电路高频等高频等效电路效电路 当输入选频网络信号的频率降低或升高时，输出信当输入选频网络信号的频率降低或升高时，输出信号的幅度都要减小，而且
10、信号频率由接近零向无穷大变号的幅度都要减小，而且信号频率由接近零向无穷大变化时，输出电压的相移由化时，输出电压的相移由+90o向向-90o变化。很显然，在变化。很显然，在中间必然存在某一频率点中间必然存在某一频率点o（f0），且在该频率点上，且在该频率点上，输出电压幅度最大，相移为零。输出电压幅度最大，相移为零。RC串并联网络的幅频特性和相频特性如图串并联网络的幅频特性和相频特性如图7-47-4所示所示简要分析该网络的频率特性简要分析该网络的频率特性振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件1振荡频率振荡频率 该电路产生振荡的频率为：该电路产生振荡的频率为：fo=1/（2RC）通过改变通过改变R和和
11、C的值可以实现振荡频率的调节。的值可以实现振荡频率的调节。2起振条件起振条件|3 电路若满足起振条件，要求反馈电阻电路若满足起振条件，要求反馈电阻RF与与R3的关系为的关系为 RF F 2R3 3 Af 一般在电路中要引入负反馈，减小非线一般在电路中要引入负反馈，减小非线性失真，以改善输出波形。性失真，以改善输出波形。R F与与R 3构成电压串联负反馈支路。调构成电压串联负反馈支路。调整整R F值可以改变电路的闭环电压放大倍数。值可以改变电路的闭环电压放大倍数。为了克服温度和电源电压等参数变化对为了克服温度和电源电压等参数变化对振荡幅度的影响，振荡幅度的影响，R F F选用具有负温度系数选用具
12、有负温度系数的热敏电阻。的热敏电阻。稳幅措施稳幅措施 XD2信号发生器整机方框图如图信号发生器整机方框图如图7-5所示。从图可知，所示。从图可知，其核心部分就是其核心部分就是RC振荡电路（即文氏电桥振荡器）。振荡电路（即文氏电桥振荡器）。RC振荡电路适用于振荡频率不超过振荡电路适用于振荡频率不超过1MHz的场合。的场合。应用实例应用实例 图中图中RT为负温度系为负温度系数热敏电阻，用来稳幅；数热敏电阻，用来稳幅；而而RW为调节负反馈深为调节负反馈深度用的电位器，适当调度用的电位器，适当调节节RW的值，可以使文的值，可以使文氏电桥振荡器既容易起氏电桥振荡器既容易起振，又使振，又使RT有较宽的稳有
13、较宽的稳幅范围。幅范围。例例7-1 在在图图7-2所示文氏电桥振荡电路中，若所示文氏电桥振荡电路中，若R1=R2=100，C1=C2=0.22F，R3=10 k，求振荡频率以及满求振荡频率以及满足起振条件的足起振条件的RF值。值。解：根据公式可得解：根据公式可得 fo=1/2RC=1/（23.141000.2210-6）Hz =7.23kHz 则则 RF 2R3=20 k 由此可知，文氏电桥的振荡频率为由此可知，文氏电桥的振荡频率为7.23 kHz，满足满足起振条件的反馈电阻起振条件的反馈电阻RF应大于应大于20 k。例题解答例题解答 LC正弦波振荡电路主要用来产生正弦波振荡电路主要用来产生1
14、MHz以上的高频振荡信号。以上的高频振荡信号。常用的常用的LC正弦波振荡电路有变压器反馈正弦波振荡电路有变压器反馈式、电感三点式和电容三点式。它们的共同式、电感三点式和电容三点式。它们的共同特点是用特点是用LC谐振回路作为选频网络，而且通谐振回路作为选频网络，而且通常采用常采用LC并联谐振回路。并联谐振回路。7.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路谐振频率谐振频率fo 在在LC并联谐振回路中，在中间某一个并联谐振回路中，在中间某一个频率（频率（f=fo）时，网络呈电阻性且总的阻时，网络呈电阻性且总的阻抗值最大。频率抗值最大。频率fo 称为称为LC并联网络并联网络的谐振频率。的谐振频率。LC并联
15、谐振回路的主要特性并联谐振回路的主要特性fo=1/（2 ）LC 为了表征为了表征LC并联谐振回路的性质，通常并联谐振回路的性质，通常令令Q为回路的品质因数：为回路的品质因数：Q=0 L/R=1/（0 CR）谐振时，回路的等效阻抗为：谐振时，回路的等效阻抗为：Z0=L/RC=Q0L=Q/0C 可见，可见，Q值越高，回路的谐振阻抗越大，选值越高，回路的谐振阻抗越大，选频特性越好。一般来说频特性越好。一般来说LC并联谐振回路的并联谐振回路的Q值值在几十至几百之间。在几十至几百之间。谐振回路谐振回路的品质因数的品质因数（1）LC并联网络具有选频特性，并联网络具有选频特性，在谐振频率在谐振频率f0处发生
16、谐振时，等效阻抗处发生谐振时，等效阻抗|Z|的幅值最大，的幅值最大，且相移且相移=0o，此时，此时，LC并联谐振回路呈纯电阻特性。并联谐振回路呈纯电阻特性。（2）回路的品质因素）回路的品质因素Q的值越大，则谐振回路的幅频特的值越大，则谐振回路的幅频特性越陡峭，即选频特性越好。同时，谐振时的阻抗值性越陡峭，即选频特性越好。同时，谐振时的阻抗值Z0越大。越大。LC并联谐振回路的频率特性并联谐振回路的频率特性 如果只讨论谐振频率如果只讨论谐振频率f0附近回路附近回路阻抗的变化情况，则可认为阻抗的变化情况，则可认为f f0。图图7-7画出了画出了LC并联谐振回路的幅频特并联谐振回路的幅频特性曲线，从图
17、中可以看出：性曲线，从图中可以看出：电路组成电路组成 放大、选频、反馈分别由晶体管放大、选频、反馈分别由晶体管VT、LC网络网络以及变压器来实现。振荡的信号在负载以及变压器来实现。振荡的信号在负载RL上输出。上输出。变压器反馈式正弦波振荡电路变压器反馈式正弦波振荡电路同名端同名端同名端同名端图图7-8变压器反变压器反馈式振荡馈式振荡电路图电路图 如图如图7-8 所示的变压器反馈式振荡电路，所示的变压器反馈式振荡电路，接上电源，振荡器就会起振，输出频率为接上电源，振荡器就会起振，输出频率为f0的的信号。这是因为信号。这是因为LC回路对频率为回路对频率为f0的信号呈纯的信号呈纯电阻。根据瞬时极性法
18、分析电路各点的相位极电阻。根据瞬时极性法分析电路各点的相位极性，可知电路引入的是正反馈，满足相位平衡性，可知电路引入的是正反馈，满足相位平衡条件。条件。振荡条件振荡条件 从上面相位平衡条件分析过程清楚地从上面相位平衡条件分析过程清楚地看出，只有在谐振频率看出，只有在谐振频率f0时，电路才满足时，电路才满足振荡条件。所以振荡频率就是振荡条件。所以振荡频率就是LC网络的谐网络的谐振频率振频率f0，即：即：振荡频率振荡频率fo=1/(2 )LC电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路 在实际工作中，为了避免确定变压器同名端的麻在实际工作中，为了避免确定变压器同名端的麻烦，也为了绕制线圈的方便，变压器采用
19、了自耦形式烦，也为了绕制线圈的方便，变压器采用了自耦形式的接法，由于电感引出三个端点，且与三极管的三个的接法，由于电感引出三个端点，且与三极管的三个电极相连，所以称为电感三点式振荡电路。电极相连，所以称为电感三点式振荡电路。图图7-9三点式正弦波振荡电路三点式正弦波振荡电路电感电感三点三点式振式振荡电荡电路路交流等交流等效电路效电路 在图在图7-9所示电路中，晶体管工作于选频放大状态，所示电路中，晶体管工作于选频放大状态，电路满足相位平衡条件。电路满足相位平衡条件。当当LC网络网络Q值很高时，电路的振荡频率基本上等于值很高时，电路的振荡频率基本上等于LC并联回路的谐振频率，即：并联回路的谐振频
20、率，即：式中式中L为回路的总电感，即为回路的总电感，即L=L1+L2+2M，M为为L1与与L 2之间的互感。之间的互感。振荡频率振荡频率fo=1/(2 )LC（1）由于线圈由于线圈L1与与L2之间耦合很紧，因此比较容易起振。之间耦合很紧，因此比较容易起振。改变电感抽头的位置，可以获得满意的正弦波输出，且振改变电感抽头的位置，可以获得满意的正弦波输出，且振荡幅度较大。根据经验，通常可以选择反馈线圈荡幅度较大。根据经验，通常可以选择反馈线圈L2的圈数的圈数为整个线圈的为整个线圈的1/81/4。（2）调节频率方便。采用可变电容，可获得一个较宽的频调节频率方便。采用可变电容，可获得一个较宽的频率调节范
21、围。该电路工作频率一般可以率调节范围。该电路工作频率一般可以1 MHz至几十至几十MHz之间。之间。（3)由于电感反馈支路对高次谐波呈现较大的阻抗，所以由于电感反馈支路对高次谐波呈现较大的阻抗，所以输出波形中含有高次谐波的成分较多，波形较差，且频率输出波形中含有高次谐波的成分较多，波形较差，且频率稳定度也不高。这种电路多用于频率稳定度要求不高的电稳定度也不高。这种电路多用于频率稳定度要求不高的电子设备中。子设备中。应用情况应用情况 为了获得良好的正弦波，可将电感三点式中的电感换成对高次谐波呈为了获得良好的正弦波，可将电感三点式中的电感换成对高次谐波呈现低阻抗的电容现低阻抗的电容C1和和C2，同
22、时将原来的电容同时将原来的电容C改为电感改为电感L以产生谐振，这以产生谐振，这就是电容三点式振荡电路。就是电容三点式振荡电路。为了构成放大管输出回路的直流通路，在电路中加了集电极负载为了构成放大管输出回路的直流通路，在电路中加了集电极负载Rc。电路的振荡频率基本上电路的振荡频率基本上等于等于LC回路的谐振频率，回路的谐振频率，即：即：电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路图图7-10交流等交流等效电路效电路电容三点式振荡电容三点式振荡电路的电路图电路的电路图fo=1/(2 )LC式中式中C=C1C2/(C1+C2)。（1)由于反馈电压取自电容由于反馈电压取自电容C2，电容对高次谐波阻抗很小，电容
23、对高次谐波阻抗很小，反馈电压中的谐波分量很小，所以输出波形较好。反馈电压中的谐波分量很小，所以输出波形较好。（2）因为电容）因为电容C1、C2的容量可以选择较小，并将放大管的的容量可以选择较小，并将放大管的极间电容也计算进去，因此振荡频率较高，一般可以达到极间电容也计算进去，因此振荡频率较高，一般可以达到100MHz以上。以上。（3)调节电容可以改变振荡频率，但同时会影响起振条件，调节电容可以改变振荡频率，但同时会影响起振条件，因此这种电路适用于产生固定频率的振荡。如果要改变振因此这种电路适用于产生固定频率的振荡。如果要改变振荡频率，可在电感端并联一个可变电容。荡频率，可在电感端并联一个可变电
24、容。电容三点式振荡电路的特点电容三点式振荡电路的特点 在工程实际应用中，常常要求振荡电路的振荡频率有在工程实际应用中，常常要求振荡电路的振荡频率有较高的稳定度。较高的稳定度。石英晶体具有很高的品质因数石英晶体具有很高的品质因数Q Q，由石英晶体组成的由石英晶体组成的振荡电路，其振荡频率的频率稳定度可达振荡电路，其振荡频率的频率稳定度可达10-810-10。所。所以在要求频率稳定度高的场合，常采用石英晶体振荡电路。以在要求频率稳定度高的场合，常采用石英晶体振荡电路。7.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器图图7-11石英晶体石英晶体的结构示的结构示意图意图石英晶体的石英晶体的图形符号图形符号 石英晶
25、体是一种各向异性的结晶体，其化学成分是二石英晶体是一种各向异性的结晶体，其化学成分是二氧化硅。将一块石英晶体以一定方向角切下晶体薄片，称氧化硅。将一块石英晶体以一定方向角切下晶体薄片，称为石英晶片。在石英晶片的两个端面涂上银层，引出两个为石英晶片。在石英晶片的两个端面涂上银层，引出两个电极，加上外壳封装，就构成石英晶体谐振器，简称石英电极，加上外壳封装，就构成石英晶体谐振器，简称石英晶体或晶片。晶体或晶片。石英晶体的基本特性石英晶体的基本特性图图7-12石英晶体石英晶体的等效电的等效电路图路图频率特频率特性图性图 常用的石英晶体振荡器电路为并联型晶体振荡器。把常用的石英晶体振荡器电路为并联型晶
26、体振荡器。把石英晶体作为石英晶体作为LC选频电路中的电感线圈使用，这种振荡器选频电路中的电感线圈使用，这种振荡器就称为并联晶体振荡器。就称为并联晶体振荡器。石英晶体振荡器的振荡频率基本石英晶体振荡器的振荡频率基本上就是石英晶体的谐振频率上就是石英晶体的谐振频率f0 0。图图7-13（a）电容三点式晶体振荡器电容三点式晶体振荡器石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路等效等效电路电路 在实际工程应用中，由于晶体的固有频率与在实际工程应用中，由于晶体的固有频率与温度有关，因此石英晶体谐振器只有在较窄的温温度有关，因此石英晶体谐振器只有在较窄的温度范围内工作才具有很高的频率稳定度。度范围内工作才具有很高的频率稳定度。一般在工作环境的温度变化范围很宽时，应一般在工作环境的温度变化范围很宽时，应选用高精度和高稳定度的石英晶体，并给石英晶选用高精度和高稳定度的石英晶体，并给石英晶体加上温度控制电路，或把它放在恒温槽中。体加上温度控制电路，或把它放在恒温槽中。石英晶体谐振器的应用石英晶体谐振器的应用
