四川信息职业技术学院文本 RC正弦波振荡器_高频电子技术项目三.doc_大学文库

(心四川信息职业技求学院《高频电子技术》将品贵源共享课的非正弦波形有方波、矩形波、锯齿波等等。在正弦泼振荡器中。按构成选频料络的元件不同可分为4C振荡卷、石英晶体振高器、RC振荡器等。本任务置点讨论自激式正弦被叛荡器的组成、振高条件及C振荡器、三点式振荡器、汇振离器等三种振离器的电路结构和基本工作原理。 3。白激式振荡器的主要性能指标振落器的主要性能指标是，振落频率、频率稳定度△么、振落幅度A、振落波形等。对于每一个振跨器来说，首要的指标是振篱颠率和频率稳定度。对于不同的设备，在顿率稳定度上是有不同的要求的。比如相干光调制器中的载波，要求频率稳定度在1010，目前主要采用介质振荡器实现；而广播电台的测幅发射机中的载波，领率稳定度在10~10，可采用C据荡器或石英品体据落器实现。 4。白激式振清器的基本原理 ()白激振荡现象在舞台演唱中常遇到这种现象，当有人把他所使用的话简靠近扬声器时，会引起一种刺耳的啸叫声，其产生过程可用图3子1】米描述。是然，产生璃叫的原因是由于当话简靠近扬声器时，米自扬声器的声被激协话简，话简感应电压并输入音规放大器，驱动扬声器发声，然后扬声器又把故大了的声音再送回话简。形成新的激励。这一过程是一个正反谈的过程。如此反复循环，就形成了声电和电声的白激叛窝啸叫现象。音频成大器》? 图31-1扩碧系统中啸叫声的产生示意图很明显，自激振蒋是扩音系饶所不希望的，它会把有用的声音信号“淹没”草。这时，只要将话简移开使之偏离扬声器声被的来向。或者将音镜放大器的增益调低，就可降低扬声器对话筒的激历，抑制璃叫现象。自董式振窝器就是采用上述的正反馈原理工作的，下面将作进一步的分析。 (2)产生白激振满的条件图312为正反馈政大电路的方框图。若以电医为参考量，可取输入信号X,=心，反馈信号 X,=0,·净输入信号X=心：=心，+0输出信号文，-0。·若取0，-0，即在无外加输入信号时，图3多12就成为图313所示的自蠹振荡器方框图。图3小1-2正反使收大8方框图图中1-3自范指满器示意图 www.scitc.com.cn 2/10 《高颜电子技术》精品赏源共享课建设项目组

www.scitc.com.cn 2 / 10 《高频电子技术》精品资源共享课建设项目组《高频电子技术》精品资源共享课的非正弦波形有方波、矩形波、锯齿波等等。在正弦波振荡器中，按构成选频网络的元件不同可分为 LC 振荡器、石英晶体振荡器、RC 振荡器等。本任务重点讨论自激式正弦波振荡器的组成、振荡条件及 LC 振荡器、三点式振荡器、RC 振荡器等三种振荡器的电路结构和基本工作原理。 3．自激式振荡器的主要性能指标振荡器的主要性能指标是，振荡频率 f0、频率稳定度 Δf0/f0、振荡幅度 A、振荡波形等。对于每一个振荡器来说，首要的指标是振荡频率和频率稳定度。对于不同的设备，在频率稳定度上是有不同的要求的。比如相干光调制器中的载波，要求频率稳定度在 10-5~10-6，目前主要采用介质振荡器实现；而广播电台的调幅发射机中的载波，频率稳定度在 10-3~10-4，可采用 LC 振荡器或石英晶体振荡器实现。 4．自激式振荡器的基本原理 (1)自激振荡现象在舞台演唱中常遇到这种现象，当有人把他所使用的话筒靠近扬声器时，会引起一种刺耳的啸叫声，其产生过程可用图 3-1-1 来描述。显然，产生啸叫的原因是由于当话筒靠近扬声器时，来自扬声器的声波激励话筒，话筒感应电压并输入音频放大器，驱动扬声器发声，然后扬声器又把放大了的声音再送回话筒，形成新的激励，这一过程是一个正反馈的过程。如此反复循环，就形成了声电和电声的自激振荡啸叫现象。音频放大器图 3-1-1 扩音系统中啸叫声的产生示意图很明显，自激振荡是扩音系统所不希望的，它会把有用的声音信号“淹没”掉。这时，只要将话筒移开使之偏离扬声器声波的来向，或者将音频放大器的增益调低，就可降低扬声器对话筒的激励，抑制啸叫现象。自激式振荡器就是采用上述的正反馈原理工作的，下面将作进一步的分析。 (2)产生自激振荡的条件图 3-1-2 为正反馈放大电路的方框图。若以电压为参考量，可取输入信号 Xi Ui  =  ，反馈信号 X f U f  =  ，净输入信号 Xi Ui Ui U f   =  +   =  ，输出信号 Xo Uo  =  。若取 Ui = 0  ，即在无外加输入信号时，图 3-1-2 就成为图 3-1-3 所示的自激振荡器方框图。 X A F . . . i X ' . i X . f X . + o + A F . U . . i U . f U . o 图 3-1-2 正反馈放大器方框图图 3-1-3 自激振荡器示意图

A四川信息职业技求学乾《高颜电手技本》籍品贵源共享漂为了使图31-3所示系统能产生自激振落，必须要求电路进入整定状志后，反馈信号心，等于原净输入信号心，即0，=心：由图31-3得心，=心，AF,因此产生自激振的条件就是 AF=1 (31-1) 由于AF=A∠码，F∠@，=AF∠+，所以护=1便可分解为根幅和幅角（相位）两个条件，即据帽平衡条件和相位平衡条件。 ①相位平衡条件相位平衡条件是指。如果新开反馈信号至放大器输入端的连线。在放大器的输入端加一个信号心，则经过放大和反馈后，得到的反镜信号心，必须和心，同相。相位平衡条件实质上是一种正反馈要求，可用式312)来描述。 p。+Py=月×2x(n=0,12,3-) (3-1-2) 判断电路是否满是相位平衡条件的常用方法是“瞬时极性法，即断开反馈信号至放大电路输入端间的连线，然后在放大电路输入端如一个对地瞬时极性为正的信号心，并记作“+)”，经放大和反镜后（包括选频网络作用），若在频率从0到∞的愿围内存在某一频率为。的反馈信号心，·它的瞬时极性与心，一致，即也是“+)”，则该电路在频率方上满足正反馈的相位条件。 ②报幅平衡条件振幅平衡条件是指，频率为6的正弦波信号，沿A和F环饶一周以后，得到的反馈信号心，的大小正好等于原输入信号广，，根据反馈放大器的原理，可推导出振幅平衡条件，如式313引所示。 aF的-1 (31-3) 由于当A4时，心，1,使得领率为的信号幅度逐渐增大。当信号的幅度达到要求后。再利用半导体器件的非线性成者负反馈的作用，使得满足F=1的条件，从而把版泻电压的幅值稳定下来（称为稳幅）。白激藏荡的两个条件中，关键是相位平衡条件。如果电路不能满足正反馈要求，则肯定不会振荡。至于幅值条件，可以在满足相位条件后，调节电路的有关参数（如放大器的增益、反馈系数）米达到， (3)白激式振荡器的姐成从振药条件的组成框图及分析过程可知。一个自激式振药器应由基本放大器，选频网洛，反馈网络等部分组成。如图314所示。为了稳定输出信号，有的振需器还含有稳幅环节。 www.scite.com.cn 3/10 《高频电子技术》精品蜜源共享课建设项目组

www.scitc.com.cn 3 / 10 《高频电子技术》精品资源共享课建设项目组《高频电子技术》精品资源共享课为了使图 3-1-3 所示系统能产生自激振荡，必须要求电路进入稳定状态后，反馈信号 U f  等于原净输入信号 ' Ui  ，即 ' U f Ui  =  。由图 3-1-3 得 U  f U  iA  F  ' = ，因此产生自激振荡的条件就是 A  F  =1 （3-1-1）由于 AF A a F f = AFa + f =     ，所以 A  F  =1 便可分解为振幅和幅角（相位）两个条件，即振幅平衡条件和相位平衡条件。 ①相位平衡条件相位平衡条件是指，如果断开反馈信号至放大器输入端的连线，在放大器的输入端加一个信号 Ui  ，则经过放大和反馈后，得到的反馈信号 U f  必须和 ' Ui  同相。相位平衡条件实质上是一种正反馈要求，可用式(3-1-2)来描述。  a + f = n 2 （n=0,1,2,3…）（3-1-2）判断电路是否满足相位平衡条件的常用方法是“瞬时极性法”，即断开反馈信号至放大电路输入端间的连线，然后在放大电路输入端加一个对地瞬时极性为正的信号 Ui  ，并记作“(+)”，经放大和反馈后（包括选频网络作用），若在频率从 0 到  的范围内存在某一频率为 f0 的反馈信号 U f  ，它的瞬时极性与 Ui  一致，即也是“(+)”，则该电路在频率 f0 上满足正反馈的相位条件。 ②振幅平衡条件振幅平衡条件是指，频率为 f0 的正弦波信号，沿 A  和 F  环绕一周以后，得到的反馈信号 U f  的大小正好等于原输入信号 ' Ui  。根据反馈放大器的原理，可推导出振幅平衡条件，如式(3-1-3)所示。 AF =1 （3-1-3）由于当 AF 1，使得频率为 f0 的信号幅度逐渐增大，当信号的幅度达到要求后，再利用半导体器件的非线性或者负反馈的作用，使得满足 AF =1 的条件，从而把振荡电压的幅值稳定下来（称为稳幅）。自激振荡的两个条件中，关键是相位平衡条件，如果电路不能满足正反馈要求，则肯定不会振荡。至于幅值条件，可以在满足相位条件后，调节电路的有关参数（如放大器的增益、反馈系数）来达到。 (3)自激式振荡器的组成从振荡条件的组成框图及分析过程可知，一个自激式振荡器应由基本放大器、选频网络、反馈网络等部分组成，如图 3-1-4 所示。为了稳定输出信号，有的振荡器还含有稳幅环节

A四川信息职业技术学乾《高颜电子技本》升品费源共享课描本校大器选類冈临反情网格图-4自激挥离酒的组成方框图基本放大器用于对反馈信号进行放大：选颠网络的作用是从放大后的信号中选出某一特定顿率后的信输出，振荡器的振荡须率就等于选频网络的诺振顿率：反馈网络的作用是将全部或部分输出信号反姨加到基木放大器的输入端。通常。选频网络由C电溶构成的称为C正弦被振荡器：速频网路由C电路构成的称为C正弦波振落器。 (4)白激振荡的建立过程振荡总是从无到有、从小到大地建立起米的。基么，振荡器刚接通电源时，原始的输入电压是从哪里来？又如何能够从小到大建立起稳定的等幅叛荡呢？当刚接通电源时，振荡电路中各部分总是会存在各种电的扰动，例如接通电源瞬间引起的电流突变、电路的内部噪声第，它们包含了非常多的频率分量，由于选频网络的志频作用，只有频率等于振荡频率6的分量才能技送到反馈网路。其它频率分量均被选频网洛滤除。通过反馈网络送到放大器输入瑞的顿率为方的信号，就是原始的输入电压。该输入电压被放大器放大后，再经选颜网络和反馈料络，得到的反馈电压又被送到放大器的输入端，由于满足拟高的相位平衡条件和起据条件，因此该输入电压（即反馈电压）与即输入电压相位相同，振幅更大。这样，轻放大，选频和反馈的反复循环，振荡电压振畅藏会不斯增大。随着叛幅的增大，放大管进入大信号的工作状态。当显幅增大到一定程度后，由于稳幅环节的作用，放大倍数的模A将下降（反馈系数的模F一散为常数），于是环路增益AF逐渐诚小，输出振幅U的增大变缓，直至AF下降到1时，反馈电压叛幅与原输入电压根幅相同，电路达到平衡状态。于是据荡器就输出頓率为6、且具有一定据幅的等幅椒荡电压。图315睡出了正孩振荡的建立过程中输出电压，的波形。图31-5白激振荡的建立过锂二，RC正弦波振荡器 C正弦波振荡器分为桥式、移相式和双T电路等类型，这里重点讨论心桥式振荡器， www.scitc.com.cn 4/10 《高顿电子技术》精品宽源共享课建设项目组

www.scitc.com.cn 4 / 10 《高频电子技术》精品资源共享课建设项目组《高频电子技术》精品资源共享课图 3-1-4 自激振荡器的组成方框图基本放大器用于对反馈信号进行放大；选频网络的作用是从放大后的信号中选出某一特定频率 f0 的信号输出，振荡器的振荡频率就等于选频网络的谐振频率；反馈网络的作用是将全部或部分输出信号反馈加到基本放大器的输入端。通常，选频网络由 RC 电路构成的称为 RC 正弦波振荡器；选频网络由 LC 电路构成的称为 LC 正弦波振荡器。 (4)自激振荡的建立过程振荡总是从无到有、从小到大地建立起来的。那么，振荡器刚接通电源时，原始的输入电压是从哪里来？又如何能够从小到大建立起稳定的等幅振荡呢？当刚接通电源时，振荡电路中各部分总是会存在各种电的扰动，例如接通电源瞬间引起的电流突变、电路的内部噪声等，它们包含了非常多的频率分量，由于选频网络的选频作用，只有频率等于振荡频率 f0 的分量才能被送到反馈网络，其它频率分量均被选频网络滤除。通过反馈网络送到放大器输入端的频率为 f0 的信号，就是原始的输入电压。该输入电压被放大器放大后，再经选频网络和反馈网络，得到的反馈电压又被送到放大器的输入端。由于满足振荡的相位平衡条件和起振条件，因此该输入电压（即反馈电压）与原输入电压相位相同，振幅更大。这样，经放大、选频和反馈的反复循环，振荡电压振幅就会不断增大。随着振幅的增大，放大管进入大信号的工作状态。当振幅增大到一定程度后，由于稳幅环节的作用，放大倍数的模 A 将下降（反馈系数的模 F 一般为常数），于是环路增益 AF 逐渐减小，输出振幅 Uom 的增大变缓，直至 AF 下降到 1 时，反馈电压振幅与原输入电压振幅相同，电路达到平衡状态，于是振荡器就输出频率为 f0、且具有一定振幅的等幅振荡电压。图 3-1-5 画出了正弦振荡的建立过程中输出电压 uo的波形。图 3-1-5 自激振荡的建立过程二、RC 正弦波振荡器 RC 正弦波振荡器分为桥式、移相式和双 T 电路等类型，这里重点讨论 RC 桥式振荡器。基本放大器选频网络反馈网络

www.scitc.com.cn 6 / 10 《高频电子技术》精品资源共享课建设项目组《高频电子技术》精品资源共享课 ω/ωo 1 1 1￣3 -90° +90° φ F ω/ωo F . 图 3-1-7 RC 串并联电路的频率特性 2．RC 桥式振荡器图 3-1-8(a)为采用 RC 串并联电路的 RC 桥式正弦波振荡器, 如果把将其改画成图 3-1-8(b)，则可看出虚线框里的电路接成了电桥形式，因此，这种 RC 正弦波振荡器又可叫做 RC 桥式振荡器。下面分别介绍分析 RC 振荡器的步骤和方法。 C 1 C 2 R 1 R 2 R R ' A f (-) (+) (+) (+) U U o f U 'f Uf C 1 C 2 R 1 R 2 R R ' A f U o (a) (b) (a)RC 桥式电路 (b)等效电路图 3-1-8 采用 RC 串并联电路的正弦波振荡器由图 3-1-7 可知，若用 RC 串并联电路作为振荡器的反馈网络，组成 RC 正弦波振荡器，则要求在  = 0 时，放大电路的输出与输入同相，即 0  A = 0 ，这样才能满足相位平衡条件。同时，要求放大电路的放大倍数略大于３，以满足起振条件 AF  1   （因为在  = 0 时， F = 1 3  ）。在振荡器中还应加入稳幅环节，使幅值平衡条件得以满足。 (1)电路结构分析电路结构分析的任务是检查电路是否包括基本放大器、反馈电路和选频网络等三部分。图 3-1-8(a)中，集成运放和电阻 Rf、R ’共同组成同相比例放大电路，其中通过 Rf、R ’为集成运放引入一个负反馈，其反馈电压为 U f (−)  。但是，这个反馈网络并没有选频作用。RC 串并联电路为集成运放引入另一个反馈，其反馈电压为 U f (+)  。这个电路既是反馈网络，又是选频网络。 (2)相位平衡条件和振幅平衡条件分析我们可以把带负反馈的集成运放看成是 Au=1+Rf/R ’的一个不带反馈的放大电路。因此，可采用瞬时极性法分析由 U f (+)  引入的反馈极性。如果是正反馈，则能满足产生自激振荡的相位平衡条件

C四川信息职业技术学院《高颜电子技本》升品费源共享课反之则不能。判断反锁极性时，可以先假定断开心，到集成运放同相输入端的连线，并在断开处加一瞬时极性为4的输入信号心。然后，通过依次分析各主要点的瞬时极性，最后判断心与心的相位关系。由图318)不难看出，由于集成运放是同相输入放大器，心。与0具相。又根据RC串并联电路的期率特性，在菜一：=问时，从0，到心也是同相，因此，0与假想的输入信号心，同相，电路满是产生振荡的相位平衡条件(4=0°，9=0°，9=4+。=0 应该说明。为了产生探璃。电路必刹同时满足相位平衡条作和幅值平衡条件。但是，我们在本章中住往首先检查电路是否诱足相位平衡条件。 (3)基本放大电路分析由相位条件可知，放大电路应为同相政大器。如果采用分立元件成大电路，应检查管子的静态是香合理。如果用集成运放，则应检查输入璃是否有直流通路，运放有无放大作用， (4)搬满条件分析在图31-中，如果题略放大电路的输入电阻和输出电阻与反馈网洛的相互影响，并把由集成运战组成的同相比例电路看作是一个不带反陵的成大电路，则其电压增益为 A=1+R,/R 3-1 当0=，时，=3.因此，只有端足 4=1+>3 319 才能满足F>I的起振条件。由此料出RC桥式振荡器的园振条件为 R,>2R 3-1-10 再从图31-8)中的两个反镜看。在)一似时，正反谈电压，=0,3，负反馈电压 U=心，RAR+Ry),显然。只有心>心”才是正反姨，才能产生自灏振满，因此，必须有AF>1,成R,>2R。维持叛篙的叛幅平衡条件是 R,=2R 3-1-11] 振荡角颜率为四■，即叛荡频率为。-2aRC 3-1-12 显然。C正弦波叛荡墨的振福频率取决于R和C数慎。要把得到较高的叛荡频率，必须这择较小的R和C值.例如，选R=1如，C-200pF,由式(3112)可求得=95Hz.如果希里进一步提高振药频率，则势必要再减少R和C的值，但是，开的减小将使收大电路的负载加重，而C的减少又受到品体管结电容和线路分布电容的限制，这些因素限制了C显荡器的振荡频率。因此，C服离器只能用作低频振荡器(1H一1MHz)。当要求振蓠频率高于1M收时，一股都政用C并联回路 www.scite.com.cn 7/10 《高频电子技术》精品宽源共享课建设项目组

www.scitc.com.cn 7 / 10 《高频电子技术》精品资源共享课建设项目组《高频电子技术》精品资源共享课反之则不能。判断反馈极性时，可以先假定断开 U f (+)  到集成运放同相输入端的连线，并在断开处加一瞬时极性为“+”的输入信号 ' Ui  。然后，通过依次分析各主要点的瞬时极性，最后判断 U f (+)  与 ' Ui  的相位关系。由图 3-1-8(a)不难看出，由于集成运放是同相输入放大器， U 0  与 ' Ui  同相。又根据ＲＣ串并联电路的频率特性，在某一  =0 时，从 U 0  到 U f (+)  也是同相，因此， U f (+)  与假想的输入信号 ' Ui  同相，电路满足产生振荡的相位平衡条件（ 0  A = 0 ， 0  F = 0 ， 0  AF =  A + F = 0 ）。应该说明，为了产生振荡，电路必须同时满足相位平衡条件和幅值平衡条件。但是，我们在本章中往往首先检查电路是否满足相位平衡条件。 (3)基本放大电路分析由相位条件可知，放大电路应为同相放大器。如果采用分立元件放大电路，应检查管子的静态是否合理。如果用集成运放，则应检查输入端是否有直流通路，运放有无放大作用。 (4)振荡条件分析在图 3-1-8(a)中，如果忽略放大电路的输入电阻和输出电阻与反馈网络的相互影响，并把由集成运放组成的同相比例电路看作是一个不带反馈的放大电路，则其电压增益为 ' Au =1+ Rf R (3-1-8) 当  =0 时， F = 1 3  。因此，只有满足 1 3 ' = +  R R A f u (3-1-9) 才能满足 AF  1   的起振条件。由此得出ＲＣ桥式振荡器的起振条件为 ' Rf  2R (3-1-10) 再从图 3-1-8(a)中的两个反馈看，在  =0 时，正反馈电压 U f ( ) U0 3  =  + ，负反馈电压 /( ) ' ' U f (−) =U0R R + Rf   。显然，只有 U f (+) U f (−)   ，才是正反馈，才能产生自激振荡。因此，必须有 AuFu  1,或 ' Rf  2R 。维持振荡的振幅平衡条件是 ' Rf = 2R (3-1-11) 振荡角频率为  =0 ，即振荡频率为 RC f 2 1 0 = (3-1-12) 显然，RC 正弦波振荡器的振荡频率取决于 R 和 C 数值。要想得到较高的振荡频率，必须选择较小的 R 和 C 值。例如，选 R=1kΩ，C=200pF，由式（3-1-12）可求得 f0=796kHz。如果希望进一步提高振荡频率，则势必要再减少 R 和 C 的值。但是，R 的减小将使放大电路的负载加重，而 C 的减少又受到晶体管结电容和线路分布电容的限制，这些因素限制了 RC 振荡器的振荡频率。因此，RC 振荡器只能用作低频振荡器（1Hz～1MHz）。当要求振荡频率高于 1MHz 时，一般都改用 LC 并联回路

www.scitc.com.cn 8 / 10 《高频电子技术》精品资源共享课建设项目组《高频电子技术》精品资源共享课作为选频网络，组成 LC 正弦波振荡器。 3.1.2 计划决策通过任务分析和对相关资讯的了解，讨论学习的计划并选定最优方案。计划和决策（参考）第一步了解振荡器的主要功能、类型、技术指标及应用领域第二步理解自激振荡的实现原理（幅频特性和相频特性）和分析方法第三步理解 RC 串并联谐振回路的选频原理第四步理解 RC 正弦波振荡器的电路结构及工作原理第五步理解 RC 正弦波振荡器的性能指标的分析和计算方法并利用实验法或仿真法测试第六步了解 RC 正弦波振荡器的电路设计方法 3.1.3 任务实施学习型工作任务单学习领域高频电子技术学时 72（参考）学习项目项目 3 让电信号自由翱翔---认识正弦波振荡器学时 10 工作任务任务 3.1 RC 正弦波振荡器学时 2 班级小组编号成员名单任务描述 1．了解振荡器的功能、类型、主要性能指标； 2．理解自激振荡的实现原理和分析方法； 3．理解 RC 串并联谐振回路的选频原理； 4．理解 RC 正弦波振荡器的电路结构及工作原理、性能指标的分析和计算方法。工作内容 1．振荡器的功能是什么？有哪些类型，主要应用于什么地方？有哪些性能指标？ 2．自激振荡的实现原理（幅频特性和相频特性）和分析方法如何？ 3．RC 串并联谐振回路的选频原理是什么？ 4．RC 正弦波振荡器的电路结构及工作原理是什么？ 5．RC 正弦波振荡器的性能指标如何分析和计算？怎样利用实验法或仿真法测试？提交成果和文件等 1．振荡器的功能、类型、主要性能指标、应用领域对照表； 2．自激振荡的实现原理（幅频特性和相频特性）和分析方法对照表； 3．RC 正弦波振荡器的电路结构、工作原理、性能指标的计算公式对照表；

四川信息职业技术学院 文本 RC正弦波振荡器_高频电子技术项目三

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