正弦波振荡电路 (2)幻灯片.ppt

正弦波振荡电路第1页，共41页，编辑于2022年，星期六5.1 振荡电路的基本概念振荡电路的基本概念5.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路5.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路5.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路5.5 实用的振荡电路实用的振荡电路 本章小结本章小结本本 章章 主主 要要 内内 容容第2页，共41页，编辑于2022年，星期六5.1.1 振荡电路基本概念振荡电路基本概念振荡电路振荡电路是一种不需要不需要外接输入信号，在输出端仍有一定频率、一定幅度信号输出的电路。振荡电路 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 非正弦波振荡电路非正弦波振荡电路本节重点介绍正弦波振荡电路本节重点介绍正弦波振荡电路。5.1 5.1 振荡电路的基本概念振荡电路的基本概念第3页，共41页，编辑于2022年，星期六 5.1.2 5.1.2 产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件 如图所示由于振荡电路不需要外界输入信振荡电路不需要外界输入信号号，因此反馈信号就是放大电路的输入信号,就是放大电路的输出信号。当 ，则有图5-1振荡电路方框图（5-15-1）第4页，共41页，编辑于2022年，星期六 式（式（5-1）就是振荡电路的自激振荡条件。）就是振荡电路的自激振荡条件。这个条件包含这个条件包含幅值幅值和和相位相位两个条件：两个条件：（1）幅值平衡条件）幅值平衡条件 即放大倍数即放大倍数 与反与反馈系数馈系数 乘积的乘积的 模模为为1（2）相位平衡条件）相位平衡条件 即反馈信号即反馈信号 和和 输入信号输入信号 要同相要同相 第5页，共41页，编辑于2022年，星期六 5.1.3 5.1.3 正弦波振荡电路的组成正弦波振荡电路的组成上图 为RC音频振荡器可分为四部分 （1）放大电路）放大电路 （2）反馈网络）反馈网络 （3）选频网络）选频网络 （4）稳幅电路）稳幅电路构成电桥的四臂起到稳幅的作用。VCCuo两级放大电路构成选频网络都是反馈电路第6页，共41页，编辑于2022年，星期六 5.2 RC5.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 5.2.1 RC5.2.1 RC串并联网络串并联网络 图5-4 RC串并联的 频率特性 RCRC串串并联并联网络网络 相频相频特性特性幅幅频频特特性性第7页，共41页，编辑于2022年，星期六图5-5是由运算放大器和串并联网络构成的正弦波振荡电路。当 时，RC正弦波振荡电路电路的振荡频率为图5-5采用运算放大器的RC振荡电路第8页，共41页，编辑于2022年，星期六 5.3 LC5.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 LCLC正弦波振荡电路是由正弦波振荡电路是由并联回路并联回路作为作为网络。网络。电电 感感 三三 点点 式式 电电 容容 三三 点点 式式 LCLC 正弦波正弦波振荡电路有振荡电路有变变 压压 器器 反反 馈馈 式式 第9页，共41页，编辑于2022年，星期六 变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路如图如图5-65-6所示。所示。电电路中路中的的选频网络选频网络由由LCLC并联电路并联电路组成，组成，反馈反馈由由变压器绕组变压器绕组N N2 2来实现来实现 。图图5-6 5-6 变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路第10页，共41页，编辑于2022年，星期六 1.1.相位条件相位条件将将图图5-65-6电电路路中中A点断开，在在输输入入端端加加上上一一个个频频率率为为 的的正极性信号，三三极极管管的的集集电电极极得得到到一一个个负负极极性性信信号号，变变压压器器绕绕组组N1同名端为为正正极极性性信信号号。变变压压器器同同名名端端如如图图中中所所示示，因因而而在在变压器绕组N2的的同同名名端端得得到到一一个个正极性信号，反反馈馈到到输输入入端端形形成成正正反反馈馈。因因此此 与与同相，电路满足相位条件。电路满足相位条件。第11页，共41页，编辑于2022年，星期六 2.2.振荡频率振荡频率 只有在谐振频率只有在谐振频率 时谐振阻抗最时谐振阻抗最且为纯阻性，即：且为纯阻性，即：看作成看作成一个电阻性一个电阻性负载负载，电路才满足振荡条件。，电路才满足振荡条件。振荡频率振荡频率就是就是LC回路的谐振频率回路的谐振频率即即 .第12页，共41页，编辑于2022年，星期六5.3.2 5.3.2 电感三点式电感三点式LCLC振荡电路振荡电路电感三点式振荡电路又称又称电电感反馈感反馈式振荡式振荡电路电路。图图5-7 5-7 电感反馈式振荡电路电感反馈式振荡电路 和和C C组成组成振荡回路起选频振荡回路起选频和反馈作用和反馈作用第13页，共41页，编辑于2022年，星期六 1.1.相位条件相位条件 将将上上图图中中A点点断断开开，在在输输入入端端加加上上一一个个频频率率为为 的的正正极极性性信信号号，在在三三极极管管的的集集电电极极得得到到一一个个负负极极性性信信号号。这这样样1端端对对地地为为负负，3端端对地为对地为正正，反馈到输入端形成正反馈。，反馈到输入端形成正反馈。因因 此此 与与 同同 相相 电路满足相位条件。通常反馈线圈电路满足相位条件。通常反馈线圈的的为线圈和总匝数的为线圈和总匝数的1/81/4。第14页，共41页，编辑于2022年，星期六 2.2.振荡频率振荡频率 在在分分析析振振荡荡频频率率和和起起振振条条件件时时，可可以以认认为为LC回回路路的的Q值值很很高高，且且电电路路产产生生并并联联谐谐振振。根据谐振条件，电路的振荡频率为根据谐振条件，电路的振荡频率为M为线圈 和 之间的互感 K为耦合系数当K等于1时第15页，共41页，编辑于2022年，星期六 电感反馈式振荡电路的特点电感反馈式振荡电路的特点（1）振振荡荡电电路路的的 和和 是是自自耦耦变变压压器器，耦耦合合很很紧紧，容容易易起起振振，改改变变抽抽头头位位置置可可获获得得较较好好的的正正弦弦波波振振荡荡，且且输输出出幅幅度较大。度较大。（2）频频率率的的调调节节可可采采用用可可变变电电容容，调调节方便。节方便。第16页，共41页，编辑于2022年，星期六 （3）不足之处）不足之处由由于于反反馈馈电电压压取取自自 ，对对高高次次谐谐波波分分量量的的阻阻抗抗大大，输输出出波波形形中中含含较较多多的的高高次次谐谐波波，所所以以波形较差波形较差。振荡频率的稳定性较差。振荡频率的稳定性较差。一一般般电电感感反反馈馈式式振振荡荡电电路路用用于于收收音音机机的的本本机机振振荡荡以以及及高高频频加加热热器器等等振振荡荡频频率率在在几几十兆赫兹以下的场合。十兆赫兹以下的场合。第17页，共41页，编辑于2022年，星期六 5.3.3 5.3.3 电容三点式电容三点式LCLC振荡电路振荡电路 和和上面电感反馈式振上面电感反馈式振荡电路比较，只是把荡电路比较，只是把回路回路中的中的电感电感和和电容电容的位置的位置互换互换。电容三点式电容三点式LCLC振荡电振荡电路如图路如图5-85-8所示。所示。图图5-85-8耦合电容耦合电容耦耦合合电电容容旁路电容旁路电容第18页，共41页，编辑于2022年，星期六 1.1.相位条件相位条件 当回路谐振时，当回路谐振时，LC LC 回路呈纯电阻性回路呈纯电阻性。反馈信号反馈信号取自于取自于电容电容 两端的电压两端的电压，输，输入到三极管入到三极管VTVT的基级。的基级。如果将反馈端如果将反馈端A点断开，用点断开，用瞬时极性法瞬时极性法判断可知判断可知 与与 同相，同相，电路满足相位平衡条电路满足相位平衡条件。件。第19页，共41页，编辑于2022年，星期六 2.2.振荡频率振荡频率 与与电电感感反反馈馈式式振振荡荡电电路路一一样样，电电路路的的谐谐振振频频率率为为 式中，式中，第20页，共41页，编辑于2022年，星期六 电容反馈式振荡电路的特点电容反馈式振荡电路的特点（1）由由于于反反馈馈电电压压取取自自电电容容 ，它它对对高高次次谐谐波波分分量量的的阻阻抗抗较较小小，因因此此，振振荡荡波形较好波形较好。（2）电电感感反反馈馈式式振振荡荡电电路路受受三三极极管管极极间间电容的影响比较小，即电容的影响比较小，即频率稳定性较高。频率稳定性较高。第21页，共41页，编辑于2022年，星期六（3）电路不足之处：）电路不足之处：频率调节不便，调节范围较小。频率调节不便，调节范围较小。一一般般只只用用于于高高频频振振荡荡器器中中。为为了了克克服服调调节节范范围围小小的的缺缺点点，常常在在支支路路中中串串联联一一个个容容量量较较小小的的可可调调电电容容，用用它它来来调调节节振振荡频率。荡频率。第22页，共41页，编辑于2022年，星期六5.4 5.4 石石 英英 晶晶 体体 振振 荡荡 电电 路路 石英晶体振荡器采用石英晶体振荡器采用石英晶体石英晶体代代替选频电路替选频电路 。上面讨论的电路很难达到无线上面讨论的电路很难达到无线电广播，无线电通信的要求。电广播，无线电通信的要求。因此，采用石英晶体振荡器可以达因此，采用石英晶体振荡器可以达到到频率稳定度很高频率稳定度很高的要求的要求。第23页，共41页，编辑于2022年，星期六1.1.石石英英晶晶体体的的特特性性、符符号号及及等等效效电电路路（1）石英晶体的特性）石英晶体的特性。石英晶体是二氧化硅（石英晶体是二氧化硅（）结晶体，具有）结晶体，具有 各向异性各向异性的物理特性的物理特性。石英晶片之所以能做成谐振器是石英晶片之所以能做成谐振器是基于基于 它的压电效应它的压电效应。第24页，共41页，编辑于2022年，星期六石英晶石英晶体的符体的符号号如图如图5-95-9a所所示，示，（2 2）石英晶体的符号和等效电路）石英晶体的符号和等效电路图图 5-9 5-9等效电路如图等效电路如图b)b)所示所示第25页，共41页，编辑于2022年，星期六由等效电路（由等效电路（由等效电路（由等效电路（b)b)b)b)可见可见可见可见，石英谐振器有石英谐振器有两个谐振频率。两个谐振频率。当当L、C、R支路发生串联谐振时，它的等效阻抗支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小最小(等于等于R)，串联谐振频率为，串联谐振频率为 当当频频率率高高于于 时时，L、C、R支支路路呈呈感感性性，可可与与电电容容发发生并联谐振，并联谐振频率为生并联谐振，并联谐振频率为 通通常常 ，比比较较以以上上两两式式可可见见，两两个个谐谐振振频频率率非非常常接近，且接近，且 稍大于稍大于 。第26页，共41页，编辑于2022年，星期六 图图5-95-9c中中 是石英晶体是石英晶体谐振器忽略谐振器忽略R以后的电以后的电抗频率特性抗频率特性。频频率率在在 与与 之之间间，石石英英晶晶体体呈呈感感抗抗性性；当当 时时，石石英英晶晶体体呈呈纯纯电电阻阻性性；而而在在此此之之外外则则呈呈容容性性。第27页，共41页，编辑于2022年，星期六图图5-95-9表明表明在在晶晶体体振振荡荡器器中中，常常把把石石英英谐谐振器当作一个振器当作一个电感器元件。电感器元件。由于由于：Q值大值大 所所以以：振振荡荡器器的的频频率率稳稳定定性性很很高。高。第28页，共41页，编辑于2022年，星期六 2.2.石英晶体振荡器石英晶体振荡器石英晶体振荡器简称石英晶体振荡器简称晶振晶振 电电 路路 有有 两两 种种 类类 型型并并 联联 型型 晶晶 振振 串串 联联 型型 晶晶 振振 第29页，共41页，编辑于2022年，星期六n（1）并联型晶振）并联型晶振 电路如图电路如图 5-105-10所示所示 VCCCe1图5-10并联型晶振电路第30页，共41页，编辑于2022年，星期六有有上上图图可可知知。当当工工作作频频率率介介于于 和和 之之间间时时，晶晶片片等等效效为为一一电电感感元元件件，它它与与电电容容 、组组成成并联谐振回路。并联谐振回路。它它属属于于电电容容反反馈馈式式振振荡荡器器。电电路路的的振振荡荡频频率为率为 其其中中 。谐谐振振频频率率由由于于 ，谐谐振振频频率率为为 ，振振荡荡器器的的频频率率取取决决于于稳稳定定的的谐谐振频率振频率 第31页，共41页，编辑于2022年，星期六n（2 2）串联型晶振）串联型晶振 图图5-115-11所示是所示是 串联型晶体振串联型晶体振 荡器荡器 图5-11串联型晶振电路整个RC串并联网络构成正反馈网络 构成放大电路，第32页，共41页，编辑于2022年，星期六 当当 时，晶体振荡器产生串联谐时，晶体振荡器产生串联谐 振。谐振时振。谐振时阻抗呈最小，反馈量最大，且阻抗呈最小，反馈量最大，且相移为零相移为零，该频率满足自激振荡条件。，该频率满足自激振荡条件。当当 时，晶体振荡器的阻抗呈最大，时，晶体振荡器的阻抗呈最大，而且相移不为零，不能产生谐振，所以该电路而且相移不为零，不能产生谐振，所以该电路的的振荡频率只能振荡频率只能是是。第33页，共41页，编辑于2022年，星期六 5.5 5.5 实用的振荡电路实用的振荡电路 振振荡荡电电路路的的振振荡荡频频率率高高，输输出出功功率大，率大，因而应用十分广泛。因而应用十分广泛。下下面面以以非非接接触触式式晶晶体体管管接接近近开开关关为例来介绍振荡电路的应用为例来介绍振荡电路的应用。第34页，共41页，编辑于2022年，星期六 非接触式晶体管接近开关非接触式晶体管接近开关是一种是一种新型行程开关。新型行程开关。当它与运动的金属体接近到一定距当它与运动的金属体接近到一定距离时，离时，不需接触不需接触，开关就能发出动作，开关就能发出动作信号信号。第35页，共41页，编辑于2022年，星期六图图5-125-12所示为一种晶体管接近开关的电路所示为一种晶体管接近开关的电路图。它由图。它由振荡电路振荡电路、开关电路开关电路及及射极输出器射极输出器三三部分组成部分组成。第36页，共41页，编辑于2022年，星期六 上图中振荡电路是上图中振荡电路是接近开关接近开关的主要部分。它是的主要部分。它是由管由管 构成的变压器反馈式构成的变压器反馈式LCLC振荡振荡 电路。电路。线圈 、及 绕在同一 磁芯上，组成感应头。反馈线圈 放在上层，放在下层 输出线圈 绕在 的外层。如图所示 感应图结构感应图结构第37页，共41页，编辑于2022年，星期六由由于于非非接接触触式式晶晶体体管管接接近近开开关关不不需需机机件件直直接接碰碰撞撞即即可可使使继继电电器器动动作作，所所以以它它具具有有工工作作可可靠靠、无无噪噪声声、寿寿命命长长等等优优点点。目目前前已已被被广广泛泛应应用用于行程控制、定位控制等方面。于行程控制、定位控制等方面。第38页，共41页，编辑于2022年，星期六 本本 章章 小小 结结 本本章章是是在在介介绍绍正正弦弦波波振振荡荡电电路路的的条条件件、组组成成及及分分析析方方法法的的基基础础上上，讨讨论论了了几几种种典典型型振振荡荡电电路路，包括包括振荡电路振荡电路振荡电路振荡电路、振荡电路振荡电路和和石英振荡电路石英振荡电路。n 正正弦弦波波振振荡荡电电路路一一般般由由放放放放大大大大电电电电路路路路、反反馈馈网网络络、选选选选频频频频网网网网络络络络和和稳稳稳稳幅幅幅幅四四部部分分组组成成。产产生生正正弦弦波波振振荡荡的的条条件件是：是：幅幅值值平衡条件平衡条件：相位平衡条件相位平衡条件 （n为整数）为整数）第39页，共41页，编辑于2022年，星期六 RCRC振振荡荡器器一一般般工工作作在在低低频频范范围围，常常用用的的有有RCRC桥桥式式振振荡荡器器和和RCRC移移相相式式振振荡荡器器。其其振振荡荡频频率与率与R R、C C乘积成正比乘积成正比。LCLC振振荡荡器器能能产产生生几几十十兆兆赫赫以以上上的的正正弦弦波波信信号号，本本章章介介绍绍了了变变压压器器反反馈馈式式、电电感感反反馈馈式式和和电电容容反反馈馈式式振振荡荡电电路路，其其振振荡荡频频率率平均值和平均值和 成反比。成反比。第40页，共41页，编辑于2022年，星期六石英晶体振荡器石英晶体振荡器利用利用晶体振荡器晶体振荡器Q Q高高的特的特性，获得高稳定度的正弦波振荡。性，获得高稳定度的正弦波振荡。当石英晶体当石英晶体 工作工作 在串在串 联谐联谐 振频振频率率 构成构成 工作工作 频率在串联谐频率在串联谐 振频率振频率 和和并联谐振频率并联谐振频率 之间时之间时构成构成第41页，共41页，编辑于2022年，星期六