正弦波振荡电路.pptx

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1、第第18章章 正弦波振荡电路正弦波振荡电路本章要求：本章要求：1.1.了解正弦波振荡电路自激振荡的条件。了解正弦波振荡电路自激振荡的条件。2.2.了解了解LCLC振荡电路和振荡电路和RCRC振荡电路的工作原理。振荡电路的工作原理。第1页/共33页 正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正弦正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正弦交流信号。交流信号。它的频率范围很广，可以从一赫以下到它的频率范围很广，可以从一赫以下到几百兆以上；输出功率可以从几毫瓦到几十千瓦；几百兆以上；输出功率可以从几毫瓦到几十千瓦；输出的交流电能是从电源的直流电能转换而来的。输出的交流电能是从电源的直流电能转换而来的。18

2、.1 自激振荡自激振荡常用的正弦波振荡器常用的正弦波振荡器LCLC振荡电路振荡电路:输出功率大、频率高。输出功率大、频率高。RCRC振荡电路振荡电路:输出功率小、频率低。输出功率小、频率低。石英晶体振荡电路：频率稳定度高。石英晶体振荡电路：频率稳定度高。应用：应用：无线电通讯、广播电视，工业上的高频感无线电通讯、广播电视，工业上的高频感应炉、超声波发生器、正弦波信号发生器、半导体应炉、超声波发生器、正弦波信号发生器、半导体接近开关等。接近开关等。第2页/共33页1 1S Su u1.1.自激振荡自激振荡 放大电路在无输入信号的情况下，就能输出一定放大电路在无输入信号的情况下，就能输出一定频率和

3、幅值的交流信号的现象。频率和幅值的交流信号的现象。开关合在开关合在“1”1”为无反馈放大电为无反馈放大电路。路。2 21 1S Su u 开关合在开关合在“2”2”为有反馈放大电路，为有反馈放大电路，开关合在开关合在“2”2”时时,，去掉，去掉u ui i 仍有稳定的输出。仍有稳定的输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号。反馈信号代替了放大电路的输入信号。自激振荡状态自激振荡状态2 2第3页/共33页2.2.自激振荡的条件自激振荡的条件(1)(1)幅度条件：幅度条件：(2)(2)相位条件：相位条件：n n n n 是整数是整数 相位条件相位条件意味着振荡电路必须是意味着振荡电路必须是正反馈正反

4、馈；幅度条件幅度条件表明反馈放大器要产生自激振荡，还表明反馈放大器要产生自激振荡，还必须有足够的反馈量必须有足够的反馈量(可以通过调整放大倍数可以通过调整放大倍数A A 或或反馈系数反馈系数F F 达到达到)。自激振荡的条件自激振荡的条件第4页/共33页3.3.起振及稳幅振荡的过起振及稳幅振荡的过程程设：设：U Uo o 是振荡电路输出电压的幅度，是振荡电路输出电压的幅度，B B 是要求达到的输出电压幅度。是要求达到的输出电压幅度。起振时起振时U Uo o 0 0 0 0，达到稳定振荡时，达到稳定振荡时U Uo o =B B。起振过程中起振过程中 U Uo o 1 1，稳定振荡时稳定振荡时 U

5、 Uo o =B B，要求，要求 A Au uF F =1 1，从从 A Au uF F 1 1 到到 A Au uF F =1 1，就是自激振荡建，就是自激振荡建立的过程。立的过程。可使输出电压的幅度不断增大。可使输出电压的幅度不断增大。使输出电压的幅度得以稳定。使输出电压的幅度得以稳定。起始信号的产生：起始信号的产生：在电源接通时，会在电路中激起在电源接通时，会在电路中激起一个微小的扰动信号，它是个非正弦信号，含有一一个微小的扰动信号，它是个非正弦信号，含有一系列频率不同的正弦分量。系列频率不同的正弦分量。第5页/共33页4.4.正弦波振荡电路的组成正弦波振荡电路的组成 (1)(1)放大电

6、路放大电路:放大信号放大信号 (2)(2)反馈网络反馈网络:必须是正反馈，反馈信号即是必须是正反馈，反馈信号即是 放大电路的输入信号放大电路的输入信号 (3)(3)选频网络选频网络:保证输出为单一频率的正弦波保证输出为单一频率的正弦波 即使电路只在某一特定频率下满即使电路只在某一特定频率下满 足自激振足自激振 荡条件荡条件 (4)(4)稳幅环节稳幅环节:使电路能从使电路能从 A Au uF F 1 1，过渡到，过渡到 A Au uF F =1=1，从而达到稳幅振荡。，从而达到稳幅振荡。第6页/共33页18.2 RC振荡电路振荡电路RCRC选频网络选频网络正反馈网络正反馈网络同相比例电路同相比例

7、电路放大信号放大信号 用正反馈信号用正反馈信号u uf f作为输入信号作为输入信号 选出单一频选出单一频率的信号率的信号1.1.电路结构电路结构uf+R+RFR1 C RCuO+第7页/共33页2.RC2.RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性传输系数：传输系数：。R RC CR RC C。+。式中式中 ：分析上式可知：仅当分析上式可知：仅当 =o o时，时，达最达最大值，且大值，且 u u2 2 与与 u u1 1 同相同相 ，即网络具有选频特性，即网络具有选频特性，f fo o决决定于定于RC RC。第8页/共33页u1u2u2 与与 u1 波形波形相频特性相频特性（f）fo

8、幅频特性幅频特性ffo13第9页/共33页3.3.工作原理工作原理 输出电压输出电压 u uo o 经正反馈（兼选频）网络分压后，经正反馈（兼选频）网络分压后，取取u uf f 作为同相比例电路的输入信号作为同相比例电路的输入信号 u ui i 。(1)起振过程起振过程第10页/共33页(2)稳定振荡 A=0，仅在，仅在 f 0处处 F=0 满足相位平衡条件，满足相位平衡条件，所以振荡频率所以振荡频率 f 0=1 2 RC。改变改变R、C可改变振荡频率可改变振荡频率RC振荡电路的振荡频率一般在振荡电路的振荡频率一般在200KHz以下。以下。(3)振荡频率振荡频率 振荡频率由相位平衡条件决定。振

9、荡频率由相位平衡条件决定。第11页/共33页振荡频率的调整振荡频率的调整+R RF FR R C CC C u uOO +S SS SR R1 1R R2 2R R3 3R R3 3R R2 2R R1 1 改变开关改变开关K K的位置可改变选频的位置可改变选频网络的电阻，实现频率粗调；网络的电阻，实现频率粗调；改变电容改变电容C C 的大小可实现频的大小可实现频率的细调。率的细调。振荡频率振荡频率第12页/共33页（4 4）起振及稳定振荡的条件）起振及稳定振荡的条件稳定振荡条件稳定振荡条件 A Au uF F =1=1，|F F|=1/3|=1/3，则，则起振条件起振条件 A Au uF F

10、 1 1，因为，因为|F F|=1/3|=1/3，则则 考虑到起振条件考虑到起振条件AuF 1,一般应选取一般应选取 RF 略大略大2R1。如果这个比值取得过大，会引起振荡波形严重失真。如果这个比值取得过大，会引起振荡波形严重失真。由运放构成的由运放构成的RCRC串并联正弦波振荡电路不是靠运串并联正弦波振荡电路不是靠运放内部的晶体管进入非线性区稳幅，而是通过在外部放内部的晶体管进入非线性区稳幅，而是通过在外部引入负反馈来达到稳幅的目的。引入负反馈来达到稳幅的目的。第13页/共33页带稳幅环节的电路带稳幅环节的电路(1)(1)(1)(1)热敏电阻具有负温度系热敏电阻具有负温度系数，利用它的非线性

11、可以数，利用它的非线性可以自动稳幅。自动稳幅。在起振时，由于在起振时，由于 u uOO 很很小，流过小，流过R RF F的电流也很小，的电流也很小，于是发热少，阻值高，使于是发热少，阻值高，使R RF F 22R R1 1；即；即 A Au uF F 11。随着振荡幅度的不断加强随着振荡幅度的不断加强，u uOO增大，流过增大，流过R RF F 的电流也的电流也增大，增大，R RF F受热而降低其阻受热而降低其阻值，使得值，使得A Au u下降，直到下降，直到R RF F=2=2 R R1 1时，稳定于时，稳定于 A Au uF F =1=1，振荡稳定。振荡稳定。半导体半导体半导体半导体热敏电

12、阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻 R R+R RF FR R1 1 C C R RC C u uOO +第14页/共33页带稳幅环节的电路带稳幅环节的电路(1)(1)热敏电阻具有负温度系热敏电阻具有负温度系数，利用它的非线性可以数，利用它的非线性可以自动稳幅。自动稳幅。半导体半导体半导体半导体热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻 R R+R RF FR R1 1 C C R RC C u uOO +稳幅过程：稳幅过程：思考：思考：若热敏电阻具有正温度系若热敏电阻具有正温度系数，应接在何处？数，应接在何处？uotRF FAu第15页/共33页带稳幅环节的电路带稳幅环节的电路(2)(2)ID DUD振荡幅度

13、较小时振荡幅度较小时正向电阻大正向电阻大振荡幅度较大时振荡幅度较大时正向电阻小正向电阻小 利用二极管的正向伏安利用二极管的正向伏安特性的非线性自动稳幅。特性的非线性自动稳幅。R R+R RF2F2R R1 1 C C R RC C u uOO +D D1 1D D2 2R RF1F1稳幅环节稳幅环节稳幅环节稳幅环节第16页/共33页带稳幅环节的电路（2 2）R R+R RF2F2R R1 1 C C R RC C u uOO +D D1 1D D2 2R RF1F1 图示电路中，图示电路中，R RF F分为两部分。在分为两部分。在R RF1F1上正上正反并联两个二极管，它们反并联两个二极管，它

14、们在输出电压在输出电压u uOO的正负半周内分别导通。的正负半周内分别导通。在起振之初，在起振之初，由由于于 u uo o 幅值很小，尚不足幅值很小，尚不足以使以使二极管导通，二极管导通，正向二极管近于开路正向二极管近于开路此时，此时，R RF F 2 2 R R1 1。而。而后，后，随着振荡幅度的增大，正向二极管导通，其正向随着振荡幅度的增大，正向二极管导通，其正向电阻逐渐减小，直到电阻逐渐减小，直到R RF F=2=2 R R1 1，振荡稳定。，振荡稳定。第17页/共33页18.3 LC振荡电路振荡电路 LC LC 振荡电路振荡电路的选频电路由电感和电容构成，的选频电路由电感和电容构成，可

15、以产生高频振荡可以产生高频振荡(几百千赫以上几百千赫以上)。由于高频运放。由于高频运放价格较高，所以一般用分离元件组成放大电路。本价格较高，所以一般用分离元件组成放大电路。本节只对节只对 LCLC振荡电路的结构和工作原理作简单介绍。振荡电路的结构和工作原理作简单介绍。第18页/共33页18.3.l 18.3.l 变压器反馈式变压器反馈式LCLC振荡电路振荡电路 1.1.电路结构电路结构 正正反反馈馈2.2.振荡频率振荡频率 即即LCLC并联电并联电路的谐振频率路的谐振频率u uf f+L LC C+U UCCCCR RL LC C1 1R RB1B1R RB2B2R RE EC CE E 放大

16、电路放大电路选频电路选频电路反馈网络反馈网络第19页/共33页 在调节变压器反馈式振荡电路中，试解释下在调节变压器反馈式振荡电路中，试解释下列现象：列现象：（1 1）对调反馈线圈的两个接头后就能起振；）对调反馈线圈的两个接头后就能起振；（2 2）调）调R RB1B1、R RB2B2或或 R RE E的阻值后即可起振；的阻值后即可起振；（3 3）改用）改用 较大的晶体管后就能起振；较大的晶体管后就能起振；（4 4）适当增加反馈线圈的圈数后就能起振；）适当增加反馈线圈的圈数后就能起振；（5 5）适当增加）适当增加L L值或减小值或减小C C值后就能起振；值后就能起振；（6 6）反馈太强，波形变坏；

17、）反馈太强，波形变坏；（7 7）调整）调整R RB1B1、R RB2B2或或 R RE E的阻值后可使波形变好；的阻值后可使波形变好；（8 8）负载太大不仅影响输出波形，有时甚至不能）负载太大不仅影响输出波形，有时甚至不能 起振。起振。例例1 1 1 1：第20页/共33页解解:(2)(2)调调R RB1B1、R RB2B2或或 R RE E的阻的阻 值后即可起振；值后即可起振；原反馈线圈接反，对原反馈线圈接反，对调两个接头后满足相调两个接头后满足相位条件；位条件；(1)(1)对调反馈线圈的两个接对调反馈线圈的两个接 头后就能起振；头后就能起振；调阻值后使静态工作调阻值后使静态工作点合适，以满

18、足幅度点合适，以满足幅度条件；条件；(3)(3)改用改用 较大的晶体管后就能起振；较大的晶体管后就能起振；改用改用 较大的晶体管，以满足幅度条件；较大的晶体管，以满足幅度条件；L LC C+U UCCCCR RL LC C1 1R RB1B1R RB2B2R RE EC CE E第21页/共33页解解:(5)(5)适当增加适当增加L L值或减小值或减小 C C值后就能起振；值后就能起振；增加反馈线圈的圈数，增加反馈线圈的圈数，即增大反馈量，以满即增大反馈量，以满足幅度条件；足幅度条件；(4)(4)适当增加反馈线圈的适当增加反馈线圈的 圈数后就能起振；圈数后就能起振；当适当增加当适当增加L L

19、值或减小值或减小C C 值后值后,等效阻抗等效阻抗|Z Zo o|增大，增大，因而就增大了反馈量，容易起振；因而就增大了反馈量，容易起振；LCLC并联电路在谐并联电路在谐振时的等效阻抗振时的等效阻抗L LC C+U UCCCCR RL LC C1 1R RB1B1R RB2B2R RE EC CE E第22页/共33页解:(7)(7)调整调整R RB1B1、R RB2B2或或 R RE E 的阻值可使波形变好；的阻值可使波形变好；反馈线圈的圈数过多或反馈线圈的圈数过多或管子的管子的 太大使反馈太太大使反馈太强而进入非线性区，使强而进入非线性区，使波形变坏。波形变坏。(6)(6)反馈太强，波形变

20、坏；反馈太强，波形变坏；调阻值调阻值,使静态工作点在线性区使静态工作点在线性区，使波形变好；，使波形变好；(8)(8)负载太大不仅影响输出波形，有时甚至不能起振。负载太大不仅影响输出波形，有时甚至不能起振。负载大，就是增大了负载大，就是增大了LCLC并联电路的等效电阻并联电路的等效电阻R R。R R的增大的增大,一方面使一方面使|Z Zo|减小减小,因而反馈幅度减小因而反馈幅度减小,不易起振不易起振;也使品质因数也使品质因数QQ减小减小,选频特性变坏选频特性变坏,使波形变坏。使波形变坏。L LC C+U UCCCCR RL LC C1 1R RB1B1R RB2B2R RE EC CE E第2

21、3页/共33页 例例2 2：正反馈正反馈 注意：注意：用瞬时极性法判断反馈的极性时，用瞬时极性法判断反馈的极性时，耦合电容、旁路电容两端的极性相同，耦合电容、旁路电容两端的极性相同，属于选频网络的电容，其两端的极性相反。属于选频网络的电容，其两端的极性相反。+U UCCCCC C1 1R RB1B1R RB2B2R RE EC CE EL LC C 试用相位平衡条件判断下图电路能否试用相位平衡条件判断下图电路能否产生自激振荡产生自激振荡 第24页/共33页18.3.2 18.3.2 三点式三点式 LCLC振荡电路振荡电路1.1.电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路 正反馈正反馈放大电路放大电路

22、选频电路选频电路反馈网络反馈网络+U UCCCCC C1 1R RB1B1R RB2B2R RE EC CE EL L1 1C CL L2 2R RC C 振荡频率振荡频率 通常改变电容通常改变电容 C C 来调节振荡频率。来调节振荡频率。反馈电压取自反馈电压取自L L2 2振荡频率一般在几十振荡频率一般在几十MHzMHz以下。以下。第25页/共33页2.2.电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路 正反馈正反馈放大电路放大电路反馈网络反馈网络 振荡频率振荡频率 通常再与线圈串联一通常再与线圈串联一个较小的可变电容来调个较小的可变电容来调节振荡频率。节振荡频率。反馈电压取自反馈电压取自C C2 2

23、+U UCCCCC C1 1R RB1B1R RB2B2R RE EC CE EC C1 1L LC C2 2R RC C反相反相反相反相 振荡频率可达振荡频率可达100MHz100MHz以上。以上。选频电路选频电路第26页/共33页例例3 3：图示电路能否产生正弦波振荡图示电路能否产生正弦波振荡,如果不能振如果不能振荡，加以改正。荡，加以改正。L L+U UCCCCC C1 1R RB1B1R RB2B2R RE EC CE EC C2 2解：解：直流电路合理。直流电路合理。旁路电容旁路电容C CE E将反馈信将反馈信号旁路，号旁路，即电路中不存即电路中不存在反馈，所以电路不能在反馈，所以电

24、路不能振荡。将振荡。将C CE E开路，则电开路，则电路可能产生振荡。路可能产生振荡。反馈电压取自反馈电压取自C C1 1 正反馈正反馈第27页/共33页例例4 4：半导体接近开关半导体接近开关L L2 2C C2 2 U UCCCCR RE2E2T T1 1RPRP1 1R R2 2R RE1E1C CE1E1C C1 1L L1 1RPRP2 2L L3 3T T2 2T T3 3KAKAD DR R3 3R RC2C2R R4 4LCLC振荡器振荡器开关电路开关电路 射极输出器射极输出器继电器继电器 半导体接近开关是一种无触点开关，具有反映速半导体接近开关是一种无触点开关，具有反映速度快

25、、定位准确、寿命长等优点。度快、定位准确、寿命长等优点。它在行程控制、定位控制、自动计数以及各种报它在行程控制、定位控制、自动计数以及各种报警电路中得到了广泛应用。警电路中得到了广泛应用。第28页/共33页L L2 2C C2 2 U UCCCCR RE2E2T T1 1RPRP1 1R R2 2R RE1E1C CE1E1C C1 1L L1 1RPRP2 2L L3 3T T2 2T T3 3KAKAD DR R3 3R RC2C2R R4 4LCLC振荡器振荡器开关电路开关电路 射极输出器射极输出器 继电器继电器例例4 4：半导体接近开关半导体接近开关 变压器反馈式振荡器是接近变压器反馈

26、式振荡器是接近 开关的核心部分，开关的核心部分，L L1 1、L L2 2及及 L L3 3绕在右图所示的的磁芯上（又绕在右图所示的的磁芯上（又称感应头）称感应头）L L2 2L L3 3L L1 1移动的金属体移动的金属体感应头感应头第29页/共33页L L2 2C C2 2 U UCCCCR RE2E2T T1 1RPRP1 1R R2 2R RE1E1C CE1E1C C1 1L L1 1RPRP2 2L L3 3T T2 2T T3 3KAKAD DR R3 3R RC2C2R R4 4例例4 4：半导体接近开关半导体接近开关 当某金属被测物体移近感应头时，当某金属被测物体移近感应头时

27、，金属体内感应出涡流，由于涡流的消磁金属体内感应出涡流，由于涡流的消磁作用，破坏了线圈之间的磁耦合，作用，破坏了线圈之间的磁耦合，使使 L L1 1上的反馈电压显著降低，破坏了上的反馈电压显著降低，破坏了自激振荡的幅值条件，振荡器停振，自激振荡的幅值条件，振荡器停振，使使L L3 3上输出交流电压为零。上输出交流电压为零。L L2 2L L3 3L L1 1移动的金属体移动的金属体感应头感应头第30页/共33页L L2 2C C2 2 U UCCCCR RE2E2T T1 1RPRP1 1R R2 2R RE1E1C CE1E1C C1 1L L1 1RPRP2 2L L3 3T T2 2T

28、T3 3KAKAD DR R3 3R RC2C2R R4 4例例4 4：半导体接近开关半导体接近开关 当当L L3 3上输出交流电压为零时，二极管的整流输出上输出交流电压为零时，二极管的整流输出电压也为零，因此电压也为零，因此T T2 2截止，截止，T T3 3饱和导通，继电器饱和导通，继电器KAKA通电。通电。继电器继电器KAKA的常闭触点接在电动机的控制回路内，的常闭触点接在电动机的控制回路内，可在被测金属体接近危险位置时，立即断电使电动可在被测金属体接近危险位置时，立即断电使电动机停转；也可将机停转；也可将KAKA的常开触点接在报警电路上，同的常开触点接在报警电路上，同时发出声光报警。时

29、发出声光报警。第31页/共33页L L2 2C C2 2 U UCCCCR RE2E2T T1 1RPRP1 1R R2 2R RE1E1C CE1E1C C1 1L L1 1RPRP2 2L L3 3T T2 2T T3 3KAKAD DR R3 3R RC2C2R R4 4例例4 4：半导体接近开关半导体接近开关 当金属被测物体离开感应头后，振荡电路立即起当金属被测物体离开感应头后，振荡电路立即起振，在振，在L L3 3上输出正弦电压，上输出正弦电压，经二极管的整流后，使经二极管的整流后，使T T2 2饱和导通，饱和导通，T T3 3截止，继截止，继电器电器KAKA断电，常闭触点重新闭合，电动机运转。断电，常闭触点重新闭合，电动机运转。RPRP1 1用来调节振荡输出幅度，用来调节振荡输出幅度，RPRP2 2可使振荡电路可使振荡电路迅速而可靠的停振，也能促使振荡电路在被测金属迅速而可靠的停振，也能促使振荡电路在被测金属物体离开感应头时迅速恢复振荡。物体离开感应头时迅速恢复振荡。第32页/共33页谢谢您的观看！第33页/共33页