正弦波发生电路doc.docx
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正弦波发生电路doc
正弦波发生电路
正弦波发生电路能产生正弦波输出,它是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的,它是各类波形发生器和信号源的核心电路。
正弦波发生电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振荡器。
11.1产生正弦波的条件
11.1.1正弦波发生电路的组成
为了产生正弦波,必须在放大电路里加入正反馈,因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分。
但是,这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波,这是由于很难控制正反馈的量。
如果正反馈量大,则增幅,输出幅度越来越大,最后由三极管的非线性限幅,这必然产生非线性失真。
反之,如果正反馈量不足,则减幅,可能停振,为此振荡电路要有一个稳幅电路。
为了获得单一频率的正弦波输出,应该有选频网络,选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一。
选频网络由R、C和L、C等电抗性元件组成。
正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。
正弦波发生电路的组成
放大电路
正反馈网络
选频网络
稳幅电路
11.1.2产生正弦波的条件
产生正弦波的条件与负反馈放大电路产生自激的条件十分类似。
只不过负反馈放大电路中是由于信号频率达到了通频带的两端,产生了足够的附加相移,从而使负反馈变成了正反馈。
在振荡电路中加的就是正反馈,振荡建立后只是一种频率的信号,无所谓附加相移。
(a)负反馈放大电路(b)正反馈振荡电路
图11.01振荡器的方框图
比较图11.01(a)和(b)就可以明显地看出负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区别了。
由于振荡电路的输入信号
=0,所以
=
。
由于正、负号的改变,有反馈的放大倍数为:
振荡条件是
=1
幅度平衡条件
=1
相位平衡条件AF=A+F=2n
(动画11-1)
11.1.3起振条件和稳幅原理
振荡器在刚刚起振时,为了克服电路中的损耗,需要正反馈强一些,即要求
>1
这称为起振条件。
既然
>1,起振后就要产生增幅振荡,需要靠三极管大信号运用时的非线性特性去限制幅度的增加,这样电路必然产生失真。
这就要靠选频网络的作用,选出失真波形的基波分量作为输出信号,以获得正弦波输出。
也可以在反馈网络中加入非线性稳幅环节,用以调节放大电路的增益,从而达到稳幅的目的。
这在下面具体的振荡电路中加以介绍。
11.2RC正弦波振荡电路
11.2.1RC网络的频率响应
RC串并联网络的电路如图11.02所示。
RC串联臂的阻抗用Z1表示,RC并联臂的
图11.02RC串并联网络
阻抗用Z2表示。
其频率响应如下
谐振频率为
f0=
当R1=R2,C1=C2时,谐振角频率和谐振频率分别为:
,
幅频特性
相频特性
当f=f0时的反馈系数
,且与频率f0的大小无关,此时的相角F=0。
即调节谐振频率不会影响反馈系数和相角,在调节频率的过程中,不会停振,也不会使输出幅度改变。
11.2.2RC文氏桥振荡电路
(1)RC文氏桥振荡电路的构成
RC文氏桥振荡器的电路如图11.03所示,RC串并联网络是正反馈网络,另外还增加了R3和R4负反馈网络。
图11.03RC文氏桥振荡器
C1、R1和C2、R2正反馈支路与R3、R4负反馈支路正好构成一个桥路,称为文氏桥。
当C1=C2、R1=R2时
F=0
f0=
为满足振荡的幅度条件
=1,所以Af≥3。
加入R3R4支路,构成串联电压负反馈
(2)RC文氏桥振荡电路的稳幅过程
RC文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻R4实现的。
R4是正温度系数热敏电阻,当输出电压升高,R4上所加的电压升高,即温度升高,R4的阻值增加,负反馈增强,输出幅度下降。
若热敏电阻是负温度系数,应放置在R3的位置,如图11.03。
采用反并联二极管的稳幅电路如图11.04所示。
电路的电压增益为
式中R”p是电位器上半部的电阻值,R’p是电位器下半部的电阻值。
R’3=R3//RD,RD是并联二极管的等效平均电阻值。
当Vo大时,二极管支路的交流电流较大,RD较小,Avf较小,于是Vo下降。
由图(b)可看出,二极管工作在C、D点所对应的等效电阻,小于工作在A、B点所对应的等效电阻,所以输出幅度小。
二极管工作在A、B点,电路的增益较大,引起增幅过程。
当输出幅度大到一定程度,增益下降,最后达到稳定幅度的目的。
(a)稳幅电路(b)稳幅原理图
图11.04反并联二极管的稳幅电路(动画11-2)
例1
11.3LC正弦波振荡电路
LC正弦波振荡电路的构成与RC正弦波振荡电路相似,包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。
这里的选频网络是由LC并联谐振电路构成,正反馈网络因不同类型的LC正弦波振荡电路而有所不同。
11.3.1LC并联谐振电路的频率响应
LC并联谐振电路如图11.05(a)所示。
显然输出电压是频率的函数
输入信号频率过高,电容的旁路作用加强,输出减小;反之频率太低,电感将短路输出。
并联谐振曲线如图11.05(b)所示。
(a)LC并联谐振电路(b)并联谐振曲线
图11.05并联谐振电路及其谐振曲线
谐振时
谐振频率
图11.06有损耗的谐振电路
考虑电感支路的损耗,用R表示,如图
11.06所示。
谐振时,电感支路电流或电容支路
电流与总电流之比,称为并联谐振电路的品
质因数
对于图11.05(b)的谐振曲线,Q值大的曲线较陡较窄,图中Q1>Q2。
并联谐振电路的谐振阻抗
谐振时,LC并联谐振电路相当一个电阻。
11.3.2变压器反馈LC震荡电路
变压器反馈LC振荡电路如图11.07所示。
LC并联谐振电路作为三极管的负载,反馈线圈L2与电感线圈L相耦合,将反馈信号送入三极管的输入回路。
交换反馈线圈的两个线头,可改变反馈的极性。
调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度,以使正反馈的幅度条件得以满足。
有关同名端的极性请参阅图11.08。
图11.07变压器反馈LC振荡电路图11.08同名端的极性
变压器反馈LC振荡电路的振荡频率与并联LC谐振电路相同,为
11.3.3电感三点式LC震荡电路
图11.09为电感三点式LC振荡电路。
电感线圈L1和L2是一个线圈,2点是中间抽头。
如果设某个瞬间集电极电流减小,线圈上的瞬时极性如图所示。
反馈到发射极的极性对地为正,图中三极管是共基极接法,所以使发射结的净输入减小,集电极电流减小,符合正反馈的相位条件。
图11.10是另一个电感三点式LC振荡电路
图11.09电感三点式LC振荡电路(CB)图11.10电感三点式LC振荡电路(CE)
图11.11三点式振荡电路
分析三点式LC振荡电路常用如下方法,将谐振回路的阻抗折算到三极管的各个电极之间,有Zbe、Zce、Zcb,如图11.11所示。
对于图11.09Zbe是L2、Zce是L1、Zcb是C。
可以证明,若满足相位平衡条件,Zbe和Zce必须同性质,即同为电容或同为电感,且与Zcb性质相反。
11.3.4电容三点式LC振荡电路
与电感三点式LC振荡电路类似的有电容三点式LC振荡电路,见图11.12
(a)CB组态(b)CE组态
图11.12电容三点式LC振荡电路
例11.1:
图11.13为三点式振荡电路试判断是否满足相位平衡条件。
(a)(b)
图11.13例题11.1的电路图
图(a)为电感三点式LC振荡器,图(b)为电容三点式LC振荡器。
他们都满足振荡器结构条件。
11.3.5石英晶体LC振荡电路
利用石英晶体高品质因数的特点,构成LC振荡电路,如图11.14所示
(a)串联型f0=fs(b)并联型fs图11.14石英晶体振荡电路
石英晶体的阻抗频率特性曲线见图11.15,它有一个串联谐振频率fs,一个并联谐振频率fp,二者十分接近。
对于图11.14(a)的电路与电感三点式振荡电路相似。
要使反馈信号能传递到发射极,为此石英晶体应处于串联谐振点,此时晶体的阻抗接近为零。
对于图11.14(b)的电路,满足正反馈的条件,为此,石英晶体必须呈电感性才能形成LC并联谐振回路,产生振荡。
由于石英晶体的Q值很高,可达到几千以上,所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性
图11.15石英晶体的电抗曲线
例11.2:
分析图11.16的振荡电路能否产生振荡,若产生振荡石英晶体处于何种状态?
(a)(b)
图11.16例11.2电路图
图(a)为并联型晶体振荡器,晶体相当于电容三点式中的电感;图(b)为串联型晶体振荡器,
在晶体的串联谐振频率上,晶体相当于短路线,接通了正反馈通路。