第18章 正弦波振荡电路 18.1 自激振荡 18.2 RC振荡电路 18.3 LC振荡电路

第18章 正弦波振荡电路 本章要求： 1. 了解正弦波振荡电路自激振荡的条件。 2. 了解LC振荡电路和RC振荡电路的工作原理。

18.1 自激振荡 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。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；输出的交流电能是从电源的直流电能转换而来的。 常用的正弦波振荡器 LC振荡电路:输出功率大、频率高。 RC振荡电路:输出功率小、频率低。 石英晶体振荡电路：频率稳定度高。 应用：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、半导体接近开关等。

1. 自激振荡 放大电路在无输入信号的情况下，就能输出一定频率和幅值的交流信号的现象。 1 S u 开关合在“1”为无反馈放大电路。 2 2 1 S u 开关合在“2”为有反馈放大电路， 自激振荡状态 开关合在“2”时,，去掉ui 仍有稳定的输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号。

2. 自激振荡的条件 自激振荡的条件 (1)幅度条件： n 是整数 (2)相位条件： 相位条件意味着振荡电路必须是正反馈； 幅度条件表明反馈放大器要产生自激振荡，还必须有足够的反馈量(可以通过调整放大倍数A 或反馈系数F 达到) 。

3. 起振及稳幅振荡的过程 设：Uo 是振荡电路输出电压的幅度， B 是要求达到的输出电压幅度。 起振时Uo  0，达到稳定振荡时Uo =B。 起振过程中 Uo < B，要求AuF  > 1， 可使输出电压的幅度不断增大。 稳定振荡时 Uo = B，要求AuF  = 1， 使输出电压的幅度得以稳定。 从AuF  > 1 到AuF  = 1，就是自激振荡建立的过程。 起始信号的产生：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，含有一系列频率不同的正弦分量。

4. 正弦波振荡电路的组成 (1) 放大电路: 放大信号 (2) 反馈网络: 必须是正反馈，反馈信号即是 放大电路的输入信号 (3) 选频网络: 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 足自激振 荡条件 (4) 稳幅环节: 使电路能从AuF  >1 ，过渡到 AuF  =1，从而达到稳幅振荡。

18. 2 RC振荡电路 1. 电路结构 RF R 选出单一频率的信号 ∞ – C + uO + RC选频网络 uf 正反馈网络 R1 – 作为输入信号 同相比例电路 放大信号

2. RC串并联选频网络的选频特性 。 R C + – 传输系数： 式中 ： 分析上式可知：仅当  = o时， 达最大值，且 u2 与 u1 同相 ，即网络具有选频特性，fo决 定于RC 。

幅频特性 f fo 1 3 相频特性 （f） fo u1 u2 u2 与 u1 波形

3. 工作原理 输出电压 uo 经正反馈（兼选频）网络分压后，取uf 作为同相比例电路的输入信号 ui 。 (1) 起振过程

(2) 稳定振荡 (3) 振荡频率 振荡频率由相位平衡条件决定。 A = 0，仅在 f 0处 F = 0 满足相位平衡条件，所以振荡频率 f 0= 1  2RC。 改变R、C可改变振荡频率 RC振荡电路的振荡频率一般在200KHz以下。

振荡频率 振荡频率的调整 RF S ∞ – C + uO R 改变开关K的位置可改变选频网络的电阻，实现频率粗调；

（4）起振及稳定振荡的条件 起振条件AuF > 1 ，因为 | F |=1/ 3，则 稳定振荡条件AuF = 1 ，| F |= 1/ 3，则 考虑到起振条件AuF > 1, 一般应选取 RF 略大2R1。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RC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，而是通过在外部引入负反馈来达到稳幅的目的。

带稳幅环节的电路(1) 半导体 热敏电阻 热敏电阻具有负温度系 数，利用它的非线性可以 自动稳幅。 R + ∞ RF R1 C – uO 在起振时，由于 uO 很 小，流过RF的电流也很小， 于是发热少，阻值高，使 RF >2R1；即AuF>1。 随着振荡幅度的不断加强， uO增大，流过RF 的电流也 增大，RF受热而降低其阻 值，使得Au下降，直到RF=2 R1时，稳定于AuF=1， 振荡稳定。

uo t RF Au 带稳幅环节的电路(1) 半导体 热敏电阻具有负温度系数，利用它的非线性可以自动稳幅。 热敏电阻 稳幅过程： R RF + ∞ RF R1 C – uO 稳幅过程： uo t RF Au 思考： 若热敏电阻具有正温度系数，应接在何处？

ID UD 带稳幅环节的电路(2) 稳幅环节 利用二极管的正向伏安特性的非线性自动稳幅。 D2 振荡幅度较大时 RF1 正向电阻小 D1 + ∞ RF2 R1 C – uO D1 D2 RF1 振荡幅度较大时 正向电阻小 ID UD 振荡幅度较小时 正向电阻大

带稳幅环节的电路（2） D2 图示电路中，RF 分为两部分。在RF1上正反并联两个二极管，它们在输出电压uO RF1 D1 + ∞ RF2 R1 C – uO D1 D2 RF1 图示电路中，RF 分为两部分。在RF1上正反并联两个二极管，它们在输出电压uO 的正负半周内分别导通。在起振之初，由 于 uo 幅值很小，尚不足以使二极管导通， 正向二极管近于开路 此时， RF >2 R1。而 后，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RF=2 R1，振荡稳定。

18.3 LC振荡电路 LC 振荡电路的选频电路由电感和电容构成，可以产生高频振荡(几百千赫以上)。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。本节只对 LC振荡电路的结构和工作原理作简单介绍。

－ － 18.3.l 变压器反馈式LC振荡电路 1. 电路结构 L C +UCC RL C1 RB1 RB2 RE CE  选频电路 正反馈 uf + – － － 2.振荡频率 即LC并联电路的谐振频率  反馈网络  放大电路

在调节变压器反馈式振荡电路中，试解释下列现象： （1）对调反馈线圈的两个接头后就能起振； （2）调RB1、 RB2或 RE的阻值后即可起振； （3）改用β较大的晶体管后就能起振； （4）适当增加反馈线圈的圈数后就能起振； （5）适当增加L值或减小C值后就能起振； （6）反馈太强，波形变坏； （7）调整RB1、 RB2或 RE的阻值后可使波形变好； （8）负载太大不仅影响输出波形，有时甚至不能 起振。 例1：

解: L C +UCC RL C1 RB1 RB2 RE CE (1) 对调反馈线圈的两个接 头后就能起振； 原反馈线圈接反，对调两个接头后满足相位条件； (2) 调RB1、RB2或 RE的阻 值后即可起振； 调阻值后使静态工作 点合适，以满足幅度 条件； (3) 改用β较大的晶体管后就能起振； 改用β较大的晶体管，以满足幅度条件；

解: L C +UCC RL C1 RB1 RB2 RE CE (4) 适当增加反馈线圈的 圈数后就能起振； 增加反馈线圈的圈数， 即增大反馈量，以满 足幅度条件； (5) 适当增加L值或减小 C值后就能起振； LC并联电路在谐振时的等效阻抗 当适当增加L 值或减小C 值后, 等效阻抗|Zo|增大，因而就增大了反馈量，容易起振；

解: L C +UCC RL C1 RB1 RB2 RE CE (6) 反馈太强，波形变坏； 反馈线圈的圈数过多或管子的β太大使反馈太强而进入非线性区，使波形变坏。 (7) 调整RB1、 RB2或 RE 的阻值可使波形变好； 调阻值, 使静态工作点在线性区，使波形变好； (8) 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LC并联电路的等效电阻R。 R的增大,一方面使|Zo|减小,因而反馈幅度减小,不易起振; 也使品质因数Q减小, 选频特性变坏, 使波形变坏。

－ － － 例2： 试用相位平衡条件判断下图电路能否产生自激振荡 +UCC C1 RB1 RB2 RE CE L C 正反馈    注意：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， 属于选频网络的电容，其两端的极性相反。

－ － 18.3.2 三点式 LC振荡电路 1. 电感三点式振荡电路 +UCC 放大电路 RB1 正反馈 RC 选频电路 C1  振荡频率 1. 电感三点式振荡电路 +UCC C1 RB1 RB2 RE CE L1 C L2 RC 放大电路 正反馈 选频电路 －  振荡频率  通常改变电容 C 来调节振荡频率。 － 反馈网络  振荡频率一般在几十MHz以下。 反馈电压取自L2

－ － 2. 电容三点式振荡电路 +UCC 放大电路 正反馈 RB1 RC 选频电路 C1 振荡频率   RB2 RE CE L 2. 电容三点式振荡电路 +UCC C1 RB1 RB2 RE CE L C2 RC 正反馈 放大电路 选频电路 － 振荡频率   － 反相 通常再与线圈串联一个较小的可变电容来调节振荡频率。 反馈网络  反馈电压取自C2 振荡频率可达100MHz以上。

－ － － 例3： 图示电路能否产生正弦波振荡, 如果不能振荡，加以改正。  +UCC 解：直流电路合理。 C1 图示电路能否产生正弦波振荡, 如果不能振荡，加以改正。  L +UCC C1 RB1 RB2 RE CE C2 解：直流电路合理。 旁路电容CE将反馈信号旁路，即电路中不存在反馈，所以电路不能振荡。将CE开路，则电路可能产生振荡。 － － 正反馈  － 反馈电压取自C1

半导体接近开关是一种无触点开关，具有反映速度快、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警电路中得到了广泛应用。 例4：半导体接近开关 半导体接近开关是一种无触点开关，具有反映速度快、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警电路中得到了广泛应用。 L2 C2 –UCC RE2 T1 RP1 R2 RE1 CE1 C1 L1 RP2 L3 T2 T3 KA D R3 RC2 R4 LC振荡器 开关电路 射极输出器 继电器

变压器反馈式振荡器是接近 开关的核心部分，L1、 L2及 L3 绕在右图所示的的磁芯上（又 称感应头） 例4：半导体接近开关 L2 C2 –UCC RE2 T1 RP1 R2 RE1 CE1 C1 L1 RP2 L3 T2 T3 KA D R3 RC2 R4 LC振荡器 开关电路 射极输出器 继电器 变压器反馈式振荡器是接近 开关的核心部分，L1、 L2及 L3 绕在右图所示的的磁芯上（又 称感应头） L2 L3 L1 移动的金属体 感应头

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， 使 L1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， 例4：半导体接近开关 L2 C2 –UCC RE2 T1 RP1 R2 RE1 CE1 C1 L1 RP2 L3 T2 T3 KA D R3 RC2 R4 L2 L3 L1 移动的金属体 感应头 当某金属被测物体移近感应头时， 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， 使 L1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， 使L3上输出交流电压为零。

当L3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T2截止， T3饱和导通，继电器KA通电。 例4：半导体接近开关 L2 C2 –UCC RE2 T1 RP1 R2 RE1 CE1 C1 L1 RP2 L3 T2 T3 KA D R3 RC2 R4 当L3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T2截止， T3饱和导通，继电器KA通电。 继电器KA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，立即断电使电动机停转；也可将KA的常开触点接在报警电路上，同时发出声光报警。

当金属被测物体离开感应头后，振荡电路立即起振，在L3上输出正弦电压， 例4：半导体接近开关 L2 C2 –UCC RE2 T1 RP1 R2 RE1 CE1 C1 L1 RP2 L3 T2 T3 KA D R3 RC2 R4 当金属被测物体离开感应头后，振荡电路立即起振，在L3上输出正弦电压， 经二极管的整流后，使T2饱和导通， T3截止，继电器KA断电，常闭触点重新闭合，电动机运转。 RP1用来调节振荡输出幅度， RP2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物体离开感应头时迅速恢复振荡。