任务3-1 RC正弦波振荡器 - 四川信息职业技术学院 精品资源.pdf

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1、任务3-1RC正弦波振荡器 3-1-13-1-1资讯准备资讯准备 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。 资讯指南 资讯内容获取方式 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？ 阅读资料 上网： 查阅图书 询问相关工作人员 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？ 3RC 串并联谐振回路的选频原理是什么？ 4RC 正弦波振荡器的电路结构及工作原理是什么？ 5RC 正弦波振荡器的性能

2、指标如何分析和计算？怎样利用实验法或仿 真法测试？ 导学材料导学材料 一、概述 在电子技术领域中， 许多场合下需要使用到交变信号特别是正弦波信号， 如无线电通信 系统中发射机的载波信号、接收机的本地振荡信号，电子测量中的标准信号源等，它们一般 都是由电路装置-自激式信号发生器（又叫自激式振荡器）产生的。 1自激式振荡器的概念 所谓自激式振荡器， 是指在无任何外加输入信号的情况下， 就能自动地将直流电能转换 成具有一定频率、振幅、波形的交变信号能量的电路。若产生的交流信号为正弦波，则称为 正弦波信号发生器或正弦波振荡器。 2自激式振荡器的分类 自激式振荡器的种类很多， 按信号的波形来分， 可分为

3、正弦波振荡器和非正弦波振荡器。 常见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f0/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 10-510-6，目

4、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 10-310-4，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-

5、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 ii UX ，反 馈信号 ff UX ，净输入信号 fiii UUUX ，输出信号 oo UX 。若取0 i U ，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。

6、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 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 f U 等于原净输入信号 i U ，即 if UU 。 由图 3-1-3 得FAUU if ，因此产生自激振荡的条件就是 FA =1（3-1-1） 由于 fafa AFFAFA ，所以FA =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。 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

7、入端的连线， 在放大器的输入端加一 个信号 i U ，则经过放大和反馈后，得到的反馈信号 f U 必须和 i U 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。 2n fa （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 i U ，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 f U ，它的瞬时极性与 i U 一致，即也是“(+)” ，则该电路在频率 f0上

8、满足正 反馈的相位条件。 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 f U 的大小正好等于原输入信号 i U 。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。 FA =1（3-1-3） 由于当FA 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FA =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

9、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。 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

10、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

11、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

12、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 1RC 串并联电路的选频特性 RC 桥式振荡器的核心电路是 RC 串并联电路，原理电路如图 3-1-6 所示。 R1与 C1串联， 然后和 R2与 C2并联回路一起组合构成 RC 串并联电路，它在 RC 正弦波振荡器中既作反馈 网络，又作选频网络。 R1 R2 C1 C2 + + _ Uo Uf . . 图 3-1-6RC 串并联电路 在 图 3-1-6 中 ， R1与 C1的 串 联 阻 抗 111 1

13、CjRZ， R2与 C2的 并 联 阻 抗 )1/( )(1/ 222222 CRjRCjRZ，而电路输出电压 f U 与输入电压 O U 的关系为 )1()1 ( 1 )1 ()1 ( )1 ( 21212112 22211 222 21 2 RCCRjRRCC CRjRCjR CRjR ZZ Z U U F O f (3-1-4) 通常取 R1=R2=R，C1=C2=C，于是 )(3 1 00 j F (3-1-5) 式中，)(1 0 RC是电路的特征角频率。 由式（3-1-4）可知，F 的幅频特性和相频特性分别为 2 00 2 )(3 1 F (3-1-6) 3 00 arctg F (

14、3-1-7) 根据式(3-1-6)和式(3-1-7)可画出F 的频率特性，如图 3-1-7 所示。由图可知，当 RC1 0 时，F 达到最大，其值为 1/3；而当偏离 0 时，F 急剧下降。因此， RC 串联电路具有选频特性。另外，当 0 时, 0 F ，电路呈现纯阻性，即 f U 与 0 U 同 相。RC 桥式振荡器就是利用 RC 串并联电路的幅频特性和相频特性在 0 时的特点，用 它既作选频网络，又作反馈网络。 /o 1 1 1 3 -90 +90 F /o F . 图 3-1-7RC 串并联电路的频率特性 2RC 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

15、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。 C1 C2 R1 R2 R R A f (-) (+) (+)(+) Uo Uf U f Uf C1 C2 R1 R2 R R A f Uo (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 0 A ，这

16、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， 以满足起振条件1FA （因为在 0 时， 31F ） 。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 )(f U 。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 )(f U 。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

17、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 )(f U 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，反之则不能。 判断反馈极性时，可以先假定断开 )(f U 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 i U 。 然后， 通过依次分析各主要点的瞬时极性， 最后判断 )(f U 与 i U 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， 0 U 与 i U 同相。 又根据串并联电路的频率特性， 在某一 0 时， 从 0 U 到 )(f U

18、 也是同相， 因此， )(f U 与假想的输入信号 i U 同相，电路满足产生振荡的相位平衡条件（ 0 0 A ， 0 0 F ， 0 0 FAAF ） 。 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

19、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 1RRA fu (3-1-8) 当 0 时，31F 。因此，只有满足 31 R R A f u (3-1-9) 才能满足1FA 的起振条件。由此得出桥式振荡器的起振条件为 2RRf(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3 0)( UU f ，负反馈电 压)/( 0)(ff RRRUU 。显然，只有 )()( ff UU ，才是正反馈，才能产生自激振荡。 因此，必须有1 uuF A,或 2RRf。 维持振荡的振幅平衡条件是 2RRf(3-1-11) 振荡角频率为 0 ，即振荡频率为 RC f 2 1

20、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=1k，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（1Hz1MHz） 。当要求振荡 频率高于 1MHz 时，一般都改用 LC 并联回路作为选频网络，组成 LC 正弦波振荡器。 3-1-23-

21、1-2计划决策计划决策 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 3-1-33-1-3任务任务实施实施 学习型工作任务单学习型工作任务单 学习领域学习领域通信电子线路学时学时7878（参考）（参考） 学习项目学习项目项

22、目 3让电信号自由翱翔-认识正弦波振荡器学时学时8 8 工作任务工作任务任务 3-1RC 正弦波振荡器学时学时2 2 班班级级小组编号小组编号成员名单成员名单 任务描述任务描述 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？ 3RC 串并联谐振回路的选频原理是什么？ 4RC 正弦波振荡器的电路结构及

23、工作原理是什么？ 5RC 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？ 提交成果提交成果 和文件等和文件等 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； 3RC 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； 4学习过程记录表及教学评价表（学生用表） 。 完成时间完成时间 及签名及签名 3-1-43-1-4展示评价展示评价 1教师及其他组负责人根据小组展示汇报整体情况进行小组评价； 2学生展示汇报中，教师可针对小组成员的分工，对个别成员进行提问，给出个人评 价； 3组内成员自评表及互评表打

24、分； 4本学习项目成绩汇总； 5评选今日之星。 3-1-53-1-5试一试试一试 1振荡器的功能是。 2与放大器相比，振荡器的主要区别是。 3反馈式正弦波振荡器的幅频条件是，相频条件是，起 振条件是。 4从振荡条件的组成框图及分析过程可知，反馈式振荡器应由、 、等部分组成。为了稳定输出信号，有的振荡器还含有 。 5RC 桥式振荡器的振荡频率为，振幅平衡条件是， 相位平衡条件是，起振条件是。 3-1-63-1-6练一练练一练 1仿真分析：已知某 RC 正弦波振荡器的电路如图 3-1-9 所示，试用 Multisim10 仿真 分析电路的主要性能指标，并分析集成运放的调整及基本测量方法。 【参考方

25、案】 (1)绘制仿真电路： 利用 Multisim10 软件绘制如图 3-1-9 所示的 RC 正弦波振荡器仿真电 路，各元件的名称及标称值均按图中所示定义。 仿真所涉及的虚拟实验仪器及器材有：双踪示波器、信号发生器、交流毫伏表、数字万 用表等仪器、集成运放 741。 U1 741 3 2 4 7 6 51 VEE 12 V Vcc 12 V 01 2 R1 10k 0 R2 10k R3 10k C1 10nF C2 10nF 4 0 R4 2.2k 5 R5 15kR6 10k Key=A 50% D1 D2 1N4007GP 7 3 XSC1 A B Ext Trig + + _ _ + _ 6 0 8 图 3-1-9采用 RC 串并联电路的正弦波振荡器仿真电路 (2)电路测试：接通12V 电源，调节电位器，使输出波形从无到有，从正弦波失真 到不失真。描绘出输出端的波形，记下临界起振、正弦波输出及失真情况下的 R6值，分析 负反馈强、弱对起振条件及输出波形的影响。R6为 40%接入时的输出波形如图 3-1-10 所示。 图 3-1-10R6为 40%接入时的输出波形 输出最大不失真情况下，用交流毫伏表测量输出电压、反馈电压，分析研究产生振荡 的条件。 断开二极管 D1、D2，重复以上实验，并比较分析有何不同。