制作正弦波振荡器

    【任务目标】

    （1）掌握振荡电路的组成及特点；

    （2）理解RC、LC正弦波振荡电路的工作原理；

    一、正弦波振荡器

    正弦波振荡器的组成框图如图7－1所示，振荡电路包括放大电路和反馈网络两部分。

    1.振荡电路的平衡条件

    振荡电路的平衡条件就是振荡电路维持等幅振荡的条件。振荡电路的平衡条件包括幅度平衡条件和相位平衡条件。

    图7－1 正弦波振荡器的组成框图

    如图7－1所示，振荡电路之所以在没有外加输入交流信号的情况下就有输出信号，是因为其自身的正反馈信号作为了输入信号。所以，为了使振荡电路维持等幅振荡，必须使其反馈信号u F的幅度和相位与它的输入信号u I相同，即

    u I＝u F

    电路中，基本放大倍数为

    反馈系数为

    所以有

    u F＝AFu I

    如要

    u I＝u F

    则需

    AF＝1

    就能满足振荡电路的幅度平衡条件。

    另外，由于电路中存在电抗元件及电路的倒相作用，放大电路和反馈网络都会使信号产生一定的相移。为了实现正反馈，必须使以上两种相移的综合结果形成正反馈，这就是振荡电路的相位平衡条件，即

    φA＋φF＝＋2nπ （n＝0，1，2，3…）

    式中，φA为基本放大电路的相移，φF为反馈网络的相移。

    2.振荡电路的起振条件

    振荡电路的输出信号反馈到输入端作为输入信号，才能够维持电路的振荡。电路刚开始工作时，输入信号是在振荡电路接通电源的瞬间，电路中产生的电流扰动而引起的。这些电流扰动可能是接通电源的瞬间引起的电流突变，也可能是三极管或电路内部的噪声信号。电流扰动中包含了多种频率成分的微弱正弦信号。在振荡电路开始工作时，如果能满足AF＞1，则通过振荡电路的放大与选频作用，就能将与选频网络频率相同的正弦信号放大并反馈到放大电路的输入端，而其他频率的信号则被选频网络抑制掉。这样就能使振荡电路在接通电源后，建立起振荡，使输出信号从小变大，直至当AF＝1时，振荡幅度稳定下来。所以“AF＞1”称为振荡电路的起振条件。

    利用三极管的非线性或在电路中采用负反馈等措施，即可使振荡电路从 “AF＞1”过渡到 “AF＝1”，达到稳定振幅的目的。

    3.RC桥式正弦波振荡器

    正弦波振荡器能在没有交流信号输入的情况下，把直流电源提供的电能转变为正弦交流信号输出，即正弦波振荡器用于产生正弦波信号。正弦波振荡器必须由放大电路、反馈电路、选频电路3部分组成，实际上，选频作用总由放大电路或反馈电路兼职作用。

    本任务要制作的正弦波振荡器如图7－2所示，是一个RC桥式正弦波振荡电路，其结构组成如图7－3所示。放大电路为一个两级共射放大器，反馈网络由RC串、并联电路组成。

    在RC桥式正弦波振荡电路中，RC串、并联电路起到选频和反馈的作用，两级放大电路各自带有电流串联负反馈电阻，反馈元件分别是R3和R7，其中R8引入了直流负反馈用于稳定静态工作点，RF是级间交流电压串联负反馈可调电阻，可稳定输出电压的幅度，又可以改善输出波形。

    1）RC串、并联电路的选频特性

    RC串、并联电路及其幅频特性曲线和相频特性曲线如图7－4所示。由RC串、并联电路和幅频特性曲线可以看出，输入信号频率从零开始，输出电压随输入信号频率的增加而逐渐加大，当信号频率达到f0时，输出电压达到最大；此时输出电压与输入电压之比为uo/ui；输入信号频率继续上升，输出电压从最大开始逐渐减小。频率f0可用以下公式计算

    图7－2 正弦波振荡器

    图7－3 RC桥式正弦波振荡电路结构

    图7－4 RC串、并联电路及其幅频特性曲线和相频特性曲线

    由相频特性曲线可以看出，输入信号频率从零开始，输出电压相位超前于输入电压相位φ＝90°；随着输入信号频率上升，相位差φ逐渐减小，当输入信号频率达到f0时，输出电压与输入电压同相即φ＝0°；输入信号频率继续上升，输出电压相位滞后输入电压相位，相位差逐渐增大，最大时为φ＝－90°。

    所以，RC串、并联电路对频率为f0的信号相移为0，且衰减最小，即RC串、并联电路具有选频作用。

    2）振荡条件

    由于RC串、并联电路对频率为f0的信号相移为0，而两级共射放大器的相移共为2π，所以RC桥式振荡电路的总相移为2π，满足相位平衡条件；对于频率为f0的信号，反馈系，而两级共发射极组态放大器的放大倍数A≥3，即可得到AF＝1，所以也满足RC数F桥式正弦波振荡电路的振幅平衡条件。

    3）振荡频率

    RC桥式振荡电路的振荡频率就是使RC串、并联电路相移为0的频率，即

    RC串、并联选频电路中，将两个电阻用一个双联电位器代替或将两个电容用双联电容代替，就可以调节输出正弦波信号的频率。但RC正弦波振荡电路的振荡频率较低，一般不超过1MHz，如需更高频率的正弦波信号，可采用LC振荡器。

    4.LC正弦波振荡器

    LC正弦波振荡器的反馈元件是由电感L和电容C组成的，常用的LC正弦波振荡器有变压器反馈式、电感反馈式 （电感三点式）和电容反馈式 （电容三点式）3种。

    1）变压器反馈式

    该电路由放大和反馈两部分组成，其中L2为反馈线圈构成反馈电路，其余部分构成具有选频能力的调谐放大电路，如图7－5所示。

    振荡频率为

    一般为几千赫兹到几十兆赫兹。

    【结论】该电路特点是频率调节范围宽、调节耦合容易，但输出波形不太理想、频率稳定度不高。

    2）电感三点式

    电感三点式振荡电路如图7－6所示，三极管的3个电极分别与LC回路中L的3个端点相连，所以叫电感三点式，其中L2作为反馈线圈。

    振荡频率为

    式中，L＝L1＋L2＋2M，M是L1、L2的互感系数。电路的振荡频率可达几十兆赫兹。

    图7－5 变压器耦合式振荡电路

    图7－6 电感三点式振荡电路

    【结论】该电路特点是耦合紧、易起振、频率调节方便，但波形失真较大。

    3）电容三点式

    电容三点式振荡电路如图7－7所示，如图7－7（a）所示为电容三点式振荡电路，其中C2提供反馈电压。三极管的3个电极与电容支路的3个点相接，所以叫电容三点式。如图7－7（b）所示为改进型电容三点式振荡电路，L支路上串联一个小电容C。

    图7－7 电容三点式振荡电路

    （a）电容三点式振荡电路；（b）改进型

    如图7－7（a）所示电路的振荡频率为

    如图7－7（b）所示电路中，当CC1且CC2时，其频率主要取决于C和L，所以改进型电容三点式振荡电路的振荡频率为

    【结论】该电路的特点是输出波形好，能产生频率较高的正弦波。

    二、制作正弦波振荡器

    1.整机电路的基本组成

    本任务要制作的正弦波振荡器如图7－2所示，是一个RC桥式正弦波振荡电路。

    2.元器件清单

    元器件清单如表7－1所示。

    3.组装调试

    （1）对照电路图，把各元器件安装在万能板上的适当位置；设计好RF的位置，以方便调整振荡波形。

    （2）使用电烙铁进行焊接，按工艺要求检查焊点质量并修剪引脚。

    电路组装的要求为元器件布局合理、焊点可靠、电路调整方便、电路与仪器连接方便。

    表7－1 元器件清单表

    （3）组装完毕检查无误后，可通电试机。

    （4）将uo输出接入示波器，示波器X扫描范围调至100Hz～1kHz（或1～10kHz），Y轴衰减开关旋至适当位置，观察是否有正弦波信号输出。

    （5）如uo没有输出，则应先调节RF的大小；如仍无输出，再检查元器件是否装正确，三极管是否处于放大状态。

    （6）如电路已有输出，应缓慢调节RF，使正弦波达最小失真。

    4.电路测试

    （1）用万用表测量电路的静态工作点，并记录于表7－2中。

    表7－2 RC桥式正弦波振荡器的静态工作点测试表

    （2）用10kΩ的电阻与电路中的电阻R并联 （共两处），将观察到的输出信号波形填入表7－3中。

    表7－3 RC桥式正弦波振荡器的输出波形记录表

    5.能力测试

    （1）如图7－2所示的RC桥式正弦波振荡器，改变R、C的参数，计算电路的振荡频率。

    ①R＝15kΩ、C＝0.01μF；

    ②R＝15kΩ//10kΩ、C＝0.01μF。

    （2）如果要求RC桥式正弦波振荡器的振荡频率能在一定范围内连续可调，应怎样改动电路？

    实训

    RC桥式正弦波振荡器的调试

    1.实训目的

    （1）掌握用示波器观测振荡波形的方法；

    （2）掌握用频率计测量振荡频率的方法；

    （3）掌握排除振荡器常见故障的方法。

    2.实训步骤

    （1）用Multisim10搭接仿真电路如图7－8所示。

    （2）观察振荡器的起振过程和稳幅电路的作用。将开关J拨向左侧接通电路后打开电源，用示波器观察输出信号，并适当调节电位器R1，使示波器中有振荡波形出现。然后调R1到最小（如果再小，振荡器就出现停振现象）位置。此时，振荡器正处于临界起振状态。观察uo的波形变化及其失真情况，填入表7－4中。

    表7－4 负反馈对输出波形的影响

    【思考】如果将电位器R1上、下部分分别称为R5和R6，则R5和R6应满足什么关系？而实际观察到的结果如何？是否与理论分析一致？

    图7－8 RC桥式正弦波振荡器仿真电路

    在上述的电位器R1的调节过程中，很难获得一个不失真的正弦波，即振荡器不是波形失真 （放大倍数过大），就是出现停振现象。为了使RC桥式正弦波振荡器能够得到一个理想的波形，还需要采取稳幅措施。在电路中，断开开关J，振荡器就有稳幅电路。此时，调节R1就很容易获得一个不失真的正弦波。试问稳幅电路是如何工作的？

    （3）振荡波形的测量。测量振荡波形的幅度和频率，将结果填入表7－5中，并与理论值比较。

    表7－5 振荡波形的幅度和频率

    观察R1、C1、R2、C2对振荡波形频率的影响，将结果填入表7－6中。

    表7－6 改变R1、C1、R2和C2对振荡波形频率的影响

    【思考】R1和R2对振荡频率有何影响？C1和C2对振荡频率有何影响？

    3.说明

    从结构上看，正弦波振荡器是没有输入信号的带选频网络的正反馈放大器。若用R、C元件组成选频网络，就称为RC桥式正弦波振荡器，一般用来产生频率范围为1Hz～1MHz的信号。

    4.实训要求

    （1）由给定电路参数计算振荡频率，并与实测值比较，分析误差产生的原因。

    （2）总结改变负反馈深度对振荡器起振的幅值条件及输出波形的影响。

    （3）如果元件完好、接线正确、电源电压正常，而示波器看不到输出波形，考虑是什么问题？该怎样解决？

    （4）有输出但输出波形有明显的失真，应如何解决？