第七章 信号产生电路7.1.1 正弦波自激振荡的基本原理基本概念与分析计算的依据 在放大电路中，为了改善电路性能，通常引入负反馈(中频区)。当电路附加相移(高频区或低频区)改变了反馈信号的极性时，电路中的负反馈就会变成正反馈。此时，若反馈环路增益满足一定条件，电路就会产生自激振荡。这是有害的，应当消除。 在振荡电路中，人为地引入正反馈，并使反馈环路增益满足一定的条件，那么，电路在没有外部激励的情况下会产生输出信号，即产生自激振荡。无论在放大电路还是在振荡电路中，自激振荡的本质是相同的。即振荡时电路中的反馈一定是正反馈，并且反馈环路增益必须满足一定的条件。 1 产生正弦波自激振荡的条件 产生正弦波 自激振荡的平衡条件为： 实质上，只要电路中的反馈是正反馈，相位平衡条件就一定满足，这是由电路结构决定的，而幅度平衡条件则由电路参数决定，当环路增益 AF1 时，电路产生等幅振荡；AF1 时，电路产生增幅振荡。所以自激振荡的起振条件为： 2选频特性 在振荡电路中，当放大电路或正反馈网络具有选频特性时，电路才能输出所需频率 f 0 的正弦信号。也就是说，在电路的选频特性作用下，只有频率为 f 0 的正弦信号才能满足振荡条件。3稳幅措施 如果振荡电路满足起振条件，在接通直流电源后，它的输出信号将随时间的推移逐渐增大。当输出信号幅值达到一定程度后，放大环节的非线性器件接近甚至进入饱和或截止区，这时放大电路的增益 A 将会逐渐下降，直到满足幅度平衡条件 AF 1，输出信号将不会再增大，从而形成等幅振荡。这就是利用放大电路中的非线性器件稳幅的原理。由于放大电路进入非线性区后，信号幅度才能稳定，所以输出信号必然会产生非线性失真(削波)。为了改善输出信号的非线性失真，常常在放大电路中设置非线性负反馈网络(如，热敏电阻、半导体二极管、钨丝灯泡等) ，使放大电路未进入非线性区时，电路满足幅度平衡条件(AF=1)，维持等幅振荡输出。这是一种比较好的稳幅措施。 4正弦波信号发生器的电路组成和起振的判断 正弦波信号发生器一般由 放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅环节组成。其中选频网络既可以包含在放大电路内，也可以包含在正反馈网络之中。 稳幅环节一般由放大电路中的非线性元件或增加非线性负反馈网络实现。自激振荡工作原理动画演示: 7.1.2 RC 振荡电路采用 RC 选频网络构成的振荡电路称为 RC 振荡电路，它适用于低频振荡，一般用于生产 1Hz 1MHz 的低频信号。常用的 RC 振荡电路有 RC 桥式振荡电路和 RC 移相式振荡电路。 （一） RC 桥式振荡电路 1. RC 串并联选频网络 2.RC 桥式振荡电路 将 RC 串并联选频网络和放大器结合起来即可构成 RC 振荡电路，放大器可采用集成运放。电路如下动画所示，运算放大器的输入端和输出端分别跨接在电桥的对角线上，故把这种振荡电路称为 RC 桥式振荡电路。图中 R f 采用了具有负温度系数的热敏电阻，用以改善振荡波形、稳定振荡幅度。负反馈支路中 采用热敏电阻有不但使 RC 桥式振荡电路的起振容易，振幅波形改善，同时还具有很好的稳幅特性，所以实用 RC 桥式振荡电路中的热敏电阻的选择是很重要的。 3 ）稳幅措施 为使电 A u 为非线性，起振时，应使 A u 3 ，稳幅后 A u = 3 。 ( 二 ) RC 移相式振荡电路 RC 移相式振荡电路如下图所示，电路采用三节 RC 超前相移网络，三节相移网络对不同频率的信号产生的相移是不同的，电脑其中总有一个频率的信号，通过此网络产生的相移刚好为 180 ，满足相位平衡条件而产生振荡，该频率即为振荡频率 f 0 。 RC 移相式振荡电路具有结构简单、经济方便等优点。其缺点是选频性能较差，频率调节不方便，由于输出幅度不够稳定，输出波形较差，一般只用于振荡频率固定，稳定性要求不高的场合。 7.1.3 LC 振荡电路 采用 LC 谐振回路作为选频网络的振荡电路 称为 LC 振荡电路，它主要用来生产高频正弦振荡信号，一般在 1MHz 以上。根据反馈形式的不同， LC 振荡电路可分为变压器反馈式和三点式振荡电路。 （一）变压器反馈式 LC 振荡电路 1.LC 并联谐振电路 回路品质因数 Q 用来评价回路损耗的大小，一般在几十到几百范围。由以上分析可知，并联谐振的本质是电流谐振，并联谐振具有很好的选频作用。 2. 变压器反馈式振荡电路 变压器反馈式振荡电路原理如下图所示。 L 、 L f 组成变压器，其中 L 为次侧线圈电感， L f 为反馈线圈电感，用来构成正反馈。 L 、 C 构成并联谐振回路，作为放大器的负载，构成选频放大器。由于 LC 回路的选频作用，电路中只有等于谐振频率的信号得到足够的放大，只要变压器一、二次间有足够的偶合度，就能满足振荡的幅度条件而产生正弦波振荡，其振荡频率决定于 LC 并联谐振回路的谐振频率 ? 0 。 （二）三点式 LC 振荡电路 三点式 LC 振荡电路的特点是电路中 LC 并联谐振回路的三个端子分别与放大器的三个端子相连，故而称为三点式振荡电路。 1. 电感三点式振荡电路 电感三点式振荡电路（又称哈特莱振荡器）如上图所示。三极管 V 构成共发射极放大电路，电感 L 1 、 L 2 和电容 C 构成正反馈选频网络。谐振回路的三个端点 1 、 2 、 3 分别与三极管的三个电极相接，反馈信号取自电感线圈 L 2 两端电压，故称为电感三点式振荡电路，也称电感反馈式振荡电路。 电感三点式振荡电路的优点是起振容易，因为 L 1 、 L 2 之间偶合很紧，正反馈较强的缘故。此 外，改变回路电容可调节振荡信号频率。由于反馈信号取自电感 L 2 两端，对高次偕波呈现高阻抗， 故不能抑制高次偕波的反馈，因此振荡电路输出信号中的高次偕波较多，信号波形较差。 优点：易起振（ L 间耦合紧）；易调节（ C 可调）。 缺点：输出取自电感，对高次谐波阻抗大，输出波形差。 2. 电容三点式振荡电路 电容三点式振荡电路又称考皮兹振荡电路，其电路原理如下图所示。电容 C 1 、 C 2 和电感 L 构成正反馈选频网络，反馈信号取自电容 C 2 两端，故称为电容三点式振荡电路，也称电容反馈式振荡电 路。反馈信号与输入端电压同相，满足振荡的相位平衡条件，电路的振荡频率近似等于回路的谐振频率。 电容三点式振荡电路的反馈信号取自电容 C 2 两端，因为 C 2 对高次偕波呈现较小的容抗，反馈信号中高次偕波的分量小，故振荡电路的输出信号波形较好。但当改变 C 1 或 C 2 来调节振荡频率时，同时回改变正反馈量的大小，因而会使输出信号幅度发生变化，甚至可能会使振荡电路停振。所以调节这种振荡电路的振荡频率很不方便。 优点：波形较好。 缺点： 1. 调频时易停振； 2.V 极间电容影响 f o 。 改进型电容三点式振荡电路又称可拉波电路，如上图所示。在可拉波电路中，当 C 3 比 C 1 、 C 2 小得多时，振荡频率仅由 C 3 和 L 来决定，与 C 1 、 C 2 基本无关， C 1 、 C 2 仅构成正反馈，它们的容量相对来说可以取得很大，从而减小与之相并联的晶体管输入电容、输出电容的影响，提高了频率的稳定度。 四、石英晶体（ Crystal ）振荡电路 （一）石英晶体谐振器的阻抗特性 石英晶体因其具有压电效应被用作振荡器。所谓压电效应，即当机械力作用于石英晶体使其发生机械变形时，晶片的对应面上会产生正、负电荷，形成电场；反之，在晶片的对应面上加一电场时，石英晶片会发生机械变形。当给石英晶片外加交变电压时，石英晶片将按交变电压的频率发生 机械振动，同时机械振动又会在两个电极上产生交变电荷，结果在外电路中形成交变电流。当外加交变电压的频率等于石英晶片的固有机械振动频率时，晶片发生共振，此时机械振动幅度最大，晶和片两面的电荷量电路中的交变电流也最大，产生了类似于回路的谐振现象，此现象称为压电谐振振。晶片的固有机械动频率称为谐振频率 1. 结构和符号 5. 使用注意事项 1) 要 接 一定的负载电容 C L ( 微调 ) ， 以 达标称频率。 2) 要有合适的激励电平。过大会影响频率稳定度、 振坏晶片；过小会使噪声影响大，还能停振。 （二）石英晶体谐振电路 串联型晶体振荡电路 石英晶体作为一个正反馈通路元件，工作在串联谐振状态。 并联型晶体振荡电路 石英晶体作为一个高 Q 值的电感元件，和回路中的其它元件形成并联谐振。