第七章正弦波振荡器2010
正弦波振荡器PPT课件
正弦波振荡器的调谐范围较宽，可以通过 调整电路参数实现不同频率和幅度的输出 ，满足多种应用需求。
输出纯净
易于集成
正弦波振荡器产生的波形失真小，噪声低 ，适用于对信号质量要求高的应用。
正弦波振荡器可以采用集成电路形式实现 ，减小了体积和重量，便于携带和集成到 其他系统中。
缺点
功耗较大
正弦波振荡器需要一定的功耗才 能维持稳定工作，相对于其他类
正弦波振荡器的原理和结构
总结词
正弦波振荡器是一种能够产生正弦波信号的电子装置， 其原理基于自激振荡。为了实现自激振荡，正弦波振荡 器需要满足一定的条件，包括放大倍数大于1、反馈系 数大于0且小于等于1、相位移动大于等于π弧度等。常 见的正弦波振荡器结构有RC电路、LC电路和石英晶体 振荡器等。
详细描述
LC振荡器通过调节电感器和电容器的 大小，可以产生不同频率的正弦波。 其优点是频率稳定性高，适用于产生 高频信号。
晶体振荡器
晶体振荡器利用石英晶体（一种特殊的电介质）的压电效应 产生正弦波。
晶体振荡器的振荡频率由石英晶体的固有频率决定，具有极 高的稳定性和精度。广泛应用于高精度测量和通信领域。
04 正弦波振荡器的应用领域
振荡条件的稳定性分析
• 总结词：稳定性是正弦波振荡器的关键性能指标之一，它决定了输出信号的频 率和幅度的稳定性。为了使正弦波振荡器稳定工作，需要满足一定的条件，包 括放大倍数稳定、相位移动稳定和频率稳定等。这些条件可以通过理论分析和 实验测试来验证和优化。
• 详细描述：稳定性是正弦波振荡器的关键性能指标之一，它决定了输出信号的 频率和幅度的稳定性。在实际应用中，由于受到环境因素、电路参数变化和噪 声干扰等多种因素的影响，正弦波振荡器的输出信号可能会发生频率漂移、幅 度波动等现象，影响其性能表现。因此，为了使正弦波振荡器稳定工作，需要 满足一定的条件，包括放大倍数稳定、相位移动稳定和频率稳定等。这些条件 可以通过理论分析和实验测试来验证和优化，以确保正弦波振荡器在实际应用 中的性能表现达到预期要求。
详解正弦波振荡器
详解正弦波振荡器输出信号为正弦波的振荡器称为正弦波振荡器。
正弦波振荡器由放大电路和反馈电路两部分组成，反馈电路将放大电路输出电压的一部分正反馈到放大电路的输入端，周而复始即形成振荡，如图7-2所示。
图7-2 正弦波振荡器原理正弦波振荡器包括变压器耦合振荡器、三点式振荡器、晶体振荡器、RC振荡器等多种电路形式。
1.变压器耦合振荡器变压器耦合振荡器电路如图7-3所示，LC谐振回路接在晶体管VT 集电极，振荡信号通过变压器T耦合反馈到VT基极。
图7-3 变压器耦合振荡器电路正确接入变压器反馈绕组L1与振荡绕组L2的极性，即可保证振荡器的相位条件。
R1、R2为VT提供合适的偏置电压，VT有足够的电压增益，即可保证振荡器的振幅条件。
满足了相位、振幅两大条件，振荡器便能稳定地产生振荡，经C4输出正弦波信号。
变压器耦合振荡器工作原理如图7-4所示。
L2与C2组成的LC并联谐振回路作为VT的集电极负载，VT的集电极输出电压通过变压器T的振荡绕组L2耦合至反馈绕组L1，从而又反馈至VT基极作为输入电压。
图7-4 变压器耦合振荡器原理电路由于VT的集电极电压与基极电压相位相反，所以变压器T的2个绕组L1与L2的同名端接法应相反，使变压器T同时起到倒相作用，将集电极输出电压倒相后反馈给基极，实现了形成振荡所必需的正反馈。
因为并联谐振回路在谐振时阻抗最大，且为纯电阻，所以只有谐振频率f0能够满足相位条件而形成振荡，这就是LC回路的选频作用。
电路振荡频率变压器耦合振荡器的特点是输出电压较大，适用于频率较低的振荡电路。
2.三点式振荡器三点式振荡器是指晶体管的3个电极直接与振荡回路的3个端点相连接而构成的振荡器，如图7-5所示。
3个电抗中，Xbe、Xce必须是相同性质的电抗(同是电感或同是电容)，Xcb则必须是与前两者不同性质的电抗(电容或电感)，才能满足振荡的相位条件。
图7-5 三点式振荡器原理电路三点式振荡器有多种形式，较常用的有电感三点式振荡器、电容三点式振荡器、改进型电容三点式振荡器等。
正弦波振荡器-PPT
2
2001年9月--12月
6
导致振荡频率不稳定得原因(续2)
2、 影响环路 Q 值得因素
o
Q1 Q2
2
Q2
Q1
f01 f02
f0
f
▪ 器件输入、输出阻抗中得有功 部分。
▪ 负载电阻得变化。
▪ 回路损耗电阻尤其就是电抗元 件 得高频损耗,环路元器件得高频 响应等。
2
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导致振荡频率不稳定得原因(续3)
• 泛音晶体振荡器:利用石英谐振器得泛音振动特性对频率 实行控制得振荡器称为泛音晶体振荡器。这种振荡器可以将 振荡频率扩展到甚高频以至超高频频段。
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19
1、 并联型晶体振荡电路
(1)皮尔斯(C-B)电路
RFC
Rb1
C
B
VCC
Rb 2
E
C1
Cb Re C2
JT
C
C1
E
C2
B
Lq
• 温度隔离法:将关键电抗元件置于特制得恒温槽内,使槽内得 温度基本上不随外界环境温度得变化。
▪ 利用石英谐振器等固体谐振系统代替由电感、电容构成得电 磁谐振系统,她就是高稳频率源得一个重要形式。 由于这种谐振系统构成得振荡器,不但频率稳定性、频率准确 度高,而且体积、耗电均很小,因此,在许多领域已被广泛地 采用。
0
2 L C
▪ 等号右边得负号表示频率变化得方向与电抗变化得方向刚好 相反。如电感量加大,振荡频率将降低。
2001年9月--12月
9
主要稳频措施(续1)
▪ 温度补偿法和温度隔离法:引起电抗元件电感量和电容量 变化最明显得环境因素就是温度得变化。
第七章 振荡器(原理)7-1
T
平衡点
2. 相位稳定条件 讨论相位稳定前应明确两点： （1）正弦振荡 v(t ) Vm cos t 频率和相位的关系
d dt
相位超前，频率必然上升 相位迟后，必然是频率下降
振荡器的相位稳定条件也就是振荡器的频率稳定条件 （2）振荡器的相位平衡条件含义：
T ( j
o sc)
使选频回路Q不受影响——选频特性好
③ 振荡器的环路增益 T 随 V i 的 变化曲线比等偏置电路更陡
振荡器的稳定条件 不稳定？ 振荡器的平衡 稳定？ 1. 振幅稳定条件 初始平衡时，输入
7.1.3
稳定——经过外界扰动，系统能 自动恢复（靠近）到原平衡位置
V i ，环路增益
T=1，反馈 VF T Vi Vi
由环路增益表达式 环路总相移应满足：
T ( j ) A（j ) F ( j ) gm Z ( j ) F
T ( j ) g z ( j ) F 0
m
放大器跨导相移
LC谐振回路相移
0 0
反馈网络相移
振幅稳定条件分析
曲线A
曲线B
振荡曲线
T ~ Vi
起始点 曲线A 平衡点 起始点
T 1 ——自动起振
软激励
0 ——稳定
T 1
T 且 Vi
平衡点
曲线B
T 1 —— 不能起振
T 1 但 Vi T 1 且 Vi
平衡点
硬激励
0 0
平衡点M ： T
不稳定 稳定
平衡点N ：
振荡器的分类
电压控制频率振荡器原理
7.1 反馈型振荡器的基本原理 7.1.1 反馈型振荡器的基本组成与平衡条件 1. 基本组成 反馈型振荡器——基于放大与反馈的机理 带反馈的放大电路 V A( j )V
正弦波振荡器
正弦波振荡器振荡器——就是自动地将直流能量转换为具有一定波形参数的交流振荡信号的装臵。
和放大器一样也是能量转换器。
它与放大器的区别在于，不需要外加信号的激励，其输出信号的频率，幅度和波形仅仅由电路本身的参数决定。
应用范围：在发射机、接收机、测量仪器（信号发生器）、计算机、医疗、仪器乃至电子手表等许多方面振荡器都有着广泛的应用。
主要技术指标：1.振荡频率f及频率范围2.频率稳定度:调频广播和电视发射机要求:10-5~10-7左右标准信号源:10-6~10-12要实现与火星通讯:10-11要为金星定位:10-123.振荡的幅度和稳定度一、反馈式振荡器的工作原理1.反馈振荡器的组成反馈振荡器由放大器和反馈网络两大部分组成。
反馈型振荡器的原理框图如图4-1所示。
由图可见, 反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路, 放大器通常是以某种选频网络(如振荡回路)作负载, 是一调谐放大器, 反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。
自激振荡：没有外加输入信号,但输出端有一定幅度的电压.oU输出，即实现了自激振荡。
自激振荡只可在某一频率上产生，不能在其它频率上产生。
当接通电源时，回路内的各种电扰动信号经选频网络选频后，将其中某一频率的信号反馈到输入端，再经放大→反馈→放大→反馈的循环，该信号的幅度不断增大，振荡由小到大建立起来。
随着信号振幅的增大，放大器将进入非线性状态，增益下降，当反馈电压正好等于输入电压时，振荡幅度不再增大进入平衡状态。
2. 反馈式正弦振荡器分类LC 振荡器 RC 振荡器 石英晶体振荡器 3. 平衡和起振条件 （1）平衡条件平衡状态——反馈电压.f U 等于.i U 时，振荡器能维持等幅振荡，且有稳定的电压输出，称此时电路达到平衡状态看电路可知：电压放大系数...io U A U =反馈系数：..f .oU F U =达到平衡状态时：..f i U U =则平衡条件为：......f f ....i i1o o o o U U U UAF U U U U ∙∙＝＝＝而根据数学中复数分析：..A F A F ϕϕ∠+＝AF 可得出振幅平衡条件为：AF =1相位平衡条件为：A F A F ϕϕϕϕ∠++＝＝+ 2(0123.......)n n π=、、、 （2）起振条件——为了振荡器振荡起来必需满足的条件由振荡的建立过程可知，为了使振荡器能够起振，起振之初反馈电压U f 与输入电压Ui 在相位上应同相（即为正反馈）；在幅值上应要求U f ＞U i ， 即：振幅起振条件：AF >1相位起振条件：A F A F ϕϕϕϕ∠++＝＝+ 2(0123.......)n n π=、、、4. 主要性能指标（1）振荡器的平衡稳定条件平衡状态有稳定平衡和不稳定平衡，振荡器工作时要处于稳定平衡状态。
正弦波振荡器
设计实例分析
RC正弦波振荡器
适用于低频信号源，电路简单，但频率稳定性较差。
LC正弦波振荡器
适用于高频信号源，频率稳定性较高，但电路较为复 杂。
石英晶体振荡器
具有极高的频率稳定性和精度，广泛应用于各种高精 度测量和控制系统。
05
正弦波振荡器的调试与测试
调试步骤
01
检查电路连接
确保所有元件都正确连接，没有短 路或断路。
相位平衡条件
正弦波振荡器的相位平衡条件要求系统内部的相移与反馈路径上的相移之和为 整数倍的圆周，即相移之和必须等于2nπ（n为整数）。
幅度平衡条件
正弦波振荡器的幅度平衡条件要求系统内部的增益与反馈路径上的衰减之比等 于1，即系统内部的放大倍数与反馈路径上的衰减倍数相等。
04
正弦波振荡器的设计
设计流程
奈奎斯特判据
奈奎斯特判据通过分析系统的开环频率响应，判断闭环系统的稳定性。如果系统的开环频率响应在复平面的右半平面 没有极点，则闭环系统是稳定的。
伯德图判据
伯德图判据通过绘制系统开环频率响应的幅值和相位图，观察幅频特性和相频特性的变化趋势，判断系 统是否具有足够的相位裕量和幅值裕量以保证稳定性。
相位和幅度平衡条件
正弦波振荡器的应用
01
02
03
信号源
正弦波振荡器可作为各种 电子设备和系统的信号源， 提供稳定的正弦波信号。
通信
在无线通信领域，正弦波 振荡器用于生成载波信号， 实现信息的传输。
测量
正弦波振荡器产生的信号 可用于各种电学、磁学和 光学测量。
正弦波振荡器的分类
按照频率调节方式
01
分为固定频率和可调频率正弦波振荡器。
正弦波振荡器课件
目录第一章设计任务 (8)一. 设计目的 (8)二. 设计要求和步骤 (8)三.方案设计及选择 (8)1.振荡器的选择 (8)2.信号输出波形的仿真选择 (8)第二章单元电路设计与参数计算 (9)一. LC三点式振荡组成原理图 (10)二．起振条件 (12)三．频率稳定度 (13)四. LC振荡模块设计 (14)第三章总原理图及元器件清单 (15)一．总原理图 (15)二. 元件清单 (17)第四章调试步骤 (18)一. 按设计电路安装元器件 (19)二. 测试点选择 (20)三. 调试 (20)四. 实验结果与分析 (20)五. 频率稳定度 (20)第五章供参考选择的元器件 (21)第六章设计心得和体会 (22)第七章参考文献 (23)第一章设计任务一设计目的(1). 熟悉LC正弦波振荡器的工作原理，以及示波器的原理及用法。
（2）.掌握LC正弦波振荡器的基本设计方法。
(3). 理解LC正弦波振荡回路并掌握LC振荡器的设计，装载，调试，及其主要性能参数的测试方法和如何选择电路的测试点。
(4). 了解外界因素、元件参数对振荡器工作稳定性及频率稳定度的影响情，以便提高振荡器的性能。
二设计要求和步骤(1). 设计一个LC正弦波频振荡器。
(2). 利用三端式振荡器原理产生正弦波信号，采用的具体电路不限。
要求给出所选电路的优点和缺点并通过测量值进行证明。
也可以进行不同三端式振荡器的性能比较。
(3).了解电路分布参数的影响及如何正确选择电路的静态工作点。
（4）.电路的基本原理，LC正弦波振荡器是各种接收机和发射机中一种常见的电路，常用作载波振荡、本振混频振荡等。
其典型形式为“三点式”振荡电路，其电路简单、频率稳定度高，它的工作原理是在正反馈的基础上，将直流电源提供的能量变成正弦交流输出。
（5）选择所需的方案，画出有关的电路原理图。
三方案设计与选择1.振荡器的选择LC振荡器的电路种类比较多，根据不同的反馈方式，又可分为互感反馈振荡器，电感反馈三点式振荡器，电容反馈三点式振荡器，其中互感反馈易于起振，但稳定性差，适用于低频，而电容反馈三点式振荡器稳定性好，输出波形理想，振荡频率可以做得较高。
第七章 正弦波振荡器
二、
RC振荡器的分类
１、RC桥式振荡器（又叫文氏桥振荡器） ２、RC移相式振荡器
三、
RC振荡器的适用范围
产生低频振荡
四、 RC振荡器的谐振频率
五、
RC串并联选频网络
五、
RC串并联选频网络
当输入信号vi频率等于 选频频率f0时，输出电压vo幅 度达到最高，为vi /3；且相位 差为0。 当输入信号vi频率高于 或低于选频频率f0时，输出电 压vo减小，相移也越大。
交流通路
同时满足２个条件，电路可产生振荡
（４）电路振荡频率
1 fo = 2p LC
而
C1C2 C = C1 C2
同时改变电容C１和Ｃ２,可以调节振荡频率f0
（5）电路特点
Ａ、优点： 输出波形好。 振荡频率较高（可达 100 MHz 以上） Ｂ、缺点： 调节频率不方便。 振荡频率不稳定。
６．改进型电容三点式LC振荡器 (1)改进原因
M 是 L１与 L２ 之间的互感系数。
调节电容C,可以调节振荡频率f0
（5）电路特点
Ａ、优点： 容易振荡。 振荡频率很高（一般可达到几十兆赫）
Ｂ、缺点： 波形失真较大。
５．电容三点式ＬＣ振荡器
(1)电路图 (２)电路结构
Ａ、放大电路：分压式稳定工作点 的放大电路 Ｂ、ＬＣ选频电路：Ｃ１、Ｃ２、Ｌ Ｃ、反馈电路：反馈电容Ｃ２。
由于 C1、C2 的增大，会导致 Q 值下降，且调节振荡频率 时，必须同时改变 C1、C2，实属困难。 为此，在 LC 回路中的电感支路串入一小电容 C3，得到改进的 电容三点式振荡器。
６．改进型电容三点式LC振荡器
(２)电路图 (３)电路结构
Ａ、放大电路：分压式稳定工作点 的放大电路 Ｂ、ＬＣ选频电路：Ｃ１、Ｃ２、Ｌ、 Ｃ３（Ｃ３串联在电感支路，远远 小于Ｃ１、Ｃ２ ） Ｃ、反馈电路：反馈电容Ｃ２。
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带反馈的 放大电路
V o A (j)V i V F F (j)V o
V i V s V F
带反馈的放大电路
反馈放大器的闭环增益:
Af V V os 1A AF
当 1A0F0 时，Af ，
放大器变成振荡器。
其中，TAF称为环路增益。
由正反馈的观点来决定振荡
负反馈不产生自激振荡。
正反馈产生自激振 荡。（注意与负反馈 方框图的差别）
由基尔霍夫定律可得回路方程：
Ld dtiR i C 1id t 0
解上式可得：
LCR自由振荡电路
i V e t(e2 0 2te2 0 2t)
2L 20 2
R 2L
称为回路衰减系数； 0
1 称为回路固有角频率
LC
2 LCR回路中的瞬变现象 当 2 02 时，回路 电流做周期性变化， 产生自由振荡。其振 荡频率为：
所以等幅振荡条件为 A()F()1 振幅平衡条件
a()f()2nπ 相位平衡条件
那么振荡器输出信号是如何从无到有，并最终形成等幅振荡的呢？
振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？ 这就是起振条件要解决的问题。
接通电源瞬间引起的电压、电流突变，电路器件内部噪声等。
初始信号中，满足相位平衡条件的某一频率0的信号应该被保留，成
波形及波形的失真
输出功率——能带动一定阻抗的负载
按电路原理分
反馈型振荡器 负阻型振荡器
按输出波形分——正弦波、方波、三角波等
2 LCR回路中的瞬变现象 由于大多数振荡器都是利用LC回路来产生振荡的，因此应首先研究 LC回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工作原理的预备知识。
所谓“谐振”，就能量关系而言，是 指：回路中储存的能量是不变的，只是在 电感与电容之间相互转换；外加电动势只 提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路 的等幅振荡。
振荡器平衡状态和稳定
以上分析了保证振荡器由弱到强地建立起振荡的 起振条件；保证振荡器进入平衡状态、产生等幅振荡 的平衡条件。
Xi + Xid 基 本 放 大
Xo
＋–
电 路 A
Xf
若环路增益 AF1 则 Xid Xf ，
反馈网络 F
去掉 Xi ， Xo 仍有稳定的输出。
又 A F A F (af) A ( F af)
所以等幅振荡条件为 A()F()1 振幅平衡条件
a()f()2nπ 相位平衡条件
5 振荡器的平衡与稳定条件
高频放大 混频 中频放大 检波 低频放大
fs
fs
fi
F
F
fo 本地振荡
不需外加激励，自身将直流电能转换为交流电能。
7.1 概述
2.指标与分类
振荡器功能：不需要输入信号控制就能自动的将直流电源的能量 转变为特定频率和振幅的交变能量的电路
振荡器的指标： 振荡器的分类
频率——频率的准确度与稳定度 振幅——振幅的大小与稳定性
3）一个控制设备，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的 能量损失，以维持等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完
LC振荡器的基本工作原 LC回路即是振荡回路，又与L1、 M等组成晶体管的正反馈回路， 完成控制作用。
Rb1，Rb2和Re分别为基极偏置 和发射极偏置电阻。Cb和Ce为 旁路与隔直电容。
为了完成正反馈作用，L和L1的 同名端必须分别接到c和e端。
7.5.1 振荡器的平衡条件 7.5.2 振荡器平衡状态和稳定条件
7.5.1 振荡器的平衡条件
负反馈不产生自激振荡。
正反馈产生自激振 荡。（注意与负反馈
Xi +
Xid
＋–
基 本 放 大 电 路 A
Xo
方框图的差别）
Xf
若环路增益 AF1 则 Xid Xf ，
反馈网络 F
去掉 Xi ， Xo 仍有稳定的输出。又 A F A F afA F af
应首先研究LC回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工 作原理的预备知识。
1）一套振荡回路，包含两个（或两个以上）储能元件。在这 两个元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。释放与 接收能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。
2）一个能量来源，补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。 在晶体管振荡器中，这个能源就是直流电源。
第七章 正弦波振荡器
• 7.1 概述 • 7.2 LCR回路中的瞬变现象 • 7.3 LC振荡器的基本工作原理 • 7.4 由正反馈的观点来决定振荡的条件 • 7.5 振荡器的平衡与稳定条件 • 7.6 反馈型LC振荡器线路 • 7.7 振荡器的频率稳定问题 • 7.8 石英晶体振荡器 • 7.9 负阻振荡器 • 7.10 几种特殊振荡现象 • 7.11 集成电路振荡器 • 7.12 RC振荡器
f
1
2
L1C4RL22右图画出了三 Nhomakorabea不同 的R所产生的电流变 化曲线。
可见，为了获得等幅 振荡，必须设法使回 路电阻为零。可以通 过在电路中引入正反 馈，或者利用有源器 件本身的负阻特性来 使回路电阻为零。
δ2＜ω2 时产生振荡电流的情形
LC振荡器的基本工作原 由于大多数振荡器都是利用LC回路来产生振荡的，因此
本章要点
1、负阻原理和正反馈原理
2、振荡器的起振条件、平衡条件和稳定条件 3、LC三端振荡器的组成法则和参数计算（反馈系数、振荡频率、起振条 件） 4、石英晶体振荡器的参数计算（反馈系数、振荡频率）
7.1 概述
1.定义
缓冲
高频振荡
倍频
声音
话筒
高频放大
音频放大
fo–fs=fi
调制
高
高功（放直传 流输 电线 源未画）频 电 路
为等幅振荡输出信号。（从无到有）
然而，一般初始信号很微弱，很容易被干扰信号淹没，不能形成一定 幅度的输出信号。因此，起振阶段要求
起振条件
A(0)F(0)1 （由弱到强）
a(0)f(0)2nπ
随着振幅的增大，放大器工作点左 移，三极管趋于截止，增益下降， 起到稳幅作用。
振荡器起振过程示意图
当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加。 稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡 条件从AF>1过渡到AF=1 。（由增到稳）
+ -
互感耦合调集振荡器
h参数等效电路分析可得到如下 结论：
振荡器的振荡频率主要取决于 储能回路参数；振荡幅度主要 取决于电路中的非线性器件， 不论初始冲击强还是弱，最终 会达到某一固定值。
由正反馈的观点来决定振荡
7.3节用瞬变的观点分析了振荡 现象，本节我们从正反馈的观 点来观察振荡现象。
反馈振荡器方框图