《模拟电子技术项目化教程》课件第6章.ppt
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1、项目六 正弦波振荡器的制作与调试6.1 项目描述6.2 知识链接6.3 项目实施6.4 项目总结项目六项目六 正弦波振荡器的制作与调试正弦波振荡器的制作与调试项目六 正弦波振荡器的制作与调试6.1.1 项目学习情境:项目学习情境:RC文氏桥式振荡器的制作与调试文氏桥式振荡器的制作与调试图6-1所示为RC文氏桥式振荡器电路原理图。制作与调试RC文氏桥式振荡器,需要完成的主要任务是:熟悉电路各元器件的作用;进行电路元器件安装;整机调试;撰写电路制作报告。6.1 项项 目目 描描 述述项目六 正弦波振荡器的制作与调试图6-1 RC文氏桥式振荡器电路原理图项目六 正弦波振荡器的制作与调试6.1.2 电
2、路元器件参数及功能电路元器件参数及功能RC文氏桥式振荡器电路元器件参数及功能如表6-1所示。振荡器的振荡频率取决于RC串并联选频网络的参数,振荡频率为RCf21o项目六 正弦波振荡器的制作与调试表表6-1 RC文氏桥式振荡器电路元器件参数表文氏桥式振荡器电路元器件参数表项目六 正弦波振荡器的制作与调试6.2.1 正弦波振荡器简介正弦波振荡器简介 一、一、产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件1.自激振荡条件自激振荡条件正弦波振荡器主要由放大器和反馈网络组成,其电路原理框图如图6-2所示。6.2 知知 识识 链链 接接项目六 正弦波振荡器的制作与调试图6-2 正弦波振荡器原理框图项目六 正弦波
3、振荡器的制作与调试通过以上分析可知,要使电路产生自激振荡,必须满足以下两个条件:(1)相位平衡条件。由输出端反馈到输入端的电压必须与输入电压同相位,即必须使电路具有正反馈性质,即f=+2n(n=0,1,2,3,)(2)振幅平衡条件。由输出端反馈到输入端的电压幅值必须等于输入电压的幅值,即UfM=UiM项目六 正弦波振荡器的制作与调试2.振荡起振条件振荡起振条件前面给的两个平衡条件,是对电路已进入稳定振荡状态而言的。而振荡电路最初的输入电压从何而来呢?其实,振荡电路是一个闭合正反馈系统,环路内微弱的电扰动(如接通电源瞬间引起的电流突变,放大器内部的热噪声等)都可以作为放大器的初始输入信号。这些电
4、扰动包含了多种频率的微弱正弦波信号,经设置在放大器内或反馈网络内的选频网络,使得只有某一频率的信号能反馈到放大器的输入端,而其他频率的信号被抑制,该频率的信号经放大反馈再放大再反馈,反复循环,使信号幅值不断增大,从而建立起振荡。项目六 正弦波振荡器的制作与调试是不是这种单一频率的信号幅值会一直增大呢?答案是否定的,由于放大电路本身的非线性,随着输入信号幅度的增大,放大电路的电压放大倍数会逐渐下降,当反馈回来的信号与前一次加至放大电路输入端的信号幅值相等时,振荡电路进入稳幅振荡状态。可见,为使振荡电路接通电源后能自动起振,在振幅上要求Uf Ui,在相位上要求反馈电压与输入电压相位相同,即振荡的起
5、振条件包括振幅起振条件和相位起振条件两方面:(1)振幅起振条件为UfMUiM;(2)相位起振条件为f=+2n(n=0,1,2,3,)。项目六 正弦波振荡器的制作与调试由于因此,自激振荡器在起振时应满足以下关系:当进入稳幅振荡后,应满足以下关系:可见,振荡器的起振过程,就是从到,ioUAUuofUFU1FAFA1FAFA1FA1FA项目六 正弦波振荡器的制作与调试二、二、振荡电路的组成与分析方法振荡电路的组成与分析方法1.振荡电路的组成振荡电路的组成从以上分析可知,正弦波振荡电路一般由以下几部分组成。(1)放大部分:具有信号放大作用,将电源的直流电能转换为交变的振荡能量。(2)反馈部分:满足相位
6、平衡条件。(3)选频部分:选择某一种频率的信号,使之满足自激振荡条件,从而产生单一频率的正弦波振荡。(4)稳幅电路:用于稳定某一振荡信号的振幅,可以利用放大电路自身元件的非线性,也可以采用热敏元件或其他自动限幅电路。项目六 正弦波振荡器的制作与调试2.振荡电路的分析方法振荡电路的分析方法振荡电路的分析,主要是判断振荡电路能否产生振荡,即检查电路是否满足产生自激振荡的条件。一般情况下,振幅平衡条件容易满足,应重点检查是否满足相位平衡条件和起振条件。项目六 正弦波振荡器的制作与调试6.2.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器采用R、C元件构成选频网络的振荡电路称为RC正弦波振荡器。常用的RC振荡电路有
7、RC文氏桥式振荡电路和RC移相式振荡电路。一、一、RC文氏桥式正弦波振荡电路文氏桥式正弦波振荡电路RC文氏桥式振荡电路如图6-3所示。由集成运算放大器A构成同相输入放大器,由R1、C1和R2、C2组成串并联网络来实现正反馈,将放大器输出电压uo经RC串并联网络送回其输入端,该网络同时也是振荡器的选频网络,RF、R3构成放大器的负反馈网络。项目六 正弦波振荡器的制作与调试图6-3 RC文氏桥式振荡电路项目六 正弦波振荡器的制作与调试1.RC串并联选频网络串并联选频网络一般情况下,为方便电路分析与设计,通常取R1=R2=R,C1=C2=C,将图6-3中RC串并联网络单独画出,如图6-4(a)所示。
8、由图6-3可求得RC串并联网络的传递函数,即运算放大器的反馈系数为F)1(j31j1/j1j1/212RCRCCRCRCRZZZUUFof项目六 正弦波振荡器的制作与调试图6-4 RC串并联网络及其频率特性项目六 正弦波振荡器的制作与调试令 是信号的角频率,则上式可写成由此可得RC串并联网络的幅频特性和相频特性分别为oo,1RC)(j31ooF22)(31ooF3arctanoof项目六 正弦波振荡器的制作与调试2.RC串并联正弦波振荡电路的分析串并联正弦波振荡电路的分析1)相位平衡条件从以上分析可知,当RC串并联网络在=o时,即f=fo时,最大相移为f=0,因此,采用同相放大器能够满足相位平
9、衡条件。在实际电路分析中,通常采用瞬时极性法来判断放大器和反馈网络是否构成正反馈电路来判断其是否满足相位平衡条件。在图6-3所示的电路中,设运算放大器的同相输入端的瞬时极性为(+),则输出端为(+),输出信号经RC串并联电路反馈到同相输入端。由于RC串并联电路在=o时,相移f=0,则反馈信号增强了输入信号,构成正反馈电路,即满足相位平衡条件。fU项目六 正弦波振荡器的制作与调试2)振幅平衡条件和起振条件运算放大器构成同相放大,RF、R3是电压串联负反馈电路,其闭环电压放大倍数为当=o时,31RRAuf31F项目六 正弦波振荡器的制作与调试3)振荡频率采用双联可变电位器或双联可调电容器,可方便地
10、调节振荡频率。在常用的RC振荡器中,一般采用切换高稳定度的电容来进行频段的转换(频率粗调),再采用双联可变电位器进行频率的细调。RCf210项目六 正弦波振荡器的制作与调试4)稳幅措施振荡电路在开始振荡时,必须满足1。起振后,振荡幅度迅速增大,使放大器工作在非线性区,以致放大倍数下降,直至=1,实现稳幅的目的,这种利用放大电路自身特征实现稳幅的方式称为内稳幅。为改善振荡信号波形,还可以采用其他一些外稳幅措施,如图6-3电路中的RF采用负温度系数热敏电阻,就能实现稳幅的目的。起振时,RF阻值较大,使放大器增益高,很快起振,随着振幅的不断增长,流过RF的电流增大,使RF的温度升高,阻值减小,放大器
11、增益下降,最后达到=1的振幅平衡条件。FAuuAFAuFAu项目六 正弦波振荡器的制作与调试6.2.3 LC正弦波振荡器正弦波振荡器一、一、LC回路的选频特性回路的选频特性图6-5为电感线圈L和电容器C构成的并联交流电路的等效电路。当电源频率一定时,改变电路参数L或C,可使电路的电压和总电流同相位从而达到谐振状态;若电路参数不变,则改变电源频率也可使电路达到谐振状态。一般情况下,LR,图6-5的等效阻抗为iUoIj(1)L CZRLC项目六 正弦波振荡器的制作与调试图6-5 LC并联等效电路项目六 正弦波振荡器的制作与调试当电路发生谐振时,阻抗Z的虚部等于零,即因此得谐振角频率谐振频率001L
12、C01LC012fLC项目六 正弦波振荡器的制作与调试(1)谐振时的回路阻抗:并联谐振时,阻抗Z呈现纯电阻性质,且达到最大值,用Z0表示,称为谐振阻抗,其值为 为了表征LC回路的性质,通常令,Q称为品质因数,它是LC回路的一个重要指标。一般LC回路的品质因数Q值在几十至几百之间。如果用Q表示Z0,可得RCLZ 0CLRCRRLQ1100CQLQZ000项目六 正弦波振荡器的制作与调试(2)LC并联回路的频率特性:引入Q后,Z可改写为相应的幅频特性和相频特性如图6-6所示。)(j1100QZ项目六 正弦波振荡器的制作与调试图6-6 LC并联回路的频率特性项目六 正弦波振荡器的制作与调试如果用LC
13、回路代替放大电路中的集电极负载电阻RC,则可组成具有选频特性的放大电路,如图6-7所示,其中RL为负载电阻。设输入信号ui是许多不同频率的正弦信号的组合,由于LC回路具有选频作用,它只对频率为f0的正弦信号具有最大阻抗,因此,放大器对频率为f0的正弦信号具有最高的电压放大倍数,这样就把输入信号中频率为f0的正弦信号选择出来并加以放大。改变LC回路参数,即可放大不同频率的正弦信号,这种具有选频特性的放大器称为选频放大器。项目六 正弦波振荡器的制作与调试图6-7 具有选频特性的放大器原理图项目六 正弦波振荡器的制作与调试二、二、LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路采用LC谐振回路作为选频网络的振荡电路
14、,称为LC谐振电路。根据反馈形式的不同,它可分为变压器反馈式、电感三点式、电容三点式等几种典型电路。LC正弦波振荡电路主要用来产生高频信号,振荡频率通常都在1 MHz以上。由于集成运算放大器的频率响应范围小,LC正弦波振荡器一般都采用三极管作为放大器件。1.变压器反馈式变压器反馈式LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路变压器反馈式LC正弦波振荡电路如图6-8所示。项目六 正弦波振荡器的制作与调试图6-8 变压器反馈式LC正弦波振荡电路项目六 正弦波振荡器的制作与调试1)电路组成电路主要由三部分组成。(1)三极管V和电阻RB1、RB2、RE、CE构成分压式电流负反馈偏置电路,建立放大器的静态工作点。(
15、2)变压器一次绕组L1(称为振荡线圈)与电容C1并联构成选频回路,并作为放大器的集电极负载。(3)变压器二次绕组Lf(称为反馈线圈)与电容Cf串联构成正反馈电路,这就是变压器反馈式名称的由来。另外,变压器的另一二次绕组L2是振荡电路的信号输出绕组。项目六 正弦波振荡器的制作与调试2)电路能否振荡的判断(1)相位平衡条件:用瞬时极性法进行判断。设三极管V基极上的瞬时极性为正,因谐振时L1C1并联谐振回路的阻抗为一纯电阻,则集电极输出电压与输入反相,集电极瞬时极性为负,根据同名端概念,反馈绕组Lf上端极性为正,反馈至三极管的瞬时极性为正,故为正反馈,满足振荡的相位平衡条件。oUiU项目六 正弦波振
16、荡器的制作与调试(2)振幅平衡条件和起振条件:由于L1与Lf同绕在一个磁芯上,耦合得很紧,通过对电路的分析,只要放大电路的静态工作点合适,增减Lf的匝数或改变L1、Lf的相对位置,即可调节反馈系数的大小,使,满足振荡条件和起振条件。顺便指出,该电路是利用三极管的非线性实现内稳幅的。(3)振荡频率f0:显然,图6-8所示电路的选频网络L1C1设置在放大电路中,其振荡频率f0为1FAu11021CLf 项目六 正弦波振荡器的制作与调试2.电感三点式振荡器电感三点式振荡器LC振荡器也常采用自感线圈完成反馈,其电路如图6-9(a)所示。图中振荡线圈L共有三个出线端,根据交流通道(如图6-9(b)所示)
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