正弦波振蕩電路設(shè)計(jì)與分析

曹寶林

◆摘? 要：正弦波振蕩電路是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的重要組成部分，按照組成原理分為晶體振蕩器電路、RC振蕩電路以及LC振蕩電路對(duì)晶體振蕩器原理進(jìn)行了深入分析，通過(guò)電路仿真軟件Multisim進(jìn)行仿真分析，并進(jìn)行實(shí)際電路焊接與調(diào)試，驗(yàn)證了晶體振蕩器的穩(wěn)定性。

◆關(guān)鍵詞：正弦波;振蕩電路;設(shè)計(jì);分析

振蕩器電路主要用于產(chǎn)生一定頻率的波形，如三角波、方波、脈沖波、正弦波等.通常振蕩器具有波形類(lèi)型選擇、產(chǎn)生頻率調(diào)節(jié)等功能。振蕩器產(chǎn)生波形的過(guò)程主要分為以下幾個(gè)階段：起振階段、平衡階段和穩(wěn)定階段?；诖耍疚膶?duì)正弦波振蕩電路進(jìn)行簡(jiǎn)要分析闡述，并提出設(shè)計(jì)思路參考。

一、晶體振蕩器原理分析

（一）起振過(guò)程

在振蕩開(kāi)始時(shí)，由于激勵(lì)信號(hào)較弱，輸出電壓的振幅比較小，此后經(jīng)過(guò)不斷地放大與反饋循環(huán)，輸出幅度開(kāi)始逐漸增大，為了維持這一過(guò)程，必須滿足|AF|>1的要求。

（二）振幅的穩(wěn)定

在振蕩器剛剛上電時(shí)，最初信號(hào)來(lái)自電噪聲，非常微弱。該信號(hào)通過(guò)放大器在線性放大區(qū)進(jìn)行放大以及反饋網(wǎng)絡(luò)的作用，使得輸出信號(hào)進(jìn)一步增大。信號(hào)進(jìn)一步增加時(shí)放大器進(jìn)入到飽和或者截止區(qū)，使輸出信號(hào)不再增加，通過(guò)選頻網(wǎng)絡(luò)的濾波，使輸出信號(hào)為等幅振蕩的波形?？梢?jiàn)，在振蕩器起振過(guò)程中，晶體振蕩電路使放大器在非線性區(qū)工作，并完成振幅穩(wěn)定與選頻工作。

（三）并聯(lián)型晶體振蕩器

圖1是一種典型的晶體振蕩電路，根據(jù)晶體振蕩器的特點(diǎn)，當(dāng)信號(hào)的頻率在晶體振蕩器的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率之間時(shí)，石英晶體才等效為一個(gè)電感。此時(shí)，滿足電容三點(diǎn)式振蕩電路的工作條件，此類(lèi)電路稱(chēng)為皮爾斯振蕩器。其中C3電容的主要作用是隔絕外電路對(duì)輸出信號(hào)頻率的影響，同時(shí)能夠?qū)敵鲂盘?hào)的頻率進(jìn)行微調(diào)。另外，電容C1支路、C2支路作為反饋電路。

（四）石英晶體諧振器注意事項(xiàng)

1.石英晶體振蕩器帶負(fù)載能力強(qiáng)，LC振蕩器帶負(fù)載能力不及晶體振蕩器。2.當(dāng)石英晶體失效時(shí)，由于支架電容還存在，可能導(dǎo)致電路起振，從而給出了振蕩信號(hào)輸出的假象，使信號(hào)頻率不穩(wěn)定。3.石英晶體諧振器的激勵(lì)電平應(yīng)該在合適的范圍。4.石英晶體諧振器必須外加負(fù)載電容，進(jìn)行微調(diào)才能夠獲得響應(yīng)的標(biāo)稱(chēng)頻率值。5.石英晶體振蕩器只能夠穩(wěn)定在一個(gè)頻率進(jìn)行工作，如果需要用到多個(gè)頻率時(shí)，就需要使用頻率合成器。

二、正弦波振蕩電路設(shè)計(jì)與分析

（一）看電路

看電路是否具有振蕩器的三個(gè)基本組成，即基本放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)。1.基本放大電路：基本放大電路的有源器件可以是晶體管（NPN、PNP）、場(chǎng)效應(yīng)管、差分對(duì)管和線性集成運(yùn)放等，即可以是分立元件放大電路，也可以是集成放大電路。分立元件放大電路組態(tài)可以是共射（CE），為反相放大器;也可以是共基（CB），為同相放大器。2.反饋網(wǎng)絡(luò)：其反饋一定是正反饋，作為反饋網(wǎng)絡(luò)可以是變壓器、耦合電路、電感分壓電路、電容分壓電路等。反饋信號(hào)可以反饋到三極管的基極（CE組態(tài)），也可以反饋到三極管的射極（CB組態(tài)）。3.選頻網(wǎng)絡(luò)：作為選頻網(wǎng)絡(luò)的可以是LC諧振回路、RC移相（或選頻）電路、石英晶體諧振器等。在這三種選頻網(wǎng)絡(luò)中，石英晶體諧振器的品質(zhì)因數(shù)最高，選頻功能最強(qiáng)，其振蕩電路頻率穩(wěn)定度最高。該網(wǎng)絡(luò)中的元件參數(shù)決定了該振蕩電路的頻率大小。

（二）判斷振蕩電路中的基本放大部分是否具有放大作用

判斷振蕩電路中的基本放大部分是否具有放大作用實(shí)際上就是判斷放大電路中三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)是否處在放大區(qū)?？僧?huà)出直流等效電路看靜態(tài)工作點(diǎn)是否合適。對(duì)于由分立元件構(gòu)成的放大器，這一步尤為重要。不管是共射、共基組態(tài)放大器，其判斷原則是三極管的“發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏”。即NPN管三個(gè)極的靜態(tài)電位為UC>UB>UE;PNP管三個(gè)極的靜態(tài)電位為UC

（三）分析振蕩電路中的振蕩條件

分析電路是否滿足起振條件和平衡條件，這兩個(gè)條件中都有相位和振幅條件，一般振幅條件較易滿足，關(guān)鍵是相位條件，而起振條件和平衡條件中的相位條件是一樣的。如在三點(diǎn)式振蕩電路中，判斷其相位條件是否滿足，實(shí)際上可以通過(guò)以下三種描述去分析：電路中是否存在正反饋;電路中的相位條件是否滿足這樣一個(gè)表達(dá)式：φa+φf(shuō)=2nπ;是否滿足“射同基反”的原則。前兩個(gè)條件對(duì)任何一個(gè)振蕩器都適用，原則只對(duì)三點(diǎn)式振蕩器適用。判斷正反饋可以用瞬時(shí)極性法去分析，往往在分析過(guò)程中會(huì)有這兩種情況：假設(shè)的輸入ui為正極性，到輸出uo為正極（同相放大器），最后反饋信號(hào)uf也為正極性，這種反饋為正反饋，即φa+φf(shuō)=0;或假設(shè)的輸入ui為正極性，到輸出uo為負(fù)極性（反相放大器），最后反饋信號(hào)uf為正極性，這種反饋也為正反饋，即φa+φf(shuō)=2π。它們都滿足三點(diǎn)式振蕩器“射同基反”的原則。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文分析了振蕩器的工作原理，對(duì)RC振蕩電路、LC振蕩電路以及體振蕩電路進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)晶體振蕩電路的原理進(jìn)行了仿真分析與實(shí)物制作。從電路的仿真、材料的選擇、實(shí)物的制作與實(shí)物的調(diào)試過(guò)程中分析得到，如果三極管選的不理想，將導(dǎo)致實(shí)物調(diào)制波形很不理想。

參考文獻(xiàn)

[1]夏書(shū)峰，巢明，王開(kāi)宇.高頻正弦波振蕩器教學(xué)方法的一些探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2018（05）：100-100.