电子技术基础正弦波振荡电路.docx
《电子技术基础正弦波振荡电路.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《电子技术基础正弦波振荡电路.docx(15页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
电子技术基础正弦波振荡电路
教案用纸
学
科
电子技术基础
第四章正弦波振荡电路
第一节正弦波振荡电路的基本原理
审批签字
授课时数
2
授课方法
讲授,示范
授课时间
2009.10.27
授课班级
08数控
教学目的
使学生掌握正弦波振荡电路的组成、起振条件。
教学重点
和难点
重点:
正弦波振荡电路的组成、起振条件。
难点:
正弦波振荡电路的起振条件。
复习提问
如何正确使用集成运放?
教具
三极管
课外作业题号
2,3
教学内容、方法和过程
附记
一、组织教学
二、前课复习:
使用集成运放,必须调零,加上必要的保护电路。
三、新课导入:
正弦波振荡电路是一种基本的模拟电路,它是在没有外加输入信号的情况下,依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路。
正弦波振荡在量测、遥控、通信、自动控制、热处理和超声波电焊等加工设备中有着广泛的应用。
四、新课讲解:
详见附页
五、知识点总结回顾
§4-1正弦波振荡电路的基本原理
一、自激振荡电路的基本组成
正弦波振荡电路的基本组成:
包括放大电路、反馈电路和选频电路三个基本组成部分。
二、自激振荡的条件
1.幅值条件
反馈信号uf与输入信号ui大小相等,即uf=ui
由于A=
F=
则AF=
=
=1
即AF=1,其中A表示基本放大电路的开环放大倍数,F表示反馈电路的反馈系数。
AF=1即为振荡电路能够振荡的幅度平衡条件。
2.相位条件
为保证反馈信号uf与输入信号ui相位相同,应确保φA+φF=±n360o
上式即为振荡电路的相位平衡条件。
式中φA表示基本放电电路的相移,φF表示反馈电路的相移,n=0,1,2,3……。
反馈信号的相位与输入信号的相位相同,即电路中引入正反馈,才能产生振荡。
3.自激振荡的建立及稳幅
振荡电路能否起振,除了电路中必须引入正反馈之外,反馈信号uf应比输入信号ui的幅度大。
即:
AF
=
>1
自激振荡一旦建立起来,振荡电路的输出信号的幅值就将逐渐增大,当增大到一定程度后,放大电路部分中的管子就会接近甚至进入饱和区或截止区,输出波形就会失真,所以要在电路中设有稳幅环节,使输出信号的幅值增大到一定大小以后,电路满足,保持等幅振荡。
由于三极管是非线性器件,当振荡幅度增大至一定程度后,振荡电路中的三极管将进入非线性区,三极管的β将会减小,放大电路的电压放大倍数A会减小,从而使AF减小,当满足AF=1时,输出幅度既不增大,也不减小,将维持在某一幅度进行等幅振荡。
因此,正弦波振荡电路产生振荡的条件为:
AF≥1,φA+φF=±n360o
要保证振荡电路能够振荡,必须同时满足以上两个条件,其中相位平衡条件是关键。
教案用纸
学
科
电子技术基础
第四章正弦波振荡电路
第二节LC正弦波振荡电路
审批签字
授课时数
2
授课方法
讲授,示范
授课时间
2009.10.27
授课班级
08数控
教学目的
使学生掌握LC正弦振荡电路的组成、起振条件和振荡频率的计算。
教学重点
和难点
重点:
LC正弦振荡电路的组成、起振条件。
难点:
LC正弦振荡电路的起振条件。
复习提问
正弦波振荡电路的基本组成?
教具
三极管
课外作业题号
教学内容、方法和过程
附记
一、组织教学
二、前课复习:
自激振荡的条件。
三、新课导入:
LC正弦波振荡电路主要用来产生1MHz以上的高频振荡信号。
常用的正弦波振荡电路有变压器反馈式,电感三点式和电容三点式。
四、新课讲解:
详见附页
五、知识点总结回顾
§4-2LC正弦波振荡电路
一、LC并联谐振电路的选频特性
LC振荡电路的选频电路由电感和电容构成,可以产生高频振荡。
由于高频运放价格较高,所以一般用分离元件组成放大电路。
LC并联谐振电路如图所示,R为电感和电路的其他损耗总的等效电阻,其值很小。
L
LC并联谐振电路LC并联谐振电路幅频特性LC并联谐振电路相频特性
从LC并联谐振电路的幅频特性曲线可以看出,当电路发生谐振(f=f0)时,等效阻抗Z最大,信号频率偏离f0时,等效Z迅速减小。
从LC并联谐振电路的相频特性曲线可以看出,当电路发生谐振时,相移φ=0o,LC并联谐振电路呈纯电阻特性。
当ff0时,LC并联谐振电路呈容性。
可见LC并联电路具有选频特性,当f=f0时,电阻呈纯阻性,且阻值最大。
LC并联谐振电路的谐振频率f0为:
f0仅与谐振电路的电感L和电容C的参数有关,当L或C任一个改变时,f0也将发生改变。
二、变压器反馈式LC振荡电路
变压器反馈式LC振荡电路如图所示。
基本放大电路有三极管V及其偏置电阻R1、R2、R3构成,选频网络由LC并联谐振电路构成,正反馈网络由变压器的次级线圈N2和耦合电容C1构成,振荡电路通过变压器的次级线圈N3向负载RL提供正弦波振荡信号。
LC并联谐振电路对不同频率的信号呈现不同的阻抗,当电路发生谐振时,阻抗最大,并且为纯电阻。
LC并联谐振电路作为集电极负载构成的选频放大电路,对f0信号有很大的放大倍数,偏离f0的信号放大倍数急剧下降。
根据瞬时极性法判断电路反馈的极性,电路引入的是正反馈,满足相位平衡条件。
电路振荡频率为:
其中,f0——电路的振荡频率,Hz(赫兹);
L——谐振电路的总电感,H(亨利);
C——谐振电路的总电容,F(法拉)。
变压器反馈式振荡电路的特点:
(1)电路起振容易。
(2)频率调节方便。
(3)振荡频率不高。
(4)输出波形不好。
三、电感三点式振荡电路
电三点式振荡电路如图,该电路由电感引出三个端点,并且与三极管的三个电极相连,所以称为电感三点式振荡电路。
其中,R1、R2、R3为电路提供稳定的静态工作点,L1、L2与C构成振荡电路选频电路。
反馈电压取自L2两端。
三极管工作于选频放大状态,只要放大电路的工作点合适,抽头位置适当,幅度条件就能满足。
用瞬时极性法判断反馈极性,电路中引入正反馈,满足相位平衡条件,所以电路能够振荡。
电路的振荡频率等于LC并联电路的谐振频率,
即
式中,L为电路的总电感。
电感三点式振荡电路的特点:
(1)起振容易;
(2)调节频率方便;
(3)电路工作频率不高;
(4)波形较差,且频率稳定度也不高。
四、电容三点式振荡电路
电容三点式振荡电路如图所示。
三极管及偏置电路构成了基本放大电路。
C1、C2、L构成了LC选频电路,正反馈信号取自电容器C2的两端。
用瞬时极性法可以判断电路中引入正反馈,电路满足相位平衡条件,所以能够起振。
振荡电路的振荡频率等于LC电路的谐振频率,即:
式中C=C1C2/(C1+C2)。
电容三点式振荡电路的特点:
(1)输出波形较好;
(2)振荡频率较高,可达到100MHz;
(3)C1,C2采用双连电容,调节电容的容值可以改变振荡频率的大小,但同时会影响反馈信号的大小,因此这种电路适用于产生固定频率的信号。
五、实际应用电路
如图所示,为LJ1-24型半导体接近开关的电路原理图,由振荡电路、开关电路和输出电路三部分构成。
LC振荡器是接近开关的主要部分,其中,L1、L2、L3绕在同一磁芯上(感应头)。
当没有金属移近开关感应头时,振荡电路维持正常的振荡状态,此时,输出线圈L3有交流电压输出,经二极管VD整流,电容器C4滤波后加在R4上产生直流电压。
此直流电压使V2管工作于饱和导通状态,使V3管基极电压接近零而截止,V3管无电流输出,继电器线圈KA不通电。
当有金属体移近开关的感应头时,金属体内高频变化的磁场产生感应电流(涡流),由于涡流的去磁作用,使线圈间的磁耦合大为减弱,L2上的反馈电压也大为减弱,振荡电路被迫停振。
此时,L3上无交流输出,V2截止,电源电压通过R5在R6上产生分压,使V3饱和导通,输出端负载继电器线圈得电,从而控制电路的状态。
这种开关常安装在机床、自动生产线等设备上,用作定位控制、行程控制等。
教案用纸
学
科
电子技术基础
第四章正弦波振荡电路
第三节RC振荡电路
审批签字
授课时数
2
授课方法
讲授,示范
授课时间
2009.10.27
授课班级
08数控
教学目的
使学生掌握RC正弦振荡电路的组成、起振条件和振荡频率的计算。
教学重点
和难点
重点:
RC正弦振荡电路的组成、起振条件。
难点:
RC正弦振荡电路的起振条件。
复习提问
常见的LC正弦波振荡电路有哪些?
教具
课外作业题号
教学内容、方法和过程
附记
一、组织教学
二、前课复习:
LC正弦波振荡电路。
三、新课导入:
LC正弦波振荡电路主要用来产生几百千赫到几百兆赫的信号。
如果要产生几千赫或更低频率的信号时,采用RC正弦波振荡电路比较合适。
四、新课讲解:
详见附页
五、知识点总结回顾
§4-3RC振荡电路
一、RC桥式振荡电路的组成
RC桥式振荡电路如图。
其中放大电路由集成运放组成;R3和R4构成负反馈支路;R1C1和R2C2组成串并联网络,构成正反馈支路。
上述两个反馈支路正好形成电桥的四个桥臂,故称之为RC桥式振荡电路。
R1C1和R2C2组成串并联网络来实现正反馈和选频。
二、RC串并联网络的选频特性
RC串并联网络等效电路如图,其中uo为输入电压,uf为反馈电压。
当输入信号的频率较低时,由于满足1/(2πfC1)>>R1,1/(2πfC2)>>R2等效电路如图低频等效电路。
在频率趋近于0时,uf趋近于0,相位接近与+90°。
当输入信号的频率较高时,由于满足1/(2πfC1)<在频率趋近与无穷大时,uf趋近于0,相位接近于-90°。
RC串并联网络的幅频特性和相频特性如图所示。
三、振荡条件的判断及振荡频率
根据瞬时极性法可以判断出电路中引入正反馈,满足相位平衡条件,所以电路能够起振。
该电路的振荡频率为:
f0=
改变选频网络的R或C值可以实现振荡频率的调节。
四、稳幅措施
振荡电路产生正弦波振荡,还必须满足起振条件AF>1。
由前文我们知道f=f0时,串并联网络的反馈系数最大,即Fmax=1/3。
因此电压放大倍数只要满足A>3即可,这个条件很容易满足。
实际电路通过R3与R4为电路引入电压串联负反馈,达到降低放大倍数,稳定输出幅度的目的。
教案用纸
学
科
电子技术基础
第四章正弦波振荡电路
第四节石英晶体振荡电路
审批签字
授课时数
2
授课方法
讲授,示范
授课时间
2009.10.30
授课班级
08数控
教学目的
使学生了解石英晶体振荡电路的组成和类型。
教学重点
和难点
重点:
石英晶体的概念,石英晶体振荡电路的类型。
难点:
石英晶体振荡电路的类型。
复习提问
常见的RC正弦波振荡电路的组成?
教具
课外作业题号
7
教学内容、方法和过程
附记
一、组织教学
二、前课复习:
RC正弦波振荡电路。
三、新课导入:
随着电子技术的发展,需要频率十分稳定的信号作为时间基准或频率标准,石英晶体振荡器可以产生高精度和高稳定度的正弦波信号。
四、新课讲解:
详见附页
五、知识点总结回顾
§4-4石英晶体振荡电路
一、石英晶片的特点
石英是一种天然的二氧化硅晶体。
经正确切割后的石英晶片,当在其两侧施加压力时,将在晶片的两侧平面上出现等量的正、负电荷;当在其两侧施加拉力时,也会在其两侧的平面上出现等量的正、负电荷,但方向与施加压力时相反。
如果给石英晶片两侧加上一定方向的直流电压,晶片就会产生形变,如压缩;如果改变所加直流电压的方向,晶片也会产生形变,这时晶片将膨胀。
这就是石英晶片的压电效应。
当给石英晶片两侧加上交变电压时,石英晶片会产生与所加交变电压相同频率的机械振动,但这种振动的幅度一般很小。
当外加交变电压的频率为某一特定值时,石英晶片的振动幅度会突然增大,这种现象叫做石英晶片的压电谐振。
二、石英晶体谐振器
在石英晶片两侧喷涂金属层,然后将石英晶片夹在两片金属之间,在分别从两金属板上各引出一个电极,并按一定的形式封装就构成了一个石英晶体谐振器,简称晶振。
结构示意图如图4-19所示。
石英晶体的等效电路如图4-22所示。
C0为极板间的电容,C-L-R支路是石英晶体谐振器的等效电路。
从等效电路可以看出,石英晶体谐振器有两个谐振频率:
一个是串联谐振频率fs,另一个是并联谐振频率fp。
图4-19石英晶体结构图图4-22石英晶体的等效电路
当C-L-R支路产生串联谐振时,等效电路的阻抗最小,串联谐振频率为:
fs=
当电路产生并联谐振时,并联谐振频率为:
石英晶体的串联及并联谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。
图4-23为石英晶体谐振器的频率特性曲线。
图4-23石英晶体的电抗特性曲线
三、石英晶体振荡电路
利用石英晶体谐振器的谐振特性可以构成石英晶体振荡电路,石英晶体振荡电路有串联型和并联型两种。
1.串联型石英晶体振荡电路
串联型石英晶体振荡电路如图4-24所示,振荡频率为串联谐振频率fs。
图4-24串联型石英晶体振荡电路
2.并联型石英晶体振荡电路
并联型石英晶体振荡电路如图4-25所示,其等效电路如图4-26所示。
图4-25并联型石英晶体振荡电路图4-26并联型等效电路