了解RC正弦波振荡器的基本原理

知识储备

信号发生器又称为信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。例如，在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。

振荡器与放大器的区别在于没有外加激励的情况下，电路能自行产生一定频率和幅度的交流振荡信号。按产生的波形不同，可分为正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路。典型正弦波振荡电路往往用分立元件来实现，但随着微电子制造技术的不断进步，集成电路得到了惊人的发展，集成电路的应用几乎遍及所有产业的各种设备中。传统的由分立元件组成的电路正在被集成电路所替代，因此学习的重点也应由分立元件转向集成器件。

1.反馈式正弦波振荡器工作原理

正弦波振荡器可分为两大类：一类是依靠外加正反馈而得到自激振荡的反馈式振荡器；另一类是负阻式振荡器，它是利用接在谐振回路中的负阻器件的负电阻效应去抵消谐振回路中的损耗而产生的等幅自由振荡，这类振荡器主要工作在微波波段。本次任务仅讨论反馈式正弦波振荡器。

图6.3　反馈式正弦波振荡器原理框图

要想使一个没有外加激励的放大器能产生一定频率和幅度的正弦输出信号，就要求自激振荡只能在某一个频率上产生，因此在图6.3所示的闭合环路中必须含有选频网络。选频网络可以包含在放大器内，也可在反馈网络内。

而任何一个具有正反馈的放大器都必须满足一定的条件才能自激振荡。下面就分析正弦波振荡器的起振条件（保证接通电源后能逐步建立起振荡）和平衡条件（保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态）。

1）起振过程与起振条件

图6.4　自激振荡的起振波形

所以振荡器起振的条件是

式（6.1）为振幅起振条件，表明环路增益必须大于1，使反馈电压Uf大于输入电压Ui。式（6.2）为相位起振条件，表明放大器和反馈网络的总相移必须等于2π的整数倍，使反馈电压和输入电压同相，即要求是正反馈。

在起振过程中，直流电源补充的能量大于整个环路消耗的能量。

2）平衡过程与平衡条件

振荡器起振后，振荡幅度不可能无止境地增长下去，因为放大器的线性范围是有限的。随着振幅的增大，放大器逐渐由放大区进入非线性区域，其增益逐渐下降。当放大器增益下

式（6.3）和式（6.4）分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。

振荡器进入平衡状态以后，直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。

综上所述，要使振荡器能够振荡，把放大器接成正反馈是产生振荡的首要条件。其次，在振荡建立的初期，必须使反馈信号大于原输入信号，反馈信号一次比一次大，才能使振荡幅度逐渐增大；当振荡建立后，振荡电路的输出达到一定幅度时，还必须使反馈信号等于原输入信号，才能使建立的振荡得以维持下去。一般为了使输出的正弦信号幅度保持稳定，还要加入稳幅环节。

判断一个电路是否为正弦波振荡器的一般方法如下。

（1）放大器的结构是否合理，有无放大能力，静态工作点是否合适。

3）正弦波振荡器的基本组成

为了产生稳定的正弦波振荡，正弦波振荡器一般应包括以下几个基本组成部分。

（1）放大器。

（2）正反馈网络。

（3）选频网络。

（4）稳幅环节。

2.RC串并联网络的频率特性

由上述测试可以得出，RC串并联网络具有选频特性。此外，也可从计算的角度得出这一结论。

R1、C1串联部分看成一整体，则有

R2、C2并联部分看成一整体，则有

图6.5　RC串并联网络

通常在实际电路中取C1=C2=C、R1=R2=R，则上式可简化为

式（6.5）中，有

根据式（6.5）可得到RC串并联网络的幅频特性和相频特性分别为

作出幅频特性和相频特性曲线如图6.6所示。

图6.6　RC串并联网络的幅频特性和相频特性

（a）幅频特性；（b）相频特性

3.RC正弦波振荡器

由上述测试可知，将RC串并联网络和放大器结合起来即可构成RC振荡器，如图6.7（a）所示，构成RC桥式振荡器。

1）RC 正弦波振荡器电路组成

图6.7　RC桥式振荡器

（a）RC振荡器；（b）RC桥式反馈网络

2）RC正弦波振荡器的起振条件和振荡频率

采用双联可变电容器或双联同轴电位器即可方便地调节振荡频率。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），再采用双联同轴电位器进行频率的细调。

3）稳幅过程

为了满足振幅平衡和稳定条件，在图6.7所示振荡器的负反馈支路上采用了具有负温度系数的热敏电阻Rt来改善振荡波形，实现自动稳幅。如图6.8所示，该电路结构简单，调节方便，性能较好。在图6.8中，RC串并联网络既是选频网络又是正反馈网络，集成运放和R1、R2、Rf、VD1、VD2构成同相输入比例运算电路，VD1和VD2构成稳幅环节。

起振之后，uo幅值逐渐增大，当uo幅值较大时，VD1、VD2总有一个处于正向导通状态，由R2、VD1和VD2组成的并联支路的等效电阻减小，同相输入比例运算电路的增益Au随之下降，限制了输出幅度的增大，起到了自动稳幅的作用。

图6.8　集成电路RC正弦波振荡器

同理，当振荡建立后，由于某种原因使得输出幅度发生变化，则流过Rt的电流变化，使热敏电阻的阻值发生变化，自动稳定输出电压幅度。比如某种原因使输出幅度减小，则流过热敏电阻的电流减小，温度降低，热敏电阻的阻值增大，则负反馈减弱，放大器增益上升，阻止输出电压幅度继续减小，从而达到自动稳幅的效果。

各种RC振荡器的振荡频率均与R、C的乘积成反比，如欲产生振荡频率很高的正弦波信号，势必要求电阻或电容的值很小，这在制造上和电路实现上将有很大的困难，因此，RC振荡器一般用来产生几Hz至几百kHz的低频信号，若要产生更高频率的信号，可以考虑采用LC正弦波振荡器。

自测习题

RC正弦波振荡器

1.填空

（1）RC正弦波振荡电路的振荡频率表达式为____________。(www.xing528.com)

（2）振荡器____________（有、没有）外加激励信号，产生自激振荡的条件是引入______（正、负）反馈。

（3）振荡器的基本组成部分包括_____________、_______________、________________、________________。振荡器的平衡条件是______________，起振条件是_________________，振荡的起源是_______________。

2.选择

振荡器与放大器的区别是（　　）。

A. 振荡器比放大器电源电压高　B. 振荡器比放大器失真小

C. 振荡器无须外加激励信号，放大器需要　D. 放大器无须外加激励信号，振荡器需要

3.判断

（1）RC正弦波振荡电路适用于高频振荡信号的产生。（　　）

（2）根据振荡的相位条件判断题3（2）图所示各电路能否振荡。

题3（2）图

4.分析

（1）若要将如题4（1）图所示的元器件连接成RC正弦波振荡电路，如何连线？若要产生振荡频率为1 kHz的正弦振荡输出，当电容C=0.016 μF时，电阻R应选多大？

（2）如题4（2）图所示振荡电路，问：① 说明该振荡器由哪几部分组成。② 当R=10 kΩ，C=0.01 μF时，振荡频率是多少？③ 为了使电路正常工作，电阻Rf/R1应满足什么关系？

题4（1）图

题4（2）图

自测习题答案