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第5章谐振放大器和正弦波振荡器
第5章 谐振放大器和正弦波振荡器
【课题】
5.1 谐振放大器
【教学目的】
1．了解谐振放大器的功能。
2．理解LC并联回路的选频特性。
3．理解常用谐振放大器的电路结构及工作原理。
4．了解谐振放大器的主要性能指标含义。
【教学重点】
1．谐振放大器的功能。
2．LC并联回路的选频特性。
3．单回路谐振放大器的结构特点及工作原理。
4．双回路谐振放大器的结构特点及工作原理。
5．谐振放大器的主要性能指标含义。
【教学难点】
1．LC并联回路的选频特性。
2．单回路谐振放大器的结构特点及工作原理。
3．双回路谐振放大器的结构特点及工作原理。
【教学参考学时】
3学时
【教学方法】
讲授法、分组讨论法
【教学过程】
一、引入新课
例举收音机、电视机等电器是如何接收信号并放大信号的，从而引入电路谐振的概念。
二、讲授新课
5.1.1 LC并联谐振回路的选频特性
1．谐振放大器的功能
采用LC并联谐振回路作负载的放大器称为谐振放大器。谐振放大器具有选频和放大的功能，即电路利用LC并联回路的选频特性，从一个频带中选出某一频率进行放大，而将其它频率予以抑制。
2．LC并联谐振回路的选频特性
LC并联谐振回路的选频特性见表5.1。
表5.1 LC并联回路的选频特性
LC并联回路
阻抗频率特性
相位频率特性
阻频特性与Q值关系
R为LC并联电路的等效损耗电阻。
当信号频率f等于谐振频率f0（ ）时，LC并联电路发生谐振，阻抗最大。
当f = f0时， v与i的相位差φ = 00，电路呈纯电阻性。
R越小，Q值越大，曲线越尖锐，电路选频能力越强。（注：品质因数
）
5.1.2常用谐振放大器
常用的谐振放大器有单回路谐振放大器和双回路谐振放大器。
1．单回路谐振放大器
（1）电路结构特点：图5.1所示为单回路谐振放大器，其结构特点是放大管集电极负载由一个LC并联谐振回路构成，电源经电感线圈抽头接入，其目的是使谐振回路有高的Q值，提高放大器的选择性。
（2）工作原理：输入信号vi经T1耦合到放大管V的基极，经V放大后，由谐振回路选出f= f0的信号，最后由T2耦合输出。
（3）电路具有调整方便、工作稳定等优点，但输出信号失真大，一般用于通频带和选择性要求不高的场合。 图5.1单回路谐振放大器
2．双回路谐振放大器
（a）互感耦合 （b） 电容耦合
图5.2 双回路谐振放大器
（1）电路结构特点：图5.2所示为双回路谐振放大器，其结构特点是放大管集电极负载由两个LC并联谐振回路构成，两谐振回路之间采用互感耦合（图5.2（a））或电容耦合（图5.2（b））。在互感耦合电路中，调节两个谐振回路之间的距离或磁芯的位置，可改变耦合程度，改善通频带和选择性。在电容耦合电路中，通过改变Ck的大小，来改善通频带和选择性。双回路谐振放大器具有较好的通频带和选择性，在实际中得到应用广泛。
（2）电路工作原理：以图5.2（a）为例，输入信号vi经T1耦合到放大管V，经V放大的信号先由L1C1并联谐振回路选择出f= f0的信号后耦合到L2C2并联谐振回路，进一步选频，最后在电感线圈L2的抽头处产生最大的输出电压vo。
5.1.3主要性能指标
谐振放大器的主要性能指标：中心频率、增益、通频带、选择性和工作稳定性。
三、课堂小结
1．LC并联谐振回路具有选频特性。
2．谐振放大器具有选频和放大的功能。
3．比较单回路谐振放大器与双回路谐振放大器的电路结构特点、工作原理和实用范围。
四、课堂思考
P114思考与练习题1、2。
五、课后练习
P126 一、填空题：1、2；二、判断题：1。
【课题】
5.2 正弦波振荡电路
【教学目的】
1．了解振荡器的功能。
2．了解电路产生自激振荡的条件。
3．掌握产生正弦波振荡的相位平衡条件、振幅平衡条件和起振条件。
4．理解正弦波振荡电路的组成和振荡的建立过程。
【教学重点】
1．振荡器的功能及产生自激振荡的条件。
2．正弦波振荡电路组成。
3．产生正弦波振荡的相位平衡条件、振幅平衡条件和起振条件。
4．正弦波振荡的建立过程。
【教学难点】
1．产生正弦波振荡的相位平衡条件、振幅平衡条件。
2．正弦波振荡电路的起振条件及振荡的建立过程。
【教学参考学时】
1学时
【教学方法】
讲授法、分组讨论法
【教学过程】
一、引入新课
自激振荡现象：扩音系统在使用中有时会发出刺耳的啸叫声, 其形成的过程如图5.1所示。
图 5.3 自激振荡现象
二、讲授新课
5.2.1 正弦波振荡电路的组成框图
1．振荡器
振荡器是一种不需外加输入信号就能将直流电转换成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流信号的电路。振荡器的输出频率取决于电路本身选频网络的参数，振荡波形取决于电路的形式，与外部信号无关。图5.4是振荡器与电压放大器组成框图的比较。
（a）振荡器组成框图 （b）电压放大器组成框图
图5.4
2．正弦波振荡器
振荡器分正弦波振荡器和非正弦波振荡器。输出波形为正弦波的振荡器称为正弦波振荡器。
正弦波振荡器组成：放大电路、选频电路和正反馈网络，其组成框图有两种形式，如图5.5所示。
5.2.2 正弦波振荡器的平衡条件
正弦波振荡器的平衡条件为相位平衡条件和振幅平衡条件，这两个条件必须同时满足。
1．相位平衡条件——反馈信号vf的相位与输入信号vi的相位同相，即 j = 2np（n=0,1,2……）。
2．振幅平衡条件——反馈信号的幅度与原输入信号的幅度相等，即AVF = 1 。
5.2.3 正弦波振荡器的建立与稳定过程
1．正弦波振荡器的起振条件——振荡管处于放大状态，即振荡电路的AVF>1。
2．正弦波振荡器的起振过程如框图5.6所示。
初始信号由接通电源的瞬间产生，该信号包含一系列频率不同的正弦分量。
选频电路——保证电路仅对某个特定的频率信号产生谐振。
放大器——维持振荡器连续工作，若没有放大器，信号就会被逐渐衰减，不可能产生持续的振荡。
正反馈网络——将输出信号正反馈到放大电路的输入端，使电路产生自激振荡。
当振荡信号幅度较小时，因AVF>1，振荡信号被不断地放大，直到信号幅度增大到使振荡管超出线性放大区，此时AVF=1，电路变为等幅振荡。
振荡的建立与稳定过程
图5.6 正弦波振荡器的建立与稳定过程
三、课堂小结
1．正弦波振荡器的组成。
2．产生电路正弦波振荡必须同时满足相位平衡条件、振幅平衡条件。
3．正弦波振荡器的建立过程。
四、课堂思考
P116思考与练习题1~2。
五、课后练习
P126 一、填空题：3；二、判断题：2~5；三、选择题：1~3、6、7。
【课题】
5.3 常用正弦波振荡器
【教学目的】
1．掌握LC振荡器的电路组成及工作原理。
2．掌握RC桥式振荡器的电路组成及工作原理。
3．了解石英晶体的压电效应、石英晶体谐振器的振荡频率。
4．理解串联型和并联型石英晶体振荡器的电路形式与工作原理。
5．会判断电路能否产生振荡。
6．会计算常用正弦波振荡器的振荡频率。
【教学重点】
1．变压器耦合LC振荡器的电路组成及工作原理。
2．三点式LC振荡器的电路组成特点及工作原理。
3．RC串并联电路的选频特性，RC桥式振荡器的电路组成及工作原理。
4．石英晶体谐振器的振荡频率。
5．串联型和并联型石英晶体振荡器的电路形式、振荡频率与工作原理。
6．计算各种常用振荡器的振荡频率算。
【教学难点】
1．变压器耦合LC振荡器的工作原理。
2．三点式LC振荡器的电路组成特点。
3．RC串并联电路的选频特性，RC桥式振荡器工作原理。
4．石英晶体谐振器的振荡频率。
5．串联型和并联型石英晶体振荡器的工作原理。
【教学参考学时】
4学时
【教学方法】
讲授法、分组讨论法
【教学过程】
一、引入新课
振荡器是一个频率源，用来产生所需的各种频率信号，被广泛应用于广播、通信、自动控制、家电产品等领域。
二、讲授新课
正弦波振荡器的分类如框图5.7所示。
石英晶体振荡器
（频率稳定度极高）
并联型
串联型
RC振荡电路(低频振荡)
RC桥式振荡电路
变压器耦合式
LC振荡电路(高频振荡)
三点式
电容式
电感式
正弦波振荡器的分类
根据选频电路组成元件的不同
图5.7 正弦波振荡器的分类框图
5.3.1 LC振荡器
1．变压器耦合式LC振荡器
（1）共发射极变压器耦合LC振荡器
L3-4反馈线圈，构成正反馈。
LC选频电路
假设基极的瞬时电压极性
反馈回基极的瞬时电压极性
振荡信号输出端
图5.8 共发射极变压器耦合LC振荡器
①电路结构特点如图5.8所示。
②工作原理 初始信号经LC选频回路选出频率为fo的振荡信号，经L3-4正反馈到振荡管基极，由放大器进行放大，再选频，再放大…，不断循环，振荡由弱到强逐渐建立，当信号幅度增大到使振荡管超出线性放大区时，放大器的AV下降，电路自动满足振幅平衡条件AVF=1，作等幅振荡。
该电路只要变压器L5-6与L3-4匝数比恰当，电路易满足起振条件AVF>1。
（2）共基极变压器耦合LC振荡器
①电路结构特点：电路如图5.9所示，图中旁路电容C1使振荡管基极交流接地；隔直耦合电容C2，将选频回路中的一部分振荡信号反馈到振荡管的发射极；L1为反馈线圈，将放大后的信号送回到选频回路，以补充回路中的能量损耗，维持电路持续振荡。
②工作原理 LC回路选出的振荡信号通过C1、C2加到振荡管V的基-射极之间，经过V放大后，由L1耦合到选频回路，形成电路的正反馈。在满足振幅条件下，电路产生振荡。
图5.9 共基极变压器耦合LC振荡器
（3）LC振荡器的振荡频率
变压器耦合振荡电路的振荡频率等于LC并联回路的固有振荡频率，即
调节LC并联谐振回路中的电感量L或电容量C，均可改变电路的振荡频率fo。
2．三点式LC振荡器
三点式LC振荡器的电路结构特点：LC振荡回路的3个端点与振荡管的3个电极相连。
（1）电感三点式振荡器
①电感三点式振荡器的电路原理图如图5.10(a)所示，图5.10(b)为交流通路。
（a）电路原理图 （b）交流通路
图5.10 电感三点式振荡器
②电路振荡频率
式中，M为Ｌ1与Ｌ2之间的互感系数。
③电路特点：容易起振，振荡频率高，一般可达到几十兆赫。但波形失真大，只适用于对波形要求不高的场合中。
（2）电容三点式振荡器
①电容三点式振荡器的电路原理图如图5.11(a)所示，图5.11(b) 为交流通路。
(a)电路原理图 (b)交流通路
图5.11 电容三点式振荡器
②电路振荡频率为：
（5-9）
③电路特点：振荡频率高，输出波形较好，但频率调节不方便，适用于对波形要求高、振荡频率高且频率固定的场合。
（3）改进型电容三点式振荡器
①电容三点式振荡器的电路原理图如图5.12(a)所示，图5.12(b)为交流通路。
（a）改进的电容三点式电路原理图 （b）交流通路
图5.12 改进型电容三点式振荡器
②电路振荡频率为：
③电路特点：振荡波形好，频率比较稳定，但频率调整范围不大。
5.3.2 RC振荡器
1. RC串并联电路的选频特性
RC串并联电路如图5.13{a)所示，若取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，其幅频特性曲线和相频特性曲线如图5.13 (b)和（c）所示。
(a)RC串并联电路 (b)幅频特性曲线 (c)相频特性曲线
图5.13 RC串并电路的选频特性
RC串并联电路具有选频特性，即当输入信号频率 时，输出电压vo幅度最大，为输入电压vi幅度的 ，即 ，且输出电压vo与输入电压vi同相位。
2. RC桥式振荡器
（1）电路组成
图5.14所示为RC桥式振荡器。图中RC串并联电路既作选频电路，又引入正反馈；集成运放作同相放大器；负温度系数热敏电阻Rf和电阻R3组成负反馈电路，主要用来稳定振荡信号的幅度，避免输出波形产生失真。
（2）工作原理
在f0处，选频网络相移为，放大器相移也为，电路满足 的相位平衡条件。因在f0处，反馈系数 ，根据起振条件AV F>1，只要取AV>3，电路就能满足起振条件。
电路振荡幅度的稳定过程如下：
（3）振荡频率
RC桥式振荡器的振荡频率等于RC串并联选频电路的谐振频率，即
（4）RC桥式振荡器具有频率调节方便、输出波形失真小等特点，应用较为广泛。
图5.15 石英晶体谐振器
（a）等效电路 （b）电路符号
5.3.3石英晶体振荡器
1．石英晶体的基本特性
（1）石英晶体的压电效应——当石英晶片上加一电场时，晶片会产生机械形变；反之，机械力又会在晶片上产生电场。
（2）石英晶体的压电谐振——当某一特定频率的交变电压作用于石英晶片时，能使晶片的机械振幅突然有很大的增加。
（3）石英晶体谐振器的等效电路
图5.16 石英晶体谐振器的电抗—频率特性（设R≈0）
石英晶体谐振器的压电效应可用图5.15（a）所示电路来等效，图5.15（b）为其电路符号。
（4）石英晶体谐振器的电抗−频率特性
石英晶体谐振器的电抗-频率特性如图5.16所示。
当f=fs时，石英晶体呈现的阻抗最小，且为纯电阻性，相移为0O；
当fs< f<fp时，石英晶体呈感性；
当f <fs或 f>fp时，石英晶体呈容性。
2．石英晶体正弦波振荡器
利用石英晶体进行选频的正弦波振荡器称石英晶体正弦波振荡器，它具有振荡频率稳定度极高的优点。石英晶体振荡器分为：串联型和并联型两类。
（1）并联型石英晶体振荡电路
并联型石英晶体振荡电路如图5.17所示。电路中的石英晶体相当于电感，电路的振荡频率介于fs与fp之间，而实际中，fs和fp两个频率非常接近。
（2）串联型石英晶体振荡电路
串联型石英晶体振荡电路如图5.18所示。电路利用石英晶体在fo=fs时呈纯阻性且最小、相移为零的特性构成。
图5.17 并联型晶体振荡器 图5.18 串联型晶体振荡器
三、课堂小结
1．正弦波振荡器的分类和适用频率范围。
2．三种常用正弦波振荡器的组成特点、工作原理和振荡频率。
四、课堂思考
P119思考与练习题1~3。
P121思考与练习题1~2。
P122思考与练习题1~3。
五、课后练习
P126 一、填空题：4~6；三、选择题：4~5；四、综合题：1~3。
【课题】
实训项目 RC桥式正弦波振荡器的安装与调试
【实训目标】
1.掌握RC桥式正弦波振荡器的安装与调试方法。
2.掌握用示波器测量RC正弦波振荡器输出波形的方法。
【实训重点】
1. RC桥式正弦波振荡器的安装与调试方法。
2.用示波器测量RC正弦波振荡器输出波形的方法。
【实训难点】
用示波器测量RC正弦波振荡器输出波形的方法。
【参考实训课时】
2学时
【实训方法】
讲授法、演示法、实操法
【实训过程】
一、实训任务
任务一 认识电路
RC桥式正弦波振荡器电路如教材图5.26所示。图中，集成运放LM741、R1、RP、R2、R3、V1、V2组成同相放大器，V1，V2起稳幅作用；R4、C1、R5和C2组成RC串并联选频网络。
任务二 元器件的识别与检测
任务三 电路安装
利用万能板对照原理图进行元器件的焊接和装配。
任务四 电路调试
电路安装完成后，在确认安装无误后方可通电进行调试。测试步骤按教材所给顺序进行。
二、实训作业
1．写出RC桥式正弦波振荡器的安装与调试过程。
2．谈谈你对本次训练的收获与体会。
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