正弦波振荡电路设计与分析

曹宝林

◆摘  要：正弦波振荡电路是现代通信系统中的重要组成部分，按照组成原理分为晶体振荡器电路、RC振荡电路以及LC振荡电路对晶体振荡器原理进行了深入分析，通过电路仿真软件Multisim进行仿真分析，并进行实际电路焊接与调试，验证了晶体振荡器的稳定性。

◆关键词：正弦波;振荡电路;设计;分析

振荡器电路主要用于产生一定频率的波形，如三角波、方波、脉冲波、正弦波等.通常振荡器具有波形类型选择、产生频率调节等功能。振荡器产生波形的过程主要分为以下几个阶段：起振阶段、平衡阶段和稳定阶段。基于此，本文将对正弦波振荡电路进行简要分析阐述，并提出设计思路参考。

一、晶体振荡器原理分析

（一）起振过程

在振荡开始时，由于激励信号较弱，输出电压的振幅比较小，此后经过不断地放大与反馈循环，输出幅度开始逐渐增大，为了维持这一过程，必须满足|AF|>1的要求。

（二）振幅的稳定

在振荡器刚刚上电时，最初信号来自电噪声，非常微弱。该信号通过放大器在线性放大区进行放大以及反馈网络的作用，使得输出信号进一步增大。信号进一步增加时放大器进入到饱和或者截止区，使输出信号不再增加，通过选频网络的滤波，使输出信号为等幅振荡的波形。可见，在振荡器起振过程中，晶体振荡电路使放大器在非线性区工作，并完成振幅稳定与选频工作。

（三）并联型晶体振荡器

图1是一种典型的晶体振荡电路，根据晶体振荡器的特点，当信号的频率在晶体振荡器的串联谐振频率和并联谐振频率之间时，石英晶体才等效为一个电感。此时，满足电容三点式振荡电路的工作条件，此类电路称为皮尔斯振荡器。其中C3电容的主要作用是隔绝外电路对输出信号频率的影响，同时能够对输出信号的频率进行微调。另外，电容C1支路、C2支路作为反馈电路。

（四）石英晶体谐振器注意事项

1.石英晶体振荡器带负载能力强，LC振荡器带负载能力不及晶体振荡器。2.当石英晶体失效时，由于支架电容还存在，可能導致电路起振，从而给出了振荡信号输出的假象，使信号频率不稳定。3.石英晶体谐振器的激励电平应该在合适的范围。4.石英晶体谐振器必须外加负载电容，进行微调才能够获得响应的标称频率值。5.石英晶体振荡器只能够稳定在一个频率进行工作，如果需要用到多个频率时，就需要使用频率合成器。

二、正弦波振荡电路设计与分析

（一）看电路

看电路是否具有振荡器的三个基本组成，即基本放大电路、反馈网络和选频网络。1.基本放大电路：基本放大电路的有源器件可以是晶体管（NPN、PNP）、场效应管、差分对管和线性集成运放等，即可以是分立元件放大电路，也可以是集成放大电路。分立元件放大电路组态可以是共射（CE），为反相放大器;也可以是共基（CB），为同相放大器。2.反馈网络：其反馈一定是正反馈，作为反馈网络可以是变压器、耦合电路、电感分压电路、电容分压电路等。反馈信号可以反馈到三极管的基极（CE组态），也可以反馈到三极管的射极（CB组态）。3.选频网络：作为选频网络的可以是LC谐振回路、RC移相（或选频）电路、石英晶体谐振器等。在这三种选频网络中，石英晶体谐振器的品质因数最高，选频功能最强，其振荡电路频率稳定度最高。该网络中的元件参数决定了该振荡电路的频率大小。

（二）判断振荡电路中的基本放大部分是否具有放大作用

判断振荡电路中的基本放大部分是否具有放大作用实际上就是判断放大电路中三极管的静态工作点是否处在放大区。可画出直流等效电路看静态工作点是否合适。对于由分立元件构成的放大器，这一步尤为重要。不管是共射、共基组态放大器，其判断原则是三极管的“发射结正偏，集电结反偏”。即NPN管三个极的静态电位为UC>UB>UE;PNP管三个极的静态电位为UC

（三）分析振荡电路中的振荡条件

分析电路是否满足起振条件和平衡条件，这两个条件中都有相位和振幅条件，一般振幅条件较易满足，关键是相位条件，而起振条件和平衡条件中的相位条件是一样的。如在三点式振荡电路中，判断其相位条件是否满足，实际上可以通过以下三种描述去分析：电路中是否存在正反馈;电路中的相位条件是否满足这样一个表达式：φa+φf=2nπ;是否满足“射同基反”的原则。前两个条件对任何一个振荡器都适用，原则只对三点式振荡器适用。判断正反馈可以用瞬时极性法去分析，往往在分析过程中会有这两种情况：假设的输入ui为正极性，到输出uo为正极（同相放大器），最后反馈信号uf也为正极性，这种反馈为正反馈，即φa+φf=0;或假设的输入ui为正极性，到输出uo为负极性（反相放大器），最后反馈信号uf为正极性，这种反馈也为正反馈，即φa+φf=2π。它们都满足三点式振荡器“射同基反”的原则。

三、结束语

本文分析了振荡器的工作原理，对RC振荡电路、LC振荡电路以及体振荡电路进行对比分析，根据晶体振荡电路的原理进行了仿真分析与实物制作。从电路的仿真、材料的选择、实物的制作与实物的调试过程中分析得到，如果三极管选的不理想，将导致实物调制波形很不理想。

参考文献

[1]夏书峰，巢明，王开宇.高频正弦波振荡器教学方法的一些探索[J].电气电子教学学报，2018（05）：100-100.