如何制作和调试RC正弦波振荡电路

正弦波是所有波中最常见的波形，也是最容易生成的波形。任何复杂信号都可以看成是由许多频率不同、幅度不等的正弦波复合而成的。可以说，正弦波是所有波形的基础。RC正弦波振荡器是一种适用于产生低频正弦波信号的振荡器。

通过制作与调试RC正弦波振荡器，掌握正弦波振荡电路的工作原理，RC 串并联网络中元器件参数与振荡频率的关系、反馈电阻大小对输出波形的影响。

任务要求

设计一个振荡频率为1kHz的RC正弦波振荡器。

测试环境

稳压电源一台，示波器一台，信号发生器一台，万用表一只，面包板一块，集成运放芯片和电阻等元器件若干。

测试电路

测试电路如图4-1所示。

图4-1　RC正弦波振荡电路

测试步骤

（1）按图4-1在面包板上接好电路。

（2）调节Rp的取值，用示波器测量输出端信号，直到观察到正弦波信号。

（3）选择不同的R1、R2、C1、C2数值，并将正弦波的频率填入表4-1中。

表4-1　正弦波的频率

（4）计算放大倍数。

在振荡器稳定振荡时，测出输出电压Uo的值，然后断开RC 串并联网络，在集成运放的同相输入端用信号发生器提供一个同频率的正弦波信号ui，调节信号的大小，使输出电压与开始振荡时的幅值相等，测量输入电压Ui，则可计算出电压放大倍数。将数据填入表4-2中。

表4-2　计算结果

一、正弦波振荡器概述

正弦波振荡电路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。它广泛地应用于测量、遥控、通信、自动控制、热处理和超声波电焊等加工设备中，也作为模拟电子电路的测试信号。下面将就产生正弦波振荡的原理及条件、正弦波振荡电路的组成及分类进行介绍。

（一）产生正弦波振荡的原理及条件

通过前面的学习可以知道，放大电路要有稳定的输出，就必须要有稳定的输入，而振荡器没有外加输入信号，那么它的稳定输入由什么决定呢？ 结合项目3中反馈的知识可知，反馈量可作为输入量。

通过将放大电路的输出信号正反馈回输入端，可以得到如图4-2所示的振荡器的结构方框图。上面的方框为放大电路，下面的方框为反馈网络，反馈极性为正。当输入量为零时，反馈量等于净输入量，如图4-2（b）所示。

由于电扰动（如合闸通电），因此电路产生一个幅值很小的输出量。它含有丰富的频率，而如果电路只对频率为f0的正弦波产生正反馈过程，则将产生如下过程。

即输出量Xo的增大将使Xf增大，因而导致Xi′增大，Xo进一步增大。当然，由于晶体管的非线性特性，当Xo的幅值增大到一定程度时，放大倍数的数值将减小。因此，Xo不会无限制地增大，当Xo增大到一定数值时，电路达到动态平衡。这时，输出量通过反馈网络产生反馈量作为放大电路的输入量，而输入量又通过放大电路维持着输出量Xo，这就是正弦波振荡电路的工作原理。

图4-2　正弦波振荡电路的方框图

当正弦波振荡器处于稳定工作状态时，必须要求

这就是正弦波振荡的平衡条件：

写成幅角与相角的形式为

式中，｜A·F·｜=1为幅值平衡条件，简称幅值条件；φA+φB=2nπ（n 为整数）为相位平衡条件，简称相位条件。为了使输出量在合闸后能够有一个从小到大直至平衡在一定幅值的过程，电路的起振条件为

电路把除频率f=f0以外的输出量均逐渐衰减为零，因此输出量为f=f0的正弦波。

（二）正弦波振荡电路的组成及分类

由以上分析可知，正弦波振荡电路必须由以下4个部分组成。

（1）放大电路：保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，使电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制。

（2）选频网络：确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。

（3）正反馈网络：引入正反馈，使放大电路的输入信号等于反馈信号。

（4）稳幅环节：也就是非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。

在不少实用电路中，常将选频网络和正反馈网络 “合二为一”；而且，对于分立元件放大电路，也不再另加稳幅环节，而依靠晶体管特性的非线性来起到稳幅作用。正弦波振荡电路常用选频网络所用元件来命名，可分为RC 正弦波振荡电路、LC 正弦波振荡电路和石英晶体正弦波振荡电路3种类型。RC 正弦波振荡电路的振荡频率较低，一般在1MHz以下；LC正弦波振荡电路的振荡频率多在1MHz以上；石英晶体正弦波振荡电路也可等效为LC正弦波振荡电路，其特点是振荡频率非常稳定。

（三）判断电路是否能产生正弦波振荡的方法和步骤

（1）观察电路是否包含了放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节4个组成部分。

（2）判断放大电路是否能够正常工作，即是否有合适的静态工作点且动态信号是否能够输入、输出和放大。

（3）利用瞬时极性法判断放大电路是否满足正弦波振荡的相位条件。具体做法是：断开反馈，在断开处给放大电路接入频率为f0的输入电压Ui，并给定其瞬时极性，如图4-3所示；然后以Ui极性为依据判断输出电压Uo的极性，从而得到反馈电压Uf的极性；若Uf与Ui极性相同，则说明满足相位条件，电路有可能产生正弦波振荡，否则表明不满足相位条件，电路不可能产生正弦波振荡。

（4）判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件，即是否满足起振条件。具体方法是：分别求解电路的A· 和F·，然后判断｜A·F·｜是否大于1。只有在电路满足相位条件的情况下，判断是否满足幅值条件才有意义。换言之，若电路不满足相位条件，则不可能振荡，也就无须判断是否满足幅值条件了。

图4-3　瞬时极性法判断相位条件

二、RC正弦波振荡电路

实用的RC正弦波振荡电路多种多样，这里仅介绍最具典型性的RC 桥式正弦波振荡电路，在文献中也称为文氏桥振荡电路。该电路结构简单、性能可靠，常用来产生几兆赫兹以下的低频信号。下面介绍电路的组成、工作原理和振荡频率。

（一）RC串并联选频网络

将电阻R1与电容C1串联、电阻R2与电容C2并联所组成的网络称为RC串并联选频网络，如图4-4（a）所示。通常，选取R1=R2=R，C1=C2=C。因为RC 串并联选频网络在正弦波振荡电路中既为选频网络，又为正反馈网络，所以其输入电压为Uo，输出电压为Uf。

图4-4　RC串并联选频网络及其在低高频段的等效电路

整理可得：

代入上式，得出(www.xing528.com)

幅频特性为

相频特性为

显而易见，当f=f0时，F·=1/3，且φF=0。RC串并联网络的频率特性曲线如图4-5所示。

图4-5　RC串并联网络的选频特性

（二）RC桥式正弦波振荡电路

上式表明，只要为RC串并联选频网络匹配一个电压放大倍数等于3（即输出电压与输入电压同相，且放大倍数的数值为3）的放大电路就可以构成正弦波振荡电路，如图4-6所示。考虑到起振条件，所选放大电路的电压放大倍数应略大于3。

图4-6　RC串并联选频网络构成正弦波振荡电路的方框图

从理论上讲，任何满足放大倍数要求的放大电路与RC串并联选频网络都可组成正弦波振荡电路；但是，实际上，所选用的放大电路应具有尽可能大的输入电阻和尽可能小的输出电阻，以减小放大电路对选频特性的影响，使振荡频率仅决定于选频网络。因此，通常选用引入电压串联负反馈的放大电路，如同相比例运算电路。

由RC串并联选频网络和同相比例运算电路所构成的RC 桥式正弦波振荡电路如图4-7（a）所示。观察电路，负反馈网络的R1、Rf及正反馈网络串联的R 和C、并联的R 和C 各为一臂构成桥路。集成运放的输出端和 “地”接桥路的两个顶点作为电路的输出；集成运放的同相输入端和反相输入端接另外两个顶点，是集成运放的净输入电压，如图4-7（b）所示。

图4-7　RC桥式正弦波振荡电路

正反馈网络的反馈电压Uf是同相比例运算电路的输入电压，因而要把同相比例运算电路作为整体看成电压放大电路。它的比例系数是电压放大倍数，根据起振条件和幅值平衡条件有：

上式表明，Rf的取值应略大于2R1。应当指出的是，由于Uo与Uf具有良好的线性关系，因此为了稳定输出电压的幅值，一般应在电路中加入非线性环节。例如，可选用R1为正温度系数的热敏电阻。当Uo因某种原因而增大时，流过Rf和R1上的电流增大，R1上的功耗随之增大，导致温度升高，因而R1的阻值增大，从而使得Au数值减小，Uo也就随之减小；当Uo因某种原因而减小时，各物理量与上述变化相反，从而使输出电压稳定。当然，也可选用Rf为负温度系数的热敏电阻。

此外，还可以在Rf回路串联两个并联的二极管，如图4-8所示。利用电流增大时二极管动态电阻减小、电流减小时二极管动态电阻增大的特点，加入非线性环节，从而使输出电压稳定。此时，比例系数为

图4-8　利用二极管作为非线性环节

（三）正弦波振荡电路电源使用的注意事项

正弦波振荡器大多是用一对正负电源供电的，这样输出正负对称的正弦波比较方便。要改用单位电源供电，其原则是：电路原来接正电源VCC的地方仍接正电源，原来接地的地方改接VCC/2，原来接负电源的地方改接地，这样就可省去负电源，从而实现单位电源供电。