正弦波振荡电路原理图，正弦波振荡电路产生振荡的条件

正弦波振荡电路原理图，正弦波振荡电路产生振荡的条件

什么是RC振荡器？

使用电阻和电容元件的振荡器可以获得良好的频率稳定性和波形，这种振荡器称为RC或者相移振荡器。

RC振荡器是一种正弦振荡器，用于在线性电子元件的帮助下产生正弦波作为输出。RC振荡器包括一个反馈网络和一个放大器。

RC振荡器的工作原理

RC 振荡器的工作原理是利用 RC 网络（如下图所示）提供响应信号所需的相移的电路。

RC 振荡器具有出色的频率稳定性，可以为各种负载产生纯正弦波。

下图左边的电路显示了单个电阻电容网络，其输出电压“超前”输入电压某个角度小于 90°。

在纯或理想的单极 RC 网络中，它将产生恰好为 90 °的最大相移，但由于振荡需要 180 °的相移，因此在RC 振荡器设计中必须使用至少两个单极网络。

RC振荡器相移网络

然而，实际上每个 RC 级很难获得准确的 90 °相移，因此我们必须使用更多级联的 RC 级来获得振荡频率所需的值。

电路中的实际相移量取决于电阻 (R) 和电容 (C) 的值，在选定的振荡频率下，相位角 ( φ ) 如下公式所示。

RC 相位角

RC振荡器相位公式

其中： X C是电容的容抗，R 是电阻的阻值，而ƒ是频率。

在上面的简单示例中，已选择R和C的值，以便在所需频率下，输出电压领先输入电压约 60 °的角度，然后每个连续 RC 部分之间的相位角再增加 60 °，从而在输入和输出之间产生 180 ° (3 x 60 ° )的相位差，如下面的矢量图所示。

矢量图

通过将三个这样的 RC 网络（如上图右侧）串联在一起，我们可以在所选频率下在电路中产生 180 °的总相移，这形成了“RC 振荡器”的基础，也称为相移振荡器，因为相角在通过电路的每个阶段都移动了一定量。

相移发生在各个 RC 级之间的相位差中。运算放大器电路采用四路 IC 封装，例如，LM124 或 LM324 等，因此四个 RC 级 也可用于在所需的振荡频率下产生所需的 180 °相移。

RC振荡器矢量图

在使用双极晶体管或反相运算放大器配置的放大器电路中，它会在其输入和输出之间产生 180 °的相移。

如果三级 RC 相移网络作为反馈网络连接在放大器电路的输出和输入之间，则产生所需再生反馈的总相移为：3 x 60 °+ 180 °= 360 ° = 0 °。如下图所示。

基本RC反馈电路

三个 RC 级级联在一起以获得稳定振荡频率所需的斜率。当每级相移为-60°时，反馈回路相移为-180 °。这发生在jω = 2piƒ = 1/1.732RC为 ( tan 60 °= 1.732 ) 时。

然后，要在 RC 振荡器电路中实现所需的相移，就要使用多个 RC 相移网络。

基本 RC 振荡器电路

基本RC 振荡器也称为相移振荡器，它使用从电阻电容 (RC) 梯形网络获得的再生反馈产生正弦波输出信号。这种来自RC网络的再生反馈是由于电容器能够存储电荷（类似于 LC 谐振电路）。

该电阻电容反馈网络可以如上图所示连接以产生超前相移（相位超前网络）或互换以产生滞后相移（相位延迟网络）结果仍然相同，因为正弦波振荡仅发生在总相移为 360 °的频率。

RC振荡电路设计

通过改变相移网络中的一个或多个电阻或电容，可以改变频率，通常这是通过保持电阻器相同并使用 3 组可变电容来完成的。

因为容抗 (X C ) 随电容变化，由于电容是频率敏感元件，因此频率会发生变化。但是，可能需要针对新频率重新调整放大器的电压增益。

RC相移振荡器的频率

如果三个电阻 R 的值相等，即R 1 = R 2 = R 3 ，并且移相网络中的电容 C 的值也相等， C 1 = C 2 = C 3，则频率由 RC 振荡产生的振荡简单地给出为：

RC振荡器频率公式

• ƒ r 是以赫兹为单位的振荡器输出频率

• R 是欧姆的反馈电阻

• C 是以法拉为单位的反馈电容

• N 是RC反馈级数。

这是相移电路振荡的频率，上面的简单示例中，级数为 3，因此 N = 3 (√ 2*3 = √ 6 )。对于四级 RC 网络，N = 4 (√ 2*4 = √ 8 ) ，其他的依此类推。

运算放大器 RC 振荡器

当用作 RC 振荡器时，运算放大器 RC 振荡器比其双极晶体管振荡器更常见。振荡器电路由负增益运算放大器和产生 180 °相移的三段RC网络组成。相移网络从运算放大器输出连接回其“反相”输入，如下所示。

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