第9章 信號發(fā)生電路

第9章信號發(fā)生電路

9.1正弦波振蕩電路的振蕩條件9.2RC正弦波振蕩電路9.3LC正弦波振蕩電路

9.4*

非正弦波發(fā)生電路9.5*

正弦波振蕩電路的Multisim仿真1．熟悉正弦波振蕩電路的基本組成部分。2.熟練掌握產(chǎn)生自激正弦波振蕩的振幅平衡條件和相位平衡條件。3．熟練掌握利用相位平衡條件判斷RC、LC等不同正弦波振蕩電路能否產(chǎn)生自激振蕩的方法。4．能熟練地估算出各種正弦波振蕩電路的振蕩頻率，并丁解振蕩頻率與電路元器件參數(shù)之間的關(guān)系。5．了解石英晶體諧振器的特性及串、并聯(lián)式晶體正弦波振蕩電路的工作原理。6．了解非正弦波振蕩電路與正弦波振蕩電路的區(qū)別。學(xué)會分析基本的非正弦波振蕩電路的工作原理。7．了解方波與矩形波和三角波與鋸齒波振蕩電路的主要區(qū)別。本章學(xué)習(xí)目的和要求9.1正弦波振蕩電路的振蕩條件

波形發(fā)生電路的種類很多，按其輸出波形可以分為正弦波振蕩電路和非正弦波振蕩電路。

放大電路通常是在輸入端接有信號時才有信號輸出，如果它的輸入端不外接輸入信號，其輸出端仍有一定頻率和幅值的信號輸出，則稱為放大電路發(fā)生了自激振蕩。

正弦波振蕩電路是依靠自激振蕩而產(chǎn)生一定頻率、一定幅值的正弦波輸出電壓的電路。放大電路引入反饋后，在一定的條件下可能產(chǎn)生自激振蕩。

無外加信號，輸出一定頻率一定幅值的信號。與負反饋放大電路振蕩的不同之處：在正弦波振蕩電路中引入的是正反饋，且振蕩頻率可控。圖9.1.1振蕩原理框圖放大電路產(chǎn)生自激振蕩的條件是而

產(chǎn)生正弦波振蕩的平衡條件是

幅值平衡條件相位平衡條件1.正弦波振蕩的條件9.1正弦波振蕩電路的振蕩條件起振條件：

要產(chǎn)生正弦波振蕩，必須有滿足相位條件的f0，且在合閘通電時對于f=f0信號有從小到大直至穩(wěn)幅的過程，即滿足起振條件。負反饋放大電路產(chǎn)生自激振蕩的條件是圖9.1.2反饋放大電路輸入信號和反饋信號的符號關(guān)系 2.起振與穩(wěn)幅：輸出電壓從幅值很小、含有豐富頻率，到僅有一種頻率且幅值由小逐漸增大直至穩(wěn)幅。9.1正弦波振蕩電路的振蕩條件3.基本組成部分1)放大電路：放大作用2)正反饋網(wǎng)絡(luò)：滿足相位條件3)選頻網(wǎng)絡(luò)：確定f0，保證電路產(chǎn)生正弦波振蕩4)非線性環(huán)節(jié)（穩(wěn)幅環(huán)節(jié)）：穩(wěn)幅1)是否存在主要組成部分；2)放大電路能否正常工作，即是否有合適的Q點，信號是否可能正常傳遞，沒有被短路或斷路；3)是否滿足相位條件，即是否存在f0，是否可能振蕩

；4)是否滿足幅值條件，即是否一定振蕩。常合二為一4、分析方法9.1正弦波振蕩電路的振蕩條件9.2RC正弦波振蕩電路1.電路組成反饋網(wǎng)絡(luò)兼做選頻網(wǎng)絡(luò)圖9.2.1RC橋式正弦波振蕩電路

以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)、并引入電壓串聯(lián)負反饋，兩個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成橋路，一對頂點作為輸出電壓，一對頂點作為放大電路的凈輸入電壓，就構(gòu)成文氏橋振蕩器。反饋系數(shù)2.RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性幅頻響應(yīng)令則相頻響應(yīng)9.2RC正弦波振蕩電路當(dāng)幅頻響應(yīng)有最大值相頻響應(yīng)圖9.2.2RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率特性2.RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性9.2RC正弦波振蕩電路3.振蕩電路工作原理

用瞬時極性法判斷可知，當(dāng)時，RC正弦波振蕩電路一般用于產(chǎn)生頻率低于的正弦波9.2RC正弦波振蕩電路所以，電路滿足相位平衡條件（1）振蕩頻率

而對于其他的任何頻率，則不滿足振蕩的相位平衡條件，則電路的振蕩頻率為3.振蕩電路工作原理9.2RC正弦波振蕩電路（2）起振條件若要RC振蕩電路能夠自行起振，開始時必須滿足當(dāng)時，則在同相比例運算電路中:負反饋之路的參數(shù)應(yīng)滿足:

采用非線性元件(3).穩(wěn)幅措施熱敏元件負溫度系數(shù)熱敏電阻起振時，即熱敏電阻的作用穩(wěn)幅9.2RC正弦波振蕩電路例9.2.1

圖9.2.3為JFET穩(wěn)幅音頻信號產(chǎn)生電路，試求：(1)闡述其穩(wěn)幅原理；(2)切換不同的電容作為頻率粗調(diào)，調(diào)節(jié)同軸電位器作為細調(diào)，試估算電路的最低振蕩頻率和最高振蕩頻率。圖9.2.3JFET穩(wěn)幅音頻信號產(chǎn)生電路9.2RC正弦波振蕩電路（1）采用非線性元件場效應(yīng)管（JFET）穩(wěn)幅原理穩(wěn)幅整流濾波T壓控電阻可變電阻區(qū)，斜率隨vGS不同而變化解：負反饋網(wǎng)絡(luò)9.2RC正弦波振蕩電路同軸電位器(2).電路的最高振蕩頻率和最低振蕩頻率

9.2RC正弦波振蕩電路采用非線性元件二極管穩(wěn)幅原理穩(wěn)幅起振時穩(wěn)幅環(huán)節(jié)9.2RC正弦波振蕩電路(3).穩(wěn)幅措施例9.2.2現(xiàn)用RC橋式正弦波振蕩電路正弦波信號產(chǎn)生電路，如圖9.2.4所示。已知三個檔、

、分別為、、，固定電阻，同軸電位器試問：

(1)電容在三個檔的頻率調(diào)節(jié)范圍；(2)若為熱敏電阻，則其溫度系數(shù)為正還是為負？簡述理由。圖9.2.3振蕩頻率連續(xù)可調(diào)的RC橋式正弦波振蕩電路9.2RC正弦波振蕩電路解：(1)當(dāng)時，若電位器調(diào)至最大，則當(dāng)調(diào)至0，則

當(dāng)時，若電位器調(diào)至最大，則當(dāng)調(diào)至0，則

9.2RC正弦波振蕩電路當(dāng)時，若電位器調(diào)至最大，則當(dāng)調(diào)至0，則

因此，該儀器的三檔頻率調(diào)節(jié)范圍分別約為：Ⅰ檔：Ⅱ檔：Ⅲ檔：9.2RC正弦波振蕩電路（2）R1為正溫度系數(shù)的熱敏電阻。

9.3LC正弦波振蕩電路9.3.1LC并聯(lián)回路的頻率特性9.3.2變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路9.3.3電感三點式振蕩電路9.3.4電容三點式振蕩電路9.3.5石英晶體振蕩電路LC正弦波振蕩電路通常由LC諧振回路和放大電路組成?？僧a(chǎn)生高達1000MHz以上的正弦波，常見的LC振蕩電路有變壓器反饋式、電感三點式和電容三點式三種。9.3.1LC并聯(lián)回路的頻率特性圖9.3.1LC并聯(lián)回路電路的等效阻抗為等效損耗電阻通常則由于兩支路的容抗和感抗相等，可求出回路的諧振頻率為：

或者

諧振時阻抗最大，且為純阻性（9.3.2）令式中Q為諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，是用來評價回路損耗大小的指標。

將代入，得

可見，Q值越大則并聯(lián)諧振時的等效阻抗越高。

在諧振頻率附近，即當(dāng)，則（9.3.2）式為9.3.1LC并聯(lián)回路的頻率特性圖9.3.2LC并聯(lián)諧振回路的頻率特性9.3.1LC并聯(lián)回路的頻率特性9.3.1LC并聯(lián)回路的頻率特性電路諧振時，有圖9.3.1LC并聯(lián)回路通常有，即,則諧振回路的外界影響可以忽略。9.3.2變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路1.電路組成圖9.3.2變壓器反饋式振蕩電路

在LC振蕩器中，反饋信號通過互感線圈引出,瞬時極性相同的端子叫同名端。判斷電路是否滿足振蕩的相位平衡條件。方法：瞬時極性法滿足振蕩的相位平衡的條件。

判斷得出：2.振蕩頻率與起振條件9.3.2變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路振蕩頻率就是LC回路的諧振頻率，即根據(jù)振蕩電路的起振條件，便可得到變壓器反饋式振蕩電路的起振條件為

為三極管b、e間的等效電阻，是折合到諧振回路中的等效總損耗電阻，M為繞組N1和N2之間的互感。圖9.3.4振蕩器的振蕩建立、穩(wěn)定與穩(wěn)幅過程9.3.2變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路3.振蕩器的振蕩建立、穩(wěn)定與穩(wěn)幅過程9.3.3電感三點式振蕩電路圖9.3.4電感三點式振蕩電路1.電路組成采取了自耦形式的接法。電路的LC并聯(lián)諧振電路中由電感L1和L2首端(1點)、中間抽頭(2點)、和尾端(3點)三個端點，其交流通路分別和三極管的集電極、發(fā)射極、基極相連，故稱為電感三點式振蕩器。反饋到放大電路輸入端的電壓是L1上的電壓。方法：瞬時極性法判斷結(jié)果：電路滿足振蕩的相位平衡條件。判斷電路是否滿足振蕩的相位平衡條件。2.振蕩頻率與起振條件振蕩頻率取決于LC并聯(lián)諧振回路的諧振頻率，考慮到L1、L2間的互感，電路的振蕩頻率可近似表示為

L為回路的總電感。電路的工作頻率范圍可從數(shù)百千赫茲到數(shù)十兆赫茲。

根據(jù)幅度平衡條件可以得到電路的起振條件為

為折合到管子集電極和發(fā)射極間的等效并聯(lián)總損耗電阻。9.3.3電感三點式振蕩電路3.特點電感三點式具有以下特點。(1)由于L1和L2的耦合很緊，容易起振。改變電感抽頭的位置，可以獲得滿意的正弦波，且振幅較大。

(2)調(diào)節(jié)頻率方便。LC并聯(lián)諧振回路可以采用可變電容，易獲得一個較覓的振蕩頻率調(diào)節(jié)范圍。(3)由于反饋電壓取自電感L1，而電感對高次諧波的阻抗較大，在反饋信號中有較大的高次諧波分量，使輸出波形變差。一般用于要求不高的場合，產(chǎn)生幾十兆赫以下的正弦波。9.3.3電感三點式振蕩電路9.3.4電容三點式振蕩電路圖9.3.6電容三點式振蕩器圖

電容三點式和電感三點式一樣，都具有LC并聯(lián)回路，因此，若從放大電路的輸入端A點斷開，用瞬時極性法，不難判斷出當(dāng)LC回路諧振時電路滿足相位平衡條件。

為了獲得良好的正弦波，將電感三點式振蕩電路中的L1和L2改換成對高次諧波呈低阻抗的電容

C1、C2，同時將原來的電容C改為電感L，為構(gòu)成放大管輸出回路的直流通路，集電極增加了負載電阻RC,電容C2上的電壓為反饋到輸入端的電壓。1.電路組成2.振蕩頻率與起振條件振蕩頻率基本上等于LC并聯(lián)諧振回路的諧振頻率，即由幅度平衡條件，可以證明起振條件為為折合到管子集電極和發(fā)射極間的等效并聯(lián)總損耗電阻。恰當(dāng)選取比值,更有利于起振，一般取左右。

9.3.4電容三點式振蕩電路3.特點電容三點式振蕩電路的特點是：(1)由于反饋電壓取自電容C2

，而電容對高次諧波的阻抗很小，因此在反饋信號中有很小的高次諧波分量，所以輸出波形較好。(2)調(diào)節(jié)電容值C1、C2來實現(xiàn)振蕩頻率調(diào)節(jié)時會影響起振條件。另外，頻率很高時，電容取值很小，這時三極管的極間電容隨溫度變化的影響不可忽略，會影響振蕩頻率的穩(wěn)定性，這在實用上不方便。

9.3.4電容三點式振蕩電路圖9.3.7改進的電容三點式振蕩器為了克服上述缺點，可在圖9.3.6電路的基礎(chǔ)上加以改進，在LC并聯(lián)回路中電感支路上再串聯(lián)一個電容C0，這樣調(diào)節(jié)方便，且穩(wěn)定性高。圖9.3.6電容三點式振蕩器圖

這種振蕩電路的工作頻率范圍可從數(shù)百千赫茲到一百兆赫茲以上。它通常用在調(diào)幅和調(diào)頻接收機中，利用同軸電容器來調(diào)節(jié)振蕩頻率。9.3.4電容三點式振蕩電路表9.3.1各種LC正弦波振蕩電路比較電路名稱變壓器反饋式電感三點式電容三點式改進型電容三點式選頻網(wǎng)絡(luò)振蕩頻率振蕩波形一般高次諧波分量大波形差高次諧波分量小波形好同左諧振頻率可調(diào)選項網(wǎng)絡(luò)及其可調(diào)范圍將C換成可調(diào)電容,頻率可調(diào)范圍寬同左增加可調(diào)電容C,頻率可調(diào)范圍小將C換成可調(diào)電容頻率,可調(diào)范圍小頻率穩(wěn)定度可達10-4同左可達10-4—10-5可達10-5適用頻率幾kHz~幾十MHz同右?guī)譓Hz~

1000MHz以上同左9.3.4電容三點式振蕩電路Q值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。1.頻率穩(wěn)定問題頻率穩(wěn)定度一般由來衡量——頻率偏移量?！袷庮l率。LC振蕩電路Q——數(shù)百石英晶體振蕩電路Q——100005000009.3.5石英晶體振蕩電路Δf/f：10－5Δf/f：

10－10～10－119.3.5石英晶體振蕩電路圖9.3.8石英晶體的外形、結(jié)構(gòu)固有頻率只決定于其幾何尺寸，故非常穩(wěn)定。2.石英晶體的基本特性與等效電路結(jié)構(gòu)極板間加電場極板間加機械力晶體機械變形晶體產(chǎn)生電場壓電效應(yīng)交變電壓機械振動交變電壓機械振動的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高當(dāng)交變電壓頻率=固有頻率時，振幅最大。壓電諧振圖9.3.8石英晶體的電路符號、電路模型與電抗特性9.3.5石英晶體振蕩電路等效諧振回路的電抗X和的關(guān)系式如下：

(1)當(dāng)時，得頻率為即R、L、C串聯(lián)諧振頻率，該支路呈純阻性且阻抗最小，等效為電阻R。(2)當(dāng)時，得頻率為即回路并聯(lián)諧振頻率。

通常所以9.3.5石英晶體振蕩電路3.石英晶體的振蕩電路(a)原理圖(b)等效電路圖9.3.10并聯(lián)型晶體振蕩電路

石英晶體振蕩電路的形式雖然多種多樣的，但基本電路只有兩類，即并聯(lián)晶體振蕩電路和串聯(lián)晶體振蕩電路。9.3.5石英晶體振蕩電路圖9.3.11串聯(lián)聯(lián)型晶體振蕩電路9.3.5石英晶體振蕩電路9.4*非正弦波發(fā)生電路

9.4.1方波發(fā)生電路

9.4.2三角波發(fā)生電路

9.4.3鋸齒波發(fā)生電路

9.4.4集成函數(shù)信號發(fā)生器圖9.4.1幾種常見的非正弦波矩形波是基礎(chǔ)波形，可通過波形變換得到其它波形。一、常見的非正弦波二、矩形波發(fā)生電路

輸出無穩(wěn)態(tài)，有兩個暫態(tài)；若輸出為高電平時定義為第一暫態(tài)，則輸出為低電平為第二暫態(tài)。1.基本組成部分

（1）開關(guān)電路：因為輸出只有高電平和低電平兩種情況，即兩個暫態(tài)；故采用電壓比較器。

（2）反饋網(wǎng)絡(luò)：因需自控，在輸出為某一暫態(tài)時孕育翻轉(zhuǎn)成另一暫態(tài)的條件，故應(yīng)引入反饋。

（3）延遲環(huán)節(jié)：要使兩個暫態(tài)均維持一定的時間，故采用RC環(huán)節(jié)實現(xiàn)，從而決定振蕩頻率。9.4.1方波發(fā)生電路

圖9.4.2方波發(fā)生電路穩(wěn)壓管雙向限幅1.電路組成電路的正反饋系數(shù)為滯回比較器的輸出電壓

點上有兩個閾值電壓

滯回比較器RC回路圖9.4.2方波發(fā)生電路2.工作原理正向充電：

vO（+VZ）→Rf→C→地反向充電：地→C→Rf

→vO（－VZ）9.4.1方波發(fā)生電路不能突變

略正于時，

由翻轉(zhuǎn)到。略負于時，

由翻轉(zhuǎn)到。根據(jù)三要素，即起始值、終了值、時間常數(shù)，求出振蕩周期占空比：通常將矩形波為高電平的持續(xù)時間與振蕩周期的比。3.波形分析9.4.1方波發(fā)生電路方波的占空比：4.占空比可調(diào)電路

正向充電和反向充電時間常數(shù)可調(diào)，占空比就可調(diào)。為了占空比調(diào)節(jié)范圍大，Rf應(yīng)如何取值？9.4.1方波發(fā)生電路9.4.2三角波發(fā)生電路1.電路組成圖9.4.5三角波發(fā)生電路把上升時間（斜率）和下降時間（斜率）相同鋸齒波稱為三角波。

滯回比較器積分運算電路2.工作原理求滯回比較器的電壓傳輸特性：三要素

VOH=－VOL=VZ

，vI作用于集成運放的同相輸入端，求VT：

令，并將代入，可得閾值電壓3.主要參數(shù)(1)輸出幅值當(dāng)滯回比較器的輸出電壓vo1由-VZ跳變?yōu)閂Z時，三角波達到最大值Vom，而此時應(yīng)該Vp=vN=0,即因此可解得三角波的輸出幅度：(2)振蕩周期將代入上式，整理可得振蕩周期：9.4.2三角波發(fā)生電路9.4.3鋸齒波發(fā)生電路1.電路組成及工作原理圖9.4.6鋸齒波發(fā)生電路及輸出波形

只需要三角波上升邊和下降邊的斜率不同，而且相差懸殊，即稱為鋸齒波。因此，在三角波發(fā)生電路的基礎(chǔ)上，利用二極管的單向?qū)щ娦钥墒狗e分電容的充電和放電回路分開，即可得到鋸齒波發(fā)生電路1.電路組成及工作原理當(dāng)時，VD1導(dǎo)通，VD2截止，電容器C充電，積分時間常數(shù)為；當(dāng)時，VD2導(dǎo)通，VD1截止，電容器C放電，積分時間常數(shù)為；假設(shè),則9.4.3鋸齒波發(fā)生電路2.輸出幅度及振蕩周期鋸齒波的振蕩周期為9.4.3鋸齒波發(fā)生電路9.4.4集成函數(shù)信號發(fā)生器

函數(shù)信號發(fā)生器是一種可以同時產(chǎn)生方波、三角波和正弦波的專用集成電路。當(dāng)調(diào)節(jié)外接部電路參數(shù)時，還可以獲得占空比可調(diào)的矩形波和鋸齒波，使用方便，性能可靠。1.電路組成圖9.4.5ICL8038函數(shù)發(fā)生器原理框圖圖9.4.5ICL8038函數(shù)發(fā)生器原理框圖當(dāng)觸發(fā)器的輸出端為低電平時，它控制開關(guān)S使電流源I2斷開。而電流源I1則向外界電容C充電，使電容兩端電壓隨時間線性上升，當(dāng)vc上升到時，比較器A的輸出電壓發(fā)生跳變，使觸發(fā)器輸出端由低電平變?yōu)楦唠娖?，這時，控制開關(guān)s使電流源I2接通。由于，因此，外界電容C放電，vC隨時間線性下降。

2.工作原理電壓比較器A、B的門限電壓分別為兩個電源電壓之和的和，其中I2必須大于I1。9.4.4集成函數(shù)信號發(fā)生器圖9.4.5ICL8038函數(shù)發(fā)生器原理框圖2.工作原理當(dāng)vc下降到時，比較器B輸出電壓發(fā)生跳變，使觸發(fā)器輸出端又由高電平變?yōu)榈碗娖剑琁2再次斷開，再次向C充電，vc又隨時間線性上升。如此循環(huán),就可產(chǎn)生振蕩。外接電容C交替地從一個電流源充電后向另一個電流源放電，就會在電容C的兩端產(chǎn)生三角波并輸出到3腳。該三角波經(jīng)電壓跟隨器緩沖后，一路經(jīng)正弦波變換器變成正弦波后由2腳輸出。另一路通過比較器和觸發(fā)器，并經(jīng)過反向緩沖，由9腳輸出方波。圖9.4.6ICL8038的引腳圖9.4.4集成函數(shù)信號發(fā)生器3.典型應(yīng)用電路圖9.4.7ICL8038的兩種基本接法根據(jù)ICL8038內(nèi)部電路和外接電阻可以推導(dǎo)出占空比的表達式為:9.4.4集成函數(shù)信號發(fā)生器（a）占空比為50%時的輸出波形（b）空比為15%時的輸出波形圖9.4.8ICL8038兩種基本接法的輸出波形

圖9.4.9減小失真度和頻率可調(diào)電路9.4.4集成函數(shù)信號發(fā)生器