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1、1,第8章 波形发生和变换电路,8.1 正弦波振荡电路,8.2 非正弦波发生电路,8.3 波形变换电路,8.4 应用实例,2,教学目标与要求,掌握RC串并联网络振荡电路和LC振荡电路的电路结构、工作原理以及分析方法。,掌握矩形波、三角波、锯齿波发生电路的结构和工作原理。,理解正反馈和自激振荡的原理。,了解石英晶体谐振器的压电效应及电抗频率特性。,了解并联型和串联型石英晶体振荡电路的结构和工作原理。,3,8.1 正弦波振荡电路,8.1.1 正反馈与自激振荡,1. 反馈振荡器的基本原理,正弦波振荡器主要由放大电路和正反馈网络构成，其原理框图如图8.1.1所示。图中，正反馈网络通常是无源的线性网络。
2、此外，为使振荡器能够输出一定频率和一定幅值的振荡信号，电路中还应含有选频网络和稳幅环节。,图8.1.1 正弦波振荡器的原理框图,4,由图8.1.1分析可得闭环电压放大倍数为,2. 起振条件和平衡条件,电路要进行增幅振荡，必须满足,上式为自激振荡的起振条件，将其写成模和相角的形式为,分别称为起振时的振幅条件和相位条件。,5,电路要进行等幅振荡，必须满足,上式为自激振荡的平衡条件，将其写成模和相角的形式为,分别称为幅值平衡条件和相位平衡条件。,8.1.2 RC正弦波振荡电路,实用的RC正弦波振荡电路主要有三种，即RC串并联网络振荡电路、移相式振荡电路、双T型选频网络振荡电路，这里只介绍最具典型性的
3、RC串并联网络振荡电路。,6,图8.1.2所示是RC串并联网络振荡电路的原理图。,故该振荡电路又称为RC桥式正弦波振荡电路或文式电桥振荡电路。,图8.1.2 RC串并联网络振荡电路,7,1. RC串并联网络的选频特性,RC串并联网络的结构如图8.1.3（a）所示，,图8.1.3 RC串并联网络及其高频、低频等效电路,8,由图8.1.3（a）可写出网络的频率特性表达式,为简便起见，通常取 ，,令 ，代入上式得,9,由上式可得网络幅频特性为,相频特性为,由式（8-1-8）、（8-1-9）可画出 频率特性曲线，如图8.1.4所示。,10,图8.1.4 RC串并联网络的频率特性,11,2. 振荡频率与
4、起振条件,1）振荡频率,振荡频率应等于选频网络的谐振频率，即,2）起振条件,起振时电路必须满足 ，因此可得振荡电路的起振条件为,图8.1.2中的负反馈支路的电阻参数应满足,12,3. 频率可调的RC桥式振荡电路,为使RC桥式振荡电路的振荡频率在较宽的范围内可调，通常在RC串并联网络中，利用同轴波段开关接不同的电容对振荡频率进行粗调，利用同轴电位器对振荡频率进行微调，如图8.1.5所示。采用这种方法，振荡频率可从几Hz调到几百Hz。,13,RC桥式振荡电路只适合于产生低频的正弦波信号。,【例8-1-1】一台由文氏电桥振荡电路组成的正弦波信号发生器，采用图8.1.5所示的方法调节输出频率。切换不同
5、的电容作为频率粗调，调节同轴电位器作为细调。已知 、 分别为 、 、 ，固定电阻 ，电位器 。试估算该仪器三档频率的调节范围。,RC桥式正弦波振荡电路具有振荡频率稳定，带负载能力强，输出电压失真小的优点，应用相当广泛。,14,【解】在低频挡， ，当电位器 调至最大时,此时振荡频率为,当电位器 调至零时，,在中频挡， ，,调至最大时,15,当 调至零时,在高频挡， ，当 调至最大时,当 调至零时,16,8.1.3 LC正弦波振荡电路,LC正弦波振荡电路的选频网络通常由LC并联谐振回路组成，一般可以产生几十MHz以上的正弦波信号。根据反馈电压的来源不同，LC振荡电路可分为变压器反馈式、电感反馈式、
6、电容反馈式三种形式。,1. LC并联谐振回路的选频特性,图8.1.6（a）所示为LC并联谐振回路，R是损耗电阻，电路的总导纳为,17,令上式虚部为零，可求得回路的谐振角频率,谐振频率为,品质因数又可表示为,当 时，回路总阻抗为,当信号频率等于回路的谐振频率时，回路导纳最小，阻抗最大，呈纯阻性，回路两端的电压与流过回路的总电流同相位，即回路发生谐振。,18,图8.1.6（a）中，当损耗电阻R很小时，回路总阻抗Z的表达式为,由式（8-1-18）可以画出不同Q值时的LC并联谐振回路阻抗Z的幅频特性和相频特性曲线，如图8.1.6（b）、（c）所示。,19,2. 变压器反馈式振荡电路,1）电路结构,变压
7、器反馈式振荡电路通过变压器线圈的互感产生反馈电压。图8.1.7（a）是典型的变压器反馈式振荡电路。,图8.1.7 变压器反馈式振荡电路及其交流通路,20,2）起振条件和振荡频率,相位条件可采用瞬时极性法判断。图8.1.7（a）中，假设放大电路的输入端在P点断开， 电路满足相位条件,由图8.1.7（b）可画出变压器反馈式振荡电路的交流等效电路，如图8.1.8（a）所示。,图8.1.8 变压器反馈式振荡电路的交流等效电路,21,电路的振幅起振条件为,变压器反馈式振荡电路具有易于起振，波形失真小的优点，所以应用较广，但其频率稳定度不高，而且因输出电压与反馈电压通过磁耦合不紧密，损耗较大。,3. 电感
8、反馈式振荡电路,1）电路结构,电感反馈式振荡电路的反馈电压取自电感。图8.1.7（a）是典型的电感反馈式振荡电路。,22,图8.1.9 电感反馈式振荡电路及其交流通路,电感反馈式振荡电路又称为电感三点式振荡电路。,23,2）起振条件和振荡频率,相位条件可采用瞬时极性法来判断。图8.1.9（a）中，假设放大电路的输入端在P点断开， ，电路满足相位条件。,由图8.1.9（b）可画出电感反馈式振荡电路的交流等效电路,图8.1.10 电感反馈式振荡电路的交流等效电路,24,振幅起振条件为,振荡电路的振荡频率为,电感反馈式振荡电路具有容易起振、调整方便的优点，但是其输出波形不好，且频率稳定度不高，因此通
9、常应用于要求不高的设备中，如高频加热器、接收机本振等。,25,4. 电容反馈式振荡电路,电容反馈式振荡电路又称为电容三点式振荡电路，其典型电路如图8.1.11所示。电容反馈式振荡电路又称为电容三点式振荡电路。,图8.1.11 电容反馈式振荡电路,26,按照电感反馈式振荡电路类似的分析方法，也可以分析电容反馈式振荡电路的起振条件、反馈系数和振荡频率。,振幅起振条件为,振荡频率为,电容反馈式振荡电路的优点是输出波形较好、振荡频率较高，但是通过调节电容来改变振荡频率时，会影响电路的起振条件，所以常常用在振荡频率固定的场合。,27,【例8-1-2】图8.1.12（a）、（b）所示的两个电路中， ， ，
10、试从相位条件判断电路能否振荡，如能振荡，估算其振荡频率。,图8.1.12 例8-1-2的图,28,【解】图（a）所示电路中，放大电路采用共射组态，反馈电压 ，取自电容,利用瞬时极性法判断相位条件。假设断开反馈，,电路不满足相位条件，不可能产生振荡。,图（b）所示电路中，放大电路采用共基组态，反馈电压 ，取自电容,电路满足相位条件，可能产生振荡。,29,8.1.4 石英晶体振荡电路,石英晶体振荡电路是利用石英晶体谐振器作为选频网络构成的振荡电路，简称晶振。根据晶体谐振器在电路中作用原理不同，石英晶体振荡电路可分为两类：并联型石英晶体振荡电路和串联型石英晶体振荡电路。,石英晶体谐振器,1）物理特性
11、,石英晶体谐振器是由石英晶体（SiO2结晶体）切片制成。将石英晶体按照一定的角度切成薄片（简称晶片），在晶片的两面涂敷银层作为电极，并与管脚相连，最后进行封装，就可构成石英晶体谐振器，,30,（a） 结构示意图,（b） 电路符号,（c） 实际晶振,图8.1.13 石英晶体谐振器的结构示意图及电路符号,31,由于存在压电效应，故在晶体两端加交变电压时，晶体将产生周期性机械振动，而周期性振动反过来又在晶片表面产生交变正负电荷，形成交变电场，从而有交变电流流过晶体。石英晶体存在一个固有的机械谐振频率（也称固有谐振频率），当外加交变电压频率在此频率附近时，晶片的机械振动振幅和交变电流的振幅达到最大，这
12、种现象和LC回路的谐振现象十分相似，称为压电谐振。,32,2）等效电路与电抗特性,石英晶体谐振器等效电路如图8.1.14（a）所示。,图8.1.14 石英晶体谐振器的等效电路及电抗特性,由图8.1.14（a）可写出等效电路的阻抗表达式为,33,较小，将其忽略后，上式经整理可得,上式中，,由式（8-1-36）可画出石英晶体谐振器的电抗特性曲线，如图8.1.14（b）所示。,串联谐振频率为,34,并联谐振频率为,石英晶体谐振器的品质因数为,石英晶体谐振器的接入系数为,2.并联型晶体振荡电路,将图8.1.11所示的电容反馈式振荡电路中B-C间的电感L用石英晶体谐振器代替，就可得到一种并联型石英晶体振
13、荡电路，称为皮尔斯振荡器，其电路如图8.1.15（a）所示。,35,图8.1.15 并联型晶体振荡电路及其选频网路,36,并联型晶体振荡电路的振荡频率为,振荡电路的振荡频率在石英晶体谐振器的串联谐振频率和并联谐振频率之间，此时，晶体呈感性，在振荡电路中起等效电感作用。,晶体的参数虽然稳定，但仍然受温度影响，所以振荡频率难免会发生缓慢变化，偏离晶振标称频率。为此，通常在图8.1.15（a）中晶体所在支路上串联一微调电容，利用微调电容来调整负载电容 ，使振荡频率正好等于晶振的标称频率。,37,3.串联型晶体振荡电路,串联型晶体振荡电路中，石英晶体谐振器接在要求低阻抗的两点之间，相当于选频短路线。,
14、图8.1.16 串联型晶体振荡电路,因为石英晶体振荡器的振荡频率比较稳定，因此广泛应用于对频率稳定度要求较高的设备中，如数字系统、计算机、精密仪器信号源等。,38,8.2 非正弦波发生电路,8.2.1 矩形波发生电路,1. 电路组成,矩形波信号只有高电平和低电平两个状态，而且每一个状态在持续一定的时间后就转换为另外一种状态。矩形波发生电路可产生矩形波信号输出，是其他非正弦波发生电路的基础。,图8.2.1（a）所示为一种典型的矩形波发生电路，由反相输入的滞回比较器和RC回路组成。,39,图8.2.1 矩形波发生电路及其滞回比较器传输特性,2. 工作原理,图8.2.1（a）中，反相滞回比较器电压传
15、输特性如图8.2.1（b）所示，其阈值电压为,40,由于电容充电和放电的时间常数相等，所以输出为对称方波。 如图8.2.2所示 。,图8.2.2 矩形波发生电路波形,41,3. 振荡频率,按照一阶RC电路的三要素法有,电路的振荡频率,。,占空比,42,4. 占空比可调的矩形波发生电路,由方波发生电路的工作原理可以看出，如果电容C充电电流和和放电电流流过的通路不同，则可通过调节充电和放电时间常数来调节占空比，得到占空比可调的矩形波发生电路。,图8.2.3（a）所示为一典型的占空比可调的矩形波发生电路。,43,按照一阶RC电路的三要素法，可以得出充电时间和放电时间分别为,波形周期为,占空比为,波形如图8.2.3（b）所示,44,图8.2.3 占空比可调的矩形波发生电路及其波形,45,【例8-2-1】图8.2.4（a）所示电路中，已知 ， ， ，集成运放的最大输出电压幅值为，二极管的动态电阻可忽略不计。,（1）求电路的振荡周期；,（2）画出 和 的波形。,【解】（1）由图8.2.4（a）所示电路可知，这是一个矩形波发生电路。集成运放A同相端电压,46,所以，振荡周期为,利用一阶RC电路的三要素法，可以得出一个周期内的充电时间和放电时间分别为,47,（2）波形如图8.2.4（b）所示,48,8.2.2 三角波
