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1、第八章 波形发生器 8.1 正弦波振荡电路的分析方法 8.2 RC 正弦波振荡电路 8.3 LC 正弦波振荡电路 8.4 石英晶体振荡器 8.5 非正弦波发生电路 8.1 正弦波振荡电路的分析方法 8.1.1 产生正弦波振荡的条件 放大电路 反馈网络 如果反馈电压 uf 与原输入信号 ui 完全相等，则即使 无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号 自激振荡。 图 8.1.1 反馈放大电路产生自激振荡的条件 由此知放大电路产生自激振荡的条件是： 即： 所以产生正弦波振荡的条件是： 幅度平衡条件 相位平衡条件 8.1.2 正弦波振荡电路的组成和分析步骤 组成：放大电路、反馈网络、选频网络和
2、稳幅环节。 分析步骤： 一、判断能否产生正弦波振荡 1. 检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分； 2. 检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正 常工作； 3. 分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件和振幅 平衡条件。 判断相位平衡条件的方法是：瞬时极性法。 二、估算振荡频率和起振条件 8.2 RC 正弦波振荡电路 8.2.1 RC 串并联网络振荡电路 电路组成： 放大电路 集成运放 A ； 选频与正反馈网络 R、C 串并联电路； 稳幅环节 RF 与 R 组成的负反馈电路。 图 8.2.1 图 8.2.2 一、RC 串并联网络的选频特性 Z1 Z2 取 R1 = R2 = R ， C1 =
3、 C2 = C ，令 则： 得 RC 串并联电路的幅 频特性为： 相频特性为： 最大，F = 0。 0 F 0 1/3 +90 -90 图 8.2.3 二、振荡频率与起振条件 1. 振荡频率 2. 起振条件 f = f0 时，由振荡条件知： 所以起振条件为： 同相比例运放的电压放大倍数为 即要求： 三、振荡电路中的负反馈 引入电压串联负反馈，可以提高放大倍数的稳定性， 改善振荡电路的输出波形，提高带负载能力。 反馈系数 改变 RF，可改变反馈深度 。增加负反馈深度，并且满足 则电路可以起振，并产生比较稳定而失真较小的正 弦波信号。 采用具有负温度系数的热敏电阻 RT 代替反馈电阻 RF ，可实
4、现自动稳幅。 RT 图 8.2.4 8.2.2 其他形式的 RC 振荡电路 一、移相式振荡电路 集成运放产生的相位移 A = 180，如果反馈网络再相移 180，即可满足产生正弦波振 荡的相位平衡条件。 振荡频率为： 0 270 180 90 当 f = f0 时，相移 180， 满足正弦波振荡的相位条件。 起振条件：RF 12 R 图 8.2.6 二、双 T 选频网络振荡电路 振荡频率约为： 当 f = f0 时，双 T 网络的相移为 F = 180；反相比例 运放的相移 A = 180，因此满足产生正弦波振荡的相位 平衡条件。 如果放大电路的放大倍数足够大，同时满足振幅平 衡条件，即可产生
5、正弦波振荡。 图 8.2.8 表 8 - 1 三种 RC 振荡电路的比较 名称 RC 串并联联网络络振荡电荡电 路 移相式振荡电荡电 路双 T 网络选频络选频 振荡电荡电 路 电电路 形式 振荡荡 频频率 起振 条件 电电路特 点及应应 用场场合 可方便地连续调节连续调节 振 荡频荡频 率，便于加负负反馈稳馈稳 幅电电路，容易得到良好的振 荡荡波形。 电电路简单简单 ，经经 济济方便，适用于波形 要求不高的轻轻便测测 试设备试设备 中。 选选频频特性好，适用于 产产生单单一频频率的振荡荡波形 。 8.3 LC 正弦波振荡电路 8.3.1 LC 并联电路的特性 当频率变化时，并联电路阻抗 的大小
6、和性质都发生变化。 并联电路的导纳： 当 电路发生并联谐振。 图 8.3.1 并联谐振角频率 令：谐振回路的品质因数 当 Q 1 时 谐振频率： 回路等效阻抗： LC 并联回路的阻抗： 发生并联谐振时， 在谐振频率附近， 可见，Q 值不同，回路的阻抗不同。 不同 Q 值时，LC 并联 电路的幅频特性： Z01 Z02 Q1 Q2 Q 1Q 2 相频特性： F +90 -90 Q 1 Q 2 Q1 Q2 感性纯阻容性 结论： 1. 当 f = f0 时，电路为纯电阻 性，等效阻抗最大；当 f f0 时，电路为 容性。所以 LC 并联电路具有选频 特性。 2. 电路的品质因数 Q 愈大， 选频特性
7、愈好。 图 8.3.2 谐振时 LC 回路中的电流 电容支路的电流： 并联回路的输入电流： 所以：当 Q 1 时， 结论：谐振时，电容支路的电流与电感支路的电流大 小近似相等，而谐振回路的输入电流极小。 8.3.2 变压器反馈式振荡电路 一、电路组成 用瞬时极性判断为正反馈 ，所以满足自激振荡的相位平 衡条件。 - 二、振荡频率和起振条件 振荡频率 起振条件 图 8.3.3 变压器反馈式 振荡电路 8.3.3 电感三点式振荡电路 一、电路组成 用瞬时极性判断 为正反馈，所以满足 自激振荡的相位平衡 条件。 - - - 二、振荡频率和起振条件 振荡频率 起振条件 图 8.3.4 8.3.4 电容
8、三点式振荡电路 一、电路组成 用瞬时极性判断 为正反馈，所以满足 自激振荡的相位平衡 条件。 二、振荡频率和起振条件 振荡频率 起振条件 - - - 图 8.3.5 8.3.5 电容三点式改进型振荡电路 振荡频率 选择 C C1， C C2， 则： 减小了三极管极间电容对振荡频率的影响，适用于 产生高频振荡。 图 8.3.6 名称变压变压 器反馈馈式电电感三点式电电容三点式电电容三点式改进进型 电电 路 形 式 振荡频荡频 率 起振条件同左 频频率调节调节 方 法及范围围 频频率可调调，范围围 较宽较宽 。 同左 频频率可调调，范 围较围较 小。 同左 振荡荡波形一般较较差好好 频频率稳稳定度
9、可达 10-4同左可达 10-4 10-5可达 10-5 适用频频率 几千赫 几十兆 赫 同左 几兆赫 一百 兆赫 同左 表 8 - 2 各种 LC 振荡电路的比较 8.4 石英晶体振荡器 8.4.1 石英晶体的基本特性和等效电路 一、基本特性 压电效应：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产 生机械变形；若在晶片上施加机械压力，在晶片相应的 方向上会产生一定的电场。 压电谐振：晶片上外加交变电压的频率为某一特定 频率时，振幅突然增加。 二、等效电路 符号： 串联谐振频率 并联谐振频率 电抗频率特性 O f X fsfp 容性容性 感性 图 8.4.1 图 8.4.2 8.4.2 石英晶体振荡电路
10、 一、并联型石英晶体振荡电路 交流等效电路 振荡频率 由于 图 8.4.3 二、串联型石英晶体振荡电路 图 8.4.4 串联型石英晶体 振荡电路 当振荡频率等于 fS 时 ，晶体阻抗最小，且为纯 电阻，此时正反馈最强， 相移为零，电路满足自激 振荡条件。 振荡频率 调节 R 可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波 。 8.5 非正弦波发生电路 8.5.1 矩形波发生电路 一、电路组成 RC 充放电 回路 滞回 比较器 图 8.5.1 图 8.5.2 滞回比较器：集成运放、R1、R2； 充放电回路：R、C； 钳位电路：VDZ、R3。 二、工作原理 设 t = 0 时，uC = 0，uO = + U
11、Z 则 t O uC O uO t u+ u- 当 u- = uC = u+ 时， t1t2 则 当 u- = uC = u+ 时，输出又 一次跳变， uO = + UZ 输出跳变， uO = - UZ 图 8.5.3 三、振荡周期 电容的充放电规律： 对于放电， 解得： 结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电 阻，即可改变振荡周期。 t1t2t O uC O uO t t3 图 8.5.3 四、占空比可调的矩形波发生电路 图 8.5.4 使电容的充、放电时间常数不 同且可调，即可使矩形波发生器的 占空比可调。 t O uC uO t O T1T2 T 充电时间 T1 放电时间 T2 占空比 D 图 8.5.5 图 8.5.6 一、电路组成 8.5.2 三角波发生电路 二、工作原理 O uO1 t O uO t 当 u+ = u- = 0 时，滞回 比较器的输出发生跳变。 图 8.5.7 三、输出幅度和振荡周期 解得三角波的输出幅度 当 u+ = u- = 0 时，uO1 跳变为 -UZ， uO 达到最大值 Uom 。 振荡周期 图 8.5.8 8.5.3 锯齿波发生电路 一、电路组成 O uO1 t O uO t T1T2 T 二、输出幅度和振 荡周期 图 8.5.9
