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1、第4章 波形发生电路,4.1 LC回路中的电磁振荡,4.2 LC正弦波震荡电路,4.4 RC桥式震荡电路,4.3 其它形式的LC正弦波震荡电路,4.5石英晶体荡电路,4.6实训,本章要求：,1.理解电路自激振荡原理和条件 2.掌握LC、RC正弦波振荡器的构成 3.熟悉振荡器电路仿真与分析 4.了解集成函数信号发生器的制作,第4章 波形发生电路,形发生电路也称振荡电路或振荡器，是一种不需外加信号作用便能输出不同频率交流信号的自激振荡电路，通常有正弦波振荡器与非正弦波（多谐）振荡器之分。 用Multisim软件构建如图4-1（a）所示电路，当开关J1置右侧时，由L1、C1构成闭合回路。我们将示波器
2、并联在该闭合回路两侧，示波器中并无任何信号波形出现。,4.1 LC回路中的电磁振荡,图4-1,图4-1,当拨动开关J1，使它闭合于电源一侧，使电源 U1和电容C1构成闭合回路，电源给电容充电，此时示波器屏幕中仍无任何变化。然后，我们再次拨动开关J1，让L1、C1构成闭合回路，我们从示波器屏幕中看到了什么？观察到LC回路两侧的自由等幅振荡正弦波波形，如图4-1（b）所示。,以上电路是一个理想电路，在现实中并不存在。因为，实际电容、电感和导线都存在着电阻，如果我们将它们的等效电阻考虑进去，在L1、C1回路中并联（或串联）一个等效电阻R1（1左右），如图4-2所示，双击示波器图标，调整：X轴扫描为1
3、msDiv，A通道Y轴幅度2VDiv。打开仿真电源开关，在虚拟示波器就可以观察到阻尼振荡的波形了。,图4-2,激振荡必备的两个条件是：（1）振幅条件放大器，表达式可表示为：AF1；（2）相位条件正反馈网络，表达式可表示为： （n1、2、3）。所以，我们在放大器的输出端引出一条通路，让输出信号又回送到放大器的输入端，形成正反馈就可以产生振荡信号，原理如图4-3所示。,4.2 LC正弦波振荡电路,图4-3,下节主要学习三点式振荡器。三点式振荡器又有电容三点式和电感三点式之分，它们的共同的特点都是从LC振荡回路中引出三个端点和晶体管的三个极相连接。,4.2.1电压比较器,1.电路的组成 电感三点式振
4、荡电路如图4-4（a）所示。从该电路直流通路可以看出是一个放大器偏置电路，满足振幅条件。C1和C3为交流耦合电荣，可视作交流短路，交流通路如图图4-4（b）所示，,用瞬时极性法判别其符合振荡的相位条件。电感线圈的三个端点分别接在晶体管的三个极，故称电感反馈式振荡电路为电感三点式振荡电路。,图4-4,图4-4,2.振荡频率 上式中，M为线圈L1、L2之间的互感系数，若两线圈相互独立，M=0。,3.反馈系数 反馈系数定义式为 ，从交流通路中可以看出上述电感三点式振荡电路。,4.优缺点 电感反馈式振荡电路中L2与L1之间耦合紧密，振幅大，易起振；当C采用可变电容时，可以获得调节范围较宽的振荡频率，最
5、高振荡频率可达几十MHz。由于反馈电压取自电感，对高频信号具有较大的电抗，反馈信号中含有较多的高次谐波分量，输出电压波形不够好。,4.2.2电容反馈式振荡电路,1.电路的组成 电容三点式振荡器电路如图4-5（a）所示。电路直流通路满足振幅条件。C3、C4、C5为交流耦合电路，可视作交流短路，画出的交流通路如图4-5（b）所示，用瞬时极性法判别其符合振荡的相位条件。注意到电容C1、C2三个端点分别接在晶体管的三个极，,故称电容反馈式振荡电路为电容三点式振荡电路。,2.振荡频率,3反馈系数 从交流通路中可以看出上述电感三点式振荡电路,4.优缺点 电容三点式振荡电路的输出电压波形好，振荡频率与电感三
6、点式振荡电路相比可以做得更高，可达100MHz以上。但若用改变电容的方法来调节振荡频率，则会影响电路的反馈系数和起振条件；而若用改变电感的方法来调节振荡频率，则比较困难；常用在固定振荡频率的场合。在振荡频率可调范围不大的情况下，可采用如图4-6所示电路作为选频网络。,图4-6,4.2.3改进型电容三点式振荡电路,1.电路组成 若要提高电容反馈式振荡电路的频率，要减小C1、C2的电容量和L的电感量。实际上，当C1和C2减小到一定程度时，晶体管的极间电容和电路中的杂散电容将纳入C1和C2之中，从而影响振荡频率。这些电容等效为放大电路的输入电容Ci和输出电容Co，改进型电路和等效电路如图4-7所示。
7、,图4-7,2.振荡频率 由于极间电容Ci、Co受温度的影响，杂散电容又难于确定，为了稳定振荡频率，在电感支路串联一个小容量电容C3，而且C3C1，C3C2，这样,振荡频率 振荡频率几乎与C1和C2无关，也与Ci和Co无关，所以频率稳定度得到提高。,4.2.4改进型电容三点式振荡电路,通过上述分析可知，振荡电路般由以下四部分组成： 1.放大电路 2.正反馈网络 3.选频网络 4.稳幅电路,4.3.1用集成运算放大器组成的LC振荡电路,4.3其他形式的LC正弦波振荡电路,振荡器通常也可用集成运算放大器组成,如图4-8所示即为集成运算放大器组成的LC正弦波振荡器。,L1和C1构成选频网络与电阻Rp
8、组成正反馈支路，用来满足相位条件；集成运放电路为放大元件，R1和R2组成负反馈支路，用来满足振幅条件。,4.3.2 变压器耦合式振荡器,变压器振荡器最主要的特点是采用了变压器作为耦合反馈元件，如图4-9所示，画出直流通路，可以判断电路满足振幅条件；画出交流通路，变压器T1的初级线圈L1与次级线圈L2构成了正反馈耦合回路，变压器T1的初级线圈L1与电容器C1又构成了振荡选 频回路，,需要注意的是，变压器T1初、 次级线圈上的小圆点用来标记线圈的同名端，表示他们的瞬时极性相同。,图4-9,【例4.3. 1】 判断如图4-10（a）、（b）所示电路能否产生自激振荡。,图4-10,图4-10,前进到（
9、2）判断相位条件,解 （1）判断振幅条件： 画出电路的直流通路，以便判断电路是否处于（发射极正偏，集电极反偏）放大状态。如图4-11所示，可以看出图4-11（a）中三极管的基极偏置电阻R2被反馈线圈短路接地，使V1处于截止状态，故电路不能起振。而图（b）电路可成为放大电路，满足振幅条件。,图4-11,图4-11,解 （2）判断相位条件： 采用瞬时极性法判断相位，在图4-10（a）中，设VT1基极电位为“正”，根据共射电路的倒相作用，可知集电极电位为“负”，于是T1初级同名端为“正”， 则T1次级同名端也为“正”，则反馈至基极电压的极性为“负”，不满足相位条件，电路不能自激振荡。 同理判断图4-
10、10（b）。因隔直电容C5避免了R2被T2初级反馈线圈短路，同时反馈至基极电压的极性为“正”，电路满足相位平衡条件。 由于图4-10（a）电路不满足振幅平衡条件，也不满足相位平衡条件，所以电路不能产生自激振荡。（注：电路只要一个条件不满足就不能振荡。） 图4-10（b）电路同时满足振幅平衡和相位平衡条件，所以电路能产生自激振荡。,【例4.3. 2】改正如图4-12所示电路中的错误，使之有可能产生正弦波振荡。要求不能改变放大电路的基本接法。提示：Ce为电解电容容量较大。,图4-12,解 （1）判断振幅条件： 观察电路，电感L1连接晶体管的基极和集电极，在直流通路中使两个极近似短路，造成放大电路的
11、静态工作点不合适，故应在选频网络与放大电路输入端之间加隔直电容Cb。 晶体管的集电极直接接电源，在交流通中使集电极与发射极短路，因而输出电压恒等于零。所以，必须在集电极加电阻Rc。改正电路如图4-13所示。 Ce的容量远大于C1和C2，故为旁路电容，对交流信号可视为短路。C1、C2和L构成LC并联谐振网络，画出交流通路，可见该电路是一个电容三点式振荡电路。,图4-13,图4-12,4.4.1文氏振荡器,4.4 RC桥式振荡电路,1. 文氏振荡器的组成 RC文氏振荡器组成电路如图4-14所示。RC串并联网络组成正反馈网络与R1、R2、Rel负反馈支路正好构成一个桥路，所以称为桥式电路。,图4-1
12、4,2. RC串并联选频网络的选频特性 RC串并联网络如图4-15所示，其阻抗分别是：,图4-15,则该电路的反馈系数：,令o ，则,由此可知RC串并联网络的频率特性如图4-16所示，图4-16（a）为幅频特性， 图4-16（b）是其相频特性。当 等于 （即o）时，电路满足相位条件振荡。,3.振荡的频率 文氏振荡器振荡时F3，为满足振荡的幅度条件AF1，所以A3。加入R3、R4、R5、R6和VD1、VD2支路，构成串联电压负反馈。此时振荡频率为：,4.4.2集成运算放大器构成的文氏振荡器,在实际应用中，图4-17所示，通常采用集成运算放大器，使电路更稳定。RC串并联组成正反馈网络，R3 、 R
13、4 、R5 、 R6和VD1、VD2组成正反馈网络。,图4-17,【例4.4. 1】在如图4-14所示的电路中，已知RC串并联选频网络的电容的取值分别为0.01F、0.1F、1F、 10F，电阻R=50，电位器RP=10k。如图4-18所示。试问： 的调节范围？,解 因为,则,1.58Hz,的最小值:,的最大值:,所以， 的调节范围约为1.59Hz318kHz。本电路是低频信号发生器的频率调节电路，我们注意到电容变换的是频段（粗调），电位器是频率细调。,4.5.1石英晶体的基本特性及其等效电路,4.5石英晶体振荡电路,石英晶体振荡器有这样突出的优点：频率稳定度高，可达到10-1110-6量级。
14、 1. 电压效应 石英晶体谐振器简称石英晶体，如图4-19所示，,图4-19,2.石英晶体符号和等效电路,（1） 当R、L、C支路串联谐振时，等效电路的阻抗最小，串联谐振频率为：,（2） 当等效电路并联谐振时，并联谐振频率为,4.5.2石英晶体振荡电路,石英晶体振荡器形式多样，可分为并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器两类。 1.并联型晶体振荡电路 振荡回路的谐振频率为:,式中,由于 ， 则谐振频率近似为,可见，振荡频率基本上取决于晶体的固有频率 ，故其频率稳定度高,2串联型晶体振荡电路 电路如图4-23所示。当振荡频率等于晶体的固有频率 时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，石英晶体构成正反馈通路，电路满足自激振荡条件，振荡频率为 。,图4-23,而信号 时，阻抗很大，石英晶体不能提供正反馈通路。因此，不能产生振荡。,
