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1、http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,第7章 波形发生电路,7.1 正弦波振荡电路7.2 非正弦信号发生器7.3 集成函数发生器8083简介7.4 压控振荡器,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,7.1 正弦波振荡电路,7.1.1 正弦波振荡电路的基础知识 1.自激振荡现象 扩音系统在使用中有时会发出刺耳的啸叫声,其形成的过程如图7.1所示。,图 7.1 自激振荡现象,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,2.自激振荡形成的条件 可以借助图.所示的方框图来分析正弦波振荡形成的条件。,图 7.2 振荡电路的方框图,http:/电子发烧友 http:/电子技术
2、论坛,由此可见,自激振荡形成的基本条件是反馈信号与 输入信号大小相等、相位相同,即,而 可得,(7.1),这包含着两层含义:（）反馈信号与输入信号大小相等,表示 即（）反馈信号与输入信号相位相同,表示输入信号经过放大电路产生的相移A和反馈网络的相移F之和为0,2,4,2n,即,（7.2）,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,A+F=2n(n=0,1,2,3,)（7.3）称为相位平衡条件。,图 7.3 自激振荡的起振波形,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,.正弦波振荡的形成过程 放大电路在接通电源的瞬间,随着电源电压由零开始的突然增大,电路受到扰动,在放大器的输入端
3、产生一个微弱的扰动电压ui,经放大器放大、正反馈,再放大、再反馈,如此反复循环,输出信号的幅度很快增加。这个扰动电压包括从低频到甚高频的各种频率的谐波成分。为了能得到我们所需要频率的正弦波信号,必须增加选频网络,只有在选频网络中心频率上的信号能通过,其他频率的信号被抑制,在输出端就会得到如图7.3的ab段所示的起振波形。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,那么,振荡电路在起振以后,振荡幅度会不会无休止地增长下去了呢？这就需要增加稳幅环节,当振荡电路的输出达到一定幅度后,稳幅环节就会使输出减小,维持一个相对稳定的稳幅振荡,如图7.3的bc段所示。也就是说,在振荡建立的初期,必须使
4、反馈信号大于原输入信号,反馈信号一次比一次大,才能使振荡幅度逐渐增大;当振荡建立后,还必须使反馈信号等于原输入信号,才能使建立的振荡得以维持下去。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,由上述分析可知,起振条件应为,稳幅后的幅度平衡条件为,（7.4）,.振荡电路的组成要形成振荡,电路中必须包含以下组成部分:放大器;正反馈网络;选频网络;稳幅环节。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,根据选频网络组成元件的不同,正弦波振荡电路通常分为振荡电路,振荡电路和石英晶体振荡电路。7.1.2 RC正弦波振荡电路 RC正弦波振荡电路结构简单,性能可靠,用来产生几兆赫兹以下的低频信号
5、,常用的RC振荡电路有RC桥式振荡电路和移相式振荡电路。1.RC桥式振荡电路 1）RC串并联网络的选频特性 RC串并联网络由R2和C2并联后与R1和C1串联组成,如图7.4所示。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,图 7.4 RC串并联网络,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,设R1、C1的串联阻抗用Z1表示,R2和C2的并联阻抗 用Z2表示,那么,输出电压 与输入电压 之比为RC串并联网络传输系数,记为,则,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,在实际电路中取C1=C2=C,R1=R2=R,则上式可简化为,其模值,相角,http:/电子发烧友 htt
6、p:/电子技术论坛,将f0 的表达式代入模值和相角的表达式,并将角频 率变换为由频率f表示,则,令,即,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,根据上式可作出RC串并联网络频率特性如图7.5所示。,图 7.5 RC串并联网络的频率特性,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,当 f=f0时,电压传输系数最大,其值为:F=1/3,相角为零,即F=0。此时,输出电压与输入电压同相位。当ff0时,F1/3,且F0,此时输出电压的相位滞后或超前于输入电压。由以上分析可知:RC串并联网络只在 f=f0=1/2RC 时,输出幅度最大,而且输出电压与输入电压同相,即相位移为零。所以,RC
7、串并联网络具有选频特性。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,2）RC桥式振荡电路 RC桥式振荡电路如图7.所示。,图 7.6 RC桥式正弦波振荡电路,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,在图7.6中,集成运放组成一个同相放大器,它的输出电压uo作为RC串并联网络的输入电压,而将RC串并联网络的输出电压作为放大器的输入电压,当f=f0时,RC串并联网络的相位移为零,放大器是同相放大器,电路的总相位移是零,满足相位平衡条件,而对于其他频率的信号,RC串并联网络的相位移不为零,不满足相位平衡条件。由于RC串并联网络在 f=f0 时的传输系数F1/3,因此要求放大器的总电
8、压增益Au应大于3,这对于集成运放组成的同相放大器来说是很容易满足的。由R1、Rf、V1、V2及R2构成负反馈支路,它与集成运放形成了同相输入比例运算放大器,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,只要适当选择Rf与R1的比值,就能实现Au3的要求。其中,1、2和R2是实现自动稳幅的限幅电路。,（7.5）,2RC移相式振荡电路 电路如图7.7所示,图中反馈网络由三节RC移相电路构成。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,图 7.7 RC超前型移相式振荡电路,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,由于集成运算放大器的相移为180,为满足振荡的相位平衡条件,要求
9、反馈网络对某一频率的信号再移相180,图7.7中RC构成超前相移网络。正如所知,一节RC电路的最大相移为90,不能满足振荡的相位条件;二节RC电路的最大相移可以达到180,但当相移等于180时,输出电压已接近于零,故不能满足起振的幅度条件。为此,在图7.7所示的电路中,采用三节RC超前相移网络,三节相移网络对不同频率的信号所产生的相移是不同的,但其中总有某一个频率的信号,通过此相移网络产生的相移刚好为180,满足相位平衡条件而产生振荡,该频率即为振荡频率f0。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,RC移相式振荡电路具有结构简单、经济方便等优点。其缺点是选频性能较差,频率调节不方便
10、,由于输出幅度不够稳定,输出波形较差,一般只用于振荡频率固定、稳定性要求不高的场合。,振幅起振条件为,（7.6）,（7.7）,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,7.1.3 LC振荡电路 LC振荡电路分为变压器反馈式LC振荡电路、电感反馈式LC振荡电路、电容反馈式LC振荡电路,用来产生几兆赫兹以上的高频信号。1.变压器反馈式LC振荡电路）电路组成 变压器反馈式LC振荡电路如图7.8所示。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,图 7.8 变压器反馈式LC正弦波振荡电路,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,）振荡条件（1）相位平衡条件。为了满足相位平衡条件
11、,变压器初次级之间的同名端必须正确连接。电路振荡时,f=f0,LC回路的谐振阻抗是纯电阻性,由图中L1及L2同名端可知,反馈信号与输出电压极性相反,即F=180。于是A+F=360,保证了电路的正反馈,满足振荡的相位平衡条件。对频率ff0的信号,LC回路的阻抗不是纯阻抗,而是感性或容性阻抗。此时,LC回路对信号会产生附加,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,相移,造成F180,那A+F360,不能满足相位平衡条件,电路也不可能产生振荡。由此可见,LC振荡电路只有在f=f0这个频率上,才有可能振荡。（2）幅度条件。为了满足幅度条件AF1,对晶体管的值有一定要求。一般只要值较大,就能
12、满足振幅平衡条件。反馈线圈匝数越多,耦合越强,电路越容易起振。,（7.8）,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,4）电路优缺点(1)易起振,输出电压较大。由于采用变压器耦合,易满足阻抗匹配的要求。(2)调频方便。一般在LC回路中采用接入可变电容器的方法来实现,调频范围较宽,工作频率通常在几兆赫左右。(3)输出波形不理想。由于反馈电压取自电感两端,它对高次谐波的阻抗大,反馈也强,因此在输出波形中含有较多高次谐波成分。2.电感反馈式LC振荡电路 1)如图7.9所示是电感反馈式LC振荡电路,又称 哈特莱振荡电路。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,图 7.9 电感反馈式
13、LC振荡电路,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,）振荡条件分析（1）相位条件。设基极瞬时极性为正,由于放大器的倒相作用,集电极电位为负,与基极相位相反,则电感的端为负,2端为公共端,端为正,各瞬时极性如图7.9所示。反馈电压由1端引至三极管的基极,故为正反馈,满足相位平衡条件。（2）幅度条件。从图7.9可以看出反馈电压是取自电感L2两端,加到晶体管b、e间的。所以改变线圈抽头的位置,即改变L2的大小,就可调节反馈电压的大小。当满足|1的条件时,电路便可起振。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,上式中,L1+L2+2M为LC回路的总电感,M为L1与L2 间的互感耦
14、合系数。4）电路优缺点(1)由于L1和L2之间耦合很紧,故电路易起振,输出幅度大。(2)调频方便,电容C若采用可变电容器,就能获得较大的频率调节范围。,3）振荡频率,（7.9）,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,(3)由于反馈电压取自电感L2两端,它对高次谐波的阻抗大,反馈也强,因此在输出波形中含有较多高次谐波成分,输出波形不理想。3 电容反馈式振荡电路 电容反馈式LC振荡电路又称为考毕兹振荡电路，如图 7.10 所示。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,图 7.10 电容反馈式振荡电路,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,1）相位条件 与分析电感
15、反馈式振荡电路相位条件的方法相同,该电路也满足相位平衡条件。2）幅度条件 由图7.10的电路可看出,反馈电压取自电容C2两端,所以适当地选择C1、C2的数值,并使放大器有足够的放大量,电路便可起振。3）振荡频率 振荡频率为,（7.10）,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,是谐振回路的总电容。4）电路优缺点 容易起振,振荡频率高,可达100 MHz以上。输出波形较好,这是由于C2对高次谐波的阻抗小,反馈电压中的谐波成分少,故振荡波形较好。但调节频率不方便。因为C1、C2的大小既与振荡频率有关,也与反馈量有关。改变C1（或C2）时会影响反馈系数,从而影响反馈电压的大小,造成电路工作
16、性能不稳定。,其中,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,*.串联改进型电容反馈式LC振荡电路 串联改进型电容反馈式LC振荡电路又称克拉泼振荡电路,如图7.11所示。,其中C表示回路总电容,（7.11）,（7.12）,当CC1,C3C2时,CC3。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,图 7.11 克拉泼振荡电路,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,7.1.4 晶体振荡电路 1.石英晶体的谐振特性与等效电路 石英晶体谐振器是晶振电路的核心元件,其结构和外形如图7.12所示。石英晶体谐振 器是从一块石英晶体上按确定的方位角切下的薄片,这种晶片可以是正方形、
17、矩形或圆形、音叉形的,然后将晶片的两个对应表面上涂敷银层,并装上一对金属板,接出引线,封装于金属壳内。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,为什么石英晶体能作为一个谐振回路,而且具有极高的频率稳定度呢？这要从石英晶体的固有特性来进行分析。物理学的研究表明,当石英晶体受到交变电场作用时,即在两极板上加以交流电压,石英晶体便会产生机械振动。反过来,若对石英晶体施加周期性机械力,使其发生振动,则又会在晶体表面出现相应的交变电场和电荷,即在极板上有交变电压。当外加电场的频率等于晶体的固有频率时,便会产生“机电共振”,振幅明显加大,这种现象称为压电谐振。它与LC回路的谐振现象十分相似。,h
18、ttp:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,图 7.12石英晶体谐振器(a)石英晶体振荡器；(b)外形图,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,压电谐振的固有频率与石英晶体的外形尺寸及切割方式有关。从电路上分析,石英晶体可以等效为一个LC电路,把它接到振荡器上便可作为选频环节应用。图7.13为石英晶体在电路中的符号和等效电路。,图 7.13石英晶体的符号和 等效电路(a)符号；(b)等效电路,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,图7.14为石英晶体谐振器的电抗-频率特性。由图7.14可知,它具有两个谐振频率,一个是L、C、R支路发生串联谐振时的串联谐振频率fs,另
19、一个是L、C、R支路与C0支路发生并联谐振时的并联谐振频率fp,由图 7.13 等效电路得,（7.13）,（7.14）,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,图7.14 石英晶体的电抗频率特性,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,2 石英晶体振荡电路 石英晶体振荡器可以归结为两类,一类称为并联型,另一类称为串联型。前者的振荡频率接近于fp,后者的振荡频率接近于fs,分别介绍如下。图7.15所示为并联型石英晶体振荡器。当f0在 fs fp的窄小的频率范围内时,晶体在电路中起一个电感作用,它与C1、C2组成电容反馈式振荡电路。,http:/电子发烧友 http:/电子技术
20、论坛,图 7.15 并联型石英晶体振荡电路,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,可见,电路的谐振频率f0应略高于fs,C1、C2对f0的影响很小,电路的振荡频率由石英晶体决定,改变C1、C2的值可以在很小的范围内微调f0。图7.16所示为串联型石英晶体振荡电路。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,图 7.16 串联型石英晶体振荡电路,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,7.2 非正弦信号发生器,7.2.1矩形波发生器 图7.17(a)是一种能产生矩形波的基本电路,也称为方波振荡器。由图可见,它是在滞回比较器的基础上,增加一条RC充、放电负反馈支路构成
21、的。1.工作原理 在图7.17（a）中,电容上的电压加在集成运放的反相端,集成运放工作在非线性区,输出只有两个值:+Uz和-Uz。设在刚接通电源时,电容上的电压为零,输出为正饱和电压+Uz,同相端的电压为,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,电容C在输出电压+Uz的作用下开始充电,充电电流 i经过电阻Rf,如图7.17（a）的实线所示。当充电电压uC升至,值时,由于运放输入端uu,于是电路翻转,输出电压由+Uz值翻至Uz,同相端电压变为,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,图 7.17 矩形波发生电路及其波形,htt
22、p:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,电容C开始放电,uC开始下降,放电电流iC如图（a）中虚线所示。当电容电压uC降至,值时,由于uu,于是输出电压又翻转到uo=+Uz值。如此周而复始,在集成运放的输出端便得到了如图7.17（b）所示的输出电压的波形。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,2.振荡频率及其调节 电路输出的矩形波电压的周期T取决于充、放电的RC时间常数。可以证明其周期为,则振荡频率为,（7.15）,改变RC值就可以调节矩形波的频率。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,7.2.2 三角波发生器 三角波发生器的基本电路如图7.18(a)所示。集成
23、运放A1构成滞回电压比较器,其反相端接地,集成运放A1同相端的电压由uo和uo1共同决定,当u0时,uo1z;当u 0时,uo1z。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,图7.18 三角波发生器(a)电路图；(b)波形图,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,在电源刚接通时,假设电容器初始电压为零,集成运放A1输出电压为正饱和电压值z,积分器输入为 z,电容开始充电,输出电压uo开始减小,u值也随之减小,当uo减小到R2R1Uz时,u由正值变为零,滞回比较器A1翻转,集成运放A1的输出uo1z。当Uo1=Uz时,积分器
24、输入负电压,输出电压uo开始增大,u值也随之增大,当uo增加到 R2R1Uz 时,u由负值变为零,滞回比较器A1翻转,集成运放A1的输出 uo1z。,（7.16）,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,7.2.3 锯齿波发生器,图 7.19 频率可调的三角波发生器,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,在图7.18的三角波发生器电路中,输出是等腰三角形波。如果人为地使三角形两边不等,这样输出电压波形就是锯齿波了。简单的锯齿波发生器电路如图7.20(a)所示。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,图7.20
25、锯齿波发生器,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,锯齿波发生器的工作原理与三角波发生电路基本相同,只是在集成运放A2的反相输入电阻R3上并联由二极管V1和电阻R5组成的支路,这样积分器的正向积分和反向积分的速度明显不同,当uo1z时,1反偏截止,正向积分的时间常数为;当uo1z时,1正偏导通,负向积分常数为（）,若取,则负向积分时间小于正向积分时间,形成如图7.20（b）所示的锯齿波。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,7.3 集成函数发生器8038简介,集成函数发生器8038是一种多用途的波形发生器,可以产生正弦波、方波、三角波和锯齿波,其频率可以通过外加的直流
26、电压进行调节,使用方便,性能可靠。1 8038的工作原理 由手册和有关资料可看出,8038由两个恒流源、两个电压比较器和触发器等组成。其内部原理电路框图如图7.21所示。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,图 7.2 18038的内部原理电路框图,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,在图7.21中,电压比较器、的门限电压分别为两个电源电压之和（UCC+UEE）的 2/3 和 1/3,电流源I1和I2的大小可通过外接电阻调节,其中I2必须大于I1。当触发器的输出端为低电平时,它控制开关S使电流源I2断开。而电流源I1则向外接电容C充电,使电容两端电压随时间线性上升,
27、当uC上升到 uC=2（UCC+UEE）/3时,比较器的输出电压发生跳变,使触发器输出端由低电平变为高电平,这时,控制开关S使电流源接通。由于I2 I1,因此外接电容C放电,uC随时间线性下降。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,当uC下降到uC（UCC+UEE）/3时,比较器输出发生跳变,使触发器输出端又由高电平变为低电平,I2再次断开,I1再次向C充电,uC又随时间线性上升。如此周而复始,产生振荡。外接电容C交替地从一个电流源充电后向另一个电流源放电,就会在电容C的两端产生三角波并输出到脚3。该三角波经电压跟随器缓冲后,一路经正弦波变换器变成正弦波后由脚2 输出,另一路通过
28、比较器和触发器,并经过反向器缓冲,由脚 9 输出方波。图 7.22 为 8038的外部引脚排列图。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,图 7.22 8038的外部引脚排列图,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,.8038 的典型应用 利用8038构成的函数发生器如图7.23所示,其振荡频率由电位器RP1滑动触点的位置、C的容量、RA和RB的阻值决定,图中C1为高频旁路电容,用以消除 8 脚的寄生交流电压,RP2为方波占空比和正弦波失真度调节电位器,当RP2位于中间时,可输出方波。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,图7.23 8038 的典型应用,
29、http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,*7.4 压控振荡器,1.电路组成 压控振荡器如图7.24所示,该电路的输入控制电压为直流电压。A1为差动积分电路,积分电压由控制电压UI提供,积分方向由场效应管V来改变;A2为滞回比较器,它的输出控制着场效应管的导通和截止。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,图 7.24 压控振荡器,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,2.工作原理 设滞回比较器A2的输出电压为负饱和电压Uom,此值一方面使比较器的同相端电压为下门限电压,即 另一方面通过隔离二极管V2将比较大的负电压加在了场效应管的栅极,使场效应管进入夹断区而截
30、止,此时,积分电路可等效为图7.25(a)。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,图7.25积分电流的流向(a)FET截止；(b)FET导通,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,由图可以看出,u+=UI/2,根据“虚短”的概念,u-=u+=UI/2,再根据“虚断”的概念,电容器上的充电电流为 由于输入电压UI为直流电压,因此电容器C为恒流充电,电容器C上的电压直线上升,而A1的输出电压uo1直线下降,当uo1降至,（7.17）,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,时,比较器A2翻转为+Uom。比较器A2的输出电压+Uom,一方面使比较器的同相端电压为上
31、门限电压,即 另一方面使隔离二极管V2截止,此时,场效应管因栅源电压为零而饱和导通,其积分电路可等效为图 7.25（b）。由图可知,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,式（7.18）中的负号说明实际电容器上的电流与标定方向相反。电容以UI/(4R)的电流大小放电,uC直线下降,uo1直线上升,当uo1升至,根据基尔霍夫定律:,那么,（7.18）,时,比较器A2翻转为-Uom,场效应管又截止,电容器开始充电,周而复始,会产生如图7.26所示波形。,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,图 7.26 压控振荡器波形,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,由上述
32、分析可知,该电路是利用比较器输出端的高低电平控制场效应管的通断状态的,保证积分器以同样大小的恒定电流充放电,使三角波上升、下降的时间相等。.振荡频率 通过以上的分析可知,差动积分电路的输出电压uo1是三角波电压,由于电容器上的充放电电流受到电压的控制,所以三角波的振荡频率也受外加电压的控制。由电容器的充电电流表达式,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,在图7.24的压控振荡器电路中,电容器为恒流充电,充电电流用表示,那么电容器上的充电速率为,得电容器上的充电速率为,又由式（7.18）可知,电容器也是以恒流放电,其放电的速率仍为,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,由图可看出:积分器A1的输出三角波电压的峰峰值为UP-PUTH1-UTH2,三角波的斜率即为电容器的充（放）电的速率,由此可以计算出积分器的输出电压三角波的上升时间为,三角波的周期应等于的倍,即,（7.19）,http:/电子发烧友 http:/电子技术论坛,将IC=UI/(4R)代入式（7.19）得,由式（7.20）可知,压控振荡器的振荡频率f与控制电压UI成正比。,（7.20）,
