波形发生电路

第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛第第7章章 波形发生电路波形发生电路7.2 第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛7.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 7.1.1 正弦波振荡电路的基础知识正弦波振荡电路的基础知识 1.自激振荡现象自激振荡现象 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。扩音机扬声器话筒 图 7.1 自激振荡现象 第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛 2.自激振荡形成的条件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。A.F.放大电路2S1Uid.Ui.Uf.Uo.仅馈电路 图 7.2 振荡电路的方框图 第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛 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ifUUifUFAU1FA (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ifUU1FA（7.2）第三章 放大电路基础 http:/ 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。Uo.Obac起振稳幅t 图 7.3 自激振荡的起振波形 第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛 .正弦波振荡的形成过程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。第三章 放大电路基础 http:/ 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。第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛 由上述分析可知,起振条件应为 1FA1FA 稳幅后的幅度平衡条件为（7.4）.振荡电路的组成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。第三章 放大电路基础 http:/ 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,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。第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛Z2.U1R2C2.U2Z1R1C1 图 7.4 RC串并联网络 第三章 放大电路基础 http:/ 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 222211111RCjZZCjRZ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1U2UF2221122221212111RCjRCjRRCjRZZZUUF第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛)1()1(112211221CRCRjCCRR在实际电路中取C1=C2=C,R1=R2=R,则上式可简化为31arctan)1(31)1(3122RCRCRCRCFFRCRCjFF其模值 相角 第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 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RCfRCf2112000 令 即 3arctan)(31002002ffffffffFF第三章 放大电路基础 http:/ 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。F310f0fFf0f09090 图 7.5 RC串并联网络的频率特性 第三章 放大电路基础 http:/ 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,F3的要求。其中,1、2和R2是实现自动稳幅的限幅电路。11RRAfuRCf210（7.5）2RC移相式振荡电路移相式振荡电路 电路如图7.7所示,图中反馈网络由三节RC移相电路构成。第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛RRCCCRRfUo.图 7.7 RC超前型移相式振荡电路 第三章 放大电路基础 http:/ 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。第三章 放大电路基础 http:/ 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,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。296210uARCf振幅起振条件为（7.6）（7.7）第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛 7.1.3 LC振荡电路振荡电路 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.变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 ）电路组成 变压器反馈式LC振荡电路如图7.8所示。第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛L1C：选频网络V、Rb1、Rb2、Re、Ce、C1组成共射放大电路L1()C()RLL3L2()()VCeReRb2()C1Rb1T UCCL2：反馈线圈引入正反馈 图 7.8 变压器反馈式LC正弦波振荡电路第三章 放大电路基础 http:/ 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,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第三章 放大电路基础 http:/ 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。LCff210（7.8）第三章 放大电路基础 http:/ 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.电感反馈式电感反馈式LC振荡电路振荡电路 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。第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛ReCeV()()L2：反馈线圈C2Rc UCCRb1Rb2()C1()()()()CL2L1()图 7.9 电感反馈式LC振荡电路 第三章 放大电路基础 http:/ 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。FA第三章 放大电路基础 http:/ 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 CMLLLCfo)2(212121（7.9）第三章 放大电路基础 http:/ 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。第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛ReCeV()()C2：反馈电容Rc UCCRb1Rb2()Cb()()()()C2C1L 图 7.10 电容反馈式振荡电路 第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛 1）相位条件 与分析电感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 LCfo21（7.10）第三章 放大电路基础 http:/ 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,造成电路工作性能不稳定。2121CCCCC其中 第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛 *.串联改进型电容反馈式串联改进型电容反馈式LC振荡电路振荡电路 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。321111121CCCCLCffo其中C表示回路总电容（7.11）（7.12）当CC1,C3C2时,CC3。第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛ReCeC3：用来决定振荡频率Rc UCCRb1Rb2Cb2C2C1L31C3 图 7.11 克拉泼振荡电路 第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛 7.1.4 晶体振荡电路晶体振荡电路 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、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。第三章 放大电路基础 http:/ 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。第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛底座绝缘体管脚晶片引线(a)金属壳(b)图 7.12石英晶体谐振器(a)石英晶体振荡器；(b)外形图 第三章 放大电路基础 http:/ 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。(a)C0LCR(b)图 7.13石英晶体的符号和 等效电路 (a)符号；(b)等效电路 第三章 放大电路基础 http:/ 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002121CCCCLfLCfps（7.13）（7.14）第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛X0fsfpf容性容性感性 图7.14 石英晶体的电抗频率特性 第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛 2 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 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。第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛ReC2 晶体：在电路 中起电感作用，工作频率在 fs 和 fp之间Rc UCCRb1Rb2CbC1V 图 7.15 并联型石英晶体振荡电路 第三章 放大电路基础 http:/ 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。第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛Re1 晶体：反馈元件，工作于串联谐振频率时，引入正反馈Rc1 UCCRb1Rb2CbV1()()Re2()C2V2RP 图 7.16 串联型石英晶体振荡电路 第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛7.27.2 非正弦信号发生器非正弦信号发生器 7.2.1矩形波发生器矩形波发生器 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的。1.工作原理工作原理 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,同相端的电压为第三章 放大电路基础 http:/ 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2212URRR2212URRR 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2212URRR第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛R3R1R2R5R4RfVCuCiCiCuo(a)第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛uC0R2R1 R2Uz R2R1 R2UzuoUz0 Uztt(b)图 7.17 矩形波发生电路及其波形 第三章 放大电路基础 http:/ 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2212URRR值时,由于u0时,uo1z;当uI1,因此外接电容C放电,uC随时间线性下降。第三章 放大电路基础 http:/ 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。第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛1234567141312111098ICL 8038正弦波失真度调整正弦波输出三角波输出接电阻RA接电阻RB UCC调频偏置电压输出正弦波失真度调整 UEE(或接地)接电容C矩形波输出调频偏置电压输入图 7.22 8038的外部引脚排列图 第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛 .8038 的典型应用的典型应用 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。第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛RA4.7 kRB4.7 k1 kRP2R10 k45693210111218C10.1 FRP110 k20 kRP3100 kRP4100 k10 kC UCC10 V UEE10VICL 803810 k图7.23 8038 的典型应用 第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛*7.4 压控振荡器压控振荡器 1.电路组成电路组成 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。第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛R3200 kR1100 kR2100 kUIV2SK68AC200 pFA1uo1R4100 k5.1 k5 kR510 kR6100 kV23.3 kV1uoR8R7A2 图 7.24 压控振荡器 第三章 放大电路基础 http:/ 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止,此时,积分电路可等效为图7.25(a)。omTHURRRU6552第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛UIIi2RR2UiRICA1C(a)UIIi2RR2UiRICA1CI2R(b)uouo 图7.25积分电流的流向 (a)FET截止；(b)FET导通 第三章 放大电路基础 http:/ 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 RURUUIIC4221111（7.17）omURRR655第三章 放大电路基础 http:/ 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RURUIRURUUI22,4221121111omTHURRRU6551第三章 放大电路基础 http:/ 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RURURUIIIIIIC42421（7.18）omURRR655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。第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛UIOtuoOtuCOtuo1R5R5 R6UomR5R5 R6UomtTT1O图 7.26 压控振荡器波形 第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛 由上述分析可知,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dtduCiCC第三章 放大电路基础 http:/ 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CidtduCCCIdtduCC 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CIdtduCC第三章 放大电路基础 http:/ 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CTHTHCTHTHIUUCTTIUUT21121122三角波的周期应等于的倍,即（7.19）第三章 放大电路基础 http:/ http:/ 电子技术论坛RCUUUfRCIUUTTHTHITHTH)(81)(821121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）