波形发生电路要点.docx

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1、18第八章波形发生电路本章8学时知识点：产生正弦波振荡的相位、幅度平衡条件，介2R RC正弦波振荡电路的工作原理、振荡频率、起振条件及电路特点；介绍变压器反馈式、电感三点式和电容三点式等典型LC振荡电路的工作原理及振荡频率的估算方法； 石英晶体振荡电路的特点及工作原理； 各种非 正弦波发生电路的工作原理。重点：产生正弦波振荡平衡条件，文氏电桥式RC振荡电路的原理及振荡频率计算，典型LC振荡电路的工作原理及振荡频率的估算方法。难点：RC振荡电路及典型LC振荡电路的工作原理。8。1正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路也是一种基本的模拟电子电路。电子技术实验中经常使用的低频信号发生器就是一种正弦波

2、振荡电路。大功率的振荡电路还可以直接为工业生产提供能源，例如高频加热炉的高频电源。此外，诸如超声波探伤、无线电广播电视信号的发送和接收等等，者B有离不开正弦波振荡电路。总之，正弦波振荡电路在量测、自动控制、通信和热处理等各种技术领域中，都有着广泛的应用。8。1。1产生正弦波振荡的条件由第五章的介绍可知， 放大电路引入反馈后， 在一定的条件下可能产生自激振荡，使电路不能正常驻工作， 因此必须设法消除这种振荡。 但是，在另一些情况下，又有意识地利用 自激振荡现象，使放大电路变成振荡器，以便产生各种高频或低频的正弦波信号。- s 放大电路T =皿_k01 一 .M1A5=弁尻反馈网络F图8.1.1正

3、弦波振荡的条件以下先来讨论产生正弦波振荡的条件。在图8.1.1中，假设先将开关 S接在1端，并在放大电路的输入端加上一个正弦波电压ui ,即ui = . 2Ui sin tUi经过放大电路和反馈网络后，在2端将得到一个同样频率的正弦波电压Uf ,即uf 二2Ui sin（ t ）如果uf与原来的输入信号ui相比，无论在幅度或者相位上都完全相等，即2Ui sin（ t+q 1） = . 2Ui sin t则若将开关S倒向2端，放大电路的输出信号 uo将仍与原来完全相同没有任何改变。注意到此时电路未加任何输入信号，但在输出端却得到了一个正弦波信号。也就是说，放大电路产生了角频率为O的正弦波振荡。由

4、此可知，放大电路产生自激振荡的条件可表示如下：U f = U i因为 Uf =FUo =FAUi =Ui所以产生正弦波振荡的条件是AF=1（8。1。1）上式可以分别用幅度平衡条件和相位平衡条件来表示： AF | =1（8。1。2）argAF =9A +Q = =2nnn=0,1,2,3, （8。1。3）式（8。1。2）所表示的幅度平衡条件，是表示振荡电路已经达到稳幅振荡时的情况。但若要求振荡能够自行起振，开始时必须满足Af|1的幅度条件。然后在振荡建立的过程中，随着振幅的增大，由于电路中非线性元件的限制，使 AF 值逐步下降，最后达到AF |=1,此时振荡电路处于稳幅振荡状态，输出电压的幅度达

5、到稳定。8。1。2 正弦波振荡电路的组成和分析步骤由图8.1.1可知，正弦波振荡电路应该具有放大电路和反馈网络，此外电路中还应包含有选频网络和稳幅环节。正弦波振荡电路的选频网络若由电阻和电容元件组成，通常称为RC正弦波振荡电路；若有电感和电容元件组成，则称为LC正弦波振荡电路。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，即是否具有放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。2、分析电路是否满足自激振荡条件。首先检查相位平衡条件，而幅度条件，比较容易满足。若不满足幅度条件，在测试调整时，可以改变放大电路的放大倍数或反馈系数使电路 满足 AF |=1的起振条件。判断相位平衡条件

6、的方法电路必须构成正反馈。二、估算振荡频率和起振条件振荡频率由相位平衡条件所决定， 而起振条件可由幅度平衡条件 AF | 1的关系式求 得。为了计算振荡频率， 需要画出断开反馈信号至放大电路的输入端点后交流等效电路，写出回路增益AF的表示式。令 中a +中f =2nn ,艰险可求得满足该条件的频率 f0,然后 令f = f0时的 AF值大于1,即得起振条件。8。2RC正弦波振荡电路8。2。1 RC串并联网络振荡电路RC串并联网络振荡电路用以产生低频正弦波信号，是一种使用十分广泛产 RC振荡电振荡电路的原理图如图8.2.1所示。其中集成运放 A作为放大电路，它的选频网络是一个由R、C元件组成的串

7、并联网络，RF和R路引入一个负反馈。由图可见，串并联网络中的R1、C1和R2、C2以及负反馈支路中的 RF和R正好组成一个电桥的四个臂，因此这 种电路又称为 文氏电桥振荡电路。以下首先分析RC串并联网络的选频特性，并由相位平衡条件和幅度平衡条件估算电路 的振荡频率和起振条件。一、RC串并联网络的选频特性首先定性讨论 RC串并联网络的频率特性。假设输入一个幅度恒定的正弦电压U ,当频率逐渐变化时，观察 R2C2并联支路两端电压U f的变化情况。在频率比较低情况下，由%C R2 ,此时可将R1和忽略低频等效电路。o愈低，则2力C愈大U Uf的幅度愈小，且其相位超前于U愈多。当趋近于零时，零，邛f接

8、近于+900。而当频率较高时，由于Uf公1%C2 R2。此时可将趋近于C1和r2忽略。缶愈高，则 X愈小，u f的幅度也愈小，且其相位滞后于 u愈多。当编趋C2近于无穷大时，Uf趋近于零，中F接近于-90。由此可见，只有当角频率为某一中间值时，有可能得到 U f的值较大，且U f与U同相。以下定量分析。电路的频率特性表示式为R2F _ _ Z2 1+ jR2c2 1UZ1Z2R1- R2(1 E % j( C2R1 -1一)j C11 j R2c2R2C1C1R2为了调节振荡频率的方便，通常取简化为1 R1 = R = R, C1 = C2 = C。令 0 = 则上式可 RC1亡 亡3 j(

9、- )0(8。2。1)其幅频特性为(8。2。2)其相频特性为F - -arctg由式（8。2。2）及（8。2。3）可知，当 与1RCmax而F的相位角为零即1,由此可以求得振荡电路的起振条件为A 3因同相比例运算电路的电压放大倍数为Auf =1 +Rf。为了使 A =A 3,图 8。2。1所示振荡电路中负反馈支路的参数应满足以下关系:(8。2。6)RF2R三、振荡电路中的负反馈根据以上分析可知，RC串并联网络振荡电路中，只要达到A | 3,即可满足产生正弦波振荡的起振条件。如果 A值过大，由于振荡幅度超出放大电路的线性放大范围而进入 非线性区，输出波形将产生明显的失真。另外，放大电路的放大倍数

10、因受环境温度及元件老化等因素影响，也要发生波动。以上情况都将直接影响振荡电路输出波形。在图8.2.1所示的RC串并联网络振荡电路中， 电阻RF和R引入了一个电压串联负反馈，它的作用不仅可以提高放大倍数的稳定性，改善振荡电路的输出波形，而且能够进一步提高放大电路的输入 电阻，降低输出电阻，从而减小了放大电路对RC串并联网络选频特性的影响，提高警惕了振荡电路的带负载能力。改变电阻RF或R阻值的大小可以调节负反馈的深度。 RF愈小，则负反包系数F愈大, 负反馈深度愈深，放大电路的电压放大倍数愈小；反之，RF愈大，则负反馈系数 F愈小，即负反馈愈弱，电压放大倍数愈大。在实际工作中，希望电路能够根据振荡

11、幅度的大小自动地改变负反馈的强弱，以实现 自动稳幅。例如 ，若振荡幅度增大，要求负反馈系数F随之增大，加强负反馈，限制输出幅度继续增长；反之，若振荡幅度减小，要求负反馈系F也随之减小，削弱负反馈，避免输出幅度继续减小，甚至无法起振。可以在负反馈支路中采用热敏电阻来实现自动稳幅，在该电路中，利用具有负温度系数的热敏电阻Rt代替原来的反馈电阻 Rf。当振荡幅度增大时，流过热敏电阻Rt的电流也增大，于是温度升高，使 Rt人阻值减小，则负反馈系数F增大，即负反馈 得到加强，使放大电路的电压放大倍数降低，结果抑制了输出幅度的增长；反之，若振荡幅度减小， 则流过Rt的电流也减小，温度降低，RT的阻值增大，

12、则负反馈系数 F减小，即负反馈被削弱，使电压放大倍数升高，阻止输出幅度继续减小，从而达到自动稳幅的效果。根据同样的原理，也可以在采用具有正温度系数的热敏电阻代替原来的电阻R,来达到自动稳幅的目的。四、振荡频率的调节1由式（8。2。4）可知，RC串并联网络正弦波振荡电路的振荡频率为fo =，因2 二 RC此，只要改变电阻 R或电容C的值，即可调节振荡频率。例如，在RC串并联网络中，利用波段开关换接不同容量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细调。采用这种办法可以委方便地在一个比较宽广的范围内对振荡频率进行连续调节。8.3 LC正弦波振荡电路在LC正弦波振荡电路中， 以电感和电容

13、元件构成选频网络，可以产生几十兆赫以上的正弦波信号。图8.3.1 LC并联电路图8.3.1所示是一个LC并联电路，R表示回路中和回路所带负载的等效总损耗电阻。现在来定性分析一下，当信号频率变化时，并联电路阻抗 Z的大小和性质如何变化。当频率很低时，容抗很大，可以认为开路；但感抗很小，则总的阻抗主要取决于电感支路。当频率很高时，感抗很大，可以认为开路，但容抗很小，此时总的阻抗主要取决于电容支路。所以，在低频时度过阻抗为感性，而且随着频率的降低，阻抗值愈来愈小；在高频时度过阻抗为容性，且随着频率的升高，阻抗值也愈来愈小。可以证明，只有在中间某一个频率 f = f0时，度过阻抗菌素为纯阻性，且等效阻

14、抗接近达到最大值。频率f0即上LC电路的度过谐振频率。并联谐振频率的数值决定于电路的参数。由图8.3.1可求得并联谐振回路的等效阻抗为UoIS1(r j -L) j Cr j L 1 j C(8。 3。 1)在实际电路中，通常 r很小，满足r 0L ,因此，上式右近似为（8。3。2）LC1当.Lr j（ L ） C时，回路产生揩振，由式（8。3。2）可知并联谐振回路在谐振时其等效阻抗为纯电阻且为最大，可用符号Rp表示，即Z =RpCr（8。3。3）10Q =:或 f0 =LC2 二 一 LC（8。3。4）在LC谐振中回路中，为啊评价谐振加路损耗的大小，常引入品质因数Q,它定义为回路谐振时的感抗

15、菌素（或容抗）与回路等效损耗电阻r之比，即Q=0L将式10Cr（8。3。5）（8。3。4）代入式（8。3。5）,可得:（8。3。6）LC谐振回路的Q值在几十到几百范围内,Q值愈大，回路的损耗愈小，其选频特性就愈好。8。3。6）代入式（8。3。3）可得:Rp=Qh将（8。3。3）、（8。3。4）和（8。3。5）代入式（8。3。2）,则得并联谐振回路阻抗频率特性为Rprprp一%C- 0L；匚 01 j（-）（8。 3。 8）01 jQ（3）-0Rp其幅频特性和相频特性分别为（8。3。9）0 21 Q（ 0）20.亡 0（8。 3。 10）=-arctanQ（-） 0,图8.3.2 LC并联电路的

16、幅频特性和相频特性由此可画出平同 Q值时，LC并联电路的幅频特性和相频特性，如图 8.3.2所示。路为纯阻。当f fo时，呈容性。且当频率从 fo上升或下降时，等2 二 LC效阻抗Z都将减小。（2）谐和振频率fo的数值与电路参数有关，当Q1时，f0L（3）电路的品持因数 Q值愈大，则幅频特性愈尖锐，即选频特性愈好。同时谐振时r的阻抗值Z0 = Rp也愈大。 p卜面进一步分析并联谐振时,LC回路中的电流情况。在谐振时，电容中电流的幅值为2CU- oLr2 十PoL 2而LC并联回路的输入电流为U则IcIlIL I此时在LC谐振回路中，电容支路的电流与电感支路的电流，其幅值近似相等，谐振回路的输入

17、电流极小，即谐振回路的外界影响可以忽略。这个结论对分析LC振荡电路也是极 为有用的。8. 3. 2变压器反馈式振荡电路、电路组成图8.3.3变压器反馈式振荡电路图8.3. 3中的正弦波振荡电路由放大、选频和反馈部分等组成。选频网络由 LC并联电路组成，反馈由变压器绕组 N2来实现。因此称为变压器反馈式振荡电路。首先分析电路是否满足产生振荡的个位平衡条件。假设断开图8.3.3中，并在放大电路输入端加信号Ui ,其频率为LC回路的谐振频率，此时放大管的集电极等效负载为一纯阻，设忽略其他电容和分布参数的影响，则集电极电压Uc与Ui反相。由于变压器同名端如图中所示，所以N2绕组又引入1800的相移，即

18、反馈电压 Uf与Uc反相，因此Uf与Ui同相。 因此电路满足相位平衡条件。二、振荡频率和起振条件从分析相位平衡条件的过程中清楚地看出，只有在谐振频率f0时，电路才满足振荡条件，所以振荡频率就是 LC回路的谐振频率，即12 二 LC r-RC可以证明，振荡电路的起振条件为：eRCMM为绕组N1和N2之间的互感，R是折合到谐振回路中的等效总损耗电阻。8。3。3电感三点式振荡电路、电路组成在实际工作中，为了避免确定变压器同名端的麻烦，也为了绕制线圈的方便，采用了自耦式的接法，所以通常称为电感三点式振荡电路。图中LC并联电路的下端3通过耦合电容Cb接三极管的基极 b,中间抽头2接至电源Vcc ,在交流

19、通路中2端接地，所以电感L2上的电压就是送回到三极管基极回路的反馈电压U f。假设a点处将电路断开，并加上输入信号 Ui。由于谐振时LC并联回路的阻抗为纯阻 性，因此集电极电压 Uc与Ui反相，即中A =1800。而L2上的反馈电压U f与Uc也反相， 即咚=180,所以电路满足相位平衡条件。二、振荡频率和起振条件如前所述，当谐振回路的 Q值很高时，振荡频率基本上等于LC回路的谐和振频率，即,11f =1-,（8。3 9）2二、LC 2二 L2 2M）C式中L为回路的总电感，其中 M为线圈L1与L2之间的互感。根据幅度平衡条件可以证明，起振条件为L L1 +M .rbe 。式中R为折合到管子集

20、L2 M R电极和发射极间的等效并联总损耗电阻。电感三点式振荡电路的特点是：1、由于线圈L和L2之间耦合很紧，因此比较容易起振。改变电感抽头的位置，即改变L/ 的比值，可以获得满意的正弦波输出，且振荡幅度较大。根据经验，通常可以选择 L1反馈线圈l2的圈数为整个线圈的18到14。2、调节频率方便。采用可变电容，可获得一个较宽的频率调节范围。3、由于反馈电压取自电感 L2 ,而电感对高次谐波的阻抗较大， 不能将高次谐波短路掉。因输出波形中含有较大的高次谐波，故波形较差。4、由于电感三点工振荡电路的输出波形较差，且频率稳定度不高，因此通常有于要求不高的设备中。8. 3. 4电容三点式振荡电路图8.

21、3.4电容三点式振荡电路为了获得良好的正弦波，可将图 8.3.4中电感Li、L2改用对高次谐波呈现低阻抗的电 容G、C2,同时将原来的电容 C改为电感L,以达到谐振的效果，这就是电容三点式振荡电路。为了构成放大管输出回路的直流通路，在电路中加了集电极负载电阻 Rc,如图8。3。5所示。通过耦合电容Cb接三极管的基极b,而2端接地，所以电容C2两端的电压就是反馈电假设将电路从a点处断开，通过分析当LC回路谐振时，Uf与Ui同相，电路满足相位平衡条件。同理，振荡频率基本功上等于LC回路的谐振频率，即fo12 二 LC（8。3。11）可以证明起振条件为一：Q rbeC1 R电容三点式振荡电路的特点：

22、1、由于反馈电路取自电容 C2,电容对于高次谐波阻抗很小，于是反馈电压中的谐波 分量很小，所以输出 波形较好。2、因为电容C1、C2容量可以选得较小，并将放大管的极间电容也计算到C1、C2中去，因此振荡频率较高，一般可以达到100MHz 以上。3、调节Ci或C2可以改变振荡频率，但同时会影响起振奋条件，因此这种电路适用于产生固定频率的振荡。如果要改变频率，可在L两端并联一个可变电容。通常选择两个电容之比为1 ,可通过实验调整来最后确定电容的比值。8. 3. 5电容三点式改进型振荡电路对于电容反馈式振荡电路 8。3。5来说，当要求振荡频率比较高时，电容C1、C2的数值比较小，但是在交流通路中，C

23、2并联在放大管的b、e之间，而C1并联在管子的c、e之间，因此，如果Ci、C2的容值小到可与三极管的极间电容相比拟的程度，此时管子的极间 电容随温度等因素的变化将对振荡频率产生显著的影响，造成振荡频率不稳定。为了克服上述缺点，提高频率的稳定性，在电感 L支路中串联一个电容 C,此时振荡频率的表示式为（8。3。13）在选择电容参数时，取C1、C2的容值较大以掩盖极间电容变化的影响，而使串联在L支路 中的C容值较小，即C C1, C C2则在式（8。3。13）中可将C1和C2忽略，说明C1和C2的容值对振荡频率的影响很小。此时振荡频率可近似表示为12二、L C由于f0基本上由LC确定，与G、C2的

24、关系很小，所以当三极管的极间电容改变时,45对f0的影响也就很小。这种电路的频率稳定度可达10 至M0 左右。8. 4石英晶体振荡器通过前面的介绍已知，LC谐振回路的品质因数 Q值的大小对LC振荡电路的性能影响很大。由图8.3.2可见，Q值愈大，LC并联电路的幅频特性曲线愈尖锐，即选频特性愈好；同时，相频特性在缶0附近也愈陡，即对应于同样的相位变化量中z来说，角频率的相对变 化量匕%0愈小，说明频率的稳定度愈高。由式（8。3。3）可知，LC回路的Q值为oL 1 L 二丁二 R C可见，为了提高LC回路的品质因数，应尽量减小回路的损耗电阻，并增大 LC值。但实际 上LC回路的L/值不能无限制地增

25、大。；因为如L值太大，电感的体积将要增加，线圈的 损耗电阻和分布电容也随之增大；如C选得太小，当并联的分布电容及杂散电容变化时，将对频率的稳定性产生显著影响，因此LC值有一定限制。一般LC回路的Q值最高可达数百。8. 4. 1石英晶体的基本特性和等效电路一、基本特性若在石英晶片的两级加上一个电场，晶片将会产生机械变形。相反，若在晶片上施加机械压力，则在晶片相应的方向上会产生一定的电场，这种物理现象称为压电效应。因此,当在晶片的两极上交变电压时，晶片将会产生机械变形振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片的机械振动的振幅和交变电场的振幅都非常小，只有在外加交变电压的频率为某一

26、特定频率时，振幅才会突然增加，比一般情况下的振幅要大得多，这种现象称为压电谐振，这和 LC回路的谐振现象十分相似，因此，石英晶体又称为石英谐振器，上述特定频率称为晶体的固有频率或谐振频率。二、等效电路图8.4.1石英谐振器等效电路石英谐振器的符号和等效电路如图8.4.1所示。当晶体不振动时，可以看成是一个平板电容器Co ,称为静电电容。Co与晶片的几何尺寸和电极面积有关,般约为几个皮法到几十皮法。当晶体振动时，有一个机械振动的惯性，用电感L来等效，一般L值为10 102 H。晶片的弹性一般以电容 C来等效，C值为10210pF 。 L、C的具体数值与晶体的切割方式，晶片和电极的尺寸、形状等有关

27、。晶片振动时，因磨擦而造成的损耗则用电阻等效，它的数值约为102建。由于晶片的等效电感 L很大，而等效电容 C很小，电阻R也小，因此回路的品质因数 Q很大，可达104 106 ,再加上晶片本身的固有频率只与晶片的几何尺寸有关，所以很稳定，而且可做得很精确。因此，利用石英谐振器组成振荡电路，可获得很高的频率稳定性。从石英谐振器的等效电路可知，这个电路有两个谐振频率，当L、C、R支路串联谐振时，等效电路的阻抗最小，串联谐振频率为fs 二 12二.LC（8。4。1）当等效电路并联谐振时，并联谐振频率为f p =CCo2二，L 0:C C。-fs1Co（8。4。2）由于C C0,因此fS和图8.4.2

28、石英谐振器的电抗频率特性fs与fp之间，石英谐振器图8.4.2示出了石英谐振器的电抗频率特性，由图可见，在 呈现出感性，而在此之外则呈现出容性。8. 4. 2 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路的形式是多样的，但其基本电路只有两类，即并联晶体振荡电路和串联晶体振荡电路和串联晶体振荡电路。前者石英晶体工作在 fS和fP之间，利用晶体作为一个电感来组成振荡电路，而后者则工作在串联谐振频率fS处，利用阻抗最小的特性来组成振荡电路。一、并联型石英晶体振荡电路振荡电路的选频网络由石英晶体和电容C1、C2组成。电路的交流等效电路R =%氐2。可知此电路相当于改进型的电容三点式振荡电路。因此，电路的振荡频率可

29、表示为fp式中C = C1C2CiC2（8。4。3）由式于式（8。似为f0之一1= = fs2二，LC（8。4。4）（8。4。3）可知，f0在fS与fP之间，此时石英晶体的阻抗呈感性。实际上，由4。3）中的C C0 +C因此在回路中起决定作用的是电容C,则谐振频率近上式表明，振荡频率基本上由晶体的固有频率fS所决定，而与C的关系很小，也就是说，由于电容Ci、C2不稳定而引起的频率漂移很小，因此振荡频率的稳定度很高。二、串联型石英晶体振荡电路利用石英晶体组成的串联型晶体振荡电路，晶体接在三极管T1、T2之间的正反馈电路中。当振荡频率等于晶体的串联谐振频率fs时，晶体的阻抗最小，且为纯阻。这时正反馈最强，相移为零，电路满足自激振荡条件。对于fs以外的其他频率，晶体的阻抗增大，相移不为零，不满足自激条件。因此振荡频率等于fs。调节电阻R可改变反馈的强弱，以便获得良好的正弦波输出。若 R值过大，即反馈量太小，电路不满足振幅平衡条件，不能振 荡。若R值过小，即反馈量太大，输出波形将产生非线性失真，甚至得到近似于矩形波的输出信号。由于晶体的固有频率与温度有关，因此石英谐振器只有在较窄的温度范围内工作才具有很高的频率稳定度。如果要求频率稳定度高于10止10，或工作环境的温度变化范围很宽时，应用高精度和高稳定度的晶体，并把它放大恒温槽中。