第 四 章 波 形 發(fā) 生 電 路

第四章

波形發(fā)生電路379§４－２ＬＣ正弦波振蕩電路§４－１正弦波振蕩電路基本原理§４－３石英晶體振蕩電路§４－４非正弦波發(fā)生電路學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握正弦波振蕩電路產(chǎn)生自激振蕩的條件及其判斷方法。2.了解RC橋式振蕩器的特點(diǎn)和工作原理，會裝配和調(diào)試RC橋式振蕩器。3.熟悉電感三點(diǎn)式、電容三點(diǎn)式等LC振蕩電路的組成，會裝配和調(diào)試LC振蕩器。4.了解石英晶體振蕩器的特點(diǎn)和頻率穩(wěn)定的原理，會裝配和調(diào)試石英晶體振蕩器。5.了解主要的非正弦信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)與工作原理，掌握方波、三角波發(fā)生器的仿真實(shí)驗(yàn)方法。381在電子電路中，常常需要各種波形作為測試或控制信號，波形發(fā)生電路就是用來產(chǎn)生一定頻率、一定幅度和一定變化特性交流信號的電路，它在測量、通信和自動控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本章所介紹的波形發(fā)生電路，包括正弦波振蕩電路和非正弦波發(fā)生電路。382§4-1

正弦波振蕩電路基本原理383能產(chǎn)生正弦波信號的振蕩電路稱為正弦波振蕩電路，它廣泛應(yīng)用于多種電子設(shè)備中，例如無線電發(fā)射機(jī)中的載波信號源、超外差收音機(jī)中的本振信號源、數(shù)字系統(tǒng)中的時(shí)鐘信號源、微波爐中的高頻信號源和半導(dǎo)體接近開關(guān)等。384一、正弦波振蕩電路的基本組成如圖所示為正弦波振蕩電路的組成框圖。385正弦波振蕩電路組成框圖由圖可以看出，正弦波振蕩電路由一個(gè)基本放大電路和一個(gè)正反饋電路（或稱正反饋網(wǎng)絡(luò)）組成。但要產(chǎn)生單一頻率的正弦波，還必須有選頻電路（或稱選頻網(wǎng)絡(luò)）。此外，還要有穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，以保證輸出信號的穩(wěn)定。對于分立元件組成的振蕩電路，常常依靠晶體管的非線性和引入負(fù)反饋來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅作用。386二、自激振蕩的條件由于自激振蕩電路無須外加信號而是用反饋信號作為輸入信號，因此要形成等幅振蕩必須保證每次回送的反饋信號與原輸入信號完全相同，即不僅要振幅相同，而且相位也要相同，所以振蕩電路的自激振蕩條件實(shí)際應(yīng)包含以下兩個(gè)方面：1.振幅平衡條件2.相位平衡條件387三、分立元件組成的RC橋式振蕩電路電路如圖所示，其中VT1和VT2組成兩級共射放大電路，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)既是正反饋網(wǎng)絡(luò)又是選頻網(wǎng)絡(luò)，RP、Rf、R5引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，起穩(wěn)幅作用。388分立元件組成的RC橋式振蕩電路1.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻作用在RC橋式振蕩電路中，一個(gè)正反饋支路和一個(gè)負(fù)反饋支路恰好形成電橋的4個(gè)橋臂，如圖所示，RC橋式振蕩電路的名稱即由此而來。389RC橋式振蕩電路2.電路工作原理電路輸出信號經(jīng)過R1、C1、R2、C2串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)反饋到輸入端，相移為零，形成正反饋，滿足相位平衡條件；同時(shí)，兩級放大器也很容易滿足幅度平衡條件（A=3），所以電路很容易起振。電路的振蕩頻率取決于選頻網(wǎng)絡(luò)中R1、C2、R2、C2的數(shù)值。當(dāng)R1=R2=R、C1=C2=C時(shí)，電路的振蕩頻率為390391RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性a)幅頻特性b)相頻特性3.穩(wěn)幅環(huán)節(jié)電路中RP、Rf、R5構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋，不僅可以降低放大器的放大倍數(shù)，提高放大器的穩(wěn)定性，還能提高輸入電阻，降低輸出電阻，并起到穩(wěn)幅的作用。但必須注意，若負(fù)反饋量過大，會使電路停振；反之，若負(fù)反饋量過小，輸出信號幅度過大，則容易引起波形失真。392§4-2

LC正弦波振蕩電路393RC橋式振蕩電路適用于產(chǎn)生幾百赫茲以下的正弦波信號，如果需要更高頻率的正弦波信號，可采用LC正弦波振蕩電路。常用的LC正弦波振蕩電路有變壓器反饋式、電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式三種，它們的共同特點(diǎn)是都采用LC并聯(lián)諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)。394一、LC并聯(lián)電路的選頻特性LC并聯(lián)電路如圖所示，其中r是電感線圈L的等效損耗電阻。如圖所示分別為LC并聯(lián)電路的阻抗頻率特性曲線和相位頻率特性曲線。395LC并聯(lián)電路LC并聯(lián)電路的選頻特性a)阻抗頻率特性

b)相位頻率特性二、變壓器反饋式LC振蕩電路一般來說，LC正弦波振蕩電路也包括基本放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)等組成部分。如果利用一個(gè)變壓器與LC選頻網(wǎng)絡(luò)耦合，將反饋信號送到放大電路的輸入端，這樣組成的振蕩電路稱為變壓器反饋式LC振蕩電路。3961.共射變壓器反饋式LC振蕩電路電路如圖所示，采用瞬時(shí)極性法判斷電路是否滿足相位平衡條件，假設(shè)三極管輸入信號瞬時(shí)極性為“+”，由于LC回路諧振時(shí)為純阻性，因此三極管集電極瞬時(shí)極性為“

”，反饋線圈L1的同名端瞬時(shí)極性為“

”，反饋到輸入端，與輸入信號極性相同，滿足相位平衡條件。397398共射變壓器反饋式LC振蕩電路一般情況下，只要三極管的電流放大系數(shù)β合適，L1與L的匝數(shù)比合適，即可滿足振幅平衡條件。該電路振蕩頻率為共射變壓器耦合式LC振蕩電路功率增益高，容易起振，但由于共射電流放大系數(shù)隨工作頻率的增高而急劇降低，所以當(dāng)改變頻率時(shí)，振蕩幅度將隨之變化，因此常用于固定頻率的場合。3992.共基變壓器反饋式LC振蕩電路該電路如圖所示，仍采用瞬時(shí)極性法判斷電路能否起振。共基變壓器耦合式LC振蕩電路輸出波形較好，振蕩頻率調(diào)節(jié)方便，一般采用固定電感與可變電容配合調(diào)節(jié)。400共基變壓器反饋式LC振蕩電路三、三點(diǎn)式LC振蕩電路在變壓器反饋式LC振蕩電路中，由于輸出信號與反饋信號靠磁路耦合，因而耦合不緊密，損耗較大。為了克服這一缺點(diǎn)，加強(qiáng)諧振效果，可直接采用從LC選頻網(wǎng)絡(luò)引出反饋信號的三點(diǎn)式振蕩電路。三點(diǎn)式LC振蕩電路分為電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式兩種。它們的共同點(diǎn)是：在交流通路中，LC諧振回路的三個(gè)引出端分別與三極管的三個(gè)極相連，且與發(fā)射極相連的為兩個(gè)相同性質(zhì)的電抗（同為電感或同為電容），與基極相連的為兩個(gè)相反性質(zhì)的電抗（一個(gè)為電感，一個(gè)為電容），這一接法俗稱“射同基反”。凡是按這一法則連接的三點(diǎn)式振蕩電路，必定滿足相位平衡條件，否則不可能起振。4011.電感三點(diǎn)式振蕩電路如圖a、b所示分別是電感三點(diǎn)式振蕩電路和交流通路。由圖可見，接法符合“射同基反”原則。如圖c所示是集成運(yùn)放組成的電感三點(diǎn)式振蕩電路。402電感三點(diǎn)式振蕩電路a)分立元件組成的電路

b)交流通路

c)集成運(yùn)放組成的電路2.電容三點(diǎn)式振蕩電路如圖所示是電容三點(diǎn)式振蕩電路及交流通路，其電路工作原理的分析與電感三點(diǎn)式振蕩電路相似，振蕩頻率為403電容三點(diǎn)式振蕩電路a)分立元件組成的電路

b)交流通路

c)集成運(yùn)放組成的電路3.改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路為了減小三極管極間電容的影響，提高電容三點(diǎn)式振蕩器的頻率穩(wěn)定性，常采用如圖所示的改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路。404改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路a)電路圖b)交流通路§4-3

石英晶體振蕩電路405在一般振蕩電路中，盡管采取了多種穩(wěn)頻措施，其頻率穩(wěn)定度也只能達(dá)到10－3~10－5數(shù)量級。當(dāng)要求頻率穩(wěn)定度高于10－5數(shù)量級時(shí)，就需要采用石英晶體振蕩器，例如，標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器、脈沖計(jì)數(shù)器和計(jì)算機(jī)時(shí)鐘信號發(fā)生器等。如圖所示為計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡上的石英晶體振蕩器。406計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡上的石英晶體振蕩器一、石英晶體的特性石英晶體振蕩器極高的頻率穩(wěn)定度與石英晶體本身的特性有關(guān)。將天然的石英晶體按一定方向切割成很薄的晶片，再將晶片的兩個(gè)相對表面拋光、鍍銀，并引出兩個(gè)電極，加以封裝就構(gòu)成石英晶體振蕩器，簡稱晶振。其結(jié)構(gòu)、圖形符號與外形如圖所示。407石英晶體振蕩器a)結(jié)構(gòu)

b)圖形符號

c)外形1.壓電效應(yīng)和壓電諧振當(dāng)在石英晶體兩極間加上交變電場時(shí)，晶片將會產(chǎn)生相應(yīng)頻率的機(jī)械變形；反之，當(dāng)施加機(jī)械力使晶片產(chǎn)生機(jī)械振動時(shí)，晶片兩極間也會出現(xiàn)相應(yīng)的交變電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。一般情況下，無論是機(jī)械振動還是交變電場，其幅度都很小。但是當(dāng)外加交變電場的頻率與石英晶體的固有頻率相當(dāng)時(shí)，機(jī)械振動的振幅會驟然增大，產(chǎn)生共振，這就是石英晶體的壓電諧振。產(chǎn)生壓電諧振時(shí)的頻率稱為石英晶體的諧振頻率。4082.等效電路和振蕩頻率石英晶體的等效電路如圖a所示。409石英晶體的等效電路和頻率特性a)等效電路

b)頻率特性二、石英晶體振蕩電路1.并聯(lián)型石英晶體振蕩電路如果用石英晶體取代電容三點(diǎn)式振蕩器中的電感，就得到并聯(lián)型石英晶體振蕩電路，如圖a所示。如圖b所示為它的交流通路。石英晶體在回路中起電感的作用，即振蕩頻率在fs與fp之間。電容C1、C2對頻率的影響很小，所以頻率的穩(wěn)定度很高。410411并聯(lián)型石英晶體振蕩電路a)電路圖

b)交流通路2.串聯(lián)型石英晶體振蕩電路圖所示為串聯(lián)型石英晶體振蕩電路。412串聯(lián)型石英晶體振蕩電路§4-4

非正弦波發(fā)生電路413除了正弦波外，非正弦波的應(yīng)用也很廣泛。常用的非正弦波有矩形波（方波）、三角波和鋸齒波等。一、方波發(fā)生電路方波發(fā)生電路及波形如圖所示。電路是由遲滯比較器和RC充放電回路兩部分組成，雙向穩(wěn)壓二極管對輸出電壓起穩(wěn)幅作用。1.工作原理假設(shè)開始時(shí)uN=uC(t)=0，且uo=UZ，則門限電壓為414415方波發(fā)生電路及波形a)輸出端對電容充電

b)電容向輸出端放電

c)電容電壓uC波形及輸出電壓uo波形2.振蕩周期及其調(diào)節(jié)方波周期與電容C的充放電時(shí)間有關(guān)，估算式為改變Rf、C或R1、R2，即可改變方波的周期。若將電路適當(dāng)改動，使電容充、放電時(shí)間不等，則輸出信號便為不同周期的矩形波。416二、三角波發(fā)生電路三角波發(fā)生電路如圖所示。電路由遲滯比較器和積分電路兩部分組成。41