信号的产生及波形变换

1、 Task 6模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用第第6 6章章 功率放大电路功率放大电路 本章要点本章要点（1）正弦波振荡电路的组成及产生正弦波振荡的条件；（2）RC正弦波振荡电路的工作原理及振荡频率的计算方法；（3）变压器反馈式正弦波振荡电路的工作原理及振荡频率的计算方法； Task 6模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用（4）电感三点式正弦波振荡电路的工作原理及振荡频率的计算方法；（5）电容三点式正弦波振荡电路的工作原理及振荡频率的计算方法；（6）用集成时基电路555构成的矩形波发生器；（7）5G8038多种函数信号发生集成电路。 Task 6模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用6.16

2、.1正弦波振荡的基础知识正弦波振荡的基础知识 6.1.1 6.1.1 正弦波振荡的振荡条件正弦波振荡的振荡条件 （1 1）幅值平衡条件）幅值平衡条件 （2 2）相位平衡条件）相位平衡条件A+F=A+F=2n2n（n=0n=0、1 1、22） 模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用6.1.2 起振和稳幅 只要 , 输出信号就将逐渐增大，完成了电路的起振过程，振荡电路起振后，输出信号将随时间逐渐增大，当它的幅值大到一定程度后，由于放大管进入非线性工作状态，放大倍数降低，直到满足 的幅值平衡条件，电路达到稳幅振荡。 | 1AF | 1AF 模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用6.1.3 振荡电路的组成

3、和分类1振荡电路的组成1）放大电路：放大电路的作用是放大信号，否则信号会逐渐衰减，无法产生持续的振荡输出，同时给放大器提供能量，将直流电源的能量转化为特定频率的交流能量输出。2）反馈网络：反馈网络作用是形成正反馈，使电路满足正弦波振荡的相位平衡条件。3）选频网络：选频网络的作用是选出满足振荡条件的某单一频率的振荡信号，一般情况下，这个频率就是振荡电路的振荡频率，在许多振荡电路中选频网络和反馈网络为同一网络。4）稳幅环节：稳幅环节的作用是使振荡幅值确定，起稳幅作用。模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用2分类 正弦波振荡电路的分类是根据选频网络使用的元件类型不同分类的，其选频网络由RC元件组成，则

4、为RC正弦波振荡电路；若由LC元件组成，则为LC正弦波振荡电路；若由石英晶体组成，则为石英晶体振荡电路。模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用.1.振荡电路的分析方法对正弦波振荡电路工作原理的分析对正弦波振荡电路工作原理的分析, ,通常按以下步骤进行：通常按以下步骤进行：（1 1）检查电路是否具备正弦波振荡电路各组成部分，即是否具有放大环）检查电路是否具备正弦波振荡电路各组成部分，即是否具有放大环节、反馈环节、选频环节和稳幅环节。节、反馈环节、选频环节和稳幅环节。（2 2）检查静态工作点是否能保证放大电路正常工作。）检查静态工作点是否能保证放大电路正常工作。（3 3）分析电路是否满足正弦波振荡条

5、件，在正弦波振荡的二个条件中，）分析电路是否满足正弦波振荡条件，在正弦波振荡的二个条件中，关键是相位平衡条件。判断相位平衡条件时，通常采用关键是相位平衡条件。判断相位平衡条件时，通常采用“瞬时极性法瞬时极性法”，即，即断开反馈信号和放大电路输入端的连线，在放大电路断开点处，加对地瞬时断开反馈信号和放大电路输入端的连线，在放大电路断开点处，加对地瞬时极性为正的信号极性为正的信号u ui i ，并记作，并记作“”“”，经放大和反馈之后得反馈信号，经放大和反馈之后得反馈信号u uf f ，若，若在频率从在频率从0 0到到的范围内，存在某一频率为的范围内，存在某一频率为f fo o的反馈信号的反馈信号

6、u uf f，它的瞬时极性，它的瞬时极性与与 u ui i 一致，也是一致，也是“”“”，即为正反馈，则认为该电路满足正弦波振荡的相，即为正反馈，则认为该电路满足正弦波振荡的相位平衡条件。位平衡条件。模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用6.2 RC正弦波振荡电路6.2.1 RC串并联网络1.电路组成如图-2图图6-2 RC串并联网络串并联网络模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用2.工作原理RC串并联网络由R1、C1相串联，R2、C2相并联组成；输入信号U1加在串并联网络输入端，输出信号U2从R2、C2并联网络的二端取出，则输出电压U2 与输入电压U1之比定义为RC串并联网络的传输系数，记作F，

7、下面分析RC串并联网络的频率特性，在图6-2所示电路中，输入端输入幅度恒定的正弦电压U1，当U2频率变化时，U2的变化情况从两方面看：当频率较低时R11/C1，R21/C2公式，愈低，则1/C1愈大，U2的幅度愈小，且相移愈超前于U1，当近于零时，U2趋近于零。F接近+90；模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用6.2.2 RC串并联式正弦波振荡电路1电路的组成及工作原理电路的组成及工作原理图图6-5 RC串并联式正弦波振荡电路串并联式正弦波振荡电路模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用1电路的组成及工作原理电路的组成及工作原理 电路如图电路如图6-56-5所示；在图中集成运算放大器与电阻所示；在

8、图中集成运算放大器与电阻R1R1、RfRf构构成同相输入比例运算电路，成同相输入比例运算电路，RCRC串并联网络是电路中的选频串并联网络是电路中的选频和反馈网络。将图中的和反馈网络。将图中的K K点断开，引入瞬时极性为正的输点断开，引入瞬时极性为正的输入电压，可以断定出当入电压，可以断定出当f f= =f fo o时，时，A=0A=0，F=0F=0，所以，所以，A+A+F=0F=0为正反馈为正反馈, ,满足正弦波振荡的相位平衡条件满足正弦波振荡的相位平衡条件，由于当，由于当f f= =f fo o时，时，RCRC串并联网络的串并联网络的 , ,所以要求放大电路的所以要求放大电路的电压放大倍数不

9、小于电压放大倍数不小于3 3。模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用2振荡频率振荡频率由RC串并联网络确定，即 由上式可见改变R、C的取值，可以调节振荡频率。012fRC 3起振和稳幅1|3F | 1AF 因为当因为当f f= =f fo o时，时， , ,而起振条件而起振条件，所以要求电压放大器的电压放大倍数，所以要求电压放大器的电压放大倍数AfAf值应大值应大于于3 3，如果，如果Af3AfR， 所以上式化简为所以上式化简为 1LCZRjLC复阻抗为复阻抗为 ：谐振频率为谐振频率为 012fLC2.2.谐振时的阻抗谐振时的阻抗0LZRC模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用3.LC回路的品质因

10、素及其意义011LLQRRCRC0001LZQQLQCC并联谐振时，回路的谐振阻抗并联谐振时，回路的谐振阻抗Z0是支路电抗是支路电抗L或或1/C的的Q倍，倍，LC回路的回路的 Q 值值越大，谐振阻抗越大，谐振阻抗Zo越大，由于并联谐振电路电压相等，所以支路电流越大，由于并联谐振电路电压相等，所以支路电流IC或或IL要要比总电流比总电流Io大大Q倍。倍。模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用4.频率特性曲线如图如图6-10所示所示图图6-10 LC串并联谐振电路的频率特性串并联谐振电路的频率特性(a)幅频特性幅频特性 (b)相频特性相频特性模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用6.3.2变压器反馈式

11、LC振荡电路1.1.电路组成电路组成如图如图6-11所示所示 图图6-11 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用2.振荡条件和振荡频率相位平衡条件，相位平衡条件， 即反馈信号与输入信号同相，为正反馈，即反馈信号与输入信号同相，为正反馈， 谐振频率谐振频率 012fLC变压器反馈式变压器反馈式LC正弦波振荡电路的幅值条件容易满足，只要变压器的电正弦波振荡电路的幅值条件容易满足，只要变压器的电压比设计合适，一般都可满足幅值平衡条件。压比设计合适，一般都可满足幅值平衡条件。模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用3.电路特点变压器反馈式变压器反馈式LCLC正弦

12、波振荡电路的特点是电路结构简单，便于实正弦波振荡电路的特点是电路结构简单，便于实现阻抗匹配，容易起振，并且通过改变电容的大小，可以方便地调节现阻抗匹配，容易起振，并且通过改变电容的大小，可以方便地调节频率，但要注意变压器一次、二次绕阻间的极性，同名端不可接错，频率，但要注意变压器一次、二次绕阻间的极性，同名端不可接错，否则接成负反馈，电路就不能振荡。否则接成负反馈，电路就不能振荡。模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用6.3.3电感三点式LC正弦波振荡电路1.1.电路组成电路组成如图如图6-136-13 (a)(b)图图6-13 电感三点式正弦波振荡电路电感三点式正弦波振荡电路(a)电感三点式振

13、荡电路电感三点式振荡电路 (b)中间抽头电感示意图中间抽头电感示意图模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用2.振荡条件和振荡频率相位平衡条件：相位平衡条件： 反馈信号与输入信号同相，为正反馈反馈信号与输入信号同相，为正反馈 电路的振荡频率电路的振荡频率 ：012fLC其中：其中：L为谐振回路的等效电感，即为谐振回路的等效电感，即 是绕阻是绕阻N1与与N2之间的互感。之间的互感。3.3.电路特点电路特点 电感三点式电感三点式LC正弦波振荡电路，由于正弦波振荡电路，由于L1和和L2是采用自耦方式，耦合得是采用自耦方式，耦合得很紧很紧 ，电路容易起振，采用可变电容，电路容易起振，采用可变电容 ，可以很

14、方便地调节频率；在经常，可以很方便地调节频率；在经常需要改变频率的场合应用很广，但是由于反馈电压取之需要改变频率的场合应用很广，但是由于反馈电压取之L2，电感对高次，电感对高次谐波分量的阻抗大，所以输出波形中含较多的高次谐波、波形较差。谐波分量的阻抗大，所以输出波形中含较多的高次谐波、波形较差。模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用6.3.4电容三点式LC正弦波振荡电路1.电路组成，如图电路组成，如图-1414图图6-14 电容三点式电容三点式LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用2.振荡条件和振荡频率相位平衡条件相位平衡条件 :输入信号与反馈信号相位相同为正反馈输

15、入信号与反馈信号相位相同为正反馈 电路的振荡频率电路的振荡频率: 012fLC其中：其中：C C为为LCLC谐振回路总的等效电容，其值为谐振回路总的等效电容，其值为1212C CCC C 3.3.电路特点：电路特点：输出波形较好，但振荡频率不稳定，其改进电路输出波形较好，但振荡频率不稳定，其改进电路 如图如图-1515所示：所示：模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用图图6-15 电容三点式改进型正弦波振荡电路电容三点式改进型正弦波振荡电路该电路的振荡频率较稳定。该电路的振荡频率较稳定。 模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用6.3.5 6.3.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器1. 石英晶体的结构

16、和符号石英晶体的结构和符号 石英晶体是二氧化硅（石英晶体是二氧化硅（SiO2）结晶体，从石英晶体上按一定的方位角切割的）结晶体，从石英晶体上按一定的方位角切割的薄片称为石英晶片薄片称为石英晶片 ，其形状可以是正方形、长方形、圆形等，在晶片的两个对，其形状可以是正方形、长方形、圆形等，在晶片的两个对应面上涂敷银层作为电极，从每个电极上引出一根引线，再用金属外壳或玻璃应面上涂敷银层作为电极，从每个电极上引出一根引线，再用金属外壳或玻璃壳封装起来，其结构图及符号如图壳封装起来，其结构图及符号如图6-16所示。所示。图图6-16 石英晶体结构和符号石英晶体结构和符号(a)结构结构 (b)符号符号模拟电

17、子技术与应用模拟电子技术与应用2.石英晶体的谐振特性与等效电路 若在石英晶体的两个电极间加上一个电压，则晶片会产生相应的机械变形，若在石英晶体的两个电极间加上一个电压，则晶片会产生相应的机械变形，相反若在晶片上施加机械压力，则在二个电极之间会产生相应的电场，这种现象相反若在晶片上施加机械压力，则在二个电极之间会产生相应的电场，这种现象称为压电效应，若在晶片二极加上交变电压时，晶片就会产生机械变形振动，同称为压电效应，若在晶片二极加上交变电压时，晶片就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，一般情况下，这种机械振动的振幅是比时晶片的机械振动，又会产生交变电场，一般情况下，这种机

18、械振动的振幅是比较小的，但是当外加交变电场的频率为某一特定频率时，机械振动的幅值会急剧较小的，但是当外加交变电场的频率为某一特定频率时，机械振动的幅值会急剧增加，比一般情况下的振幅大很多，这种现象称石英晶体的压电谐振，这个特定增加，比一般情况下的振幅大很多，这种现象称石英晶体的压电谐振，这个特定频率称为石英晶体的固有频率或谐振频率频率称为石英晶体的固有频率或谐振频率 。图图6-17石英晶体石英晶体的等效电路和频率特（的等效电路和频率特（a）等效电）等效电路路 (b)频率特性频率特性(a) (b)模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用3.谐振频率当当R、L、C支路发生串联谐振时，串联谐振频率：支路

19、发生串联谐振时，串联谐振频率：12sfLC当等效电路并联谐振时，并联谐振频率：当等效电路并联谐振时，并联谐振频率：000112pSCffCC CLCC4.4.石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路1）并联型晶体振荡电路）并联型晶体振荡电路 如图如图6-18（a）所示，）所示， 当频率在当频率在fs与与fp之间时，石英晶体电抗呈电感性，晶体在电路中起电感之间时，石英晶体电抗呈电感性，晶体在电路中起电感作用，与电容作用，与电容C1、C2组成电容三点式振荡电路。组成电容三点式振荡电路。模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用 (a)并联型石英晶体振荡电路并联型石英晶体振荡电路 (b)串联型石英晶体振荡电路串联

20、型石英晶体振荡电路图图6-18 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路2）串联型晶体振荡电路）串联型晶体振荡电路电路在电路在f=fs时，产生振荡，振荡频率为时，产生振荡，振荡频率为f=fs。模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用6.4 用集成时基电路555构成的矩形波发生器6.4.1电路组成电路组成如图如图6-19所示所示 （a）电路图）电路图 （b） 工作波形工作波形图图6-19 由由555定时器构成的多谐振荡器定时器构成的多谐振荡器模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用6.4.2 工作原理 接通电源，电容接通电源，电容C C两端电压较低，两端电压较低，VTVT截止，电路输出为高电平，处于截止，电路输

21、出为高电平，处于第一暂稳态。随着第一暂稳态。随着V VCCCC对对C C充电的进行，当充电的进行，当u uC CVTVT导通，输出变为低电平，电路进入第二暂稳态。导通，输出变为低电平，电路进入第二暂稳态。32VCCVCC时时， 触发器置触发器置0，此时，此时，C C开始放电，开始放电，u uC C下降，当下降，当u uC C31电路输出翻转为高电平，回到第一暂稳态。电路输出翻转为高电平，回到第一暂稳态。V VCCCC又开始对又开始对C C充电，重复以上过程。充电，重复以上过程。VCCVCC时，触发器又被置时，触发器又被置1 1，VTVT截止，截止，C放电所需要的时间为放电所需要的时间为tw1=

22、0.7R2CC充电所需要的时间为充电所需要的时间为tw2=0.7(R1+ R2)C输出信号的振荡周期为输出信号的振荡周期为 T= tw1+tw2模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用6.5 8038多种函数信号发生集成电路6.5.1 8038的工作原理的工作原理如图如图6-20所示所示 图图6-20 8038的原理电路框图的原理电路框图模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用在图6-20中，电压比较器C1和C2的门限电压分别2UR/3和UR /3。其中，UR=VCC+VEE。电流源I1 和I2的大小可通过外接电阻调节，且I2必须大于I1。当触发器的Q端输出为低电平时，它控制开关S使电流源I2断开。而

23、电流源I1则向外接电容C充电，使电容两端电压uC随时间线性上升，当uC上升到uC=2UR/3时，比较器C1的输出发生跳变，使触发器Q端检出由低电平变为高电平时，它控制开关S使电流源I2接通。由于I2I1，因此电容C放电, uC随时间线性下降。当uC下降到uCUR/3时，比较器C1的输出发生跳变，使触发器输出端Q又由高电平变为低电平，I2再次断开，I1再次向C充电，uC又随时间线上升。如此周而复始，产生振荡。若I2=2I1，uC上升时间与下降时间相等，就产生三角波输出到3管脚。而触发器输出的方波，经缓冲器输出到9管脚。三角波经正弦波变换器变成正弦波后由2管脚输出。当I1I22 I1时, uC的上升时间与下降时间不相等,3管脚输出锯齿波.因此,8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波四种不同的波形。模拟电子技术与应用模拟电子技术与应用6.5.2 8038的典型应用8038的管脚排列如图的管脚排列如图6-21所示。由图所示。由图6-21可见，可见，8管脚为调频电压控制的输入端，管脚为调频电压控制的输入端，7管脚输出调频偏置电压，其值是（管脚输出调频偏置电压，其值是（VCC +VEE）/5，它可成，它可成8管脚的输入电