第7章信号产生与变换电路

1、7.1 正弦波振荡电路的基本概念正弦波振荡电路的基本概念7.2 RC串并联正弦波振荡电路串并联正弦波振荡电路7.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器7.5 非正弦信号发生器非正弦信号发生器7.6 振荡电路的调试与制作示例振荡电路的调试与制作示例本章教学目标本章教学目标1 1、掌握振荡电路和自激振荡电路的振幅平衡条件、相位平衡掌握振荡电路和自激振荡电路的振幅平衡条件、相位平衡条件，熟悉振荡电路的组成和分析方法。会用振荡电路起振条件，熟悉振荡电路的组成和分析方法。会用振荡电路起振条件判断电路是否起振。了解表征频率稳定性的主要参数：条件判断电路是否起振。了解表征频

2、率稳定性的主要参数：频率准确度、相对频率准确度的含义。频率准确度、相对频率准确度的含义。 2、了解、了解RC串并联网络频率特性。熟悉文氏桥式正弦波振荡串并联网络频率特性。熟悉文氏桥式正弦波振荡电路组成。掌握振荡频率估算方法。熟悉起振条件和稳幅措电路组成。掌握振荡频率估算方法。熟悉起振条件和稳幅措施。施。本章教学目标本章教学目标3、了解、了解LC并联回路的频率特性，熟悉变压器反馈式、电感并联回路的频率特性，熟悉变压器反馈式、电感三点式、电容点式及其改进型振荡电路组成、起振条件和频三点式、电容点式及其改进型振荡电路组成、起振条件和频率估算方法。率估算方法。 4、了解石英晶体结构和晶体压电效应原理，

3、熟悉石英谐振了解石英晶体结构和晶体压电效应原理，熟悉石英谐振器电路符号和晶体振荡电路组成。器电路符号和晶体振荡电路组成。 5、选学非正弦信号发生器电路。选学非正弦信号发生器电路。 6、选学振荡电路调试。选学振荡电路调试。 信号产生电路是一种不需外加激励信号就能将直流能源转换成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出的电路。它又称为振荡器（Oscillator）或波形发生器。波形发生器按输出信号的波形不同分为正波波发生器（又称正弦振荡器 Sinusoidal oscillator）和非正弦波发生器（又称张弛振荡器Relaxation oscillator）。正弦波发生器在测量、通信、无线电

4、技术、自动控制和热加工、音频、视频设备等领域有着广泛的应用。非正弦波发生器在测量仪器、数字系统和自动控制系统中的应用广泛。 波形变换电路是根据实际需要将输入信号变换成特定的波形。 7.1.1 7.1.1 产生自激振荡的条件产生自激振荡的条件 正弦波振荡电路框图如图7.1.1所示。 1原理框图原理框图图7.1.1 正弦波振荡电路的框图 其中A是放大电路，F是反馈网络。由图可知，产生振荡的基本条件是反馈信号与输入信号大小相等、相位相同。0UFUfidUAU0当 时，必有idfUU1FA7.1 7.1 正弦波振荡电路的基本概念正弦波振荡电路的基本概念 2振荡平衡条件振荡平衡条件(1) 振幅平衡条件振

5、幅平衡条件（Amplitude equilibrium condition） =1称为 振荡电路产生振荡时的振幅平衡条件，即放大倍数与反馈系数乘积的模为1。它表示反馈信号与原输入信号 的幅度相等。aAAfFF1faFAFAFA(2) 相位平衡条件相位平衡条件（Phase equilibrium condition） (n=0,1,2,3)称为振荡电路产生振荡时的相位平衡条件，即放大电路的相移与反馈网络的相移之和为2n，引入的反馈为正反馈，反馈端信号与输入端信号同相。 nfa2设 ， 则得 得到振荡的两个条件：7.1.2 7.1.2 起振与稳幅起振与稳幅 1起振条件起振条件 振荡的平衡条件是指振

6、荡电路已进入振荡的稳定状态而言的，为使电路接通直流电源后能自动起振，必须满足振幅起振条件和相位起振条件：(1)振幅起振条件：幅度上 ，即 (2) 相位起振条件：反馈电压与输入电压同相，即 （n=0,1,2,3）idfUUFA1nfa2 2起振稳幅过程起振稳幅过程 当振荡电路接通电源时，电路中就会产生微小的不规则的噪声和电源刚接通时的冲击信号，它们包含从低频到甚高频的各种频率的谐波成分，其中必有一种频率信号f0能满足相位平衡条件。 如果电路的放大倍数足够大，能满足|AF|1的条件。微小信号经过正反馈，不断地放大，输出信号在很短时间内就由小变大，使振荡电路起振。 7.1.3 振荡电路的组成与分析方

7、法振荡电路的组成与分析方法 一、振荡电路的组成一、振荡电路的组成 正弦波振荡电路具有能自行起振且输出稳定的振荡信号的特点，一般必须由以下几部分组成。 1放大电路 具有信号放大作用，将电源的直流电能转换成交变的振荡能量。 2反馈网络 形成正反馈以满足振荡平衡条件。 3选频网络(Frequency-selective nework) 选择某一频率f0的信号满足振荡条件，形成单一频率的振荡。 4稳幅电路(Amblitude stability circuit) 使幅度稳定并改善输出波形。常用的有两种稳幅措施，一种是利用振荡管特性的非线性（截止或饱和）实现稳幅，称为内稳幅；另一种是利用外加稳幅电路实现

8、稳幅，称为外稳幅，这时，振荡管工作在线性放大区。二、振荡电路的分析方法二、振荡电路的分析方法 对于一个振荡电路，首先要判断它能否产生振荡。对于能振荡的电路，其振荡频率可根据选频网络的参数进行计算。为保证振荡电路的起振，必须根据起振条件来确定电路元器件的参数。判断电路能否产生振荡的步骤如下：判断电路能否产生振荡的步骤如下： (1)检查电路的基本环节，一般振荡电路应具有放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅电路等环节，缺一不可。(2)检查放大电路的静态工作是否合适。(3)检查电路是否引入正反馈，即是否满足相位平衡条件，如不能满足，肯定不能产生振荡。(4) 判断电路是否满足振幅起振条件,具体方法是：分别

9、求解电路 和 ，然后判断 是否大于1。AFFA三、振荡器的频率稳定性三、振荡器的频率稳定性 在实际应用中，总希望振荡器频率稳定不变。但由于受环境温度及元件老化等影响，振荡频率或多或少会发生变化。振荡器频率的稳定性指标用频率稳定度和频率准确度来衡量。 频率准确度（Frequency accuracy）又称频率精度，可用两种方法表示。 1. 频率准确度频率准确度 （1）绝对频率准确度）绝对频率准确度f f 是指一定条件下，实际振荡频率与标称频率之间的偏差值，即 f=ff0 （2 2）相对频率准确度）相对频率准确度 相对频率准确度指绝对频率差值f与标称频率的比值，即 f / f0= ff0 / f0

10、 (1)频率稳定度（Frequency stability）是指在一定观测时间内，由于各种因素引起振荡频率相对于标称频率变化的程度。 (2)根据观察时间长短，将频率稳定度分为长期（一天以上），短期（观测时间一天以内）和瞬时频率稳定度（秒或毫秒内频率变化）。 (3)频率稳定度用10_n来表示，方次绝对值越大，频率稳定度越高。2 2. 频率稳定度频率稳定度7.1.4 正弦波振荡电路的分类正弦波振荡电路的分类 1. RC振荡电路 RC振荡电路的选频网络由R、C元件组成。根据选频网络的结构和连接方式的不同，又可分为文氏电桥振荡电路（Wien bridge RC oscillator）、移相式（Phas

11、e shift RC oscillator）和双T式RC振荡电路（Twin T-RC oscillator）等。RC振荡电路工作频率较低，一般频率范围为1Hz1MHz，常采用外稳幅电路，用于低频电子设备中。 根据选频网络的不同，正弦波振荡电路一般可分为以下三种类型。7.1.4 正弦波振荡电路的分类正弦波振荡电路的分类 2. LC振荡电路 LC振荡电路的选频网络由L、C元件组成。它又可分为变压器反馈式（Transformer feedback oscillator）、电感三点式（Hartley oscillator）和电容三点式（Colpitts oscillator）三种。LC振荡电路工作频率

12、较高，一般在1MHz以上。放大器可以工作在非线性区实现内稳幅，常用于高频电路和设备中。 7.1.4 正弦波振荡电路的分类正弦波振荡电路的分类 3. 石英晶体振荡电路 石英晶体振荡电路（Quartz crystal oscillator）的选频作用是依靠石英谐振器（Quartz crystal resonator）来完成的。根据石英晶体谐振器的工作状态和连接方式的不同又可分为串联型和并联型两种。这种振荡器的工作频率取决于石英晶体的振荡频率，频率稳定度高，多用于时基电路和电子测量仪器设备中。 7.2 RC串并联正弦波振荡电路串并联正弦波振荡电路 RC串并联正弦波振荡电路如图7.2.1 a所示。图中

13、集成运放A构成同相比例放大电路，反馈网络由RC串并联网络组成，因它与Rf、R3构成电桥形式，如图7.2.1 b所示，故称文氏桥式RC振荡电路(Wien bridge RC oscillator)。 图7.2.1 RC文氏桥式振荡器 在集成运放同相输入端与选频网络连线K处断开，设同相输入端的瞬时极性为（+），则输出端为（+），在K处瞬时极性为（+），RC串并联网络构成正反馈电路，满足相位平衡条件。 RF、R3将运放接成同相比例放大电路即电压串联负反馈电路，以满足振幅平衡条件。 为了对这种振荡器的起振条件进行分析，下面先介绍RC串并联网络的频率特性。 2振荡判断振荡判断 为了便于分析，将图7.2.

14、1中的选频网络单独画在图7.2.2上。图中R1=R2=R，C1=C2=C。7.2.1 RC串并联网络的频率特性串并联网络的频率特性 图7.2.2 RC串联联网络 RC并联电路的阻抗为 CjRCjcjRZ11111RCjRCjRcjRZ11122222RC串联电路的阻抗为 当输入端输入正弦波电压时，电路的输出电压为，电路的传输函数（即振荡电路中的反馈系数）为RCjRcjRcjRCjRZZZUUFf1112120 )1(31RCRCj 令 , 0 是电路的谐振角频率。则上式可改写为 )(31)(310000ffffjjFRC10 (1) RC串并联选频网络的幅频特性 20020)(31ffffUU

15、FFf (2) RC串并联选频网络的相频特性为)(31ffffarctgoo 图7.2.3 RC串并联网络的频率特性7.2.2 7.2.2 RC串并联正弦波振荡电路串并联正弦波振荡电路 当串并联选频网络在f=f0时，Uf最大，相移=0o，因此，采用同相放大器，就能满足相位平衡条件。 一、一、振荡频率计算振荡频率计算 RCfo21 可见，改变R、C的参数值，就可调节振荡频率。为了同时改变图7.2.1中的R1、R2值或C1、C2值，一般采用双联电位器或双联电容器来实现。 当R1=R2=R，C1=C2=C时，RC串并联 正弦波振荡电路的振荡频率为 二、二、 起振条件起振条件 当 f=f0、 F =|

16、 |=1/3,根据起振条件| |1，要求图7.2.1所示Rf、R3构成电压串联负反馈电路的电压放大倍数Af=1+Rf/R33。即Rf2R3就能顺利起振。FFA例7.2.1 图6.2.1所示电路中，若R1=R2=100，C1=C2=0.22F，R3=10k，求振荡频率以及满足振荡条件的Rf的值。 解：由求振荡频率公式可得： ZZoKHHRCf23. 71022. 010014. 321216 要满足起振条件，则Rf2R3，故Rf 210k=20k，Rf取大于20k电阻。三、三、稳幅措施稳幅措施 如图7.2.4所示电路是利用二极管的非线性自动完成稳幅的。在负反馈电路中，二极管VD1、VD2与R4并

17、联，只要有信号输出总有一个二极管导通，放大倍数为：34)/(1RRRrAfdf(1) 二极管稳幅二极管稳幅 式中，rd为二极管VD1、VD2导通时的动态电阻。 图7.2.4 利用二极管稳幅RC振荡电路 振荡电路刚起振时，输出电压较小，二极管正向偏置电压小，二极管正向交流电阻较大，负反馈较弱，使| |大于3，满足起振条件。当输出电压增大时，通过二极管的电流相应增大，导致二极管动态电阻rd减小，负反馈增强，使| |减小，从而达到自动稳定输出幅度的目的。 FAFA 除二极管外，还可用热敏电阻进行稳幅。为此，把图7.2.1中的负反馈电阻Rf换成负温度系数的热敏电阻，就能达到稳幅的目的。即振荡电压振幅增

18、加时，流过Rf的电流增加，导致Rf中的功率增加而使温度上升，从而使Rf阻值减小，同相放大器增益下降。 (2)热敏电阻稳幅 电路如图7.2.5所示。图中，场效应管V1的漏源电阻RDS和R3串联后代替图7.2.1中的R3，负反馈网络由RP3、RDS、R3组成。 输出电压经二极管VD1整流和R4、C4滤波后，通过R5和RP4为场效应管提供与振荡振幅成比例的负栅压UGS，调整RP4，使场效应管工作在变阻区，它的RDS成为受UGS控制的可变电阻。 当振荡电路输出幅值增大，|UGS|也随之增大（即UGS变负），管子的RDS增大，负反馈增强，放大倍数Au减小。 (3)场效应管稳幅 图7.2.5 利用场效应稳

19、幅的文氏电桥式振荡电路7.2.3 RC串并联正弦波振荡电路的特点串并联正弦波振荡电路的特点 RC串并联正弦波振荡电路具有电路简单，易于起振的优点，适用于f01MHz的场合。缺点是频率调节不方便，振荡频率不高。 7.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路的选频网络为LC并联回路，它主要用于产生高频正弦波信号。 7.3.1 LC并联回路的频率特性并联回路的频率特性 LC并联回路如图7.3.1所示。图中R表示电感和电路其它损耗的总等效电阻，IS为幅值不变、频率可变的正弦波电流源信号。图7.3.1 LC并联回路图7.3.1中LC并联回路总阻抗Z为一般情况下，L R，故上式可简化为)(

20、1)(1LjRcjLjRcjZ)1()1(1CLjRCLCLjRLjcjZ一、谐振频率一、谐振频率 当虚部为零时即L =1/(c )时，电路发生并联谐振，电路呈纯电阻性，令并联谐振角频率为0，即LC10LCfo21谐振频率为 并联谐振时阻抗Z0为最大，且 谐振回路品质因数 故 RCLZ0CLRCRRLQ1100CLQCQLQZ000 LC并联回路谐振时，阻抗呈纯阻性，且Q值越大，谐振时阻抗Z0越大。 二、谐振时的回路阻抗二、谐振时的回路阻抗三、三、LC并联回路的选频特性并联回路的选频特性引入Q后，将Z改写为)(1000jQZZ 相应的幅频特性和相频特性如图7.3.2所示。 （a）幅频特性 （b

21、)相频特性图7.3.2 LC并联回路的频率特性 由图7.3.2可见，当信号频率f=f0时，Z最大且为纯阻性，=0o。 当ff0时，Z减小。当f/f01，即ff0时，Z呈感性，0o。 当ff0时，Z呈容性，0。 同时Q值越大，谐振阻抗Z0也越大，幅频特性越尖锐，相位随频率变化的程度也越急剧，说明电路选择有用信号（频振频率f0信号）的能力越强，即选频效果越好。 图7.3.3 变压器反馈式LC正弦波振荡器电路 7.3.2 变压器反馈式变压器反馈式LC正弦波振荡器正弦波振荡器 （1）放大电路 图中由V组成采用分压式偏置的共射电路，耦合电容Cb和发射极旁路电容Ce容量较大，在振荡频率上，交流阻抗小，可视

22、短路。 （2）选频网络 选频网络由L1和C构成。作为三极管集电极负载。 （3）反馈网络 变压器二次侧绕组N2作为反馈绕组，将输出的一部分，经Cb反馈到输入端。 变压器二次侧绕组N3接输出负载。 一、电路组成一、电路组成 变压器反馈式LC正弦波振荡器电路（Transformer feedback oscillator）如图7.3.3所示。由下列三部分组成。 1.相位平衡条件判断 在反馈输入端K处断开，用瞬时极性法进行判断。设V基极上的瞬时极性为正，则集电极为负，即L1的瞬时极性为上正下负。根据同名端的概念，N2上端瞬时极性为正，反馈至K处的瞬时极性为正，为正反馈。满足振荡的相位平衡条件。二、电路

23、能否振荡的判断二、电路能否振荡的判断 2.振幅起振条件的判断 本电路中，N1、N2同绕在一磁芯上为紧耦合。放大电路为共射电路，放大倍数较大，这种电路是利用三极管的非线性实现内稳幅的。实践中，只要设置合适的静态工作点，增减N2的匝数或改变同一磁棒上N1、N2的相对位置调节反馈系数的大小，使反馈量合适，即可满足起振条件。 振荡器的振荡频率近似为LC网络的固有谐振频率，可用X下式估算LCf210三、振荡频率三、振荡频率f0的估算的估算其中，L为谐振回路总电感量，C为谐振回路总电容量。1 1电路特点电路特点 四、电路特点与实用电路分析示例四、电路特点与实用电路分析示例 变压器耦合LC振荡电路易于起振，

24、用可变电容器可使输出正弦波信号的频率连续可调。但振荡频率不太高，一般为几兆赫至十几兆赫。 2 2实用电路分析实用电路分析 超外差收音机变频级中的本机振荡电路如图7.3.4所示。电路中V兼作变频器，L1、L2、C1、C2组成变频器的输入回路，C8、L5、L6组成变频器的输出中频回路，它们在振荡频率上因回路严重失谐而均可看作短路，故本机振荡电路的简化电路如图7.3.5所示。 图7.3.4 超外差收音机变频级电路 图7.3.5 变频级中本机振荡电路的简化电路 图7.3.5中，R1/是偏流电阻，C6/为振荡回路谐振电容，由C5、C6和C7等效而成，且5765766)()(CCCCCCC 本电路是一个谐

25、振线圈带抽头的变压器反馈式LC振荡电路。L4和C6/为并联谐振回路，决定振荡频率f0, 三极管V组成共基极放大电路，C3为基极旁路电路。L3为集电极负载，输出电压通过耦合反馈到L4、C6/耦合回路，经C4加到V的发射极上，由于三极管的射极输入电阻很低，必须采用抽头式以减小三极管低输入电阻对LC回路的影响，以保证回路有高Q值，并满足起振条件。7.3.3 7.3.3 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路 电感三点式振荡电路又称哈脱莱（Hartley）振荡电路，电路如图7.3.6所示。一、电路组成一、电路组成 图7.3.6 电感三点式振荡电路 （1）放大电路）放大电路 本电路采用分压式偏置，Cb为基

26、极旁路电容，由于容量足够大，对交流可视为短路。画出电路的交流通路如7.3.6 b所示。基极是交流接地端，所以是共基极放大电路 （2）选频网络）选频网络 选频网络由L1、L2和C并联而成。（3）反馈网络）反馈网络 L2上的反馈电压 经Ce送至三极管的输入端发射极。.fU 二、电路能否振荡的判断二、电路能否振荡的判断 在图7.3.6 b中，断开反馈输入端K，设三极管输入端发射极的输入信号 对地瞬时极性为正，共基放大电路集电极电压与射极同相，瞬时极性也为正，电感L2的反馈信号 对地瞬时极性也为正，即 与 同相，满足相位平衡条件。 iU.fU.fU.iU1 1相位起振条件判断相位起振条件判断 电感三点

27、式振荡器的L1、L2由同一电感线圈中间抽头组成，耦合紧密，易于起振，其起振条件为 ：其中，（L2+M）/（L1+M）=Fu为反馈系数的模。 MLMLrbe122 2振幅起振条件判断振幅起振条件判断 电感三点式振荡电路的振荡频率近似等于LC并联回路的谐振频率，即其中，M是电感L1与L2间的互感。CMLLLCf)2(2121210 电感三点式振荡电路简单，易于起振，但由于反馈信号取自感L1，电感对高次谐波的感抗大，因而输出振荡电压的谐波分量增大，波形较差。常用于对波形要求不高的设备中，其振荡频率通常在几十兆赫以下。 三、谐振频率三、谐振频率f0估算估算 四、电路特点四、电路特点7.3.4 电容三点

28、式振荡电路电容三点式振荡电路 一、电容三点式振荡电路一、电容三点式振荡电路 电容三点式振荡电路又称考毕兹（Colpitts oscillator）电路，电原理图如图7.3.7 a所示。三极管V接成共射电路，Cb为耦合电容，Ce为旁路电容。该电路的交流通路如图7.3.7 b所示。 用瞬时极性法在图b中标出各点瞬时极性，由图可知，反馈信号 与输入端信号 同相，满足相位平衡条件。fU.iU.1 1相位起振条件判断相位起振条件判断图7.3.7 电容三点式振荡电路 该电路的振荡频率为 该电路起振的条件为212102121CCCCLLCf21CCrrcebe3振幅起振条件振幅起振条件2f0估算估算 该电路

29、的反馈电压为电容器C2的两端电压，反馈电压中的高次谐波分量小，输出波形较好。但三极管的极间电容Cbc、Cce与C2、C1并联，极间电容随温度变化，影响振荡频率的稳定性。该电路的振荡频率可达100MHz以上。4电路特点电路特点 为提高电容三点式振荡（考毕兹）电路的频率稳定性，可采用改进型电路。1.克拉波（克拉波（Clapp）电路）电路 二、电容三点式改进型振荡电路二、电容三点式改进型振荡电路 (1) (1)电路与交流通路电路与交流通路 在电容三点式电路的回路中多加一个与C1、C2相串接的电容C3即可构成克拉波电路，如图7.3.8 a所示，交流通路如图b所示。 图7.3.8 克拉波振荡电路(2)(

30、2)起振条件分析起振条件分析 一般情况下，C3取值较小，满足C3 C1， C3 C2，回路总电容值C主要取决于C3。而影响振荡频率稳定性的是三极管的极间电容Cce、Cbc、Ccb,它们都直接并接在C1、C2上，不影响C3值，故减小了不稳定的极间电容对振荡频率的影响，且C3越小，影响就越小，频率稳定也就越高。但是C3过小，有可能不满足起振条件而停振。 (3) (3) 克拉波电路特点及适用场合克拉波电路特点及适用场合 克拉波电路的频率稳定度比电容三点式电路高一个数量级，达10-410-5。克拉波振荡器的起振条件对振荡管的值要求高，它与f03成正比。但输出电压幅值与f03成反比，故f0升高，会使输出

31、电压幅值迅速下降而停振。因此，克拉波振荡器在波段内输出幅值不均匀，波段覆盖系数小，只适于固定频率振荡器。 (4) f0 估算估算3321021111121LCCCCLf克拉波振荡电路的频率为 2. 西勒（西勒（Seiler）电路）电路 在克拉波电路的电感L两端并联一个电容C4即为西勒电路，原理图和交流通路如图7.3.9所示。(1)(1)电路图与交流通路电路图与交流通路 图7.3.9 西勒电路 当C1 C3、C2 C3的情况下，总电容C C4+C3,振荡频率为32141111CCCCC)(21430CCLf(2) f0 的估算的估算 西勒电路的总电容C值为C1、C2、C3串联后再与C4并联，即

32、由此可知 ，西勒电路的振荡频率主要由L和C3+C4决定，而与C1、C2的大小基本无关，因此，西勒电路也具有频率稳定度高的优点。 分析表明，它的输出电压幅值与f0成正比，因此西勒电路可用作可变频率振荡器。 (3)(3)适用场合适用场合 判断三点式振荡电路（电感三点式和电容三点式）是否满足相位平衡条件，可采用由瞬时极性法演变来的一种简便方法7.3.5 判断三点式振荡电路振荡与否的简便方法判断三点式振荡电路振荡与否的简便方法 a)通用交流等效电路 b)电容三点式电路交流等效电路 c)电三点式电路等效电路 dg)不满足相位平衡条件交流等效电路图7.3.10 三点式振荡电路相位平衡条件判断 具体方法如下

33、：画出通用的交流等效电路如图7.3.10(a) 所示，查看电路结构，即查看与三极管三个极相连接的三个电抗元件X1、X2、X3。如果电路中与三极管的发射极相连的两个元件X1、X2为电抗性质相同的元件（都是电容或都是电感），另一个与集电极、基极相接的元件X3与X1、X2元件的电抗性质相反，电路肯定满足相位平衡条件。7.3.5 判断三点式振荡电路振荡与否的简便方法判断三点式振荡电路振荡与否的简便方法 图7.3.10(b)为图7.3.7 所示电容三点式振荡电路交流通路。从所示交流通路上可知，C1、C2与发射极相接，同为电容，电感L并接在基极与集电极之间，与容抗性质相反，用此方法可判断电路满足相位平衡条

34、件。 图7.3.10(c)为图7.3.6所示电感三点式振荡电路的交流等效电路，用此方法可判断电路满足相位平衡条件。 通过判断，图7.3.10(d)(g)交流等效电路，不能满足相位平衡条件，不能振荡。 7.3.5 判断三点式振荡电路振荡与否的简便方法判断三点式振荡电路振荡与否的简便方法 LC振荡因LC回路的Q值不高（仅在200以下），频率的稳定度很难突破10-5数量级，而用石英晶体 （Quartz crystal）作为振荡回路，组成晶体振荡器 （Crystal oscllator）的Q值高达104以上，可将频率稳定度提高几个数量级，最高稳定度可达10-10数量级。它在各类电子设备中得到广泛应用。

35、 7.4 7.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 石英晶体是从石英晶体柱上按一定方位角切割下来的薄片（称之为晶片，可为圆形、正方形或矩形等），在表面上涂敷上银层作为电极，加上引线后封装而成。外壳可为金属，也可为玻璃。它的结构示意图如图7.4.1所示。7.4.1 7.4.1 石英晶体谐振器石英晶体谐振器一、石英晶体的结构一、石英晶体的结构图7.4.1 某石英晶体结构示意图二、晶体的压电效应二、晶体的压电效应 当在晶片上施加外力，使之产生机械形变，则会在两电极上产生极性相反、数值相等的电荷；反之，若在两极间施加电压，晶片会产生由电压极性决定的机械形变，这种现象称之为压电效应（Piezoelectri

36、c effect）。1 1压电效应与压电谐振压电效应与压电谐振 改变交变电压频率，晶片的振动幅度和流过晶片回路的交变电流都会随之改变。当外加交变电压的频率与晶片的固有振动频率（由晶片尺寸决定）相等时，晶片机械振动的幅度将急剧增加，振动最强，通过晶体的交变电流最大，这时称为压电谐振，故石英晶体又称之为石英谐振器。 石英晶体的振动具有多谐性，除基频振动外，还有奇次谐波的泛音振动。石英谐振器若利用其基频振动的，称之为基频（Fundamental frenquency）晶体。若利用其泛音振动的，称之为泛音（Overtones）晶体。泛音晶体一般利用三次和五次的泛音振动，而很少利用九次以上的泛音振动。

37、2 2基频晶体与泛音晶体基频晶体与泛音晶体 石英谐振器图形符号如图7.4.2 a所示。它的基频等效电路如图7.4.2 b所示。图中C0表示石英晶片的静态电容和支架、引线等分布电容之和。Lq用来模拟晶片振动时的惯性，Cq模拟晶片的弹性；晶片振动时的摩擦损耗用电阻rq来等效。 三、石英谐振器电路符号及其性能参数三、石英谐振器电路符号及其性能参数1 1图形符号与基频等效电路图形符号与基频等效电路 石英谐振器的Lq很大（几十毫亨），Cq很小（10-2PF以下），品质因数Qq很高(104106)，且它们的数值极其稳定。另外C0远大于Cq，故频率稳定度高。 图7.4.2 石英谐振器的符号、等效电路及其电抗

38、频率特性(1)串联谐振角频率串联谐振角频率s（Series resonant angular frequency） 当L、C、R支路发生串联谐振时，XLq=XCq，X=0，串联谐振角频率为qqsCL1 由图7.4.2c可见，石英谐振器有两个谐振角频率。2 2谐振角频率谐振角频率此时，C0忽略不计。 当频率高于s时，晶体Lq、Cq串联支路呈电感性，电路发生并联谐振，并联谐振的角频率为 在实际振荡电路中，晶体两端往往并接有负载电容CL，如图7.4.3所示。此时，并接的总电容为(C0+CL)，相应的并联谐振频率由fp减小到fN,fN值为00011CCCCCCLqsqqqp)211 (0LqsNCCC

39、ff(2)并联谐振角频率并联谐振角频率(Antiresonant angular frequency) 3 3负载电容负载电容 CL越大，fN值就越接近fs。一般情况下，基频晶体的负载电容为30pF或50pF，在晶体外壳上的振荡频率（晶体标称频率）就是并接CL后的fN值。 图7.4.3 并联CL晶体等效电路 根据晶体在振荡电路中的作用不同，晶体振荡电路可分为并联型晶体振荡电路（Parallel-mode crystal oscillators）和串联型晶体振荡电路（Series-mode crystal oscillators）。 使晶体工作在略高于fs呈感性的频段内，用来代替三点式电路中的回

40、路电感，相应构成的振荡电路称为并联型晶体振荡电路。 使晶体工作在fs上，等效为串联谐振电路，用作高选择性的短路元件，相应构成的振荡电路称为串联型晶体振荡电路。 晶体只能工作在上述两种方式，决不能工作在低于fs和高于fp呈容性的频段内，否则，频率稳定度将明显下降。7.4.2 7.4.2 晶体振荡电路晶体振荡电路一、串联型石英晶体振荡电路一、串联型石英晶体振荡电路 串联型石英振荡电路如图7.4.4所示。图中V1组成共基极放大器，V2组成共集极电路。设V1发射极瞬时极性为（+），集电极亦为（+），V2发射极为（+），经石英晶体反馈到V1发射极瞬时极性为（+），石英晶体构成正反馈电路， ，满足相位起振

41、条件。 0f1 1电路组成及相位起振条件电路组成及相位起振条件2 2振幅起振条件振幅起振条件 图中可变电阻R5，用以改变正反馈信号的幅度，使之满足振幅起振条件，使电路起振。R5不能过小，否则，振荡波形会产生失真。 图7.4.4 串联型石英晶体振荡电路 二、并联型石英晶体振荡电路二、并联型石英晶体振荡电路 目前应用最广的并联型晶体振荡器是类似电容三点式的皮尔斯（Pirese）电路，如图7.4.5 a所示。其中，Cb为旁路电容，Cc为耦合电容，Lc为高频扼流圈。三极管接成分压式偏置的共基极电路，以稳定直流工作点 图7.4.5(a)中C1、C2串接后与石英晶体并联，为晶体的负载电容，若它们的等效电容

42、值等于晶体规定的负载电容值，那么振荡电路的振荡频率就是晶体的标称频率。但实际上，由于种种原因，振荡器的频率往往与标称频率略有偏差。故工程上采用微调电容的晶体振荡电路如图7.4.5 (b)所示。 1 1电路组成电路组成 图7.4.5 并联型晶体振荡电路 图7.4.5b中，CT为微调电容，用来改变并接在晶体上的负载电容，从而改变振荡频率。CT和C3并联与石英晶体串接，以减弱振荡管与晶体的耦合，从而进一步减小三极管参量变化对回路的影响。但CT的频率调节范围很小，故在实际电路中，还可采用微调电感或同时采用微调电容和微调电感。2 2频率微调方法频率微调方法(1)在频率稳定度要求很高的场合，为克服温度变化

43、对频率的影响，将晶体或整个振荡器设置于恒温槽内。采用恒温措施可将频率稳定度提高到10-10数量级。(2)在使用过程中，石英晶体的激励功率不能过大，否则会使频率稳定性、老化特性、寄生频率特性等变差，甚至可能使晶片振毁。 3. 晶振电路应用注意事项晶振电路应用注意事项 随着MOS集成工艺的发展，出现了一种低功耗的CMOS晶体振荡器。 所谓CMOS电路是指NMOS管和PMOS管构成的互补对称的MOS电路，它具有静态功耗低、抗干扰能力强、工作稳定性、开关速度高等优点。 CMOS晶体振荡器非常适合在功耗要求小的电子设备中使用，如电子表中的时间基准振荡器等，当电源电压VDD=1.5V时，其功耗仅为微瓦量级

44、。三、三、 CMOS晶体振荡器晶体振荡器 CMOS微功耗晶体振荡器如图7.4.6所示。 图中V1、V2为组成互补倒相的N沟道和P沟道场效应管，在振荡过程中，V1、V2轮流导通对环路电容充电、放电。 V3为N沟道MOS管，工作于可变电阻区，给V1、V2提供电流通路。 C2用于微调振荡频率。为减小芯片面积，石英谐振器、C1、C2都为外接元件。 图7.4.6 CMOS微功耗晶体振荡器 在电子设备中，经常要用到非正弦波信号，如数字电路、微机电路中的方波和矩形波；电视机、示波器和显示器扫描电路中的锯齿波等等。通常，把正弦波以外的波形统称为非正弦波，本节仅讨论方波、三角波、锯齿波的产生电路。 这些电路通常

45、由迟滞比较器和RC充放电电路组成，工作过程有一张一弛的变化，所以这些电路又称张弛振荡器。 7.5 非正弦信号发生器非正弦信号发生器 7.5.1 7.5.1 方波发生器方波发生器 方波（Square wave）发生器是非正弦发生器中应用最广的电路，数字电路和微机电路中时钟信号就由方波发生器提供。一、电路组成一、电路组成 方 波 发 生 器电路如图7.5.1a所示。它由滞回比较器和具有延时作用的RC反馈网络组成。 图7.5.1 方波发生器 二、工作原理二、工作原理ZothURRRuRRRuU21112112 我们从滞回比较器原理可知，图7.5.1所示滞回比较器的输出电压不是uo1=Uom=UZ+U

46、D，就是uo2=Uom=(UZ+UD)，UD为二极管导通电压，为讨论方便，UD忽略不计。 当电源接通，在t=0时刻，电容两端电压uc=0，设uo1=+UZ，此时同相输入端电压（即阈值电压）为 输出电压uo=UZ经R3向C充电, uc按指数规律上升,如图7.5.1 b曲线.当电容上电压升至uc= Uth1时,电路状态发生翻转,输出电压由uo1突变为uo2=UZ。此时,同相端输入电压突变为 ZthURRRuRRRuU211022111 此时，电容C上电压因放电而开始下降，如图7.5.1（b）曲线，放电完毕后电容反向充电，当uc= u=Uth2，电路发生翻转，uo=+UZ。电容反向放电，当放电完毕进

47、行正向充电，当uc=Uth1时，电路又发生翻转，输出由+UZ突变为UZ 。如此反复，在输出端即产生方波波形。波形如图7.5.1（b）所示。 三、振荡频率估算三、振荡频率估算)21ln(221RRRCT)1ln(2121RRRCf 从以上分析可知，方波的频率与充放电时间常数有关，RC的乘积越大，充放电时间越长，方波的频率就越低。方波的周期和频率可由下式估算： 由上式不难看出，适当选取R1、R2值，使 1)21ln(21RR则RCT2RCf21 7.5.2 占空比可调的矩形波发生器占空比可调的矩形波发生器 将图7.5.1电路稍加改造，就可组成占空比可调的矩形波发生器，电路如图7.5.2（a）所示。

48、 TTDH%50TTDH 一、电路组成和工作原理一、电路组成和工作原理 在脉冲电路中，将矩形波中高电平的时间TH与周期T之比称为占空比D（ ），方波发生器高电平与低电平所占时间相等，占空比为 图7.5.2 占空比可调矩形波发生器 )21ln()2(21421RRCRrrRTddP二、振荡周期估算： 7.5.3 7.5.3 三角波发生器与锯齿波发生器三角波发生器与锯齿波发生器图7.5.3 三角波发生器一、三角波发生器一、三角波发生器 1、电路组成和工作原理电路组成和工作原理 三角波发生器电路如图7.5.3所示。电路由同相输入滞回比较器（A1）和积分器（A2）组成。 ZooopURRRuRRRuR

49、RRuRRRu2112212221212111应用迭加定理，集成运放A1同相输入端的电位 uo2经R1反馈至A1同相输入端控制滞回比较器翻转。A1反相输入端经R4接地，up1= uN1=0时比较器翻转，则阈值电压 ZthoURRUu212 比较器的输出电压uo1经R5接至A2的反相输入端，积分电路输出电压 )0(521)0(15212)()(cZcoouUCRttuuCRttu 2、频率估算频率估算ZURR21CRRRT5214CRRRf5124 从图7.5.3可见，方波和三角波的周期相等，是uo2从零变至 所需时间4倍。所以，三角波周期和频率分别为 可见，该电路产生的方波和三角波的频率与R1

50、、R2、R5及C有关。 电路调试时一般先调节R2或R1，使三角波幅值满足要求后，再调节R5或C，用以调节频率值。 为使频率可调，可在uo1输出端接一电位器，另一端接地，R5左端接电位器滑动臂，即组成了频率可调三角波电路。 二、锯齿波发生器二、锯齿波发生器图7.5.4 锯齿波发生器 如果三角波波形不对称，即上升时间与下降时间不相等，则成为锯齿波。锯齿波电路如图7.5.4（a）所示。它与图7.5.3三角波电路的区别在于R5换成由电位器RP和VD1、VD2组成的网络。 该电路的锯齿波幅值为 ZURR21振荡频率为 1221)(211RRCrrRPTfdd式中，rd1、rd2为二极管导通动态电阻，通常

51、可忽略不计。 7.5.4 7.5.4 集成函数信号发生器集成函数信号发生器 一、一、5G8038的结构的结构 5G8038为14管脚、双列直插塑料封装集成电路，其内部结构框图如图7.5.5所示。它的内电路由电压比较器A1、电压比较器A2、电压跟随器、触发器、三角波正弦波转换器、反相器及两个电流源I1、I2等构成。 随着集成电路产业的发展，已生产出可以同时获得正弦波、方波（矩形波）和三角波（锯齿波）信号的集成函数信号电路。例如5G8038。 7.5.4 7.5.4 集成函数信号发生器集成函数信号发生器 图7.5.5 集成电路5G8038内部电路框图 7.5.4 7.5.4 集成函数信号发生器集成

52、函数信号发生器 7.5.4 7.5.4 集成函数信号发生器集成函数信号发生器 图7.5.5中开关S由触发器控制，当触发器Q端输出低电平时，开关S断开，这时电流源I1向外接于10脚和11脚的电容C充电，使电容C两端电压uc随时间线性上升。 当uc 达到比较器A的阈值电压2/3（VCC+VEE）时，电压比较器A1翻转，输出跳变信号，使触发器Q端输出由低电平翻转为高电平。此时，触发器控制开关S，使其闭合，则电流源I1、I2都接通。由于I2I1，外接电容C放电，使电容C两端电压uc随时间线性下降。 当uc下降到比较器A2的阈值电压1/3（VCC+VEE）时，电压比较器翻转，输出跳变信号，使触发器翻转，

53、Q端输出低电平，触发器的低电平再次使开关S断开，电流源I1又向外接电容C充电。如此循环，电路产生振荡。 二、二、5G8038基本工作原理基本工作原理 7.5.4 7.5.4 集成函数信号发生器集成函数信号发生器 从以上分析可知，触发器Q 非端受电压比较器A1、A2控制，使其输出端输出高电平或低电平，再经反相器从9脚输出方波信号。外接电容两端电压uc 随时间线性上升或线性下降而产生三角波信号，它通过电压跟随器从3脚输出。同时，三角波信号经三角波正弦波转换电路，得到正弦波信号，从2脚输出。 5G8038输出信号波形受电流源I1、I2控制，只要改变外接电位器以改变I2和I1，就可改变输出信号波形。当

54、I2=2I1时，则在9脚、3脚和2脚即可分别得到方波、三角波和正弦波信号。当I2的大小在I22I1之间时，则在9脚、3脚和2脚可分别得到矩形波、锯齿波和正弦波。 7.5.4 7.5.4 集成函数信号发生器集成函数信号发生器 集成函数信号发生器5G8038管脚如图7.5.6所示。三、三、5G8038管脚与实用电路管脚与实用电路 图7.5.6 5G8038管脚与实用电路 7.5.4 7.5.4 集成函数信号发生器集成函数信号发生器 1脚为正弦波线性调节；2脚正弦波输出；3脚三角波输出。4脚和5脚为恒流源调节端，外接电位器以改变I1、I2大小，从而改变三角波的上升时间和下降时间。6脚接正电源，7脚调

55、频偏置端，8脚调频控制输入端。9脚方波输出端，为集电极开路输出，即集电极与正电源间没有接集电极负载电阻，使用时一般需在正电源与9脚之间接10 k左右电阻。10脚外接电容端；11脚负电源或接地端。12脚正弦波线性调节。13、14为空脚。 7.5.4 7.5.4 集成函数信号发生器集成函数信号发生器 5G8038组成和多功能信号发生器电路如图7.5.7(b)所示。调节RP3可调整三角波上升、下降时间，改变9、3、2脚输出波形。为了调整正弦信号的失真度，需同时配合调节电位器RP1 、RP2 、RP3，可使正弦波信号的失真度减小到0.5%左右。8脚外接电位器RP4 ，用来调节信号频率，可使信号频率在2

56、0Hz20kHz范围内调节。 7.6 振荡电路的调试与制作示例振荡电路的调试与制作示例 在设计安装好振荡电路后，必须进行调试。振荡电路调试一般按以下步骤进行：检查电路焊接安装是否正确可靠有无短路现象后再接通电源进行调试；调整放大器件的静态工作点，使之处于放大状态；仔细检查反馈回路使之满足正反馈条件，满足相位平衡条件；调节放大器件的静态工作点和反馈的大小，使电路在指定振荡频率上满足起振条件；用示波器观测振荡波形，用电子毫伏表观测输出信号幅值，调整负反馈网络，使波形无失真，幅值满足设计要求； 用频率计测量振荡频率，调整频率微调环节，使输出信号频率符合设计要求。 7.6.1 不能自动起振的调试不能自

57、动起振的调试 振荡电路接通电源后，有时不起振或者要外界信号强烈解发下才能起振（如手握螺钉旋具碰触晶体管基极或用0.010.1F电容一端接电源、一端去碰触晶体管基极）；在波段振荡器中，有时只在某一频段振荡，而在另一频段不振荡等等。以上这些现象一般均是由于没有满足振幅平衡条件或相位平衡条件所引起的。现根据不同情况，分述如下。 7.6.1 不能自动起振的调试不能自动起振的调试 一、在可调频率范围内，全部不起振 这种情况下，首先要检查反馈电压极性，是否满足相位平衡条件。图7.6.1(a)所示电路为变压器反馈振荡电路，图(b)为收音机中的本机振荡电路。电路不起振，要检查反馈线圈L1是否因端头接反而形成负

58、反馈。图(b)中若端与端互换，电路就接成负反馈电路，不能产生振荡。对于三点式LC振荡电路，要根据三点式组成原则进行判断。用集成运放组成的RC振荡电路和非正弦波产生电路，在实验中常因反馈网络在输入端由原接同相输入端错接在反相输入端不能起振。 7.6.1 不能自动起振的调试不能自动起振的调试 在满足相位平衡的情况下，则可根据振幅平衡条件找出不起振的原因 ，一般可能有以下原因： （1）直流工作点偏低，管子值太小。 在这种情况下，可适当改变偏置电路参数，如调整图6.6.1(a)中RP，使IC提高。一般小功率管的IC约为12mA。如IC提高后，振荡波形显著失真，则应提高谐振回路Q值，以减小失真。 7.6

59、.1 不能自动起振的调试不能自动起振的调试 图7.6.1 振荡电路 7.6.1 不能自动起振的调试不能自动起振的调试 （2）谐振回路Q值太低。在图6.6.1(b)电路中，若C3右端错接在线圈端，就形成晶体管输入阻抗直接与高阻抗振荡回路并联，而该电路为共基极振荡电路，它的输入阻抗是极低的，这将大大降低振荡回路品质因数Q值，使振荡减弱，波形变坏，甚至不能起振。除不正确接线外，振荡管与LC回路之间耦合过紧，也会使Q值下降。提高Q值可通过增加L/C比值、减小线圈损耗或减小负载影响等途径来实现。 （3）反馈强度不够，即F过小。反馈系数F是振荡电路一个重要因素。F太小，自然不易满足振幅平衡条件，但一味增大反馈量，会使振荡波形变坏，甚至也会使电路不能起振。所以F并非越大越好，而应适当选取、调整。 7.6.1 不能自动起振的调试不能自动起振的调试 二、某一频率不能起振 对于LC振荡器在某频段内，频率低端不能起振，而高端能正常起振，多半产生在用调整回路电容来改变振荡频率的电路中。低端由于电容C增大