波形发生和交换电路

波形发生和交换电路第一页，共四十页，编辑于2023年，星期一

波形发生电路和波形变换电路在测量、自动控制、通讯、无线电广播和遥测、遥感等许多技术领域中有着广泛的应用。收音机、电视机和电子钟表等日常生活用品也离不开它。波形发生电路包括正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路，它们不需要外加输入信号就能产生各种同期性的连续波形，例如正弦波、方波、三角波和锯齿波等。

第二页，共四十页，编辑于2023年，星期一信号产生电路(振荡器)分类：正弦波振荡:非正弦波振荡：RC振荡器(1kHz~数百kHz)LC振荡器(几百kHz以上)石英晶体振荡器(频率稳定度高)方波、三角波、锯齿波等主要性能要求：输出信号的幅度准确稳定输出信号的频率准确稳定第三页，共四十页，编辑于2023年，星期一1.正弦波振荡的条件

无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。与负反馈放大电路的振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。在电扰动下，对于某一特定频率f0的信号形成正反馈：

由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。。9.1.1正弦波振荡电路的基本概念9.1正弦波振荡电路第四页，共四十页，编辑于2023年，星期一

一旦产生稳定的振荡，则电路的输出量自维持，即幅值平衡条件相位平衡条件起振条件：

要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的f0，且在合闸通电时对于f=f0信号有从小到大直至稳幅的过程，即满足起振条件。第五页，共四十页，编辑于2023年，星期一

振荡电路的组成根据振荡电路对起振、稳幅和振荡频率的要求，一般振荡电路由以下部分组成：(1)放大电路：具有放大信号作用，并将直流电源转换成振荡的能量。(2)反馈网络：它形成正反馈，能满足相位平衡条件。(3)选频网络：在正弦波振荡电路中，它的作用是选择某一频率fo，使之满足振荡条件，形成单一频率的振荡。(4)稳幅电路：用于稳定振幅，改善波形。2.正弦波振荡电路的组成第六页，共四十页，编辑于2023年，星期一

为了保证振荡电路产生单一频率的正弦波，电路必须有选频电路（又称选频网络）。根据选频网络组成的元件，通常可分为：

(1)RC正弦波振荡电路：其振荡频率较低，一般在几百千赫以下；

(2)LC正弦波振荡电路：其振荡频率较高，一般在几百千赫～几百兆赫；

(3)石英晶体正弦波振荡电路：其振荡频率等于石英晶体的固有频率，振荡频率稳定。3.正弦波振荡电路的分类第七页，共四十页，编辑于2023年，星期一

对于一个振荡电路，首先要判断它能否产生振荡。通常可采用下列步骤来判断：(1）检查振荡器是否存在放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节4个环节，尤其前3个环节；(2）分析基本放大电路能否正常工作，主要检查基本放大电路的静态工作点设置得是否合理；(3）检查电路是否满足振荡条件，首先检查是否满足相位平衡条件，可以用瞬时极性法进行判别，若电路未构成正反馈，则它肯定不能振荡；然后检查幅值条件和起振条件是否满足；(4）估算振荡频率，其数值往往决于选频网络的参数。4.正弦波振荡电路的分析方法第八页，共四十页，编辑于2023年，星期一相位条件的判断方法：瞬时极性法

断开反馈，在断开处给放大电路加f＝f0的信号Ui，且规定其极性，然后根据

Ui的极性→Uo的极性→Uf的极性若Uf与Ui极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不可能产生自激振荡。

在多数正弦波振荡电路中，输出量、净输入量和反馈量均为电压量。极性？第九页，共四十页，编辑于2023年，星期一1.RC串并联选频网络低频段高频段在频率从0～∞中必有一个频率f0，φF＝0º。9.1.2RC正弦波振荡电路第十页，共四十页，编辑于2023年，星期一RC串并联选频网络的频率响应当f=f0时，不但φ=0，且最大，为1/3。第十一页，共四十页，编辑于2023年，星期一

可引入电压串联负反馈，使电压放大倍数大于3，且Ri大、Ro小，对f0影响小第十二页，共四十页，编辑于2023年，星期一

2.RC桥式正弦波振荡电路

第十三页，共四十页，编辑于2023年，星期一

利用二极管稳幅的RC串并联正弦波振荡电路第十四页，共四十页，编辑于2023年，星期一1.LC并联网络的选频特性理想LC并联网络在谐振时呈纯阻性，且阻抗无穷大。谐振频率为在损耗较小时，品质因数及谐振频率损耗在f＝f0时，电容和电感中电流各约为多少？网络的电阻为多少？

9.1.3LC正弦波振荡电路第十五页，共四十页，编辑于2023年，星期一三、

LC正弦波振荡电路

1.LC并联电路的频率响应理想LC并联网络在谐振时呈纯阻性，且阻抗无穷大。谐振频率为在损耗较小时，品质因数及谐振频率损耗附加相移第十六页，共四十页，编辑于2023年，星期一品质因数

LC并联回路的频率特性（Q1Q2）

a)幅频特性b)相频特性第十七页，共四十页，编辑于2023年，星期一

2.变压器反馈式LC正弦波振荡电路第十八页，共四十页，编辑于2023年，星期一

变压器反馈LC振荡电路容易起振，若用可变电容器代替固定电容C，则调频比较方便，缺点是振荡频率不太高，通常为几兆赫～十几兆赫。

第十九页，共四十页，编辑于2023年，星期一3.电感反馈式振荡电路第二十页，共四十页，编辑于2023年，星期一

电路特点：电感三点式振荡电路简单，容易起振，调频方便。由于反馈信号取自电感L2，电感对高次谐波感抗大，所以高次谐波的正反馈比基波强，使输出波形含有较多的高次谐波成分，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。

第二十一页，共四十页，编辑于2023年，星期一4.电容反馈式振荡电路第二十二页，共四十页，编辑于2023年，星期一电容反馈式电路特点：由于反馈电压取自电容两端，电容对高次谐波容抗小，对高次谐波的正反馈比基波弱，使输出波形中的高次谐波成分小，波形较好。振荡频率较高，可达100MHZ以上。常在电感L两端并联可变电容器，调节频率，但调节范围较小。

第二十三页，共四十页，编辑于2023年，星期一

石英晶体振荡电路简称为“晶振”。和一般LC振荡电路比较，晶振具有极高的频率稳定性，其值用频率的相对变化量表示,△f/f可达10-9~10－11。而一般LC振荡电路的频率稳定度无法达到10－5。所以在要求频率稳定度高的场合，常采用石英晶体振荡电路，例如，它广泛应用于标准频率发生器，频率计、电话、电视、计算机等设备中。

9.1.4石英晶体振荡电路

1.石英晶体第二十四页，共四十页，编辑于2023年，星期一第二十五页，共四十页，编辑于2023年，星期一

石英晶体的压电效应：如果在石英晶片上加一个交变电压（电场），晶片就会产生与该交变电压频率相似的机械变形振动。而晶片的机械振动，又会在其两个电极之间产生一个交变电场，这种现象称为压电效应。在一般情况下，这种机械振动和交变电场的幅度是极其微小的，只有在外加交变电压的频率等于石英晶片的固有振动频率时，振幅才会急剧增大，这种现象称为压电谐振。石英晶片的谐振频率取决于晶片的几何形状和切片方向，体积越小，一般谐振频率越高。第二十六页，共四十页，编辑于2023年，星期一等效电路A.串联谐振特性晶体等效阻抗为纯阻性B.并联谐振通常所以（a）代表符号（b）电路模型（c）电抗-频率响应特性容性感性阻性第二十七页，共四十页，编辑于2023年，星期一实际使用时外接一小电容Cs则新的谐振频率为由于由此看出调整第二十八页，共四十页，编辑于2023年，星期一并联型石英晶体振荡电路

2.石英晶体谐振电路第二十九页，共四十页，编辑于2023年，星期一串联型晶体振荡电路

第三十页，共四十页，编辑于2023年，星期一

把正弦波以外的波形统称为非正弦波。方波、三角波、锯齿波的产生电路电路通常由迟滞电压比较器和RC充放电电路组成，工作过程有一张一弛的变化，所以又将这些电路称为张弛振荡器。9.2非正弦信号发生电路第三十一页，共四十页，编辑于2023年，星期一1.方波发生器正向充电：

uO（+UZ）→R→C→地反向充电：地→C→R→uO（－UZ）RC回路滞回比较器

该电路从本质上看，它工作于比较器状态；

RC构成负反馈回路，R1，Rf构成正反馈。电路的输出电压由运放的UP与UN比较决定。第三十二页，共四十页，编辑于2023年，星期一2.工作原理：(1)

设

uO

=

+UZ

,此时，uO给C

充电,

uC

，则：u+=UT+0tuo+UZ-UZucUT+0t一旦

uC>UT+

,就有

u->u+

,uO立即由+UZ变成-UZ

。在

uC<UT+

时，u-<u+

,

设uC初始值uC(0+)=0uO保持+UZ不变+UZ第三十三页，共四十页，编辑于2023年，星期一此时，C向uO放电，再反向充电(2)当uO

=

-UZ

时，u+=UT-uC达到UT-时，uO上跳。UT+uctUT-

当uO重新回到+UZ后，电路又进入另一个周期性的变化。-UZ第三十四页，共四十页，编辑于2023年，星期一0UT+uCtUT-+UZuO0t

-UZT完整的波形：方波的周期为：第三十五页，共四十页，编辑于2023年，星期一脉冲宽度波形分析第三十六页，共四十页，编辑于2023年，星期一

正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。2.矩形波发生电路为了占空比调节范围大，R3应如何取值？第三十七页，共四十页，编辑于2023年，星期一三角波发生器