第 四 章 波 形 发 生 电 路

第四章

波形发生电路379§４－２ＬＣ正弦波振荡电路§４－１正弦波振荡电路基本原理§４－３石英晶体振荡电路§４－４非正弦波发生电路学习目标1.掌握正弦波振荡电路产生自激振荡的条件及其判断方法。2.了解RC桥式振荡器的特点和工作原理，会装配和调试RC桥式振荡器。3.熟悉电感三点式、电容三点式等LC振荡电路的组成，会装配和调试LC振荡器。4.了解石英晶体振荡器的特点和频率稳定的原理，会装配和调试石英晶体振荡器。5.了解主要的非正弦信号发生器的结构与工作原理，掌握方波、三角波发生器的仿真实验方法。381在电子电路中，常常需要各种波形作为测试或控制信号，波形发生电路就是用来产生一定频率、一定幅度和一定变化特性交流信号的电路，它在测量、通信和自动控制领域有着广泛的应用。本章所介绍的波形发生电路，包括正弦波振荡电路和非正弦波发生电路。382§4-1

正弦波振荡电路基本原理383能产生正弦波信号的振荡电路称为正弦波振荡电路，它广泛应用于多种电子设备中，例如无线电发射机中的载波信号源、超外差收音机中的本振信号源、数字系统中的时钟信号源、微波炉中的高频信号源和半导体接近开关等。384一、正弦波振荡电路的基本组成如图所示为正弦波振荡电路的组成框图。385正弦波振荡电路组成框图由图可以看出，正弦波振荡电路由一个基本放大电路和一个正反馈电路（或称正反馈网络）组成。但要产生单一频率的正弦波，还必须有选频电路（或称选频网络）。此外，还要有稳幅环节，以保证输出信号的稳定。对于分立元件组成的振荡电路，常常依靠晶体管的非线性和引入负反馈来实现稳幅作用。386二、自激振荡的条件由于自激振荡电路无须外加信号而是用反馈信号作为输入信号，因此要形成等幅振荡必须保证每次回送的反馈信号与原输入信号完全相同，即不仅要振幅相同，而且相位也要相同，所以振荡电路的自激振荡条件实际应包含以下两个方面：1.振幅平衡条件2.相位平衡条件387三、分立元件组成的RC桥式振荡电路电路如图所示，其中VT1和VT2组成两级共射放大电路，RC串并联网络既是正反馈网络又是选频网络，RP、Rf、R5引入电压串联负反馈，起稳幅作用。388分立元件组成的RC桥式振荡电路1.RC串并联网络的选频作用在RC桥式振荡电路中，一个正反馈支路和一个负反馈支路恰好形成电桥的4个桥臂，如图所示，RC桥式振荡电路的名称即由此而来。389RC桥式振荡电路2.电路工作原理电路输出信号经过R1、C1、R2、C2串并联选频网络反馈到输入端，相移为零，形成正反馈，满足相位平衡条件；同时，两级放大器也很容易满足幅度平衡条件（A=3），所以电路很容易起振。电路的振荡频率取决于选频网络中R1、C2、R2、C2的数值。当R1=R2=R、C1=C2=C时，电路的振荡频率为390391RC串并联网络的频率特性a)幅频特性b)相频特性3.稳幅环节电路中RP、Rf、R5构成电压串联负反馈，不仅可以降低放大器的放大倍数，提高放大器的稳定性，还能提高输入电阻，降低输出电阻，并起到稳幅的作用。但必须注意，若负反馈量过大，会使电路停振；反之，若负反馈量过小，输出信号幅度过大，则容易引起波形失真。392§4-2

LC正弦波振荡电路393RC桥式振荡电路适用于产生几百赫兹以下的正弦波信号，如果需要更高频率的正弦波信号，可采用LC正弦波振荡电路。常用的LC正弦波振荡电路有变压器反馈式、电感三点式和电容三点式三种，它们的共同特点是都采用LC并联谐振回路作为选频网络。394一、LC并联电路的选频特性LC并联电路如图所示，其中r是电感线圈L的等效损耗电阻。如图所示分别为LC并联电路的阻抗频率特性曲线和相位频率特性曲线。395LC并联电路LC并联电路的选频特性a)阻抗频率特性

b)相位频率特性二、变压器反馈式LC振荡电路一般来说，LC正弦波振荡电路也包括基本放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅环节等组成部分。如果利用一个变压器与LC选频网络耦合，将反馈信号送到放大电路的输入端，这样组成的振荡电路称为变压器反馈式LC振荡电路。3961.共射变压器反馈式LC振荡电路电路如图所示，采用瞬时极性法判断电路是否满足相位平衡条件，假设三极管输入信号瞬时极性为“+”，由于LC回路谐振时为纯阻性，因此三极管集电极瞬时极性为“

”，反馈线圈L1的同名端瞬时极性为“

”，反馈到输入端，与输入信号极性相同，满足相位平衡条件。397398共射变压器反馈式LC振荡电路一般情况下，只要三极管的电流放大系数β合适，L1与L的匝数比合适，即可满足振幅平衡条件。该电路振荡频率为共射变压器耦合式LC振荡电路功率增益高，容易起振，但由于共射电流放大系数随工作频率的增高而急剧降低，所以当改变频率时，振荡幅度将随之变化，因此常用于固定频率的场合。3992.共基变压器反馈式LC振荡电路该电路如图所示，仍采用瞬时极性法判断电路能否起振。共基变压器耦合式LC振荡电路输出波形较好，振荡频率调节方便，一般采用固定电感与可变电容配合调节。400共基变压器反馈式LC振荡电路三、三点式LC振荡电路在变压器反馈式LC振荡电路中，由于输出信号与反馈信号靠磁路耦合，因而耦合不紧密，损耗较大。为了克服这一缺点，加强谐振效果，可直接采用从LC选频网络引出反馈信号的三点式振荡电路。三点式LC振荡电路分为电感三点式和电容三点式两种。它们的共同点是：在交流通路中，LC谐振回路的三个引出端分别与三极管的三个极相连，且与发射极相连的为两个相同性质的电抗（同为电感或同为电容），与基极相连的为两个相反性质的电抗（一个为电感，一个为电容），这一接法俗称“射同基反”。凡是按这一法则连接的三点式振荡电路，必定满足相位平衡条件，否则不可能起振。4011.电感三点式振荡电路如图a、b所示分别是电感三点式振荡电路和交流通路。由图可见，接法符合“射同基反”原则。如图c所示是集成运放组成的电感三点式振荡电路。402电感三点式振荡电路a)分立元件组成的电路

b)交流通路

c)集成运放组成的电路2.电容三点式振荡电路如图所示是电容三点式振荡电路及交流通路，其电路工作原理的分析与电感三点式振荡电路相似，振荡频率为403电容三点式振荡电路a)分立元件组成的电路

b)交流通路

c)集成运放组成的电路3.改进型电容三点式振荡电路为了减小三极管极间电容的影响，提高电容三点式振荡器的频率稳定性，常采用如图所示的改进型电容三点式振荡电路。404改进型电容三点式振荡电路a)电路图b)交流通路§4-3

石英晶体振荡电路405在一般振荡电路中，尽管采取了多种稳频措施，其频率稳定度也只能达到10－3~10－5数量级。当要求频率稳定度高于10－5数量级时，就需要采用石英晶体振荡器，例如，标准信号发生器、脉冲计数器和计算机时钟信号发生器等。如图所示为计算机网卡上的石英晶体振荡器。406计算机网卡上的石英晶体振荡器一、石英晶体的特性石英晶体振荡器极高的频率稳定度与石英晶体本身的特性有关。将天然的石英晶体按一定方向切割成很薄的晶片，再将晶片的两个相对表面抛光、镀银，并引出两个电极，加以封装就构成石英晶体振荡器，简称晶振。其结构、图形符号与外形如图所示。407石英晶体振荡器a)结构

b)图形符号

c)外形1.压电效应和压电谐振当在石英晶体两极间加上交变电场时，晶片将会产生相应频率的机械变形；反之，当施加机械力使晶片产生机械振动时，晶片两极间也会出现相应的交变电场，这种物理现象称为压电效应。一般情况下，无论是机械振动还是交变电场，其幅度都很小。但是当外加交变电场的频率与石英晶体的固有频率相当时，机械振动的振幅会骤然增大，产生共振，这就是石英晶体的压电谐振。产生压电谐振时的频率称为石英晶体的谐振频率。4082.等效电路和振荡频率石英晶体的等效电路如图a所示。409石英晶体的等效电路和频率特性a)等效电路

b)频率特性二、石英晶体振荡电路1.并联型石英晶体振荡电路如果用石英晶体取代电容三点式振荡器中的电感，就得到并联型石英晶体振荡电路，如图a所示。如图b所示为它的交流通路。石英晶体在回路中起电感的作用，即振荡频率在fs与fp之间。电容C1、C2对频率的影响很小，所以频率的稳定度很高。410411并联型石英晶体振荡电路a)电路图

b)交流通路2.串联型石英晶体振荡电路图所示为串联型石英晶体振荡电路。412串联型石英晶体振荡电路§4-4

非正弦波发生电路413除了正弦波外，非正弦波的应用也很广泛。常用的非正弦波有矩形波（方波）、三角波和锯齿波等。一、方波发生电路方波发生电路及波形如图所示。电路是由迟滞比较器和RC充放电回路两部分组成，双向稳压二极管对输出电压起稳幅作用。1.工作原理假设开始时uN=uC(t)=0，且uo=UZ，则门限电压为414415方波发生电路及波形a)输出端对电容充电

b)电容向输出端放电

c)电容电压uC波形及输出电压uo波形2.振荡周期及其调节方波周期与电容C的充放电时间有关，估算式为改变Rf、C或R1、R2，即可改变方波的周期。若将电路适当改动，使电容充、放电时间不等，则输出信号便为不同周期的矩形波。416二、三角波发生电路三角波发生电路如图所示。电路由迟滞比较器和积分电路两部分组成。41