第9章 信号发生电路

第9章信号发生电路

9.1正弦波振荡电路的振荡条件9.2RC正弦波振荡电路9.3LC正弦波振荡电路

9.4*

非正弦波发生电路9.5*

正弦波振荡电路的Multisim仿真1．熟悉正弦波振荡电路的基本组成部分。2.熟练掌握产生自激正弦波振荡的振幅平衡条件和相位平衡条件。3．熟练掌握利用相位平衡条件判断RC、LC等不同正弦波振荡电路能否产生自激振荡的方法。4．能熟练地估算出各种正弦波振荡电路的振荡频率，并丁解振荡频率与电路元器件参数之间的关系。5．了解石英晶体谐振器的特性及串、并联式晶体正弦波振荡电路的工作原理。6．了解非正弦波振荡电路与正弦波振荡电路的区别。学会分析基本的非正弦波振荡电路的工作原理。7．了解方波与矩形波和三角波与锯齿波振荡电路的主要区别。本章学习目的和要求9.1正弦波振荡电路的振荡条件

波形发生电路的种类很多，按其输出波形可以分为正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路。

放大电路通常是在输入端接有信号时才有信号输出，如果它的输入端不外接输入信号，其输出端仍有一定频率和幅值的信号输出，则称为放大电路发生了自激振荡。

正弦波振荡电路是依靠自激振荡而产生一定频率、一定幅值的正弦波输出电压的电路。放大电路引入反馈后，在一定的条件下可能产生自激振荡。

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。图9.1.1振荡原理框图放大电路产生自激振荡的条件是而

产生正弦波振荡的平衡条件是

幅值平衡条件相位平衡条件1.正弦波振荡的条件9.1正弦波振荡电路的振荡条件起振条件：

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。负反馈放大电路产生自激振荡的条件是图9.1.2反馈放大电路输入信号和反馈信号的符号关系 2.起振与稳幅：输出电压从幅值很小、含有丰富频率，到仅有一种频率且幅值由小逐渐增大直至稳幅。9.1正弦波振荡电路的振荡条件3.基本组成部分1)放大电路：放大作用2)正反馈网络：满足相位条件3)选频网络：确定f0，保证电路产生正弦波振荡4)非线性环节（稳幅环节）：稳幅1)是否存在主要组成部分；2)放大电路能否正常工作，即是否有合适的Q点，信号是否可能正常传递，没有被短路或断路；3)是否满足相位条件，即是否存在f0，是否可能振荡

；4)是否满足幅值条件，即是否一定振荡。常合二为一4、分析方法9.1正弦波振荡电路的振荡条件9.2RC正弦波振荡电路1.电路组成反馈网络兼做选频网络图9.2.1RC桥式正弦波振荡电路

以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络、并引入电压串联负反馈，两个网络构成桥路，一对顶点作为输出电压，一对顶点作为放大电路的净输入电压，就构成文氏桥振荡器。反馈系数2.RC串并联选频网络的选频特性幅频响应令则相频响应9.2RC正弦波振荡电路当幅频响应有最大值相频响应图9.2.2RC串并联选频网络的频率特性2.RC串并联选频网络的选频特性9.2RC正弦波振荡电路3.振荡电路工作原理

用瞬时极性法判断可知，当时，RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于的正弦波9.2RC正弦波振荡电路所以，电路满足相位平衡条件（1）振荡频率

而对于其他的任何频率，则不满足振荡的相位平衡条件，则电路的振荡频率为3.振荡电路工作原理9.2RC正弦波振荡电路（2）起振条件若要RC振荡电路能够自行起振，开始时必须满足当时，则在同相比例运算电路中:负反馈之路的参数应满足:

采用非线性元件(3).稳幅措施热敏元件负温度系数热敏电阻起振时，即热敏电阻的作用稳幅9.2RC正弦波振荡电路例9.2.1

图9.2.3为JFET稳幅音频信号产生电路，试求：(1)阐述其稳幅原理；(2)切换不同的电容作为频率粗调，调节同轴电位器作为细调，试估算电路的最低振荡频率和最高振荡频率。图9.2.3JFET稳幅音频信号产生电路9.2RC正弦波振荡电路（1）采用非线性元件场效应管（JFET）稳幅原理稳幅整流滤波T压控电阻可变电阻区，斜率随vGS不同而变化解：负反馈网络9.2RC正弦波振荡电路同轴电位器(2).电路的最高振荡频率和最低振荡频率

9.2RC正弦波振荡电路采用非线性元件二极管稳幅原理稳幅起振时稳幅环节9.2RC正弦波振荡电路(3).稳幅措施例9.2.2现用RC桥式正弦波振荡电路正弦波信号产生电路，如图9.2.4所示。已知三个档、

、分别为、、，固定电阻，同轴电位器试问：

(1)电容在三个档的频率调节范围；(2)若为热敏电阻，则其温度系数为正还是为负？简述理由。图9.2.3振荡频率连续可调的RC桥式正弦波振荡电路9.2RC正弦波振荡电路解：(1)当时，若电位器调至最大，则当调至0，则

当时，若电位器调至最大，则当调至0，则

9.2RC正弦波振荡电路当时，若电位器调至最大，则当调至0，则

因此，该仪器的三档频率调节范围分别约为：Ⅰ档：Ⅱ档：Ⅲ档：9.2RC正弦波振荡电路（2）R1为正温度系数的热敏电阻。

9.3LC正弦波振荡电路9.3.1LC并联回路的频率特性9.3.2变压器反馈式LC正弦波振荡电路9.3.3电感三点式振荡电路9.3.4电容三点式振荡电路9.3.5石英晶体振荡电路LC正弦波振荡电路通常由LC谐振回路和放大电路组成。可产生高达1000MHz以上的正弦波，常见的LC振荡电路有变压器反馈式、电感三点式和电容三点式三种。9.3.1LC并联回路的频率特性图9.3.1LC并联回路电路的等效阻抗为等效损耗电阻通常则由于两支路的容抗和感抗相等，可求出回路的谐振频率为：

或者

谐振时阻抗最大，且为纯阻性（9.3.2）令式中Q为谐振回路的品质因数，是用来评价回路损耗大小的指标。

将代入，得

可见，Q值越大则并联谐振时的等效阻抗越高。

在谐振频率附近，即当，则（9.3.2）式为9.3.1LC并联回路的频率特性图9.3.2LC并联谐振回路的频率特性9.3.1LC并联回路的频率特性9.3.1LC并联回路的频率特性电路谐振时，有图9.3.1LC并联回路通常有，即,则谐振回路的外界影响可以忽略。9.3.2变压器反馈式LC正弦波振荡电路1.电路组成图9.3.2变压器反馈式振荡电路

在LC振荡器中，反馈信号通过互感线圈引出,瞬时极性相同的端子叫同名端。判断电路是否满足振荡的相位平衡条件。方法：瞬时极性法满足振荡的相位平衡的条件。

判断得出：2.振荡频率与起振条件9.3.2变压器反馈式LC正弦波振荡电路振荡频率就是LC回路的谐振频率，即根据振荡电路的起振条件，便可得到变压器反馈式振荡电路的起振条件为

为三极管b、e间的等效电阻，是折合到谐振回路中的等效总损耗电阻，M为绕组N1和N2之间的互感。图9.3.4振荡器的振荡建立、稳定与稳幅过程9.3.2变压器反馈式LC正弦波振荡电路3.振荡器的振荡建立、稳定与稳幅过程9.3.3电感三点式振荡电路图9.3.4电感三点式振荡电路1.电路组成采取了自耦形式的接法。电路的LC并联谐振电路中由电感L1和L2首端(1点)、中间抽头(2点)、和尾端(3点)三个端点，其交流通路分别和三极管的集电极、发射极、基极相连，故称为电感三点式振荡器。反馈到放大电路输入端的电压是L1上的电压。方法：瞬时极性法判断结果：电路满足振荡的相位平衡条件。判断电路是否满足振荡的相位平衡条件。2.振荡频率与起振条件振荡频率取决于LC并联谐振回路的谐振频率，考虑到L1、L2间的互感，电路的振荡频率可近似表示为

L为回路的总电感。电路的工作频率范围可从数百千赫兹到数十兆赫兹。

根据幅度平衡条件可以得到电路的起振条件为

为折合到管子集电极和发射极间的等效并联总损耗电阻。9.3.3电感三点式振荡电路3.特点电感三点式具有以下特点。(1)由于L1和L2的耦合很紧，容易起振。改变电感抽头的位置，可以获得满意的正弦波，且振幅较大。

(2)调节频率方便。LC并联谐振回路可以采用可变电容，易获得一个较觅的振荡频率调节范围。(3)由于反馈电压取自电感L1，而电感对高次谐波的阻抗较大，在反馈信号中有较大的高次谐波分量，使输出波形变差。一般用于要求不高的场合，产生几十兆赫以下的正弦波。9.3.3电感三点式振荡电路9.3.4电容三点式振荡电路图9.3.6电容三点式振荡器图

电容三点式和电感三点式一样，都具有LC并联回路，因此，若从放大电路的输入端A点断开，用瞬时极性法，不难判断出当LC回路谐振时电路满足相位平衡条件。

为了获得良好的正弦波，将电感三点式振荡电路中的L1和L2改换成对高次谐波呈低阻抗的电容

C1、C2，同时将原来的电容C改为电感L，为构成放大管输出回路的直流通路，集电极增加了负载电阻RC,电容C2上的电压为反馈到输入端的电压。1.电路组成2.振荡频率与起振条件振荡频率基本上等于LC并联谐振回路的谐振频率，即由幅度平衡条件，可以证明起振条件为为折合到管子集电极和发射极间的等效并联总损耗电阻。恰当选取比值,更有利于起振，一般取左右。

9.3.4电容三点式振荡电路3.特点电容三点式振荡电路的特点是：(1)由于反馈电压取自电容C2

，而电容对高次谐波的阻抗很小，因此在反馈信号中有很小的高次谐波分量，所以输出波形较好。(2)调节电容值C1、C2来实现振荡频率调节时会影响起振条件。另外，频率很高时，电容取值很小，这时三极管的极间电容随温度变化的影响不可忽略，会影响振荡频率的稳定性，这在实用上不方便。

9.3.4电容三点式振荡电路图9.3.7改进的电容三点式振荡器为了克服上述缺点，可在图9.3.6电路的基础上加以改进，在LC并联回路中电感支路上再串联一个电容C0，这样调节方便，且稳定性高。图9.3.6电容三点式振荡器图

这种振荡电路的工作频率范围可从数百千赫兹到一百兆赫兹以上。它通常用在调幅和调频接收机中，利用同轴电容器来调节振荡频率。9.3.4电容三点式振荡电路表9.3.1各种LC正弦波振荡电路比较电路名称变压器反馈式电感三点式电容三点式改进型电容三点式选频网络振荡频率振荡波形一般高次谐波分量大波形差高次谐波分量小波形好同左谐振频率可调选项网络及其可调范围将C换成可调电容,频率可调范围宽同左增加可调电容C,频率可调范围小将C换成可调电容频率,可调范围小频率稳定度可达10-4同左可达10-4—10-5可达10-5适用频率几kHz~几十MHz同右几MHz~

1000MHz以上同左9.3.4电容三点式振荡电路Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。1.频率稳定问题频率稳定度一般由来衡量——频率偏移量。——振荡频率。LC振荡电路Q——数百石英晶体振荡电路Q——100005000009.3.5石英晶体振荡电路Δf/f：10－5Δf/f：

10－10～10－119.3.5石英晶体振荡电路图9.3.8石英晶体的外形、结构固有频率只决定于其几何尺寸，故非常稳定。2.石英晶体的基本特性与等效电路结构极板间加电场极板间加机械力晶体机械变形晶体产生电场压电效应交变电压机械振动交变电压机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高当交变电压频率=固有频率时，振幅最大。压电谐振图9.3.8石英晶体的电路符号、电路模型与电抗特性9.3.5石英晶体振荡电路等效谐振回路的电抗X和的关系式如下：

(1)当时，得频率为即R、L、C串联谐振频率，该支路呈纯阻性且阻抗最小，等效为电阻R。(2)当时，得频率为即回路并联谐振频率。

通常所以9.3.5石英晶体振荡电路3.石英晶体的振荡电路(a)原理图(b)等效电路图9.3.10并联型晶体振荡电路

石英晶体振荡电路的形式虽然多种多样的，但基本电路只有两类，即并联晶体振荡电路和串联晶体振荡电路。9.3.5石英晶体振荡电路图9.3.11串联联型晶体振荡电路9.3.5石英晶体振荡电路9.4*非正弦波发生电路

9.4.1方波发生电路

9.4.2三角波发生电路

9.4.3锯齿波发生电路

9.4.4集成函数信号发生器图9.4.1几种常见的非正弦波矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。一、常见的非正弦波二、矩形波发生电路

输出无稳态，有两个暂态；若输出为高电平时定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。1.基本组成部分

（1）开关电路：因为输出只有高电平和低电平两种情况，即两个暂态；故采用电压比较器。

（2）反馈网络：因需自控，在输出为某一暂态时孕育翻转成另一暂态的条件，故应引入反馈。

（3）延迟环节：要使两个暂态均维持一定的时间，故采用RC环节实现，从而决定振荡频率。9.4.1方波发生电路

图9.4.2方波发生电路稳压管双向限幅1.电路组成电路的正反馈系数为滞回比较器的输出电压

点上有两个阈值电压

滞回比较器RC回路图9.4.2方波发生电路2.工作原理正向充电：

vO（+VZ）→Rf→C→地反向充电：地→C→Rf

→vO（－VZ）9.4.1方波发生电路不能突变

略正于时，

由翻转到。略负于时，

由翻转到。根据三要素，即起始值、终了值、时间常数，求出振荡周期占空比：通常将矩形波为高电平的持续时间与振荡周期的比。3.波形分析9.4.1方波发生电路方波的占空比：4.占空比可调电路

正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。为了占空比调节范围大，Rf应如何取值？9.4.1方波发生电路9.4.2三角波发生电路1.电路组成图9.4.5三角波发生电路把上升时间（斜率）和下降时间（斜率）相同锯齿波称为三角波。

滞回比较器积分运算电路2.工作原理求滞回比较器的电压传输特性：三要素

VOH=－VOL=VZ

，vI作用于集成运放的同相输入端，求VT：

令，并将代入，可得阈值电压3.主要参数(1)输出幅值当滞回比较器的输出电压vo1由-VZ跳变为VZ时，三角波达到最大值Vom，而此时应该Vp=vN=0,即因此可解得三角波的输出幅度：(2)振荡周期将代入上式，整理可得振荡周期：9.4.2三角波发生电路9.4.3锯齿波发生电路1.电路组成及工作原理图9.4.6锯齿波发生电路及输出波形

只需要三角波上升边和下降边的斜率不同，而且相差悬殊，即称为锯齿波。因此，在三角波发生电路的基础上，利用二极管的单向导电性可使积分电容的充电和放电回路分开，即可得到锯齿波发生电路1.电路组成及工作原理当时，VD1导通，VD2截止，电容器C充电，积分时间常数为；当时，VD2导通，VD1截止，电容器C放电，积分时间常数为；假设,则9.4.3锯齿波发生电路2.输出幅度及振荡周期锯齿波的振荡周期为9.4.3锯齿波发生电路9.4.4集成函数信号发生器

函数信号发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路。当调节外接部电路参数时，还可以获得占空比可调的矩形波和锯齿波，使用方便，性能可靠。1.电路组成图9.4.5ICL8038函数发生器原理框图图9.4.5ICL8038函数发生器原理框图当触发器的输出端为低电平时，它控制开关S使电流源I2断开。而电流源I1则向外界电容C充电，使电容两端电压随时间线性上升，当vc上升到时，比较器A的输出电压发生跳变，使触发器输出端由低电平变为高电平，这时，控制开关s使电流源I2接通。由于，因此，外界电容C放电，vC随时间线性下降。

2.工作原理电压比较器A、B的门限电压分别为两个电源电压之和的和，其中I2必须大于I1。9.4.4集成函数信号发生器图9.4.5ICL8038函数发生器原理框图2.工作原理当vc下降到时，比较器B输出电压发生跳变，使触发器输出端又由高电平变为低电平，I2再次断开，再次向C充电，vc又随时间线性上升。如此循环,就可产生振荡。外接电容C交替地从一个电流源充电后向另一个电流源放电，就会在电容C的两端产生三角波并输出到3脚。该三角波经电压跟随器缓冲后，一路经正弦波变换器变成正弦波后由2脚输出。另一路通过比较器和触发器，并经过反向缓冲，由9脚输出方波。图9.4.6ICL8038的引脚图9.4.4集成函数信号发生器3.典型应用电路图9.4.7ICL8038的两种基本接法根据ICL8038内部电路和外接电阻可以推导出占空比的表达式为:9.4.4集成函数信号发生器（a）占空比为50%时的输出波形（b）空比为15%时的输出波形图9.4.8ICL8038两种基本接法的输出波形

图9.4.9减小失真度和频率可调电路9.4.4集成函数信号发生器