第7章信号的产生和波形变换

1、新世纪高职高专教材编审委员会组编主编王成安孟晓明（基础篇）（第三版）第第7 7章章 信号的产生和波形变换信号的产生和波形变换7.17.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.27.2非正弦波信号发生电路非正弦波信号发生电路7.37.3用专用集成电路构成的信号发生器用专用集成电路构成的信号发生器7.47.4锁相环技术及其应用锁相环技术及其应用第第7 7章章 信号的产生和波形变换信号的产生和波形变换电子电路除了能对信号进行放大和处理外，还有一个重要的功能就是产生信号。能自己产生信号的电路叫做振荡器。振荡器产生的信号有各种波形，最常用的是正弦波。电子琴、音乐合成器等电子乐器能发出各种美妙的声音，尤其是近年

2、来面世的手机发出的和弦声令人回味无穷。这些声音都是由正弦波振荡电路产生的。无线通讯的基础就是建立在正弦波振荡电路上的。电路需要满足什么条件才能产生正弦波？如何判断电路能否振荡？这是本章首先要研究的内容。产生正弦波的电路有哪些？每个电路又有什么特点？分别适合用于什么场合？本章要着重讨论这些问题。随着电子技术的发展，锁相环电路的应用越来越广，本章也简单介绍了锁相环电路的组成工作原理及其在信号转换电路中的应用章首导言7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.17.1.1正弦波振荡器的基本概念正弦波振荡器的基本概念1. 正弦波振荡器的振荡条件由方框图可知，电路产生振荡的基本条件是反馈信号与原输入信号大

3、小相等、相位相同。因为反馈电压为：当时，有：正弦波振荡器方框图 idOfUAFUFU1AFidfUU7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.17.1.1正弦波振荡器的基本概念正弦波振荡器的基本概念式子可分解为两部分：(1) 幅度平衡条件：(2)相位平衡条件相位平衡条件要求放大器对信号的相移与反馈网络对信号的相移之和为2n，即电路必须引入正反馈。1AF), 2 , 1 , 0(2nnfa7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.17.1.1正弦波振荡器的基本概念正弦波振荡器的基本概念2. 振荡器的起振与稳幅当振荡电路刚接通电源时，随着电路中的电流从零开始突然增大，电路中就产生了电冲击，它包含了

4、从低频到高频的各种频率成分，其中必有一种频率的信号满足振荡器的相位平衡条件，产生正反馈。随着电路输出信号的增大，晶体管的工作范围进入了截止区和饱和区，电路的放大倍数自动地逐渐减小，限制了振荡幅度的无限增大，最后电路就有稳定的信号输出。7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.17.1.1正弦波振荡器的基本概念正弦波振荡器的基本概念3.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，振荡器由以下几部分组成：(1)放大电路它具有放大信号的作用，并将电源的直流电能转换成振荡信号的交流能量。(2)反馈网络它形成正反馈，满足振荡器的相位平衡条件。(3)选频网络在正弦波振荡电路中，它的作用是选择某一

5、频率 f0 ，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荡器输出信号的振幅，改善波形。7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.17.1.1正弦波振荡器的基本概念正弦波振荡器的基本概念5振荡电路的分类 为了保证振荡电路产生单一频率的正弦波，电路中必须包含选频网络，根据选频网络组成的元件不同，可将振荡器分为RC振荡器、LC振荡器和石英晶体正弦波振荡器。7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.2 7.1.2 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路1. RC 串并联网络的频率特性如图所示，为RC正弦波振荡器的一种，又称为文氏桥振荡器。它一般用来产生从零点几赫兹到数百千赫兹的低频信

6、号，目前常用的低频信号源大多采用这种形式的振荡电路。RC桥式振荡器7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.2 7.1.2 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路1. RC 串并联网络的频率特性在文氏桥正弦波振荡电路中，RC 串并联网络担任选频和正反馈的双重任务。 RC 串并联网络如图所示。设输入信号为幅度恒定、频率可变的电压UO，分析UO与输出信号Uf之间相位差 的变化。RC串并联选频网络7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.2 7.1.2 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路当信号的频率较低时，在RC串联回路中，C1的容抗远大于R1，故R1的大小可忽略不计；在RC并联回路中，C2的容抗远

7、大于R2，所以C2的容抗也可以忽略不计，这样可得到图所示的低频等效电路。RC串并联选频网络7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.2 7.1.2 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路当信号的频率较高时，在RC串联回路中，容抗远小于R1，所以C1的容抗可以忽略不计；在RC并联回路中，C2的容抗也远小于R2，所以R2的阻抗可以忽略不计，这样可得到图所示的高频等效电路。RC串并联高频等效电路7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.2 7.1.2 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 RC串并联选频网络的幅频特性和相频特性7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.2 7.1.2 RCRC正弦波振荡

8、电路正弦波振荡电路2. 文氏桥正弦波振荡电路(1) 放大器必须是一个同相放大器 由于 RC 串并联选频网络在 f = f0 时，输出信号 Uf 最大，相移 =0，这就要求放大电路的相移a=2n，即放大器必须是一个同相放大器。在图中放大电路采用同相输入式，这样就满足了振荡的相位平衡条件。7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.2 7.1.2 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路2. 文氏桥正弦波振荡电路(2) 文氏桥振荡器的振荡频率 可以证明，RC串并联正弦波振荡电路的振荡频率为：(3) 文氏桥振荡器的起振条件 电压串联负反馈放大电路的电压放大倍数：RCf210313RRAff7.1正弦波振荡

9、电路正弦波振荡电路7.1.2 7.1.2 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路2. 文氏桥正弦波振荡电路(4) 常用的稳幅措施 如图所示是两种具有稳幅环节的文氏桥振荡器。具有稳幅环节的文氏桥振荡器7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.2 7.1.2 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路用文氏桥组成的正弦波音频信号发生器7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.37.1.3LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路1. LC 并联网络的选频特性LC 并联选频网络如图所示。在图中R表示电感和电容的等效损耗电阻。因为一般选频网络都接在三极管放大电路的输出端，所以用恒流源 Io 近似等效三极管的恒流作用

10、。 LC并联选频网络LCf2107.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.37.1.3LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路用文氏桥组成的正弦波音频信号发生器7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.37.1.3LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路2. 变压器反馈式正弦波振荡器图所示电路是采用高频变压器构成的LC正弦波振荡电路。(1) 电路组成 放大电路 选频网络 反馈网络变压器反馈式LC正弦波振荡器 7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.37.1.3LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路(2) 起振条件和平衡条件 为了使振荡电路起振，必须正确连接反馈绕组 L2 的极性，使之符合正反馈的要求，

11、满足相位平衡条件。反馈信号 uf 的大小由匝数比 N2/N1 决定，当三极管的放大倍数和绕组的匝数比合适时，满足幅度平衡条件和电路的起振条件。 (3) 电路特点 变压器反馈式 LC 振荡器容易起振，若用可变电容器代替固定电容 C，则可以方便的调节频率，其缺点是振荡频率不太高，通常为几兆赫十几兆赫。7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.37.1.3LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路3. 电感三点式振荡电路电感三点振荡电路又称为哈特莱振荡电路，电路如图所示。电感三点式 LC 振荡电路7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.37.1.3LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路(1)电路组成放大电

12、路;选频网络;反馈网络。 (2)相位平衡条件用瞬时极性法可判断出电路中的反馈为正反馈，满足振荡器的相位平衡条件。用“射同基反”的口诀来加以判断更为准确和快捷。“射同基反”的含义是：对于三点式振荡器的交流通路，如图所示。电感三点式LC振荡电路的交流通路7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.37.1.3LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路(3)振荡频率 电感三点式振荡电路的振荡频率由LC 并联网络的谐振频率确定，即：(4)电路特点 电感三点式振荡器电路简单，容易起振，调频方便，只要将电容C 换成可变电容器，就可以方便的进行频率的连续调节。CMLLf)2(21217.1正弦波振荡电路正弦波振荡电

13、路7.1.37.1.3LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路4.电容三点式振荡器电容三点式振荡器又称为考毕兹电路，电路如图所示。电容三点式LC振荡器7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.37.1.3LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路(1) 电路组成 放大电路采用分压式偏置的共发射极电路。(2)相位平衡条件 可用瞬时极性法判断出：uf 与 ui 同相，即电路为正反馈，满足相位平衡条件。(3)振荡频率 振荡频率由LC回路的谐振频率确定，振荡频率为：)(2121CCLfo7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.37.1.3LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路(4)电路特点 由于电路的反馈电压取

14、自电容两端，而电容对高次谐波的容抗较小，所以电路对高次谐波的正反馈比基波弱，使得输出信号波形中的高次谐波成分少，波形较好。电路的振荡频率比较高，可达100MHz以上，在电视机等高频设备中得到广泛的应用。但电容三点式振荡器电路的频率调节不太方便，常用切换电感的方法来改变频率，不能实现频率的连续调节。若要实现频率的连续调节，可在电感两端并联一个可变电容器，在小范围内进行频率调节。7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.37.1.3LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路彩电电调谐高频头的本振电路 7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.47.1.4石英晶体振荡器石英晶体振荡器彩电电调谐高频头的本振

15、电路 1石英晶体的特性(1)石英晶体谐振器的结构 石英晶体谐振器是从一块石英晶体上按一定的方位角切下的薄片（称为晶体）。其外形、结构和符号如图所示。7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.47.1.4石英晶体振荡器石英晶体振荡器(2) 石英晶体的压电效应 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。(3)石英晶振的等效电路 石英晶片的压电谐振等效电路和LC谐振回路十分相似，其等效电路如图所示。石英晶振的等效电路7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.47.1.4石英晶体振荡器石英晶体振荡器(4) 石英晶

16、振的谐振频率和谐振曲线 如图所示，是石英晶体谐振器的电抗一频率特性曲线，它个有两个谐振频率 fs 和 fp，这两个频率非常接近，当 fsffp 时，石英晶体呈感性，在其它的频率范围内，石英晶体均呈容性。石英晶振的谐振频率和谐振曲线7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.47.1.4石英晶体振荡器石英晶体振荡器2. 石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路的基本形式有串联型和并联型两种。串联型石英晶体振荡器电路并联型石英晶体振荡电路7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.47.1.4石英晶体振荡器石英晶体振荡器可以根据需要加以选择。一种实用的石英晶振电路如图所示，调节可以微调输出频率，使振荡器的

17、信号频率更为准确。实用的石英晶振电路（皮尔斯电路）7.2非正弦波信号发生电路非正弦波信号发生电路7.2.17.2.1方波信号发生器方波信号发生器1电路组成如图所示，为方波信号发生器的基本电路。方波信号发生器的基本电路7.2非正弦波信号发生电路非正弦波信号发生电路7.2.17.2.1方波信号发生器方波信号发生器2电路工作原理同相输入端的比较电压为：同相端的比较电压也随之变为：方波信号的周期为：7.2非正弦波信号发生电路非正弦波信号发生电路 7.2.27.2.2三角波信号发生器三角波信号发生器1电路组成如图所示，为一方波和三角波信号发生器的电路图。方波和三角波信号发生器7.2非正弦波信号发生电路非

18、正弦波信号发生电路 7.2.27.2.2三角波信号发生器三角波信号发生器2工作原理集成运放A1的同相输入端电压up可由电位叠加原理可求出：当uo2达到某值正好使up由负值升到稍大于零时，过零电压比较器A1输出翻转，使uo1迅速跳变到+UZ。此时up的值可由下式求出：21122121RRRuRRRuuoop02112212RRRuRRRUuoZp7.2非正弦波信号发生电路非正弦波信号发生电路 7.2.27.2.2三角波信号发生器三角波信号发生器电压比较器再次翻转到-UZ时的up值为：由此式可求出：经分析计算，可得方波和三角波信号的周期为：02112212RRRuRRRUuoZpzoURRu122

19、RCRRT1247.2非正弦波信号发生电路非正弦波信号发生电路7.2.37.2.3锯齿波信号发生器锯齿波信号发生器锯齿波信号发生器7.3用专用集成电路构成的信号发生器用专用集成电路构成的信号发生器7.3.17.3.1集成时基电路集成时基电路555555集成时基电路555是一种数字电路和模拟电路混合型的中规模集成电路，其应用十分广泛。可以组成多种波形发生器、定时延时电路、双稳触发电路、报警电路、检测电路和频率变换电路等。集成时基电路555有双极型和CMOS型两大类。双极型产品型号最后的三位数字都是555；CMOS产品型号最后四位数字都是7555，二者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。标有5

20、55型号的集成电路是单定时器，标有556型号的集成电路是双定时器，标有558型号的集成电路内部含四个定时器。7.3用专用集成电路构成的信号发生器用专用集成电路构成的信号发生器7.3.17.3.1集成时基电路集成时基电路555555集成时基电路555的内部电路方框图如图所示，其引脚图如图所示。它含有两个电压比较器，一个基本的RS触发器，一个放电开关管VT，比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成得分压器提供。集成时基电路555的内部电路结构示意图集成时基电路555的引脚排列7.3用专用集成电路构成的信号发生器用专用集成电路构成的信号发生器7.3.17.3.1集成时基电路集成时基电路5555557.

21、3用专用集成电路构成的信号发生器用专用集成电路构成的信号发生器7.3.27.3.2集成时基电路集成时基电路555555的实际应用的实际应用1.集成时基电路555组成的多谐振荡器多谐振荡器又称为无稳态电路， 集成时基电路555组成的多谐振荡器的原理图如图所示。振荡周期可用下式计算：555构成的多谐振荡器7.3用专用集成电路构成的信号发生器用专用集成电路构成的信号发生器7.3.27.3.2集成时基电路集成时基电路555555的实际应用的实际应用2.集成时基电路555组成的单稳触发器集成时基电路555组成的单稳触发器的原理如图所示。集成时基电路555构成的单稳态触发器7.3用专用集成电路构成的信号发

22、生器用专用集成电路构成的信号发生器7.3.27.3.2集成时基电路集成时基电路555555的实际应用的实际应用可见输入一窄脉冲触发，可得到一宽的矩形脉冲，通过改变 R、C 的大小，可使延时时间在几个微秒到几十分钟之间的变化，这种单稳态电路可作为延时器使用。 暂稳态的持续时间为：RCto1 . 17.3用专用集成电路构成的信号发生器用专用集成电路构成的信号发生器7.3.27.3.2集成时基电路集成时基电路555555的实际应用的实际应用3. 集成时基电路555组成的双稳态电路集成时基电路555组成的双稳态电路又称为施密特触发器，其组成电路和输出波形如图所示。5G8038多种函数信号发生集成电路7

23、.3用专用集成电路构成的信号发生器用专用集成电路构成的信号发生器7.3.37.3.3用用5G80385G8038多种函数信号发生集成电路组成的信号发生器多种函数信号发生集成电路组成的信号发生器1.5G8038多种函数信号发生集成电路的功能如图所示，为5G8038集成块的封装外形和引脚名称，图为5G8038的内部电路的组成框图。5G8038的内部电路5G8038集成块的引脚排列7.3用专用集成电路构成的信号发生器用专用集成电路构成的信号发生器7.3.37.3.3用用5G80385G8038多种函数信号发生集成电路组成的信号发生器多种函数信号发生集成电路组成的信号发生器25G8038多种函数信号发

24、生集成电路的应用如图所示，为5G8038多种函数信号发生集成电路接成产生方波、三角波和正弦波信号的电路。5G8038多种函数信号发生集成电路的8脚接在7脚上，电路输出波形的频率为：RCf33. 05G8038多种函数信号发生集成电路接成产生方波、三角波和正弦波信号的电路7.3用专用集成电路构成的信号发生器用专用集成电路构成的信号发生器7.3.37.3.3用用5G80385G8038多种函数信号发生集成电路组成的信号发生器多种函数信号发生集成电路组成的信号发生器5G8038组成多种函数信号发生器7.4锁相环技术及其应用锁相环技术及其应用锁相环技术可以使一个自激振荡器所产生的信号的频率和相位受基准

25、信号的控制，使振荡信号和基准信号在频率上保持相等，而在相位上保持一个固定的差值，这就是所谓的“锁相技术”。实现锁相技术在电路上往往是形成一个环路，该环路就称之为“锁相环”。实质上，锁相环就是一种反馈控制系统。7.4锁相环技术及其应用锁相环技术及其应用1锁相环电路的基本组成如图所示，锁相环电路由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成。7.4.17.4.1锁相环电路锁相环电路锁相环电路方框图7.4锁相环技术及其应用锁相环技术及其应用鉴相器是一个相位比较电路，它把输入的标准信号ui与压控振荡器VCO的输出信号uo进行相位比较，产生对应于两信号相位差的误差电压ud，起到相位

26、差电压的变换作用。环路滤波器相当于一个低通滤波器，它的作用是滤除鉴相器输出的误差电压ud中的高频成分和干扰信号，得到更纯的控制电压uc。压控振荡器VCO是一个其振荡频率受控制电压控制的振荡器，实质是一个电压一频率转换电路。其振荡频率决定于控制电压uC(t) ，即决定于误差电压ud。7.4.17.4.1锁相环电路锁相环电路7.4锁相环技术及其应用锁相环技术及其应用2锁相环电路的特性(1)锁定特性当压控振荡器的输出频率 fo 和鉴相器的标准输入信号频率 fi 有一个较小的频率差时，鉴相器会检测出两信号的相位差并输出一个误差电压，此电压经过环路滤波器加到压控振荡器上，使振荡器的振荡频率向减小频率差的方向改变，这个过程称之为“频率牵引”。 (2)跟踪特性锁相环一旦进入锁定状态，就能对输入信号在一定范围内的频率变化具有良好的跟踪性，使振荡器的振荡频率随着输入信号频率的变化而变化。7.4.17.4.1锁相环电路锁相环电路7.4锁相环