项目4 函数信号发生电路

1、项目四 函数信号发生电路模拟电子技术项目化教程项目概述在模拟电子系统中，普遍应用了一种在没有外界输入信号的情况下能自行产生周期性交变信号输出的电子电路，就是振荡电路。振荡器的种类很多，按原理可以分为反馈振荡器和负阻振荡器两类；按其输出频率可以分为低频、高频、微波三类；按输出波形可以分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。他们可以作为信号源、定时源、能量变换电路、频谱变换电路等等。本项目主要通过设计与制作一个典型函数信号发生器电路的全过程，来学习如何应用分立元件和运算放大器组成正弦波和非正弦波产生电路。项目引导教学目的教学目的：1掌握函数信号发生器的设计、装配与调试方法。2熟悉典型集成运放电路的使用方

2、法，并掌握工作原理。3掌握波形产生、变换的工作原理。项目引导项目要求：项目要求：1工作任务：方波三角波正弦波函数发生器2性能指标：输出波形：方波、三角波、正弦波频率范围：10Hz10kHz。信号幅值：方波Vp-p24V；三角波Vp-p1V。项目引导参考电路：参考电路：项目引导项目咨询：项目咨询：工作任务学习目标任务一正弦波振荡电路1理解振荡器的定义、分类及工作原理，掌握振荡器的起振条件、平衡条件；2理解RC串并联电路的选频特性，掌握RC桥式振荡器的分析方法；3掌握LC正弦波振荡器的分析方法，掌握三点式振荡电路的组成原则，掌握电感三点式振荡器和电容三点式振荡器的分析方法，理解电感三点式振荡器和电

3、容三点式振荡器的特点；4理解石英谐振器的工作原理，掌握石英晶体振荡电路的分析判断方法，了解寄生振荡和间歇振荡的特点。任务二非正弦波发生电路1掌握方波发生器的电路组成和工作原理；2掌握三角波发生器、锯齿波发生器的电路组成及工作原理。任务1：认识半导体三极管2.1.1 三极管的结构与类型 1三极管的分类 (1)按结构(导电类型)划分：NPN和PNP。 (2)按所用半导体材料划分：硅管和锗管。 (3)按用途划分：放大管和开关管。 (4)按工作频率划分：低频管和高频管。 (5)按功率大小划分：小功率管、中功率管、大功率管。 生活中常见的自激振荡现象：扩音系统中的电声振荡。 任务1：正弦波振荡电路4.1

4、.1 正弦波振荡电路的基本概念指在无任何外加输入信号的情况下，就能自动地将直流电能转换成具有一定频率、振幅、波形的交变信号能量的电路。若产生的交流信号为正弦波，则称为正弦波信号发生器或正弦波振荡器。1.自激式振荡器的概念任务1：正弦波振荡电路4.1.1 正弦波振荡电路的基本概念按信号的波形来分，可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。常见的非正弦波形有方波、矩形波、锯齿波等等。在正弦波振荡器中，按构成选频网络的元件不同可分为LC振荡器、石英晶体振荡器、RC振荡器等。2.自激式振荡器的分类 任务1：正弦波振荡电路4.1.1 正弦波振荡电路的基本概念2.自激式振荡器的分类任务1：正弦波振荡电路2.自激

5、式振荡器的主要性能指标4.1.1 正弦波振荡电路的基本概念振荡器的主要性能指标是：振荡频率f0、频率稳定度f0/f0、振荡幅度A、振荡波形等。对于每一个振荡器来说，首要的指标是振荡频率和频率稳定度。对于不同的设备，在频率稳定度上是有不同的要求的。比如相干光调制器中的载波，要求频率稳定度在10-510-6，目前主要采用介质振荡器实现；而广播电台的调幅发射机中的载波，频率稳定度在10-310-4，可采用LC振荡器或石英晶体振荡器实现。 在正反馈放大器中+=fiiXXX闭环增益为：当时，fA正反馈放大器产生震荡任务1：正弦波振荡电路4.1.1 正弦波振荡电路的基本概念3.自激式振荡器的基本原理此后，

6、电路无需加入激励信号，也有信号输出，因此产生自激振荡的条件为：1FA相对于正反馈网络而言，将输入端与反馈端直接相连，得到上图所示的震荡器的方框图由于不存在在外加信号，因此自激振荡的条件又可以写为：ifXX振荡器的信号一般指电压信号因此相关表达式可写为：1uuFAifUU任务1：正弦波振荡电路4.1.1 正弦波振荡电路的基本概念3.自激式振荡器的基本原理放大器选频网络反馈网络为了产生某一频率的正弦信号，必须引入如上图的选频网络，它使电路只能在该频率处才产生自激，其它频率都不满足自激的条件根据选频网络的不同，反馈式正弦振荡器可分为正弦振荡器（它的放大器和选频网络可组成谐振放大器），正弦波振荡器和石

7、英晶体振荡器4.1.1 正弦波振荡电路的基本概念4.反馈式振荡器的基本组成任务1：正弦波振荡电路1相位平衡条件 2.nfa（n=0,1,2,3）实质上就是要求振荡频率处的反馈为正反馈即该频率处的反馈电压和原输入电压同相2振幅平衡条件1.FA即要求在振荡频率处反馈电压和输入电压的振幅相等。以上两个条件为维持等幅振荡的必要条件相位平衡是最重要的条件。4.1.1 正弦波振荡电路的基本概念4.反馈式振荡器的平衡条件任务1：正弦波振荡电路1.FA当震荡器刚接通时，震荡电压不会建立起来，必须经历一段由无到有，由小到大的过程，才能进入平衡状态，从而得到具有一定频率和振幅的等幅振荡电压。刚接通电源时，震荡电路

8、中会存在各种电的扰动（如接通电源瞬间的电流突变内部噪声等），包含了非常多的频率分量，选频网络把频率等于谐振频率的分量送到反馈网络，其它频率分量则被滤除。通过反馈网络送到放大器输入端的频率为谐振频率的信号为原始的输入信号（非常微弱），被放大器放大后，经选频网络和反馈网络，重新提供给输入端。4.1.1 正弦波振荡电路的基本概念4.反馈式振荡器的起振条件任务1：正弦波振荡电路RC 串并联网络的选频特性RC正弦波振荡器分为桥式(RC串/并联电路式)、移相式和双T电路等类型。本单元只讨论应用最广的文氏电桥振荡器。 RC串并联电路 右图为RC串并联网络，是由RC串联电路和RC并联电路组成。 取输入电压为

9、，输出电压为 ，iUoU4.1.2 RC正弦波振荡器任务1：正弦波振荡电路则电压传输系数为：)(310012ffffjUUFuRCf210串联阻抗1111CjRZ并联阻抗 )1/()1/(222222CRjRCjRZ)1()1 (1)1 ()1 ()1 (2121211222211222212RCCRjRRCCCRjRCjRCRjRZZZUUFOf通常取R1=R2=R，C1=C2=C，于是 )(3100jF推导过程为：任务1：正弦波振荡电路4.1.2 RC正弦波振荡器幅频特性为 2002)(31F相频特性为 300arctgFRC10时，达到最大，其值为F31而当时,偏离0F急剧下降。因此，R

10、C串联电路具有选频特性。0另外，当 时， 0F电路呈现纯阻性。既可把它作为选频网络，又可作为反馈网络。 利用RC串并联电路的幅频特性和相频特性在0时的特点，任务1：正弦波振荡电路4.1.2RC正弦波振荡器 RC串并联电路的频率特性曲线 任务1：正弦波振荡电路4.1.2 RC正弦波振荡器根据上述RC串并联网络的频率特性,可以采用一同相放大器与它组成RC振荡器(如下图示)。因此本电路很容易产生振荡,振荡频率为RCf210;,=0满足相位平衡条件同相与时当OfUUff正反馈最强反馈系数时又, 3/1=,=max0uuFFff由图可知:;同相与OiUU任务1：正弦波振荡电路4.1.2 RC桥式振荡器（

11、文氏电桥振荡器）1、RC桥式振荡器由振荡的振幅平衡条件,上图所示振荡器应满足：AuFu=1。由于当f=f0时，Fu=1/3，所以Au=3，起振条件为Au3;上述条件容易满足，故电路可以振荡。但是一般同相放大器的放大倍数远大于3，这将导致有源器件工作在非线性严重的区域而使输出波形严重失真，因此RC振荡器必须采用外振幅。任务1：正弦波振荡电路4.1.2 RC桥式振荡器（文氏电桥振荡器）2、文氏电桥振荡器1）采用文氏电桥振荡器的必要性为了克服上述RC振荡器的缺点，必须引入深度负反馈，使起振时Au 略大于3，为了使平衡时Au =3，还应有自动调整放大倍数的外稳幅环节（如右图） 。2）电路结构 运放和R

12、1、Rf组成同相比例电路（同相放大器）， Rf为具有负温度系数的热敏电阻。任务1：正弦波振荡电路4.1.2 RC桥式振荡器（文氏电桥振荡器）3）工作原理同相比例电路的放大倍数Au=1+Rf/R1故f=f0时振荡器的环路增益)1 (311RRAuFuf根据AuFu1和AuFu=1可得该振荡器的起振条件和平衡条件分别为112.2RRRRff上式表明：振荡器从起振到平衡状态要求Rf从大于2R1降到2R1，相应的电路中的Au从大于3降到3，这便要求Rf的阻值有随振幅增大而减小的非线性特性。任务1：正弦波振荡电路4.1.2 RC桥式振荡器（文氏电桥振荡器）00A00F00FAAFRC串并联电路为集成运放

13、引入一个正反馈。 1. 电路结构分析即检查电路是否包括放大电路、反馈电路和选频网络三部分。RC串并联电路既是反馈网络，又是选频网络。 2. 反馈网络RC 振荡器的分析步骤和方法任务1：正弦波振荡电路4.1.2 RC桥式振荡器（文氏电桥振荡器）3. 基本放大电路分析放大电路应为同相放大器。如果采用分立元件放大电路，应检查管子的静态是否合理。如果用集成运放，则应检查输入端是否有直流通路，运放有无放大作用。 4. 振荡条件分析起振条件： 2RRf幅值平衡条件： 2RRf振荡角频率为 0，即振荡频率为 RCf210RC 振荡器的分析步骤和方法任务1：正弦波振荡电路4.1.2 RC桥式振荡器（文氏电桥振

14、荡器）RC正弦波振荡器的振荡频率取决于R和C数值，由上页式得，要想得到较高的振荡频率，必须选择较小的R和C值。RC振荡器只能用作低频振荡器（1Hz1MHz）。一般在要求振荡频率高于1 MHz时，都改用LC并联回路作为选频网络，组成LC正弦波振荡器。RC 振荡器的分析步骤和方法任务1：正弦波振荡电路4.1.2 RC桥式振荡器（文氏电桥振荡器）选频网络采用LC谐振回路的反馈式正弦波振荡器，称为LC正弦波振荡器，简称LC振荡器。LC振荡器常用分立元件组成。 1、变压器反馈式LC正弦波振荡器 变压器反馈式振荡器又称互感耦合振荡器。由谐振放大器和反馈网络两大部分组成。在这类振荡器中，LC并联回路中的电感

15、元件L是变压器的一个绕组，变压器的另一个绕组则作为振荡器的反馈网络。 任务1：正弦波振荡电路4.1.3 LC正弦波振荡电路共射极电路组成 交流通路 （1）基本电路(共射极接法)1、变压器反馈式LC正弦波振荡器 任务1：正弦波振荡电路4.1.3 LC正弦波振荡电路谐振放大器由晶体管、偏置电路、选频网络LC组成。Cb为隔直耦合电容，Ce为发射极旁路电容。通过L1L互感耦合，将L1上的反馈电压加到放大器输入端。通过L2L互感耦合，在负载RL上得到正弦波输出电压。 LC并联电路在谐振时是纯阻性的，A = 180o。相位平衡条件，必须要求F = 180o。因此，与晶体管集电极相连的变压器绕组端和与基极相

16、连的绕组端点必须互为异名端。1、变压器反馈式LC正弦波振荡器 任务1：正弦波振荡电路4.1.3 LC正弦波振荡电路（1）基本电路(共射极接法) 共基接法中，A = 0o，因此，为了满足相位平衡条件，必须有F = 0o。 这样，与集电极相连的绕组端点和与射极相连的绕组端点必须互为同名端。（1）基本电路(共基极接法)1、变压器反馈式LC正弦波振荡器 4.1.3 LC正弦波振荡电路任务1：正弦波振荡电路相位条件正反馈的判断：根据放大电路的组态（是共射极还是共基极；如果是集成运放就要看反相输入还是同相输入），决定放大电路输出端（集电极）和输入端（基极或射极）所连接的变压器绕组的端点应为异名端还是同名端

17、。 振荡频率LCf210变压器反馈式振荡器的工作频率不宜过低过高，一般应用于中、短波段（几十KHz到几十MHz）。（2）相位平衡条件的判断和振荡频率1、变压器反馈式LC正弦波振荡器 4.1.3 LC正弦波振荡电路任务1：正弦波振荡电路（2）调频方便，调频范围较宽。 （1）变压器反馈式LC振荡电路利用变压器作为正反馈耦合元件，它的优点是便于实现阻抗匹配，因此振荡电路效率高、起振容易。 1、变压器反馈式LC正弦波振荡器 4.1.3 LC正弦波振荡电路任务1：正弦波振荡电路 三点式振荡器的基本分类电感三点式振荡器电容三点式振荡器4.1.3 LC正弦波振荡电路任务1：正弦波振荡电路2、三点式振荡电路1

18、) 电感三点式振荡器（哈特莱振荡器）电路组成 交流通路 电路结构4.1.3 LC正弦波振荡电路任务1：正弦波振荡电路2、三点式振荡电路元器件功能L为具有抽头的电感线圈；L和C组成了振荡回路；V、Rb1、Rb2、Re组成稳定工作点的分压式偏置电路； Ce为高频旁路电容； Cb为耦合电容；1) 电感三点式振荡器（哈特莱振荡器）4.1.3 LC正弦波振荡电路任务1：正弦波振荡电路2、三点式振荡电路 电路工作原理及结构特点 管子的输入端和输出端均采用部分接入LC回路的方式，由于管子的三个电极分别与电感L的三个引出点相接，故称之为电感三点式振荡器。 相位平衡条件的判断和振荡频率 .相位平衡条件的判断 把

19、反馈从交流通路中K点断开，设Ui的瞬时极性为（+），由于LC回路谐振时呈电阻性，故Uo的瞬时极性为（），因为电感L的中间抽头交流接地，则其两端的相位相反，则反馈电压的瞬时极性为（+），因此Uf与Ui同相。 1) 电感三点式振荡器（哈特莱振荡器）4.1.3 LC正弦波振荡电路任务1：正弦波振荡电路2、三点式振荡电路.振荡频率 LCf210 式中：LL1L22M（M为L1和L2间的互感，不考虑互感时M0）。 CMLLf)2(212101) 电感三点式振荡器（哈特莱振荡器）4.1.3 LC正弦波振荡电路任务1：正弦波振荡电路2、三点式振荡电路 . 振荡波形较差。 . 振荡频率较低。 . 由于起振的相

20、位条件和幅度条件很容易满足，所以容易起振，输出电压幅度较大。 . 调整方便。 电感三点式振荡器的特点1) 电感三点式振荡器（哈特莱振荡器）4.1.3 LC正弦波振荡电路任务1：正弦波振荡电路2、三点式振荡电路电路 交流通路 4.1.3 LC正弦波振荡电路任务1：正弦波振荡电路2)电容三点式振荡器(考毕兹振荡器)2、三点式振荡电路L和C组成了振荡回路；V、Rb1、Rb2、Re组成稳定工作点的分压式偏置电路； Ce为高频旁路电容； Cb为耦合电容；高频扼流圈Lc对信号频率相当于开路； 4.1.3 LC正弦波振荡电路任务1：正弦波振荡电路2)电容三点式振荡器(考毕兹振荡器)2、三点式振荡电路电路工作

21、原理及结构特点反馈电压取自C2的两端。 管子的输入端和输出端均也采用部分接入LC回路的方式，由于管子的三个电极分别与C1和C2的三个引出点相接，故称之为电容三点式振荡器。 相位平衡条件的判断和振荡频率 .相位平衡条件的判断 同理可由瞬时极性法判定，该电路满足相位平衡条件。 4.1.3 LC正弦波振荡电路任务1：正弦波振荡电路2)电容三点式振荡器(考毕兹振荡器)2、三点式振荡电路.振荡频率 LCf210 式中：C为C1、C2的串联等效电容。)()(2121CCCCC4.1.3 LC正弦波振荡电路任务1：正弦波振荡电路2)电容三点式振荡器(考毕兹振荡器)2、三点式振荡电路 . 输出波形好。 .加大

22、回路电容可提高振荡频率稳定度。 .振荡频率较高。 .调整频率不方便。 解决的办法是：在L两端并接可变电容C3，C3C1、C2。 电容三点式振荡器的特点4.1.3 LC正弦波振荡电路任务1：正弦波振荡电路2)电容三点式振荡器(考毕兹振荡器)2、三点式振荡电路1. 石英晶体振荡器的应用背景 一般LC振荡器的频率稳定度只能达到10-3-10-4数量级，改进型电容三点式震荡器的频率稳定度也只有10-4-10-5数量级；在许多场合，要求频率稳定度优于10-5数量级，则必须采用石英晶体振荡器。石英晶体振荡器是用石英谐振器作为振荡回路元件的具有高稳定度（10-5-10-11数量级）的振荡器。4.1.4 石英

23、晶体振荡器任务1：正弦波振荡电路石英晶体的化学成份是二氧化硅(SiO2)，外形呈六角形锥体。石英晶体的导电性与晶体的晶格方向有关，按一定方位把石英晶体切成具有一定几何形状的石英片，两面敷上银层，焊出引线，装在支架上，再用外壳封装，就制成了石英谐振器。 4.1.4 石英晶体振荡器任务1：正弦波振荡电路1.石英谐振器晶体外形晶体外形 内部结构内部结构当石英晶体两面加机械力时，晶片两面将产生电荷，电荷的多少基本上与机械力所引起的形变成正比，电荷的正负将取决于所加机械力是张力还是压力而异。由机械形变引起产生电荷的效应称为正压电压效应，交变电场引起石英晶体发生机械形变(压缩或伸展)的效应称为反压电效应。

24、 4.1.4 石英晶体振荡器任务1：正弦波振荡电路2. 正反压电效应等效电路 当石英晶体发生谐振现象时，在外电路可以产生很大的电流，这种情况与电路的谐振现象非常相似。因此，可以采用一组电路参数来模拟这种现象，其等效电路如图5-15所示。L1、C1、R1分别为石英晶体的模拟动态等效电感、等效电容和损耗电阻，C0为静态电容，它是以石英为介质在两极板间所形成的电容。 一般石英谐振器的参数范围约为：R110140；L10.0110H；C10.0040.1PF；C024PF。 4.1.4 石英晶体振荡器任务1：正弦波振荡电路2.石英晶体的等效电路 （1）高Q值 因为晶体的主要特点是L1很大、C1很小、R

25、1较小，且C0 C1，则其Q值 很高。 （2）两个谐振频率f1和f2 一是由L1、C1和R1串联支路决定的串联谐振频率f1， 它就是石英晶体片本身的自然谐振频率，为： 11121CLf石英晶体片本身的自然谐振频率 4.1.4 石英晶体振荡器任务1：正弦波振荡电路3. 石英谐振器的特点 二是由石英晶片和静态电容C0组成的并联电路所决定的并联谐振频率f2： OOOCCfCCCCLf111112121因为C1C0，故上式可近似为： )21 (112OCCff011122CCfff其差值一般约为几十Hz至几百Hz。 4.1.4 石英晶体振荡器任务1：正弦波振荡电路3. 石英谐振器的特点（3）石英谐振器

26、的电抗特性曲线当ff1 时，电路呈容性；当f=f1 时，电路呈阻性；当f1ff2 时，电路呈感性；当f2f2或ff1时，等效电路呈容性，晶体充当一个等效电容；当f1ff2时，等效电路呈电感性，这个区域很窄， 石英谐振器充当一个等效电感。不过此电感是一个特殊的电感，它仅存在于f1与f2之间，且随频率f的变化而变化。 （4）接入系数很小 4.1.4 石英晶体振荡器任务1：正弦波振荡电路3. 石英谐振器的特点1)作用及分类：石英晶体在电路中可以起三种作用：一是充当等效电感，晶体工作在接近于并联谐振频率f2的狭窄的感性区域内， 这类振荡器称为并联谐振型石英晶体振荡器；二是石英晶体充当短路元件，并将它串

27、接在反馈支路内，用以控制反馈系数，它工作在石英晶体的串联谐振频率f1上，称为串联谐振型石英晶体振荡器；三是充当等效电容，使用较少。4.1.4 石英晶体振荡器任务1：正弦波振荡电路4. 石英晶体振荡电路皮尔斯电路 等效电路 2) 并联型晶体振荡电路4.1.4 石英晶体振荡器任务1：正弦波振荡电路4. 石英晶体振荡电路这类石英晶体振荡的工作原理及振荡电路和一般的三点式LC振荡器相同，只是将三点式振荡回路中的电感元件用晶体取代，分析方法也和LC三点式振荡器相同。在实际中，常用石英晶体振荡器是将石英晶体接在振荡管的cb间(或场效应管的DG间)或be间(或场效应管的GS间)。振荡管可以是晶体三极管，也可

28、以是场效应管，图5-17画出了基本电路和等效电路。由等效电路可见相当于电容三点式振荡电路， 又称皮尔斯电路。与LC三点式振荡电路相比，皮尔斯电路的等效电路可看成是考毕兹振荡器，电路中的石英晶体只有等效为电感元件，振荡电路才能成立。 2) 并联型晶体振荡电路4.1.4 石英晶体振荡器任务1：正弦波振荡电路4. 石英晶体振荡电路电路结构等效电路 3)串联型晶体振荡电路4.1.4 石英晶体振荡器任务1：正弦波振荡电路4. 石英晶体振荡电路视石英晶体为短路元件，等效电路与电容三点式毫无区别。 根据这个原理，应将振荡回路的振荡频率调谐到石英晶体的串联谐振频率上，使石英晶体的阻抗最小，电路的正反馈最强，满

29、足振荡条件。而对于其它频率的信号，晶体的阻抗较大，正反馈减弱，电路不能起振。 上述两种电路的振荡频率以及频率稳定度，都是由石英谐振器和串联谐振频率所决定的，而不取决于振荡回路。但是，振荡回路的元件也不能随意选用，而应该使所选用的元件所构成的回路的固有频率与石英谐振器的串联谐振频率相一致。 3)串联型晶体振荡电路4.1.4 石英晶体振荡器任务1：正弦波振荡电路4. 石英晶体振荡电路4.2.1 方波信号发生电路任务2：非正弦波振荡电路（a）电路图 （b）波形图方波信号发生电路 Rf和C组成负反馈支路，R1和R2组成正反馈支路，R3为限流电阻。电容C的端电压uc为运放的反相输入端电压，而同相输入端电压（即比较器的基准电压u+）为电阻R2的端电压UTH。输出电压uo的极性如何变化则由uC与UTH比较的结果来决定。4.2.1 方波信号发生电路任务2：非正弦波振荡电路4.2.2 三角波发生电路任务2：非正弦波振荡电路（a）电路图 （b）波形图三角波信号发生电路 运放A1构成滞回比较器，产生方波输出；运放A2构成反相积分器，产生三角波。4.2.2 三角波发生电路任务2：非正弦波振荡电路调节图中电位器RP，使积分器A2的输入电压发生变化，积分到一定电压所需的时