第9章 波形发生电路

1、1第九章第九章波形发生器波形发生器9.1正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法9.2RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.3LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.4石英晶体振荡器石英晶体振荡器9.5非正弦波发生电路非正弦波发生电路29. 1.1 产生自激振荡的原理产生自激振荡的原理fidXXX改成正反馈改成正反馈只有正反馈电路才能产生自激振荡。只有正反馈电路才能产生自激振荡。基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电路FiX+ dXoXfX9.1正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法39.1.1产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件iU放大电路放大电路AioUAU 反馈网

2、络反馈网络FtUU sin2ii OfUFU 如果反馈电压如果反馈电压 uf 与原输入信号与原输入信号 ui 完全相等，则即使完全相等，则即使无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号自激振荡自激振荡。图图 9.1.1反馈放大电路产生自激振荡的条件反馈放大电路产生自激振荡的条件9.1正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法4由此知放大电路产生自激振荡的条件是：由此知放大电路产生自激振荡的条件是：ifUU 即：即：iiofUUAFUFU 所以产生正弦波振荡的条件是：所以产生正弦波振荡的条件是：1 FA1 FA幅度平衡条件幅度平衡条件2ar

3、gFAnFA 相位平衡条件相位平衡条件, 2 , 1 , 0 n相位条件相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；意味着振荡电路必须是正反馈；振幅条件振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。可以通过调整放大电路的放大倍数达到。59.1.2 正弦波振荡电路的组成69.1.3 正弦波振荡电路分析步骤7RC振荡电路的选频网络采用电容和电阻（不使用电感），振荡电路的选频网络采用电容和电阻（不使用电感），这种振荡电路构成起来方便，但在高频时小阻值电阻和小容量这种振荡电路构成起来方便，但在高频时小阻值电阻和小容量电容易受干扰，一般只适用于中低频率正弦波振荡。电容易受干扰，一般只适用于中低频率正弦波振荡。放大

4、电路放大电路RC选频选频输出输出RC正弦波振荡的组成正弦波振荡的组成按照按照RC选频网络的不同，常用的选频网络的不同，常用的RC正弦波振荡有：正弦波振荡有：（1）RC串并联网络振荡串并联网络振荡（2）RC移相振荡移相振荡（3）RC双双T网络振荡网络振荡 等等9.2RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路8RC 串并联网络振荡电路9.2.1、 RC 串并联网络振荡电路 9愈低，Uf愈小，相位愈超前 0，Uf 0 ，F +9009.2.2 RC串并联网络的选频特性一、定性分析：低频段： 是一个高通滤波器是一个高通滤波器图图 9.2.2Z1Z210高频段：愈高，Uf愈小，相位愈滞后,Uf 0,F 900

5、这是一个低通滤波器这是一个低通滤波器结论：当频率为某一中间值时结论：当频率为某一中间值时,U,Uf f 的值最大的值最大, , U Uf f与与U U同相同相图图 9.2.211图图 9.2.2二、定量分析二、定量分析Z1Z2)1)1(1111122112212211222212CRCRCCRRCRCRCRRUUF j(j1jjf取取 R1 = R2 = R ， C1 = C2 = C ，令，令 RC10 则：则： )j(3100 F12得得 RC 串并联电路的幅串并联电路的幅频特性为：频特性为：2002)(31 F3arctg00F 相频特性为：相频特性为：时，时，当当RC10 31 F最大

6、，最大， F = 0。 0 0 F0 F 01/3+90- -90图图 9.2.313三、振荡频率与起振条件三、振荡频率与起振条件1. 振荡频率振荡频率RCf 2102. 起振条件起振条件1 FAf = f0 时，时，31 F由振荡条件知：由振荡条件知：所以起振条件为：所以起振条件为：3 A同相比例运放的电压放大倍数为同相比例运放的电压放大倍数为RRAu Ff1即要求：即要求：RR 2F14+ RC 串并联网络振荡电路15RCf 21016 179.2.3其他形式的其他形式的 RC 振荡电路振荡电路一、移相式振荡电路一、移相式振荡电路集成运放产生的相位移集成运放产生的相位移 A = 180，如

7、果反馈网络再相移，如果反馈网络再相移 180，即可满足产生正弦波振，即可满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。荡的相位平衡条件。振荡频率为：振荡频率为：RCf 32100ff0 27018090当当 f = f0 时，相移时，相移 180，满足正弦波振荡的相位条件。满足正弦波振荡的相位条件。起振条件：起振条件：RF 12 R图图 9.2.618二、双二、双 T 选频网络振荡电路选频网络振荡电路振荡频率约为：振荡频率约为：RCf510 当当 f = f0 时，双时，双 T 网络的相移为网络的相移为 F = 180；反相比反相比例运放的相移例运放的相移 A = 180，因此满足产生正弦波振荡的相，因此

8、满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。位平衡条件。如果放大电路的放大倍数足够大，同时满足振幅平如果放大电路的放大倍数足够大，同时满足振幅平衡条件，即可产生正弦波振荡。衡条件，即可产生正弦波振荡。图图 9.2.819表表 9 - 1三种三种 RC 振荡电路的比较振荡电路的比较名称名称RC 串并联网络振荡电路串并联网络振荡电路移相式振荡电路移相式振荡电路双双 T 网络选频振荡电路网络选频振荡电路电路电路形式形式振荡振荡频率频率起振起振条件条件电路特电路特点及应点及应用场合用场合可方便地连续调节振荡可方便地连续调节振荡频率，便于加负反馈稳幅电频率，便于加负反馈稳幅电路，容易得到良好的振荡波路，容易得到良

9、好的振荡波形。形。电路简单，经济电路简单，经济方便，适用于波形要方便，适用于波形要求不高的轻便测试设求不高的轻便测试设备中。备中。选选频特性好，适用于频特性好，适用于产生单一频率的振荡波形。产生单一频率的振荡波形。RCf 2103 ARCf 3210RCf510 1 23 FARR，RR12F 20 LC振荡电路的基本形式放大电路放大电路输出输出耦合耦合反馈反馈耦合耦合RL一般按反馈耦合的方式一般按反馈耦合的方式LC振荡分为三种：振荡分为三种：（1）变压器反馈式）变压器反馈式（2）电感反馈式）电感反馈式（3）电容反馈式）电容反馈式放大电路一般采用单级晶体管放大电路。放大电路一般采用单级晶体管放

10、大电路。9.3LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 21 9.3.1LC 并联电路的频率特性并联电路的频率特性22（1）复数导纳2222)()(1LRLcjLRRLjRcjYCLRRLQ10（2）谐振频率（3）品质因数（4）谐振时的等效阻抗LCfLC21100RLRYZ20200)(1定量计算23Z 0 Z01Z02Q1 Q2Q1Q2 0 F+90- -90Q1Q2Q1 Q2感性感性纯阻纯阻容性容性结论：结论：1. 当当 f = f0 时，电路为纯电阻时，电路为纯电阻性，等效阻抗最大；当性，等效阻抗最大；当 f f0 时，电路为时，电路为容性。所以容性。所以 LC 并联电路具有选频并联电路具有选

11、频特性。特性。图图 9.3.2LC并联电路的幅频特性和相频特性LCfLC21100 2. 2. 谐振频率谐振频率: : 24 Q值愈大，幅频特性愈尖锐，选频特性愈好， 谐振时的阻抗值Z0也愈大。 RLQ0品质因数|IQIc|IQIL谐振时： 电容中电流的幅值为： 电感中电流的幅值为：259.3.2变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路一、电路组成一、电路组成用瞬时极性判断为用瞬时极性判断为正反正反馈馈，所以满足自激振荡的相，所以满足自激振荡的相位平衡条件。位平衡条件。 - - 二、振荡频率和起振条件二、振荡频率和起振条件LCf 210振荡频率振荡频率起振条件起振条件MCRr be 图图 9.

12、3.3变压器反馈式变压器反馈式振荡电路振荡电路269.3.3电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路一、电路组成一、电路组成用瞬时极性判断用瞬时极性判断为为正反馈正反馈，所以满足，所以满足自激振荡的相位平衡自激振荡的相位平衡条件。条件。- - - - -二、振荡频率和起振条件二、振荡频率和起振条件CMLLLCf)2(2121210 振荡频率振荡频率起振条件起振条件RrMLML be21 图图 9.3.4279.3.4电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路一、电路组成一、电路组成用瞬时极性判断用瞬时极性判断为为正反馈正反馈，所以满足，所以满足自激振荡的相位平衡自激振荡的相位平衡条件。条件。二、振荡频率

13、和起振条件二、振荡频率和起振条件212102121CCCCLLCf 振荡频率振荡频率起振条件起振条件RrCC be12 - - - - - 图图 9.3.5289.3.5电容三点式改进型振荡电路电容三点式改进型振荡电路210111121CCCLf 振荡频率振荡频率选择选择 C C1， C C2，则：则：LCf 210减小了三极管极间电容对振荡频率的影响，适用于减小了三极管极间电容对振荡频率的影响，适用于产生高频振荡。产生高频振荡。图图 9.3.629名称名称变压器反馈式变压器反馈式电感三点式电感三点式电容三点式电容三点式电容三点式改进型电容三点式改进型电电路路形形式式振荡频率振荡频率起振条件起

14、振条件同左同左频率调节方频率调节方法及范围法及范围频率可调，范围频率可调，范围较宽。较宽。同左同左频率可调，范频率可调，范围较小。围较小。同左同左振荡波形振荡波形一般一般较差较差好好好好频率稳定度频率稳定度可达可达 10-4同左同左可达可达 10-4 10-5可达可达 10-5适用频率适用频率几千赫几千赫 几十兆几十兆赫赫同左同左几兆赫几兆赫 一百一百兆赫兆赫同左同左表表 9 - 2各种各种 LC 振荡电路的比较振荡电路的比较LCf 210CMLLf)2(21210 2121021CCCCLf 210111121CCCLf MCRr be RrMLML eb21 RrCC eb12 309.4

15、石英晶体振荡器石英晶体振荡器 9.4.1石英晶体的基本特性和等效电路石英晶体的基本特性和等效电路一、基本特性一、基本特性压电效应压电效应：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产生机械变形；若在晶片上施加机械压力，在晶片相应的生机械变形；若在晶片上施加机械压力，在晶片相应的方向上会产生一定的电场。方向上会产生一定的电场。压电谐振压电谐振：晶片上外加交变电压的频率为某一特定：晶片上外加交变电压的频率为某一特定频率时，振幅突然增加。频率时，振幅突然增加。31石英晶体的等效电路C0 静电电容，与晶片的几何尺寸 和电极面积有关。L 反映晶片振动的惯性。C 反映晶片的弹性。

16、R 反映晶片振动时因磨擦造成的损耗。符号：符号：32二、等效电路二、等效电路符号：符号：串联谐振频率串联谐振频率LCf 21s并联谐振频率并联谐振频率0s00p121CCfCCCCLf 电抗频率特性电抗频率特性OfXfsfp容性容性容性容性感性感性图图 9.4.1图图 9.4.2339.4.2石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路一、并联型石英晶体振荡电路一、并联型石英晶体振荡电路交流等效电路交流等效电路振荡频率振荡频率CCCCCCLf 000)(212121CCCCC 由于由于CCC 0s021fLCf 图图 9.4.334二、串联型石英晶体振荡电路二、串联型石英晶体振荡电路图图 9.4.4串联型

17、石英晶体串联型石英晶体振荡电路振荡电路当振荡频率等于当振荡频率等于 fS 时，时，晶体阻抗最小，且为纯电晶体阻抗最小，且为纯电阻，此时正反馈最强，相阻，此时正反馈最强，相移为零，电路满足自激振移为零，电路满足自激振荡条件。荡条件。振荡频率振荡频率s0ff 调节调节 R 可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。359.5非正弦波发生电路非正弦波发生电路 9.5.1矩形波发生电路矩形波发生电路一、电路组成一、电路组成RC 充放电充放电回路回路滞回滞回比较器比较器图图 9.5.1图图 9.5.2滞回比较器：集成运放、滞回比较器：集成运放、R1、R2；充放电回路：充

18、放电回路：R、C；钳位电路：钳位电路：VDZ、R3。36二、工作原理二、工作原理设设 t = 0 时，时，uC = = 0，uO = + UZ则则Z211URRRu tOuCZ211URRR Z211URRR OuOZU ZU tu+u 当当 u = uC = u+ 时，时，t1t2Z211URRRu 则则当当 u = uC = u+ 时，输出又时，输出又一次跳变，一次跳变， uO = + UZ输出跳变，输出跳变， uO = UZ图图 9.5.32T2T37三、振荡周期三、振荡周期电容的充放电规律：电容的充放电规律： )(e)()0()( CtCCCuuutu 对于放电，对于放电，Z211)0(URRRuC Z)(UuC RC 解得：解得：)21ln(221RRRCT 结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电阻，即可改变振荡周期。阻，即可改变振荡周期。t1t22T2TtOuCZ211URRR Z211URRR OuOZU ZU tt3图图 9.5.338四、占空比可调的矩形波发生电路四、