第10章 信号发生电路

第10章信号发生电路

10.1正弦波振荡电路

10.2非正弦波振荡电路

10.3集成函数信号发生器8038简介实验十二RC正弦波振荡器实验十三LC选频放大与LC正弦波振荡实验实验十四波形发生电路本章小结本章内容提要重点：（1）正弦波振荡电路的振荡条件、组成及分析方法；（2）RC文氏桥正弦波振荡电路、LC正弦波振荡及石英晶体振荡电路；（3）几种非正弦波振荡电路。难点：（1）正弦波振荡电路中相位平衡条件的判断。10.1正弦波振荡电路7.1.1正弦波振荡电路的基础知识1.产生正弦波振荡的条件正弦波振荡电路在不加任何输入信号的情况下，由电路自身产生一定频率、一定幅度的正弦波电压输出，因而称为“自激振荡”电路。在第5章所讲的负反馈放大电路中，也会发生自激振荡，其原因是由于放大电路和反馈网络所产生的附加相移会使中频情况下的负反馈在高频或低频情况下变成正反馈。可见，正反馈是自激振荡的必要条件和重要标志，负反馈放大电路中的自激振荡是有害的，必须加以消除。但对于正弦波振荡电路，其目的就是要产生一定频率和幅度的正弦波，因而在放大电路中有意引入正反馈，并创造条件，使之产生稳定可靠的振荡，如图10.1所示图中，在放大电路的输入端输入正弦信号，在它的输出端可输出正弦信号。如果通过反馈网络引入正反馈信号，使的相位和幅度都和相同，即=，那么这时即使去掉输入信号，电路仍能维持输出正弦信号。这种用代替的方法构成了振荡器的自激振荡原理。由图7.1可以看出根据前面对自激振荡原理的分析可得10-1)式（10-1）便是产生正弦波振荡的条件。也可把式（10-1）分解为振幅平衡条件和相位平衡条件。（1）幅值平衡条件

||=AF=1（10-2）该条件表明放大电路的开环放大倍数与正反馈网络的反馈系数的乘积应等于1，即反馈电压的大小必须和输入电压相等。（2）相位平衡条件

（n为整数）（10-3）是基本放大电路输出信号和输入信号的相位差，为反馈网络输出信号和输入信号的相位差。式（10-3）表示基本放大电路的相位移与反馈网络的相位移的和等于0或2π的整数倍，即电路必须引入正反馈。

1.正弦波振荡的起振和稳幅实际上，振荡电路开始建立振荡时，并不需要借助于外加输入信号，它本身就能起阵，但电路由自行起振到稳定需要一个建立的过程。例如当电路接通电源时，将有电扰动作用于电路。根据频谱分析，这种扰动信号是由多种频率的分量所组成的，其中必然包含频率为fo的正弦波。用一个选频网络将fo信号“挑选”出来，使它满足振荡相位平衡条件和幅值平衡条件，其它频率成分的信号则因为不符合振荡条件而衰减为零，所以电路就将维持频率为fo的正弦波振荡。振荡初始，输出信号将由小逐渐变大，要求电路具有放大作用，所以电路的起振条件为

||＞1（10-4）

当然电路应首先满足式（10-3）所示的相位平衡条件。如果||始终大于1，则输出信号将会一味地增加，将使输出波形失真，显然这是应当避免的。因此，振荡电路还必须有稳幅环节，其作用是在输出电压幅值增大到一定数值后，设法减小放大倍数或减小反馈系数，使得||=1，从而获得幅值稳定且基本不失真的正弦波输出信号。

3.正弦波振荡电路的组成和分析方法由以上分析可知，正弦波振荡电路必须有以下四个组成部分：（1）电压放大电路。使f=fo的正弦输出信号能够从小逐渐增大，直到达到稳定幅值，而且通过它将直流电源提供的能量转换成交流功率。（2）正反馈网络。它使电路满足相位平衡条件，否则就不可能产生正弦波振荡。（3）选频网络。它保证电路只产生单一频率的正弦波振荡。多数电路中，它和正反馈网络合二为一。（4）稳幅环节。保证输出波形具有稳定的幅值。正弦波振荡电路常以选频网络所用元件来命名，分为RC、LC和石英晶体正弦波振荡电路。RC正弦波振荡电路的输出波形较好，振荡频率较低，一般在几百kHz以下；LC正弦波振荡电路的振荡频率较高，一般在几百kHz以上；石英晶体正弦波振荡电路的振荡频率极其稳定。分析电路是否会产生正弦波振荡，首先观察其是否具有四个必要的组成部分，然后判断它是否满足正弦波振荡的条件。具体而言：（1）观察电路是否存在放大电路、选频网络、反馈网络和稳幅环节四个部分。（2）检查放大电路是否有合适的静态工作点，能否正常放大。（3）用瞬时极性法判断电路是否在f=fo时引入了正反馈，即是否满足相位平衡条件。（4）判断电路能否满足起振条件和幅值平衡条件。10.1.2RC正弦波振荡电路

RC串并联网络正弦波振荡电路用以产生低频正弦波信号，是一种使用十分广泛的RC振荡电路。

1.电路原理图

RC串并联网络正弦波振荡电路的原理图如图10.2所示。它由三部分组成：运算放大器A、RC串并联正反馈选频网络以及由电阻R1、R2组成的负反馈稳幅网络。由图可见，串、并联网络中的R、C以及负反馈支路中的R1、R2正好组成一个电桥的四个臂，因此这种电路又称为文氏电桥振荡电路。以下首先分析RC串并联网络的选频特性，然后由相位平衡条件和幅度平衡条件估算电路的振荡频率和起振条件。

2.RC串并联网络的选频特性

RC串并联网络如图10-3所示。其中为反馈与选频网络的输入电压，也是放大器的输出电压；为电路的输出电压，也是放大器的放大器的反馈电压。RC串并联正反馈选频网络的反馈系数为令w0=1/（RC），则上式变为幅频特性(10-5)(10-6)(10-7)相频特性(10-8)由式（10-7）和式（10-8）可以画出RC串并联网络的频率特性曲线，如图7.4所示。从图中可以看出，当w=w0时，反馈系数的幅值最大，为F=1/3，即输出电压U2最大，并且与输入电压U1同相位，。而当w≠w0时，输出均被大幅度衰减，即RC串并联网络具有选频特性。w0称为RC串并联电路的固有频率。

3.振荡频率与起振条件（1）振荡频率为了满足相位平衡条件，要求。以上分析说明当时，串并联网络的，如果在此频率下能使放大电路的，即放大电路的输出电压与输入电压同相，即可达到相位平衡条件。在图7.2所示RC串并联网络振荡电路原理图中，放大部分是集成运放，采用同相输入方式，则在中频范围内近似等于零。因此，电路在f0时，而对于其它任何频率，则不满足振荡的相位平衡条件，所以电路的振荡频率为（2）起振条件已经知道当时，||=1/3。为了满足振荡的幅度平衡条件，必须使||＞1，由此可以求得振荡电路的起振条件为(10-9)

||＞3（10-10)因同相比例运算电路的电压放大倍数为Auf=1+（R2/R1），为了使||=Auf＞3，图7.2所示振荡电路中负反馈支路的参数应满足以下关系：

R2＞2R1

（10-11）例10.1

某正弦波信号发生器由文氏桥振荡电成，其选频网络如图10.5所示，用开关切换不同的电容来实现振荡频率的粗调，用调节同轴电位器来实现振荡频率的细调。已知C1、C2、C3分别为0.22μF、0.022μF、0.0022μF，固定电阻R=3.3kΩ，同轴电位器RW=33kΩ，试估算该仪器三挡频率的调节范围。解：（1）当C=C1=0.22μF时，若电位器RW调到最大，则若RW调到0，则（2）当C=C2=0.022μF时，若电位器RW调到最大，则若RW调到0，则（3）当C=C3=0.0022μF时，若电位器RW调到最大，则若RW调到0，则可见，此仪器的三挡频率范围分别约为Ⅰ挡：20Hz～219Hz；Ⅱ挡：200Hz～2.19kHz；Ⅲ挡：2kHz～21.9kHz。三挡均在低频信号范围内，并且三个挡之间互相有覆盖。10.1.3LC正弦波振荡电路

LC振荡器是利用LC并联回路作为正反馈选频网络，该电路产生的振荡频率教高，可以达到几十兆赫兹以上。LC振荡电路按照反馈方式的不同可分为变压器反馈式，电容三点式、电感三点式等几种类型。下面首先分析LC并联谐振电路的选频特性。

1.LC并联回路的谐振特性

LC并联回路如图10.6所示，回路中的电阻R为电感线圈及回路其它损耗的等效电阻。电路的等效阻抗为(10-12)通常R很小（R＜＜wL），上式近似为(10-13)幅频特性为(10-14)当信号频率为某一特定频率f0，即f=f0时，LC回路产生谐振，此时电路的阻抗|Z|最大，而当信号频率f＞f0或者f＜f0时，电路的阻抗都小于最大阻抗，因此说，LC并联电路具有选频特性。不难得出，要使LC回路产生谐振，必须要求于是得到

w0为LC并联回路的谐振角频率，或用频率f0表示为

2.变压器反馈式LC正弦波振荡电路（1）工作原理图10.7所示是变压器反馈式LC振荡电路，它由共射放大电路、LC并联谐振电路（选频电路）和变压器反馈电路三部分组成。LC电路由电容C与变压器初级线圈L1组成。谐振时，LC并联回路呈电阻性，在f=f0时，放大器的输出与输入信号反相，即=180o。变压器次级线圈L3是反馈线圈，利用变压器的耦合作用，反馈线圈产生反馈电压。因为变压器同名端的电压极性相同，所以反馈电压与输出电压反相，=180o，即谐振时满足相位平衡条件。调节变压器的变压系数，可改变反馈量的大小，一般都能满足振荡电路的起振条件||＞1。(10-15)(10-16)（2）谐振频率该电路的振荡频率近似等于LC并联回路的谐振频率，即式中，L是谐振回路的等效电感。（3）振幅的稳定振幅的稳定是利用三极管的非线性特性来实现的。在振荡初期，输出信号和反馈信号都很小，基本放大电路工作在线性放大区，使输出电压的幅度不断增大。当幅度达到某一数值后，基本放大电路的工作状态进入饱和区，使得集电极电流iC失真，其基波分量减小，再经过LC并联回路选频，输出稳定的正弦波信号。变压器反馈式LC振荡电路的特点是电路容易起振，改变电容可调整谐振频率，但输出波形不好，常用于对波形要求不高的设备中。(10-17)

3.电感三点式正弦波振荡电路三点式振荡电路是由LC并联回路的三个端点与三极管的三个电极连接，构成的反馈式振荡电路。这种振荡电路可分为电感三点式（也称哈特莱电路）和电容三点式（也称考毕兹电路）。（1）工作原理电感三点式振荡电路如图10.8所示。电路由一个带抽头的电感线圈和电容器组成的LC并联回路，该回路作为选频与反馈网络，它的三个端点分别与三极管的三个电极相连。其中L2为反馈线圈，作用是实现正反馈（可用瞬时极性法判断）。反馈量的大小可以通过改变线圈抽头的位置来调整。为了有利于起振，通常反馈线圈L2的匝数占总匝数的1/8～1/4。（2）振荡频率电感三点式振荡电路的振荡频率为式中，M四是线圈L1和L2的互感系数。电感三点式振荡电路的特点是：由于存在互感，因而电路更容易起振；改变电容C可在较大范围内调节振荡频率，一般从几百kHz到几十MHz；输出波形较差。

4.电容三点式正弦波振荡电路（1）工作原理电容三点式振荡电路如图10.9（a）所示。由C1、C2和L组成并联选频和反馈网络。正反馈电压取自电容C2的两端。谐振时，选频网络呈电阻性，满足自激振荡的相位条件。由于三极管的β值足够大，通过调节C1、C2的比值可得到合适的反馈电压，因而使电路满足振幅平衡条件。一般电容的比值取为：C1/C2=0.01～0.5。(10-18)（2）振荡频率容三点式振荡电路的振荡频率为(10-19)该频率近似等于LC并联回路的谐振频率。电容三点式振荡电路的特点是：电路的反馈电压取自C2的两端，高次谐波分量小，振荡输出波形较好；C1和C2较小时，电路的振荡频率较高，一般可达100MHz以上；振荡频率的调节范围小，通常用容量较小的可变电容与电感线圈串联，来实现频率的连续可调。为了方便地调节频率和提高振荡频率的稳定性，可把图10.9（a）中的选频网络变成图10.9（b）所示形式，该选频网络的谐振频率为

式（10-20）中，。由于C1＞＞C，C2＞＞C，因此f0主要由LC决定。通过调节C可以方便地调节振荡频率。例10.2

图10.10所示为某超外差收音机的本机振荡电路，振荡线圈原、副边线组的同名端如图中圆点所示。（1）判断电路中的放大电路上共射、共基、共集接法中的哪一种；（2）判断电路是否满足相位平衡条件；(10-20)（3）说明电容C1和C2起何作用；（4）说明C2断开后电路还能否维持振荡，简述原因；（5）计算当C4=20pF时，在C5的变化范围内，振荡频率的可调范围。解：（1）此电路为共基射极调谐型变压器反馈式LC正弦波振荡电路。（2）用瞬时极性法，断开C2左端，假设从发射极输入对地为“+”、频率为f0的信号，则集电极电位为“+”（共基电路输出与输入同相），电感线圈的1端喝端对地也为“+”，而2～3端的电压反馈到发射极，正好与所加输入信号极性相同，所以电路满足相位平衡条件。（3）电容C1、C2的容量比谐振回路里的电容C3、C4、C5大很多。C1为旁路电容，C2为耦合电容。（4）若C2断开，则电路失去了正反馈通路，所以不能维持振荡。（5）振荡频率表达式为当C5=250pF时，f0≈1.33MHz；当C5=12pF时，f0≈2.96MHz；所以振荡频率调节范围约为为1.33～2.96MHz。10.1.4石英晶体正弦波振荡电路在实际应用中，一般对振荡频率的稳定度要求较高。例如在无线电通信中，为了减小各电台之间的相互干扰，频率的稳定度必须达到一定的标准。频率的稳定度通常以频率的相对变化量来表示，即△f0/f0，其中f0为频率的标称值；△f0为频率的绝对变化量。在LC振荡电路中，频率的稳定度相对较差。利用石英晶体代替LC谐振回路就构成了晶体振荡器，它可使振荡频率的稳定度提高几个数量级。石英晶体振荡器是一种高稳定性的振荡器，目前已广泛应用于各种通信系统、雷达、导航等电子设备中。常用的石英晶体振荡电路分为两类：一类是石英谐振器在电路中以并联谐振形式出现，称为并联型晶体振荡电路；另一类是石英谐振器在电路中以串联谐振形式出现，称为串联型晶体振荡电路。

1.并联型晶体振荡电路并联型石英晶体振荡电路如图7.11所示。石英谐振器呈感性，可把它等效为一个电感。选频网络由晶体与外接电容C1、C2组成，振荡器实质上可看作是电容三点式振荡电路。由运算放大器、晶体谐振器和外接电容组成的三点式振荡电路如图10.12所示，其中CS为可调电容，调节CS可微调振荡频率。

2.串联型型晶体振荡电路图10.13所示为一种串联型晶体振荡电路。图中T1和T2组成两级放大器，放大器的输出与输入电压反相，经石英谐振器和Re和可变电阻RP形成正反馈。可变电阻RP的作用是用来调节反馈量的大小，使电路既能起振，又能输出良好的正弦波信号。10.2非正弦波振荡电路在电子设备中，常用到一些非正弦信号，例如数字电路中用到的矩形波，示波器和电视机扫描电路中用到的锯齿波等，本节将介绍常见的矩形波、三角波、锯齿波信号发生电路。10.2.1矩形波发生电路图10.14（a）所示是一种能产生矩形波的基本电路。由图可见，它是在滞回电压比较器的基础上，增加一条RC充、放电负反馈支路构成的。

1.工作原理在图10.14（a）中，集成运放工作在非线性区，输出只有两个值：+UOM和-UOM。电容C上的电压加在集成运放的反相端，用以控制滞回比较器的工作状态。设在刚接通电源时，电容C上的电压为零，输出为正饱和电压+UOM，同相端的电压为电容C在输出电压+UOM的作用下开始充电，充电电流iC经过电阻RF，如图10.14（a）中实线所示。当充电电压uC升至u+时，由于运放输入端u-＞u+，于是电路翻转，输出电压由+UOM翻至-UOM，同相端电压变为电容C开始放电，uC开始下降，放电电流iC如图10.14（a）中虚线所示。当电容电压uC降至时，由于u-＜u+，于是输出电压又翻转到uO=+UOM。如此周而复始，在集成运放的输出端便得到了图10.14（b）所示的输出电压波形。

2.振荡频率及其调节电路输出矩形波电压的周期取决于充、放电的时间常数RC。可以证明其周期为

T=2.2RC则振荡频率为改变RC即可调节矩形波的周期和频率。若矩形波的输出电压高电平和低电平时间相等，即占空比为50%，则称为方波，即方波是占空比为50%的矩形波。因此，在图10.14（a）电路中，只要适当选取电容C及电阻元件的参数，使电容的充、放电时间相等，便可得到方波发生电路。(10-21)10.2.2三角波发生电路三角波发生电路的基本结构如图10.15（a）所示。集成运放A2构成一个积分电路，集成运放A1构成滞回电压比较器，其反相端接地，集成运放A1同相端的电压由uO和uO1共同决定，为

当u+＞0时，uO1=+UOM；当u+＜0时，uO1=-UOM。在电源刚接通时，假设电容器初始电压为零，集成运放A1输出电压为正饱和电压值+UOM，积分器输入为+UOM，电容C开始充电，输出电压uO开始减小，u+值也随之减小，当uO减小到-（R2/R1）UOM时，u+由正值变为零，滞回比较器A1翻转，集成运放A1的输出uO1=-UOM。当uO1=-UOM时，积分器输入负电压，输出电压uO开始增大，u+值也随之增大，当uO增加到（R2/R1）UOM时，u+由负值变为零，滞回比较器A1翻转，集成运放A1的输出uO1=+UOM。此后，前述过程不断重复，便在A1的输出端得到幅值为UOM的矩形波，A2输出端得到三角波，可以证明其频率为(10-22)7.2.3锯齿波发生电路锯齿波发生电路能够提供一个与时间成线性关系的电压或电流波形，这种信号在示波器和电视机扫描电路以及许多数字仪表中得到广泛应用。在图10.15（a）三角波发生电路中，输出是等腰三角形波。如果人为地使三角形两边不等，这样输出的电压波形就是锯齿波。简单的锯齿波发生电路如图10.16（a）所示。锯齿波发生电路的工作原理与三角波的基本相同。只是与图10.15（a）所示三角波发生器相比，图10.16（a）所示电路中有两处不同，一是在积分器A2的输入端加了一个电位器RP，通过调节RP，使积分器的输入电压值变化，积分到一定电压所需的时间也随之改变，从而改变了波形的频率。实际中常采用这种方法在图10.15（a）三角波发生器的基础上加上这样一个电位器，从而方便调节三角波的频率。第二处不同是，在集成运放A2的反相输入电阻R3上并联由二极管D1和电阻R5组成的支路，这样积分器的正向积分和反向积分的速度明显不同，当uO1=-UOM时，D1反偏截止，正向积分的时间常数为R3C；当uO1=+UOM时，D1正偏导通，负向积分常数为（R3//R5）C，若取R5＜＜R3，则负向积分时间小于正向积分时间，形成如图10.16（b）所示的锯齿波。10.3集成函数发生器8038简介集成函数发生器8038是一种多用途的波形发生器，可以产生正弦波、方波、三角波和锯齿波，其频率可以通过外加的直流电压进行调节，使用方便，性能可靠。

1.8038的工作原理图10.17所示为8038的内部原理电路图，可以看出，它由两个恒流源、两个电压比较器和触发器等组成。在图10.17中，电压比较器A、B的门限电压分别为两个电源电压之和（VCC+VEE）的2/3和1/3，电流源I1和I2的大小通过外接电阻调节，其中I2必须大于I1。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则向外接电容C充电，使电容两端电压随时间线性上升，当uC上升到uC=2（VCC+VEE）/3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I2＞I1，因此外接电容C放电，uC随时间线性下降。当uC下降到uC≤（VCC+VEE）/3时，比较器B输出发生跳变，使触发器输出端又由高电平变为低电平，I2再次断开，I1再次向C充电，uC又随时间线性上升。如此周而复始，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脚3。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脚2输出，另一路通过比较器和触发器，并经过反相器缓冲，由脚9输出方波。图10.18为8038的外部引脚排列图。

2.8038的典型应用利用8038构成的函数发生器如图7.23所示，其振荡频率由电位器RP1滑动触点的位置、C的容量、RA和RB的阻值决定，图中C1为高频旁路电容，用以消除8脚的寄生交流电压，RP2为方波占空比和正弦波失真度调节电位器，当RP2位于中间时，可输出方波。实验十二RC正弦波振荡器

一、实验目的1、学习双T网络RC振荡器的组成原理及振荡条件。2、学习振荡电路的调整与测量振荡频率的方法。二、实验仪器及设备1、示波器；2、万用表；3、TB型模拟电路实验仪和④号实验模板。三、实验原理RC正弦波振荡器是没有输入信号的带选频网络的正反馈放大器，若用RC元件组成选频网络，就称为RC振荡器。四、实验内容1、RC串并联选频网络振荡器如实验图10-1所示，与④号实验模板相对应。首先在④号实验模板上先不接入双T网络（即A、B与C、D处不连线），调T1管的静态工作点，使D点为7～8V。2、将A与B、C与D连通，即接入双T网络，用示波器观察输出电压波形。若不起振，调节RP1，使电路振荡并调到较理想的波形。3、用示波器测量振荡频率并与计算值比较。4、由小到大调节RP1，观察输出波形，并测量电路刚开始振荡时RP1的阻值（测量时应断开电源并断开连线）。5、将实验图10-1中双T网络与放大器断开，用信号发生器的信号注入双T网络，观察输出波形。保持输入信号幅度不变，频率由底到高变化，找出输出信号幅值最低时的频率。五、实验报告要求1、整理实验测量数据和波形。2、总结双T选频网络振荡器的特点。3、为什么放大器后面带射极跟随器。实验十三LC选频放大与LC正弦波振荡实验一、实验目的1、掌握变压器反馈式LC正弦波振荡器的原理、振荡条件以及LC选频放大器的选频特性。2、掌握LC振荡器振荡频率的测试方法及计算方法。二、实验仪器及设备1、示波器；2、交流毫伏表；3、TB型模拟电路实验仪和④号实验模板。三、实验原理LC正弦波振荡器是用L、C元件组成选频网络的振荡器，如实验图10-2所示，它具有放大、选频和反馈部分，选频网络由C和变压器L1绕组组成，它既是放大器负载，又起选频作用。反馈由变压器L2绕组来实现，由此构成LC振荡器称为变压器反馈式振荡电路。四、实验内容及步骤（一）LC正弦波振荡电路1、按照实验图10-2在实验仪的④号实验模板上，将输入端A与B端相连，任选一个电容C与12V电源相连，即可组成振荡器。2、接上电源，用示波器观察波形，测试振荡频率。3、改变C的数值，记下各个频率值。4、振荡器的振荡频率由振荡回路的电感和电容参数决定。按，计算振荡频率并与实测值比较。（二）选频放大实验电路选品放大实验电路如实验图10-3所示。1、按实验图10-3接成选频放大器。2、将信号发生器接入US，将晶体管毫伏表同时并入，调节信号发生器幅度旋钮，使输入为220mV，输出端接示波器观察波形。3、调节信号发生器频率粗调旋钮，寻找使输出最大的频率点（本电路在50kHz以上）。将输出最大点的频率和输出电压记录在实验表10-1中，并按上、下限两段频率，分别调整频率，测量电压，作选频特性曲线。4、将电位器RP串入C，用以改变L1C振荡回路的品质因数Q值，再用第3步同样的方法进行测试并作图。使RP分别为60～70Ω和8.2k时作图。五、实验报告要求1