正弦波发生器基本原理

关于正弦波发生器基本原理8.4

石英晶体振荡器8.4.1石英晶体的基本特性8.4.2石英晶体振荡电路的基本形式8.5

非正弦波信号发生器8.5.1矩形波发生器8.5.2三角波发生器8.5.3锯齿波发生器8.5.4

555时基电路8.5.5压控振荡器8.5.6集成函数发生器8038目录第2页,共51页，2024年2月25日，星期天本章重点:

1.

正弦波发生器的组成、振荡条件和工作原理

2.

正弦波发生器的类型

3.

非正弦波发生器的组成、工作原理和类型

4.

集成型波形发生器的工作原理和应用第8章波形产生电路第3页,共51页，2024年2月25日，星期天本章难点:

1.

理想运放非线性特性的应用

本章重点介绍两类波形产生电路，一类是输出正弦波形的正弦波发生器，另一类是输出非正弦波形的非正弦波发生器。

在正弦波发生器电路中，主要介绍发生器的组成、振荡条件和各种类型振荡器；在非正弦波发生器电路中，主要介绍非正弦波发生器的组成和工作原理。第8章波形产生电路第4页,共51页，2024年2月25日，星期天8.1

正弦波发生器的基本原理

正弦波发生器是无需输入信号，能自动输出一定幅度、一定频率正弦信号的电路，从能量的角度来看，它是把直流能量转变为交流能量的电路。它在通信、无线电等诸多领域得到广泛应用。

第5页,共51页，2024年2月25日，星期天

8.1.1振荡器的方框图正弦波振荡器结构框图

从结构上分析，正弦波振荡器是由正反馈网络和放大器组成的，其结构框图如图所示。

为正弦交流电压源，当开关S处在位置1时，正弦信号作为放大器的输入信号，经放大器放大后产生输出信号。作为反馈网络的输入信号，在反馈网络输出端产生一个反馈信号此时，假设开关S拨向位置2，如果即大小相等，极性相同，那么该电路就能维持稳定的输出电压

第6页,共51页，2024年2月25日，星期天８.１.２振荡条件fidXXX-=只有正反馈电路才能产生自激振荡。+Xi–f

基本放大器A反馈网络FX+doXX改成正反馈+第7页,共51页，2024年2月25日，星期天如果：,dfXX=则去掉,iX仍有信号输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号。Xi+f

基本放大器A反馈网络FX+doXXXdof基本放大器A反馈网络FXXfidXXX+=第8页,共51页，2024年2月25日，星期天FA=1Xd=Xf所以，自激振荡条件也可以写成：自激振荡的条件：（1）振幅条件：（2）相位条件：pjjnFA2=+n是整数因为：..Xdof基本放大器A反馈网络FXX第9页,共51页，2024年2月25日，星期天8.1.3起振条件和稳幅原理起振条件：结果：产生增幅振荡（略大于）1、被动：器件非线性2、主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益稳幅过程：起振时，稳定振荡时，稳幅措施：起振过程Xdof基本放大器A反馈网络FXX第10页,共51页，2024年2月25日，星期天1.放大电路2.正反馈网络3.选频网络——只对一个频率满足振荡条件，从而获得单一频率的正弦波输出。常用的选频网络有RC选频和LC选频4.稳幅环节——使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小。正弦波振荡器的一般组成第11页,共51页，2024年2月25日，星期天

8.1.4正弦波振荡电路的分类

根据选频网络元件的不同，正弦波振荡器可分为RC振荡器、LC振荡器、石英晶体振荡器三种。RC振荡器一般输出数百千赫以下的低频信号，LC振荡器主要输出数百千赫的高频信号，石英晶体振荡器主要产生高稳定度高频率信号。第12页,共51页，2024年2月25日，星期天8.2

RC桥式正弦波振荡电路RC桥式正弦波振荡电路原理如图8-2所示，图中集成运放A作为放大器，RC串并联网络组成选频网络，同时也作为振荡器的正反馈网络，R1、Rf组成电压负反馈以起到稳定和改善输出波形的作用。

从图中可以看出，RC串联支路，RC并联支路，R1支路，Rf支路，刚好构成一个文氏电桥的四个臂，如图8-3所示，因此把该振荡器称为RC桥式正弦波振荡器。

RC桥式正弦波振荡电路文氏电桥第13页,共51页，2024年2月25日，星期天

8.2.1

RC串并联选频网络

在RC桥式正弦波振荡电路中，RC串并联电路既作为选频网络，又作为正反馈网络，该电路的频率特性十分重要。

如图8-4所示，设电路输入电压为，输出电压为，则反馈系数

(8-8)

令(8-9)第14页,共51页，2024年2月25日，星期天

8.2.1

RC串并联选频网络则(8-10)

根据上式得到反馈系数的幅频特性和相频特性分别为(8-11)(8-12)图8-4RC串并联电路第15页,共51页，2024年2月25日，星期天幅频特性曲线和相频特性曲线当时,反馈系数的幅值最大等于1/3，相位移当时，明显减小而且

因此RC串并联网络有很好的选频作用。φF+90°|F|第16页,共51页，2024年2月25日，星期天

8.2.2

RC桥式振荡电路的振荡频率和起振条件

振荡频率为振荡角频率

只有时，

RC振荡器才能自激振荡

第17页,共51页，2024年2月25日，星期天8.3LC正弦波振荡器8.3.1LC并联回路的频率特性(阻性)LC并联谐振特点：谐振时，总路电流很小，支路电流很大，电感与电容的无功功率互相补偿，电路呈阻性。R为电感和回路中的损耗电阻当时，并联谐振。谐振时，电路呈阻性：第18页,共51页，2024年2月25日，星期天

Q为谐振回路的品质因数，Q值越大，曲线越陡越窄，选频特性越好。谐振时LC并联谐振电路相当一个大电阻。LC并联谐振回路的幅频特性曲线|Z|Q小Q大第19页,共51页，2024年2月25日，星期天1234初级线圈次级线圈同名端1234+–+–

在LC振荡器中，反馈信号通过互感线圈引出同名端：互感线圈的极性判别

8.3.2

LC正弦波振荡器的基本形式第20页,共51页，2024年2月25日，星期天１．变压器反馈式振荡电路

工作原理：三极管共射放大器。利用互感线圈的同名端：

满足相位条件。振荡频率:第21页,共51页，2024年2月25日，星期天判断是否是满足相位条件——相位平衡法：

断开反馈到放大器的输入端点，假设在输入端加入一正极性的信号，用瞬时极性法判定反馈信号的极性。若反馈信号与输入信号同相，则满足相位条件；否则不满足。(+)(-)(+)第22页,共51页，2024年2月25日，星期天(+)(+)(+)(+)LC正弦波振荡器举例满足相位平衡条件第23页,共51页，2024年2月25日，星期天（+）（+）（–）（+）

LC正弦波振荡器举例振荡频率:（–）满足相位平衡条件第24页,共51页，2024年2月25日，星期天仍然由LC并联谐振电路构成选频网络２.

三点式LC振荡电路原理：uf与uo反相uf与uo同相电感三点式：电容三点式：uf与uo反相uf与uo同相第25页,共51页，2024年2月25日，星期天振荡频率：（1）电感三点式LC振荡电路第26页,共51页，2024年2月25日，星期天（2）电容三点式LC振荡电路振荡频率：第27页,共51页，2024年2月25日，星期天例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。第28页,共51页，2024年2月25日，星期天8.4

石英晶体振荡电路Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。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——10000

500000第29页,共51页，2024年2月25日，星期天8.4.1

石英晶体的基特性2.压电效应1.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

符号压电谐振第30页,共51页，2024年2月25日，星期天3.等效电路等效电路：（1）串联谐振４．电抗频率特性：

晶体等效纯阻且阻值≈0（2）并联谐振通常所以X感性0容性第31页,共51页，2024年2月25日，星期天8.4.2石英晶体振荡电路利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。1.并联型石英晶体振荡器

石英晶体工作在fs与fp之间，相当一个大电感，与C1、C2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，所以电路可以获得很高的振荡频率稳定性。X感性0容性第32页,共51页，2024年2月25日，星期天2.串联型石英晶体振荡器

石英晶体工作在fs处，呈电阻性，而且阻抗最小，正反馈最强，相移为零,满足振荡的相位平衡条件。对于fs以外的频率，石英晶体阻抗增大,且相移不为零，不满足振荡条件，电路不振荡。

X感性0容性第33页,共51页，2024年2月25日，星期天例：分析下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振荡,石英晶体处于何种状态？第34页,共51页，2024年2月25日，星期天8.5.1方波发生器1.电路结构由滞回比较电路和RC定时电路构成上下限:8.5非正弦波信号发生器第35页,共51页，2024年2月25日，星期天2.工作原理：(1)设uo

=

+UZ,

此时，uO给C充电,uc

，则：u+=UT+0tuo+UZ-UZucUT+0t在uc<UT+

时，u-

<u+,

设uC初始值uC(0+)=0方波发生器uo保持+UZ不变+UZ一旦uc>UT+

,就有u->u+,uo

立即由＋UZ变成－UZ

。第36页,共51页，2024年2月25日，星期天此时，C向uO放电,再反向充电(2)当uo

=

-UZ时，u+=UT-uc达到UT-时，uo上跳。UT+uctUT-当uo

重新回到＋UZ

后，电路又进入另一个周期性的变化。-UZ第37页,共51页，2024年2月25日，星期天0UT+uctUT-+UZuo0t-UZT完整的波形：动画演示计算振荡周期T。第38页,共51页，2024年2月25日，星期天周期与频率的计算：0UT+uctUT-+UZ-UZT1T2TT=T1+T2=2T2

uc(t)=UC(

)+

UC(0+)-UC(

)

e,

=RC-t

T2阶段uc(t)的过渡过程方程为:f=1/T可推出:第39页,共51页，2024年2月25日，星期天3、占空比可调的方波发生器UZuo0t-UZ

改变电位器RW

的滑动端，就改变了冲放电的时间，从而使方波的占空比可调。第40页,共51页，2024年2月25日，星期天电路结构：迟滞比较器+反相积分器8.5.2三角波发生器工作原理：若uo1=+UZ，uo2↓，u+↓。

当u+≤0时，uo1翻转为-UZ。若uo1=-UZ，uo2↑，u+↑

。

当u+≥0时，uo1翻转为+UZ。第41页,共51页，2024年2月25日，星期天波形图振荡周期：0UT+uo2tUT-+UZuo10t

-UZT第42页,共51页，2024年2月25日，星期天8.5.3锯齿波发生器改变积分器的正反向充电时间常数uo1=+UZ，D截止，充电时间常数：R4C。uo1=-UZ，D导通，充电时间常数：(R6∥R4)C。+UZuo10t

-UZR6＜＜R4第43页,共51页，2024年2月25日，星期天

8.5.4

555时基电路1.

电路框图

555时基电路由分压器、两个比较器、触发器、缓冲器、复位电路、放电管等组成。其中分压器由三个高精度的阻值为5kΩ的电阻组成。555时基电路框图第44页,共51页，2024年2月25日，星期天2.

工作原理

由图8-24可知，两个比较器分别被电阻R1、R2和R3构成的分压器设定的VCC和VCC参考电压所限定。三个5kΩ电阻组成的分压器，使两个比较器构成一个电平触发器，上触发电平为

VCC，下触发电平为VCC。在

5脚控制端外接一个参考电源V，可以改变上、下触发电平值。比较器A的输出和比较器B的输出端接到触发器的输入端。加到比较器A同相端6脚的触发信号，只有当电位高于反相端5脚的电位时，触发器才翻转；而加到比较器B反相端2脚的触发信号，只有当电位低于B同相端的电位VCC时，触发器才翻转。

第45页,共51页，2024年2月25日，星期天

8.5.5

压控振荡器1.

电路结构U为直流控制电压，A1组成积分电路，A2组成滞回比较器，场效应管T工作在开关状态，控制积分电容C的充放电，二极管D为隔离二极管。2.

工作原理滞回比较器A2的两个门限电压为

压控振荡器第46页,共51页，2024年2月25日，星期天

设开始时uC=0V，uo1=0V，uo2=-UZ，D导通，使T截止，这时I1=I2=U/4，由于U为直流电压，则电容C被恒流充电，uC随时间线性上升，uo1则直线下降，当uo1=UTH2时，比较器A2发生翻转，uo2=+UZ，D截止，T饱和导通，这时I2=I1-I3=-U/4R，电容恒流放电，uo1上升，当uo1上升至UTH1时，比较器A2再次翻转，uo2=-UZ，这时又重复刚开始的过程，周而复始产生振荡。可以证明振荡器的振荡频率和周期为

振荡波形图第47页,共51页，2024年2月25日，星期天

8.5.6集成函授发生器80381.8038的内部框图

8038的内部结构框图如图8-29所示，它由电压比较器、触发器、电子开关、波形变换电路、缓冲器、电流源等组成。

集成函数发生器8038是单片多用途的发生器，它可以产生正弦波、方波、三角波和锯齿波。

在图中，比较器A的门限电压为：2/3(VCC＋VEE)，比较器B的门限电压为：1/3(VCC+VEE)，电流源IS1和IS2担任外接电容C的充放电回路，且IS2>IS