电子技术基础模拟电子技术-项目四 波形发生器

技能目标会用multisim软件分析正弦波发生器的性能特点会用multisim软件分析矩形波发生器的性能特点会用multisim软件分析三角波发生器的性能特点会用multisim软件分析锯齿波发生器的性能特点掌握正弦波振荡电路性能测试方法项目实训任务一比较电路的仿真分析任务二正弦波振荡电路仿真分析任务三

非正弦波形发生电路的仿真分析任务四正弦波振荡电路的性能测试知识链接

链接一正弦波振荡器正弦波振荡电路是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的，是各类波形发生器和信号源的核心电路。一、正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。1.自激振荡放大电路的自激振荡指放大电路的输入端不外接交流输入信号，输出端却有一定振幅和频率的交流信号输出的现象。在放大电路的输入端外接一定频率、一定幅度的正弦波信号，经过基本放大电路和反馈网络所构成的环路传输后，在反馈网络的输出端得到反馈信号。如果与在大小和相位上都一致，那么，就可以除去外接信号。当Xi=0，Xo

0时，电路产生了自激振荡。2.自激振荡的平衡条件3.振荡的建立和稳幅

振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈强一些，即要求。起振后就要产生增幅振荡，需要靠三极管大信号运用时的非线性特性去限制幅度的增加，这样电路必然产生失真。选频网络的作用，选出失真波形的基波分量作为输出信号，以获得正弦波输出。也可以在反馈网络中加入非线性稳幅环节（比如RC中的温敏元件），用以调节放大电路的增益，从而达到稳幅的目的。4.正弦波振荡电路的组成正弦波振荡电路一般由放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅电路等四部分组成。

放大电路：能量控制，保证输出信号有一定的幅度；选频网络：确定输出信号为单一频率的正弦波信号；为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络，选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一。选频网络由R、C和L、C等电抗性元件组成。正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名，选频网络由R、C构成的称为RC振荡器；选频网络由L、C构成的称为LC振荡器；还有石英晶体振荡器。反馈网络：引入正反馈；反馈网络往往选频网络与合二为一,

稳幅环节：使输出信号幅值稳定。稳幅环节常常用非线性元件实现.为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反馈，因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分。但是，这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波，这是由于很难控制正反馈的量。如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能停振，为此振荡电路要有一个稳幅电路。5.判断电路是否可能产生正弦波振荡的步骤（1）电路是否由四个部分组成：放大、选频、反馈和稳幅（2）放大电路是否能正常工作：静态工作点是否合适，动态信号能不能放大（3）判断电路是否引入正反馈：利用瞬时极性法（4）判断电路是否满足起振条件：计算Ａ和Ｆ二、常用正弦波振荡电路（一）LC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。选频网络是由LC并联谐振电路构成，正反馈网络因不同类型的LC正弦波振荡电路而有所不同，可以产生高频振荡。由于高频运放价格较高，所以一般用分立元件组成放大电路。1.LC并联谐振回路在选频放大电路中经常用到的LC并联谐振电路如图所示。

LC并联谐振电路并联谐振曲线谐振频率

输出电压是频率的函数。输入信号频率过高，电容的旁路作用加强，输出减小；反之频率太低，电感将短路输出。当时，电路谐振（二）变压器反馈LC振荡器LC并联谐振电路作为三极管的负载，反馈线圈L2与电感线圈Ｌ相耦合,将反馈信号送入三极管的输入回路。交换反馈线圈的两个线头，可使反馈极性发生变化。调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度，以使正反馈的幅度条件得以满足。振荡频率：与并联LC谐振电路相同V(－)CeReRb2(＋)(＋)C1Rb1(＋)CRL(＋)L2L1

变压器反馈LC振荡电路电路结构简单，容易起振，改变电容大小可以方便调节振荡频率。但是变压器反馈式振荡频率的稳定性不高。3.电感三点式LC振荡电路L1、C和L2组成正弦波振荡器的选频网络。电感反馈LC振荡电路由放大电路、反馈网络、选频网络等电路组成，这种电路的LC并联谐振电路中的电感有首端、中间抽头和尾端三个端点，称为电感三点式LC振荡电路，或电感反馈式振荡电路。

电感三点式LC振荡电路容易起振，且振荡幅度和振荡频率范围大，但是反馈信号中高次谐波成分少，产生的正弦波波形质量较差。振荡频率4.电容三点式振荡电路C1、L和C2组成正弦波振荡器的选频网络。C2的反馈信号送入三极管的输入回路，电路满足正弦波振荡的平衡条件，可以产生正弦波振荡频率与并联LC谐振电路相同，为：电容三点式振荡电路因为反馈信号取自C2，而电容对高次谐波容抗小，故反馈信号中谐波成分少，产生的正弦波波形较好。但是不方便调节振荡频率。电容反馈式振荡电路的振荡频率可高达100MHz以上。解：断开反馈到放大器的输入端点，假设在输入端加入一正的瞬时信号，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，电路能振荡；否则电路不能振荡。通过分析，如图所示电路能振荡。【例4-1】试用相位平衡条件法判断如图所示电路能否振荡.

（三）RC正弦波振荡电路1、RC串并联网络RC串联臂的阻抗用Z1表示，RC并联臂的阻抗用Z2表示电路的反馈系数F与频率的关系，用频率特性曲线表示RC串并联电路频率特性曲线当时，幅频值最大为1/3，相位

F=0，因此该网络有选频特性。

当2．RC文氏桥振荡器RC文氏桥振荡电路如图所示，RC串并联网络是正反馈网络，另外还增加了R3和R4负反馈网络。C1、R1和C2、R2正反馈支路与R3、R4负反馈支路正好构成一个桥路，称为文氏桥。

文氏桥式振荡电路振荡的幅度条件放大电路的放大倍数为：Af≥3（2）稳幅过程RC文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻R4实现的。R4是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，R4上所加的电压升高，即温度升高，R4的阻值增加，负反馈增强，输出幅度下降。反之输出幅度增加。若热敏电阻是负温度系数，应放置在R3的位置。【例4-2】如图所示电路或者一个正弦波振荡电路，问（1）为保证电路正常的工作，节点K、J、L、M应该如何连接？（2）R2应该选多大才能振荡？（3）振荡的频率是多少？（4）R2使用热敏电阻时，应该具有何种温度系数？解：（1）运放A应构成放大电路，RC串并联环节构成正反馈。所以L－J，M－K。（2）起振幅值条件是│AF│>1，A＝1＋R2/R1，│F│＝1/3，所以│A│>3，R2＝40KΩ（3）振荡频率fo＝1/（2πRC）（4）为了保证振荡频率的幅值条件，由│AF│>1过渡到│AF│＝1即：│A│>3过渡到│A│＝3，所以R2应该具有负温度系数。（四）石英晶体LC正弦波振荡电路1、石英晶体的频率特性石英振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的。石英晶体的符号如图(a)所示，它是将切成薄片的石英晶体置于两平板之间构成的，这种特殊的物质结构使它具有图(b)所示的频率特性。当外加的交变电压的频率与晶片的固有频率相等时，机械振动的幅度将急剧增加，产生压电谐振现象，从而可制成振荡器。石英晶体的符号和频率特性石英晶体发生压电谐振时，可用L和C分别模拟晶体的质量和弹性，振动时的摩擦损耗用R模拟，整个晶体等效为一LC振荡器，因为其Q值极高，选频特性很好，所以振荡频率的稳定性可以高达10-9甚至10-10。2.石英晶体LC正弦波振荡电路石英晶体振荡器电路的形式是多种多样的，但其基本电路只有两类，即并联晶体振荡器和串联晶体振荡器。而后者则作为一个反馈元件，工作在串联谐振状态。

并联型石英晶体振荡电路

并联型石英晶体振荡电路串联型石英晶体振荡电路并联型石英晶体正弦波振荡电路，石英晶体作为一个高Q值的电感元件以并联谐振的形式出现石英晶体工作在石英晶体相当一个大电感，组成电容三点式振荡器。串型石英晶体正弦波振荡电路，当外加电压信号的频率等于石英晶体的固有谐振频率f0时，石英晶体阻抗最小，正反馈最强，相移为零，满足振荡的相位平衡条件。也就是说频率为f0的电压信号最容易通过石英晶体，而其他频率的信号则被大大衰减由石英晶体构成的振荡电路所产生的振荡信号的频率主要取决于石英晶体本身的谐振频率f0，而与外接的电阻、电容无关，从而使振荡信号具有很高的频率.链接二非正弦波发生电路

一、运算放大器非线性工作区的特点

1.运放工作在非线性区的判断方法分析电路前，首先必须确定运放工作在线性区还是非线性区。由于运算放大器的电压放大倍数极高，因而输入端之间只要有微小电压，运算放大器便可进入非线性工作区域。故确定集成运算放大电路工作非线性工作区的技巧就是集成运放工作在在开环状态或者引入了正反馈环节。2．非线性工作区的特点理想运放工作于非线性区，因其放大倍数趋于无穷大，所以输出电压只有两种可能：3.电压传输特性研究运算放大电路非线性应用，主要是分析其电压传输特性和绘制电压传输特性曲线。（1）电压比较器的电压传输特性

uo与uI的关系曲线称为电压传输特性曲线。绘制电压传输特性曲线有三要素：确定输出电压的高、低电平和-数值;求阈值电压UT（ui经过UT时uO跃变）。二、电压比较电路

电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，在测量和控制中有着相当广泛的应用。电压比较器的基本功能是对两个模拟电压信号的电平值进行比较，并用输出电平的两个极端值（高、低电平）来表示比较的结果。1．单门限电压比较器电路只有一个门限电压（UR），故称为单门限比较器。工作在开环状态；比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。电路简单，灵敏度高，但抗干扰能力较差，容易发生误触发。常见的有：（1）过零比较器输入电压ui与零电位比较，称为过零比较。【例4-8】利用过零电压比较器将正弦波变换为方波。解：

时时

对于同相输入的单门限比较器，当输入为正负对称的正弦波时，输出波形如图所示。uitt+Uom-Uomuo图4-24

例4-8图（2）一般电压比较器输入电压ui与阈值电压UT比较称为一般电压比较器。图4-25单限比较器（3）限幅电压比较器输出端接稳压管限幅。设稳压管的稳定电压为UZ，忽略正向导通电压，则ui>UR时，稳压管正向导通，uo=0；ui<UR时，稳压管反向击穿，uo=UZ时。2．滞回比较器（1）电路特点滞回比较器(又叫迟滞比较器)是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。图4-27滞回比较器图4-28滞回比较器的电压传输特性曲线

当uI逐渐增大时，只要uI<UT+，则uO=UZ，一旦uI>UT+，则uO=﹣UZ,当uI逐渐减小时，只要uI>UT-，则uO=﹣UZ，一旦uI<UT-，则uO=UZ。

U=UT+﹣UT-称为回差电压或者门限宽度。三、非正弦波发生电路（一）矩形波发生器迟滞电压比较器和RC充放电回路可构成矩形波发生器。矩形波发生器的波形和电容器充、放电时的波形。图4-29矩形波发生器图4-30方波发生电路的波形振荡周期：

矩形波高电平时间与其周期T之比称为占空比，为了改变输出方波的占空比，可改变电容器C的充电和放电时间常数，即可得占空比可调的矩形波发生器。（二）三角波发生器1.电路组成只要将方波电压作为积分运算电路的输入，在积分运算电路的输出就得到三角波电压。由方波发生器和反相积分器组成，三角波的周期由方波发生器确定，其幅值也由周期T和参数R、