实训任务3.4 函数信号发生器的设计与制作

电子技术主编：徐超明李珍2026/7/2313.4函数信号发生器的设计与制作实训3-5：正弦波发生器电路的测试3.4.1正弦波振荡电路的条件3.4.2RC正弦波振荡电路3.4.3LC正弦波振荡电路3.4.4石英晶体振荡器实训3-6：正弦波发生器电路仿真测试3.4.5集成函数发生器8038实训3-7：函数信号发生器的设计与制作实训任务3.4函数信号发生器的设计与制作2026/7/232按图3.45在实验板上接好线路（1）将RP1调到10k，调节RP2用示波器观察输出波形。

将波形填入表3-11中。实训3-5：正弦波发生器电路的测试2026/7/2331）RC正弦波振荡电路（2）用频率器测上述电路的输出频率（测量前先调节RP2使输出波形不失真）。

将数据填入下表3-12中。实训3-5：正弦波发生器电路的测试2026/7/2341）RC正弦波振荡电路（3）改变振荡频率先将RP1调到30k，然后在R1与地之间串一个20k的电阻。测量其输出频率f：

（Hz）

[★测f之前，应适当调节RP2使Vo无明显失真，再测频率。]

按图3.46在实验板上接好线路（1）去掉信号源，断开R2，令RP2=0，调节RP1使V的集电极电压为6V。连接B、C两点，用示波器观察A点波形，调RP2使不失真，测量振荡频率并填入如表3-13。实训3-5：正弦波发生器电路的测试2026/7/2352）LC正弦波振荡器（2）在上述基础上，测量UB、UC、UA的电压并填表3-14。实训3-5：正弦波发生器电路的测试2026/7/2362）LC正弦波振荡器（3）在振荡的情况下，在A点接电阻，用示波器观察波形并填表3-15。正弦波振荡电路能产生正弦波输出，它是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的，它是各类波形发生器和信号源的核心电路。正弦波振荡电路也称正弦波发生电路或正弦波振荡器。3.4.1正弦波振荡电路的条件2026/7/2371.正弦波振荡电路的产生条件

正弦波振荡电路是一种不需要输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。

振荡电路与放大电路不同之处在于：放大电路需要外加输入信号，才会有输出信号；而振荡电路不需外加输入就有输出，因此这种电路又称为自激振荡电路。图3.47（ａ）为反馈放大电路方框图，当电路不接反馈网络处于开环系统时，输入信号

就是净输入信号

，经放大产生输出信号

。当电路接成正反馈时，输入信号

、净输入信号

与反馈信号

的关系为：

=+。3.4.1正弦波振荡电路的条件2026/7/2381.正弦波振荡电路的产生条件3.4.1正弦波振荡电路的条件2026/7/239图3.47（ｂ）中，输入端（1端）外接一定频率、一定辐度的正弦波信号

，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（2端），就可得到反馈信号

。如果

与

在幅频和相位上都一致，那么，除去原来的外接信号，而将1、2两端连接在一起(如图中的虚线所示)，形成闭环系统，在没有任何输入信号的情况下，其输出端的输出信号也能继续维持与开环时一样的状况，即自激产生输出信号。1.正弦波振荡电路的产生条件3.4.1正弦波振荡电路的条件2026/7/23101）正弦波振荡的平衡条件振幅平衡条件：相位平衡条件：

AF=

A+

F=

2n

（n=0，1，2，…）振荡的平衡条件：2）正弦波振荡的起振条件

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。起振后产生增幅振荡，这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，以使放大倍数下降，直到振荡幅度不再增加，振荡进入稳定状态。1.正弦波振荡电路的产生条件3.4.1正弦波振荡电路的条件2026/7/23112.正弦波振荡电路的组成（1）放大电路：其作用是放大信号，满足起振条件，并把直流稳压电源的能量转为振荡信号的交流能量；（2）正反馈网络：其作用为满足振荡电路的相位平衡条件；（3）选频网络：用于选出振荡频率，从而使得振荡电路获得单一频率的正弦波信号输出；（4）稳幅电路：用于稳定输出信号的幅度，改善波形，减少失真。3.4.1正弦波振荡电路的条件2026/7/23123.正弦波信号振荡电路的类型

根据选频网络构成元件的不同，可把正弦波信号振荡电路分为如下几类：

选频网络若由RC元件组成，则称RC振荡电路；

选频网络若由LC元件组成，则称LC振荡电路；

选频网络若由石英晶体构成，则称为石英晶体振荡器。3.4.2RC正弦波振荡电路2026/7/23131.RC串并联选频网络

采用RC选频网络构成的RC振荡电路，一般用于产生1Hz～1MHz的低频信号。

RC串并联选频网络的传输系数3.4.2RC正弦波振荡电路2026/7/23141.RC串并联选频网络

RC串并联选频网络的传输系数RC串并联选频网络的幅频特性相频特性当R1=R2=R，C1=C2=C，且令则时3.4.2RC正弦波振荡电路2026/7/23151.RC串并联选频网络RC串并联选频网络的幅频特性相频特性当ω=ω0，即f=f0时，达到最大值，并等于1/3，相位移

F=0，输出电压与输入电压同相，RC串并联网络具有选频作用。

3.4.2RC正弦波振荡电路2026/7/23162.RC桥式振荡电路

RC桥式振荡器的电路如图3.49所示，由RC串并联选频网络与放大器组成。

放大器可采用三极管等分离元件，也可采用运算放大器；串并联选频网络是正反馈网络。此外，该电路还增加了RT和R’组成的负反馈网络。C1、R1和C2、R2正反馈支路与RT、R’负反馈支路正好构成一个桥路，称为文氏桥。此电路的谐振频率为3.4.2RC正弦波振荡电路2026/7/23172.RC桥式振荡电路此电路的谐振频率为当R1=R2，C1=C2时，谐振角频率谐振频率当f=f0时，反馈系数即调节谐振频率不会影响反馈系数和相角，在调节频率的过程中，不会停振，也不会使输出幅度改变。

且与频率f0的大小无关，此时的相角

F=0。3.4.2RC正弦波振荡电路2026/7/23182.RC桥式振荡电路为满足振荡的幅度条件

=1，放大电路A的闭环放大倍数需满足自激振荡的振幅和相位起振和平衡条件。由于加入RT、R’支路构成串联电压负反馈，其闭环放大倍数需满足：也即RT≥2R’

RC文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻RT实现的。RT是负温度系数热敏电阻，当输出电压升高，上所加的电压升高，即温度升高，RT的阻值下降，负反馈减弱，输出幅度下降。3.4.3LC正弦波振荡电路2026/7/23191.LC并联谐振回路LC振荡电路产生频率高于1MHz的高频正弦信号。

根据反馈形式的不同，LC正弦波振荡电路可分为互感耦合式（变压器反馈式）、电感三点式、电容三点式等几种电路形式。

在选频放大器中，经常用到图3.50所示的LC并联谐振回路。

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。并联谐振曲线如图（b）所示。谐振时

谐振频率

3.4.3LC正弦波振荡电路2026/7/23202．变压器反馈式LC振荡电路

变压器反馈LC振荡电路如图所示。分压式偏置的共射放大器，起信号放大及稳幅作用，LC并联谐振电路作为选频网络，反馈线圈Lf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，可改变反馈的极性，形成正反馈；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。变压器反馈LC振荡电路的振荡频率：

变压器反馈式振荡电路易于起振，输出电压的失真较小。但是由于输出电压与反馈电压靠磁路耦合，因而损耗较大，且振荡频率的稳定性不高。3.4.3LC正弦波振荡电路2026/7/23213．三点式LC振荡电路

三点式振荡电路的连接规律如下：对于振荡器的交流通路，与三极管的发射极或者运放的同相输入端相连接的为同性电抗（同是电感或同为电容）；不与发射极（三极管的基极和集电极）或者运放的反相输入端和输出端相连接的为异性电抗。这就是三点式振荡器的相位平衡条件判断法则。3.4.3LC正弦波振荡电路2026/7/23223．三点式LC振荡电路1）电感三点式LC振荡电路

该交流等效电路中，与发射极相连接两个电抗元件同为电感，另一个电抗元件为电容，满足三点式振荡器的相位平衡条件。选频网络由电感线圈L1、L2串联与电容C构成LC并联选频回路，反馈信号Uf取自电感L2两端，其振荡频率近似等于LC并联谐振回路的固有频率，即：电感三点式振荡电路式中：L=L1+L2+2M，M为电感L1、L2间的互感系数。改变电感抽头，即改变L2/L1的比值，可以改变反馈系数，使电路满足起振与相位平衡的条件。3.4.3LC正弦波振荡电路2026/7/23233．三点式LC振荡电路1）电感三点式LC振荡电路特点：电感三点式振荡电路因为选频网络中电感线圈L1与L2耦合紧密，正反馈较强，容易起振。此外，改变振荡回路中的电容C，可较方便调节振荡信号频率。

但反馈电压取自电感L2两端，对高次谐波的电抗很大，不能将高次谐波滤除，输出波形中含有高次谐波，振荡器输出的电压波形较差，而且频率稳定度也不高。

因此通常用于要求不高的设备中，如高频加热器、接收机的本机振荡等。电感三点式振荡电路3.4.3LC正弦波振荡电路2026/7/23243．三点式LC振荡电路2）电容三点式LC振荡电路

电容三点式振荡电路原理如图所示，其电路构成与电感三点式振荡电路基本相同，不过正反馈选频网络由电容C1、C2和电感L构成，反馈信号Uf取自电容C2两端，其振荡频率也近似等于LC并联谐振回路的固有频率，即：电容三点式振荡电路式中：

调整电容C1、C2的电容量，可使电路满足起振的振幅平衡条件。3.4.3LC正弦波振荡电路2026/7/23253．三点式LC振荡电路2）电容三点式LC振荡电路

特点：由于反馈电压取自C2两端，因为电容是高通元件，对高次谐波的电抗很小，所以输出波形中的高次谐波分量小，振荡器输出的电压波形比电感三点式好；

由于电容C1、C2的容量可以选得很小，并将放大管的极间电容也计算到C1、C2中去，因此振荡频率较高，一般可以达到100MHz以上。电容三点式振荡电路3.4.3LC正弦波振荡电路2026/7/23263．三点式LC振荡电路2）电容三点式LC振荡电路

对于振荡频率的调节，若用改变C1或C2的方法，会影响反馈的强弱，这是不可取的。

通常是固定C1、C2，另用一个容量很小的微调电容串接在电感L支路上，以调节，此时，回路的总电容量为C1与C2串联再与串接在L支路上的可变电容C3串联，如图所示。

由于C3比C1、C2小得多，振荡频率近似由C3和L决定。

此时，C1、C2仅构成正反馈，但增大C1、C2的容量，也就是相对减小与之并联的各种输入电容、输出电容的影响，是可以提高频率的稳定度。3.4.3LC正弦波振荡电路2026/7/23274.LC正弦波振荡电路能否正常工作的必要条件（1）正弦波振荡器的几个基本组成部分，如放大电路、反馈网络、选频环节必须具备。（2）放大器的偏置电路正确，静态工作点能确保放大器正常工作。（3）振荡器能满足振幅平衡条件和相位平衡条件。相位平衡条件一般用瞬时极性法判别，满足正反馈条件；振幅平衡条件是通过改变电路元件的参数获得。3.4.3LC正弦波振荡电路2026/7/2328【例3-3】判断图3.55所示各电路中能否产生自激振荡，并说明理由。解题方法：判断电路能否可能产生正弦波振荡一般有下列几个部骤。（1）观察电路是否包含了放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节4个组成部分。（2）判断放大电路能否正常工作，即是否有合适的静态工作点且动态信号是否能够输入输出和放大。3.4.3LC正弦波振荡电路2026/7/2329【例3-3】判断图3.55所示各电路中能否产生自激振荡，并说明理由。（3）振荡器能否满足振幅平衡条件和相位平衡条件。相位平衡条件一般用电压瞬时极性法判别，要满足正反馈条件；振幅平衡条件是通过改变电路元件的参数获得。一般认为振幅平衡条件是能够满足的，故只需判断是否满足相位平衡条件。具体做法是：断开反馈信号至放大器的连接点，假设从该点引入的输入信号ui，并给定其瞬时极性；根据信号的传递及反馈关系得到反馈信号uf的瞬时极性。若ui与uf的极性相同，则说明满足相位平衡条件，电路有可能产生正弦波振荡，否则表明不满足相位平衡条件，电路不可能产生正弦波振荡。解题方法：3.4.3LC正弦波振荡电路2026/7/2330【例3-3】判断图3.55所示各电路中能否产生自激振荡，并说明理由。解：

a图：由于静态时线圈的直流电阻很小，L1、L2可视为短路，三极管的集电极电位和基极电位均为+VCC，集电结无反偏电压，不满足放大条件，该电路不能产生振荡。b图：该电路为共射电路，L1为反馈元件，交流等效电路如图3.55（e）所示。根据电压瞬时极性法判定反馈信号uf与原假设的输入信号ui的极性相反，为负反馈，不满足相位平衡条件，电路不可能产生正弦波振荡。3.4.3LC正弦波振荡电路2026/7/2331【例3-3】判断图3.55所示各电路中能否产生自激振荡，并说明理由。解：

c图：该电路的交流等效电路如图3.55（f）所示，为电感三点式LC振荡电路，满足相位平衡条件，电路可能产生振荡。d图：该电路的交流等效电路如图3.55（g）所示，为变压器反馈式振荡电路，L2为反馈元件，满足相位平衡条件，电路可能产生振荡。3.4.4石英晶体振荡器2026/7/2332

晶体谐振器是由石英晶体（其化学成分是二氧化硅SiO2）做成的谐振器，简称晶振。其振荡频率非常稳定，广泛应用于如频率计、时钟、计算机等振荡频率稳定性要求高的场合。

石英晶体的基本特性是压电效应。当晶片的两极加上交变电压时晶片会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变电场。当外加交变电压的频率与晶片的固有振动频率相等时，机械振动的幅度和感应电荷量均将急剧增加，这种现象称为压电谐振效应。

石英晶体的固有谐振频率取决于晶片的几何形状和切片方向等。3.4.4石英晶体振荡器2026/7/2333晶体谐振器的可用一个LC串并联电路来等效，如图所示。其中C0是晶片两表面涂敷银膜形成的电容，L和C分别模拟晶片的质量（代表惯性）和弹性，晶片振动时因摩擦而造成的损耗用电阻R来代表。电抗与频率之间的关系曲线称晶体谐振器的电抗频率特性曲线。它有两个谐振频率，一个是串联谐振频率ｆ，在这个频率上，晶体电抗等于零。另一个是并联谐振频率ƒP，在这个频率上，晶体电抗趋于无穷大。3.4.4石英晶体振荡器2026/7/2334

这一类的石英晶体作为一个高Q值的电感元件，当信号频率接近或等于石英晶体并联谐振频率ƒP时，石英晶体呈现极大的电抗，和回路中的其他元件形成并联谐振。（1）并联型石英晶体振荡器3.4.4石英晶体振荡器2026/7/2335

这类是石英晶体作为一个正反馈通路元件，当信号频率等于石英晶体串联谐振频率ｆ时，晶体电抗等于零，振荡频率稳定在固有振动频率ｆ上。（2）串联型石英晶体振荡电器实训3-6：正弦波发生器电路仿真测试2026/7/2336实训流程：（1）按图画好仿真电路。（2）调整电位器RP，记录虚拟示波器XSC1的波形情况。1）RC正弦波振荡电路实训3-6：正弦波发生器电路仿真测试2026/7/2337（1）在逐渐增大电位器的百分比时，大约在50%以上时可以看到电路起振，且震荡波形幅度逐渐增大，为什么？（2）继续增大电位器的百分比时，震荡波形幅度稳定值会不断增大；而当电位器的百分比达到95%以上时，震荡波形出现失真，试分析原因。（3）根据读数指针测出该RC震荡电路输出正弦波的周期。1）RC正弦波振荡电路想一想：实训3-6：正弦波发生器电路仿真测试2026/7/2338实训流程：（1）按图画好仿真电路。（2）根据实训3-5LC正弦波振荡器实验步骤，仿真验证所做的实验，并分析其结果。令RP2=0，调节RP1使U1的集电极电压为6V。连接B、C两点，用示波器观察输出波形，调RP2使不失真，测量振荡频率并填入表中。2）LC正弦波振荡电路3.4.5集成函数发生器80382026/7/2339集成函数发生器8038是一种多用途的波形发生器，可以用来产生正弦波、方波、三角波和锯齿波，其频率可通过外加的直流电压进行调节，使用方便，性能可靠。8038为塑封双列直插式集成电路。3.4.5集成函数