波形产生电路课件

波形產生電路波形產生電路通常也稱為振盪器。它與放大器的區別在於沒有外加激勵的情況下，電路能自行產生一定頻率和幅度的交流振盪信號。按產生的交流信號波形的不同，可將波形產生電路分為兩大類，即正弦波振盪器和非正弦波振盪器。本章主要討論作為信號源的振盪器。將首先研究正弦波振盪器的工作原理；然後討論幾種典型正弦波振盪器和非正弦波產生電路，最後簡要介紹集成函數發生器8038。正弦波振盪器可分為兩大類：一類是依靠外加正回饋而得到自激振盪的回饋式振盪器；另一類是負阻式振盪器，它是利用接在諧振回路中的負阻器件的負電阻效應，6.1正弦波振盪器下一頁返回去抵消諧振回路中的損耗而產生的等幅自由振盪，這類振盪器主要工作在微波波段。本節僅討論回饋式正弦波振盪器。6.1.1正弦波振盪器的工作原理在放大電路中，採用負回饋來改善放大電路的性能；而在波形產生電路中，是利用正回饋來實現振盪信號的輸出。利用正回饋的方法來獲得等幅的正弦振盪，是回饋式正弦波振盪器的基本原理。回饋式正弦波振盪器是由放大器和回饋網路組成的一個閉合環路，如圖6-1所示。圖6-1中，分別是回饋電壓、輸入電壓和放大器輸出電壓，均代表複數。6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁要想使一個沒有外加激勵的放大器能產生一定頻率和幅度的正弦輸出信號，就要求自激振盪只能在某一個頻率上產生，因此在圖6-1所示的閉合環路中必須含有選頻網路，選頻網路可以包含在放大器內，也可在回饋網路內。而任何一個具有正回饋的放大器都必須滿足一定的條件才能自激振盪。下麵我們就分析正弦波振盪器的起振條件（保證接通電源後能逐步建立起振盪）和平衡條件（保證進入維持等幅持續振盪的平衡狀態）。6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁1.起振過程與起振條件在剛接通電源時，振盪環路中存在各種微弱的電擾動（如接通電源瞬間在電路中產生很窄的脈衝，放大器內部的熱雜訊等），這些電擾動雜訊中包含各種頻率分量，都可作為放大器的初始輸入信號。由於選頻網路是由LC並聯諧振回路組成，則其中只有角頻率為LC回路諧振角頻率ω0的分量才能通過回饋網路產生較大的回饋電壓，回饋到放大器的輸入端，而其他頻率的信號被抑制。如果在諧振頻率ω0處，回饋到輸入端的與原輸入電壓同相，並且具有更大的振幅，則再經過線性放大和回饋的不斷迴圈，振盪電壓振幅就會不斷增大，得到如圖6-2的ab段所示的起振波形。6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁就這樣利用正回饋使輸出振盪信號從無到有地建立起來，所以，要使振盪器起振的條件是

2.平衡過程與平衡條件振盪器起振後，振盪幅度不可能無止境地增長下去，因為放大器的線性範圍是有限的。隨著振幅的增大，放大器逐漸由放大區進入非線性區域，其增益逐漸下降。當放大器增益下降而導致環路增益下降到1，即回饋電壓正好等於原輸入電壓時，振幅的增長過程將停止，振盪器的輸出電壓不再變化，振盪器達到平衡狀態，如圖6-2的bc段所示。所以，振盪器的平衡條件為：6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁振盪器進入平衡狀態以後，直流電源補充的能量剛好抵消整個環路消耗的能量。綜上所述，要使振盪器能夠振盪，把放大器接成正回饋是產生振盪的首要條件。其次，在振盪建立的初期，必須使回饋信號大於原輸入信號，回饋信號一次比一次大，才能使振盪幅度逐漸增大；當振盪建立後，振盪電路的輸出達到一定幅度時，還必須使回饋信號等於原輸入信號，才能使建立的振盪得以維持下去。一般為了使輸出的正弦信號幅度保持穩定，還要加入穩幅環節。6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁3.正弦波振盪器的基本組成為了產生穩定的正弦波振盪，正弦波振盪器一般應包括以下幾個基本組成部分：(1)放大器。(2)正回饋網路。(3)選頻網路。(4)穩幅環節。其中放大器是能量轉換裝置，從能量觀點看，振盪的本質是直流能量向交流能量轉換的過程。放大器和正回饋網路共同滿足。6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁選頻網路的作用是實現單一頻率的正弦波振盪。穩幅環節的作用是使振盪幅度達到穩定，通常可以利用放大元件的非線性來實現，可以利用電晶體、場效應管等器件的非線性，也可以外接非線性器件，前者稱為內穩幅，後者稱為外穩幅。根據選頻網路組成元件的不同，正弦波振盪電路通常分為RC振盪器，LC振盪器和石英晶體振盪器。6.1.2RC正弦波振盪器由RC選頻網路構成的振盪器稱為RC振盪器，RC振盪器結構簡單，性能可靠，它適用於低頻振盪，常用的RC振盪器有RC橋式振盪器和移相式振盪器。本節只介紹由RC串並聯網路構成的RC橋式振盪器。6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁1.RC串並聯網路的選頻特性RC串並聯選頻網路由R2和C2並聯後與R1和C1串聯組成，如圖6-3所示。R1、C1串聯部分的複阻抗R2、C2並聯部分的複阻由圖6-3可得RC串並聯網路的電壓傳輸係數為6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁在實際電路中取C1＝C2＝C，R1＝R2＝R，則上式可簡化為式中6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁可得到RC串並聯網路的幅頻特性和相頻特性分別為作出幅頻特性和相頻特性曲線如圖6-4所示。由圖6-4可以看出，當時，電壓傳輸係數最大，其值為，相移。此時，當時，，且，此時輸出電壓的相位滯後或超前於輸入電壓。6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁由以上分析可知：RC串並聯網路只在，即時，輸出幅度最大，且輸出電壓與輸入電壓同相，即相移為零。所以，RC串並聯網路具有選頻特性。2.RC橋式振盪器的組成將RC串並聯網路和放大器結合起來即可構成RC振盪器，由RC串並聯網路的選頻特性可知，在時，其相移為零，要使振盪器滿足相位條件，要求放大器的相移

A也為0°(或360°)。所以放大器可選用同相輸入方式的集成運算放大器或兩級共射分立元件放大電路等。圖6-5所示為由集成運算放大器構成的RC橋式振盪器。6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁3.起振條件和振盪頻率為了判斷電路是否滿足產生振盪的相位平衡條件，假設在運放A的同相輸入端處斷開，並加上輸入信號，故運放A的輸出電壓與輸入電壓同相，即

A＝0°。RC串並聯網路接在運算放大器A的輸出端和同相輸入端之間，當時，RC串並聯選頻網路的相移為零，因此在時，，電路滿足相位平衡條件。為了使電路能振盪，還應滿足振幅起振條件，即要求

而圖6-5所示的回饋係數就是RC串並聯選頻網路的傳輸係數，即f＝f0時，＝1/3。6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁由此可得電路的振幅起振條件為

3，圖6-5中，R1、Rt構成負回饋支路，它與運算放大器A組成一個同相輸入比例運算放大器，其電壓增益為，所以，只要

3，即Rt

2R1就能滿足振幅起振條件，產生自激振盪，振盪頻率為：

4.穩幅過程為了滿足振幅平衡和穩定條件，在圖6-5所示振盪器的負回饋支路上採用了具有負溫度係數的熱敏電阻Rt來改善振盪波形，實現自動穩幅。起振時，由於＝0，流過Rt的電流為零，熱敏電阻Rt處於冷態，阻值較大，放大器的負回饋較弱，6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁增益很高，振盪很快建立。起振後，振盪電壓振幅逐漸增大，流過Rt的電流也增大，溫度升高，使Rt阻值減小，負回饋加深，放大器的增益下降，在運算放大器還未進入非線性工作區時，振盪器已經達到平衡條件＝1，停止增長，因此這時振盪波形為一失真很小的正弦波。這樣，放大器線上性工作區就會具有隨振幅增加而增益下降的特性，滿足振幅平衡和穩定條件。同理，當振盪建立後，由於某種原因使得輸出幅度發生變化，則流過Rt的電流變化，使熱敏電阻的阻值發生變化，自動穩定輸出電壓幅度。比如某種原因使輸出幅度減小，則流過熱敏電阻的電流減小，溫度降低，熱敏電阻的阻值增大，則負回饋減弱，6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁放大器增益上升，阻止輸出電壓幅度繼續減小，從而達到自動穩幅的效果。各種RC振盪器的振盪頻率均與R、C的乘積成反比，如欲產生振盪頻率很高的正弦波信號，勢必要求電阻或電容的值很小，這在製造上和電路實現上將有很大的困難，因此，RC振盪器一般用來產生幾Hz～幾百kHz的低頻信號，若要產生更高頻率的信號，可以考慮採用LC正弦波振盪器。6.1.3LC正弦波振盪器採用LC諧振回路作為選頻網路的振盪器稱為LC振盪器，用來產生1MHz以上的高頻正弦信號。6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁根據回饋形式的不同，LC振盪器可分為變壓器回饋式LC振盪器、電感回饋三點式LC振盪器和電容回饋三點式LC振盪器。1.變壓器回饋式LC振盪器１）電路組成變壓器回饋式LC振盪器的特點是用變壓器的初級或次級繞組與電容C構成LC選頻網路。振盪信號的輸出和回饋信號的傳遞都是靠變壓器耦合完成的。為保證電路的正回饋，變壓器初次級之間的同名端必須正確連接。如圖6-6所示是變壓器回饋式LC振盪器，它由共射極放大器、LC選頻網路和變壓器回饋網路三部分組成。6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁圖中L1、C並聯組成的選頻網路作為放大器的負載，構成選頻放大器。回饋信號通過變壓器線圈L1和L3間的互感耦合，由回饋網路L3傳送到放大器輸入端。R1、R2和R3為放大器分壓式偏置電阻使三極管工作在放大狀態，C1是耦合電容，C2是射極旁路電容，對振盪頻率而言可看成短路。２）起振條件和振盪頻率為了判斷電路是否滿足產生振盪的相位平衡條件，假設在放大器的輸入端a點處斷開，並加輸入信號，其頻率為L1C並聯諧振回路的諧振頻率f0，此時集電極的L1C並聯諧振回路呈現純電阻，並且阻值最大。則共射極放大器輸出電壓和反相，6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁由圖中L1及L3同名端可知，回饋信號與輸出電壓反相，因此，和同相，說明電路滿足振盪的相位平衡條件。也就是說只有在L1C回路的諧振頻率處，電路才滿足相位平衡條件，所以振盪器的振盪頻率就是L1C並聯諧振回路的諧振頻率，即

另外，要滿足振幅起振條件

，可以選

值較大的電晶體或增加回饋線圈的匝數，調整變壓器初級和次級之間的位置以提高耦合程度均可，一般情況下比較容易滿足。關鍵是要保證變壓器繞組的同名端接線正確，以滿足相位平衡條件，如果同名端接錯，則電路不能起振。6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁3）變壓器回饋式LC振盪器的優缺點優點是容易起振，輸出電壓較大，結構簡單，調節頻率方便，通常用作廣播收音機的本地振盪器。缺點是工作在高頻時，分佈電容影響較大，輸出波形不理想。2.電感回饋三點式LC振盪器１）電路組成電感回饋三點式LC振盪器又稱為哈特萊（Hartley）振盪器，是一種應用廣泛的振盪電路，如圖6-7(a)所示。圖（a）中，L1、L2和C組成並聯諧振回路，作為放大器的交流負載，RB1、RB2、RC和RE為放大器分壓式直流偏置電阻，C3是射極旁路電容，6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁C1、C2是耦合電容，用於防止電源VCC經電感與基極接通。圖6-7(b)是其交流等效電路。由圖可見，回饋電壓取自電感L2上的電壓，交流時並聯諧振回路的三個端點相當於分別與電晶體的三個電極相連，因此稱為電感回饋三點式LC振盪器。2）起振條件和振盪頻率假設在圖6-7(a)中a點處將電路斷開，並加輸入信號，由於諧振時LC並聯諧振回路呈現純電阻，則輸出電壓和反相，而回饋信號與輸出電壓也反相，因此，和同相，說明電路在LC回路諧振頻率上構成正回饋滿足振盪的相位平衡條件。6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁由此得到振盪頻率為：

式中，M是L1、L2間的互感係數。同樣，若要滿足振幅起振條件，管子的

值應選得大些，一般要求

其中，rbe為三極管b、e間的等效電阻，R′為包括其他折合電阻在內的諧振回路總損耗電阻。實際上並不常按

公式去挑選管子，只要適當選取L2/L1的數值，即改變線圈抽頭的位置，改變L2的大小，就可調節回饋電壓的大小。6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁就可以使電路起振，一般取回饋線圈的匝數為電感線圈總匝數的1/8～1/4即可起振。3）電感回饋三點式LC振盪器的優缺點因為L1和L2間耦合較緊，因此容易起振，輸出電壓幅度較大。振盪回路中用一只可變電容器就可很方便地在較大範圍內調節振盪頻率。這種振盪器的缺點是回饋信號取自電感兩端，而電感對高次諧波呈現高阻抗，振盪波形含有的諧波成分多，因此輸出波形不理想，振盪頻率不易很高，最高只達幾十MHz。故常用於要求不高的設備中，如高頻加熱器。6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁3.電容回饋三點式LC振盪器１）電路組成電容回饋三點式LC振盪器又稱為考畢茲(Colpitts)振盪器，也是一種應用十分廣泛的振盪電路，如圖6-8(a)所示，圖6-8(b)是其交流等效電路。由圖可見，回饋電壓取自電容C2上的電壓，交流時並聯諧振回路的三個端點相當於分別與電晶體的三個電極相連，因此稱為電感回饋三點式LC振盪器。2）起振條件和振盪頻率假設圖6-8（a）中a點處斷開，加上輸入電壓，利用暫態極性法不難分析在回路諧振頻率上，6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁回饋信號與輸入電壓同相，滿足振盪的相位平衡條件。電路的振盪頻率近似等於諧振回路的諧振頻率，即

可以證明，若滿足振幅起振條件，應使三極管的

滿足

rbe為三極管b、e間的等效電阻，R′為包括其他折合電阻在內的諧振回路總損耗電阻。6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁3）電容回饋三點式LC振盪器的優缺點電容回饋三點式LC振盪器的回饋信號取自電容兩端，電容對高次諧波呈現較小的阻抗，故振盪波形好，振盪頻率可以很高，只要減小電容，就能提高振盪頻率，一般可達100MHz以上。但調節頻率不方便，因為調節C1、C2可以改變振盪頻率，但同時會改變正回饋量的大小，會影響起振條件，使輸出信號幅度發生變化，甚至可能會使電路停振。另外與C1、C2並聯的電晶體的輸出電容和輸入電容（即電晶體的極間電容）是不穩定的，將影響振盪頻率的穩定度。為了使電容回饋三點式振盪器易於調節頻率，提高頻率的穩定性，可在電感L支路串聯一個電容量值很小的電容C3，6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁即如圖6-9所示的串聯改進型電容回饋三點式LC振盪器，也叫克拉潑（Clapp）振盪器。C3的改變對取出的回饋電壓信號沒有影響，因此可以通過調整C3的大小方便地調節振盪頻率。在選擇電路的參數時，為避免電晶體極間電容變化對振盪頻率產生影響，取C3

C1，C3

C2，此時電路的振盪頻率為

振盪頻率f0僅由L和C3決定，與C1、C2的關係很小，所以當電晶體的極間電容改變時，對f0的影響很小，6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁提高了頻率的穩定度，克拉潑振盪器的頻率穩定度可達10－4～10－5。6.1.4石英晶體振盪器根據前面的分析已經知道，LC振盪器的頻率穩定度是不高的，即使採取了各種穩頻措施提高LC振盪回路的Q值，頻率穩定度(

f/f0)也很難超過10－5的數量級。在要求高頻率穩定度的場合，往往採用高Q值的石英晶體諧振器代替一般的LC回路。用石英晶體組成的振盪器其頻率穩定度一般可達10－6～10－8，有的甚至可達到10－10～10－11。所以石英晶體廣泛應用於石英鐘（手錶）、標準信號發生器、電腦中的時鐘信號發生器等精密電子設備中。6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁1.石英晶體諧振器的特性和等效電路1）石英晶體諧振器的結構石英晶體諧振器是利用石英晶體（二氧化矽的結晶體）的壓電效應製成的一種諧振器件，它的基本構成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個對應面上塗敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑膠封裝的。圖6-11是一種金屬外殼封裝的石英晶體結構示意圖。6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁2）壓電效應石英晶片之所以能做成諧振器是因為石英晶體具有壓電效應。若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產生機械變形。反之，若在晶片的兩側施加機械壓力，則在晶片相應的方向上將產生電場，這種物理現象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產生機械振動，同時晶片的機械振動又會產生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關。6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁3）符號和等效電路石英晶體諧振器的符號和等效電路如圖6-12所示。當晶體不振動時，可把它看成一個平板電容器稱為靜態電容C0，它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關，一般約幾個pF到幾十pF。當晶體振盪時，機械振動的慣性可用電感L來等效。一般L的值為幾十mH到幾百mH。晶片的彈性可用電容C來等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振動時因摩擦而造成的損耗用R來等效，它的數值約為100Ω。由於晶片的等效電感很大，而C很小，R也小，因此回路的品質因數Q很大，可達1000～10000。加上晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關，6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振盪電路可獲得很高的頻率穩定度。從圖6-12(b)石英晶體諧振器的等效電路可知，它有兩個諧振頻率：一是當L、C、R支路發生串聯諧振時，它的等效阻抗最小（等於R），串聯揩振頻率用fS表示，石英晶體對於串聯揩振頻率fS呈純阻性；二是當頻率高於fS時L、C、R支路呈感性，可與電容C0發生並聯諧振，其並聯頻率用fp表示。根據石英晶體的等效電路，可定性畫出它的電抗—頻率特性曲線如圖6-13所示。可見當頻率低於串聯諧振頻率fS或者頻率高於並聯揩振頻率fp時，石英晶體呈容性。僅在fS＜f＜fp極窄的範圍內，石英晶體呈感性。6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁由從圖6-12(b)等效電路得

2.石英晶體振盪器電路石英晶體振盪器可以分為兩類，一類是石英晶體作為一個回饋元件，工作在串聯諧振狀態，稱為串聯型石英晶體振盪器；另一類是石英晶體作為一個高Q值的電感元件，和回路中其他元件形成並聯諧振，稱為並聯型石英晶體振盪器。下麵分別介紹。6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁1）串聯型石英晶體振盪器圖圖6-14是一種串聯型石英晶體振盪器原理電路，T1採用共基極接法，T2為射極輸出器，石英晶體作為一個回饋元件。用暫態極性法不難分析，當工作於串聯諧振頻率fS時，石英晶體諧振器的等效阻抗最小且為純電阻，所以T1、T2組成的放大電路對等於串聯諧振頻率fS的信號正回饋最強且沒有附加相移，滿足相位平衡條件。圖6-14中的電位器RP是用來調節回饋量的，使輸出的振盪波形失真較小且幅度穩定。6.1正弦波振盪器下一頁返回上一頁2）並聯型石英晶體振盪器圖6-15所示為並聯型石英晶體振盪器。當f0在fS～fP的極窄的頻率範圍內時，石英晶體呈感性，晶體在電路中起一個電感作用，它與C1、C2組成電容回饋三點式振盪電路。從圖6-15可以看出，滿足三點式振盪器的連接規律，滿足相位平衡條件。由運算放大器、石英晶體諧振器和外接電容組成的三點式振盪電路如圖6-16所示，其中CS為可調電容，調節CS可微調振盪頻率。6.1正弦波振盪器返回上一頁非正弦波產生電路常常用於脈衝和數字系統中作為信號源。常用的非正弦產生電路有矩形波產生電路、三角波產生電路和鋸齒波產生電路。6.2.1矩形波產生電路1.電路組成由於矩形波中包含極豐富的諧波，因此矩形波產生電路又稱為多諧振蕩器。如圖6-17所示為一個矩形波產生電路。電路實際上是由一個遲滯比較器和一個RC充放電回路組成。圖中集成運放和電阻R1、R2組成遲滯比較器，電阻R和電容C構成充放電回路，電阻R3和穩壓管VDz1、VDz2對輸出電壓雙向限幅，6.2非正弦波產生電路下一頁返回將遲滯比較器的輸出電壓限制在穩壓管的穩定電壓值

UZ。2.工作原理由圖6-17可以看出，集成運放同相輸入端的電壓u＋由比較器輸出電壓uO通過R1、R2分壓後得到，反相輸入端的電壓u－受充放電電容C兩端的電壓uC控制。設t＝0(電源接通時刻)時，電容兩端電壓uC＝0，即u－＝0，而遲滯比較器的輸出電壓uO＝+UZ，則集成運放同相輸入端的電壓為輸出電壓uO＝+UZ對電容C充電，使電容兩端電壓uC由零逐漸上升，反相輸入端電壓u－也不斷上升。6.2非正弦波產生電路下一頁返回上一頁當電容上的電壓上升到u－

u＋時，輸出電壓uO從高電平+UZ跳變為低電平-UZ，集成運放同相輸入端的電壓也立即變為此時，電容C將通過R放電，使反相輸入端電壓u－逐漸下降。當uC下降到u－

u＋時,遲滯比較器的輸出端將再次發生跳變，輸出電壓uO從低電平跳變為高電平，即uO＝＋UZ,同相輸入端的電壓也隨之而跳變為,電容C再次充電。如此周而復始,遲滯比較器的輸出端電壓uO反復在高電平和低電平之間跳變，於是產生了正負交替的矩形波。遲滯比較器的輸出電壓uO以及電容C兩端的電壓uC的波形如圖6-18所示。6.2非正弦波產生電路下一頁返回上一頁可以證明，矩形波的振盪週期為

6.2.2三角波產生電路

1.電路組成三角波產生電路如圖6-19所示，其中集成運放A1組成遲滯比較器，其反相端接地；A2組成反相積分器。積分器的作用是將遲滯比較器輸出的矩形波轉換為三角波，同時回饋給比較器的同相輸入端，使比較器產生隨三角波的變化而翻轉的矩形波。這裏的遲滯比較器和前述的矩形波發生器的區別是從同相端輸入信號，但基本原理相同。6.2非正弦波產生電路下一頁返回上一頁2.工作原理圖6-19中，集成運放A1同相輸入端的電壓由uO和uO1共同決定，根據疊加定理當u＋

0時,uO1＝＋UZ；當u＋

0時,uO1＝－UZ。即遲滯比較器的翻轉發生在u+＝0的時刻，此時比較器的輸入電壓（即積分器的輸出電壓uO）應該為也就是比較器的上、下門限電壓。6.2非正弦波產生電路下一頁返回上一頁假設t＝0時積分電容C上初始電壓為零，集成運放A1輸出為高電平，即uO1＝+UZ，此時uO＝0，u＋也為高電平。積分器輸入為+UZ,將對積分電容C開始充電，輸出電壓uO將隨時間往負方向線性增長，即輸出電壓uO開始減小，u＋值也隨之減小，當uO減小到－UZR2/R1時，u＋由正值變為零，遲滯比較器A1翻轉，集成運放A1的輸出uO1＝－UZ，此時u＋也跳變成為一個負值。當uO1＝－UZ時，積分器輸入負電壓，積分電容C將通過R放電，輸出電壓uO將隨時間往正方向線性增長，即輸出電壓uO開始增大，u＋值也隨之增大，當uO增大到＋UZR2/R1時，u＋由負值變為零，遲滯比較器A1再次翻轉，集成運放A1的輸出uO1＝＋UZ。6.2非正弦波產生電路下一頁返回上一頁以後重複上述過程，於是遲滯比較器的輸出電壓uO1成為幅值為UZ的矩形波，而積分器的輸出電壓uO也成為週期性的三角波，三角波的輸出幅度為UZR2/R1，如圖6-20所示。可以證明三角波的週期為

由以上分析可知，三角波的輸出幅度於穩壓管的UZ及R2/R1成正比，週期與積分電路的時間常數RC及R2/R1成正比。6.2.3鋸齒波產生電路如果在三角波產生電路中，使積分電容充電和放電的時間常數不同，而且相差懸殊，6.2非正弦波產生電路下一頁返回上一頁則在積分電路的輸出端即可得到鋸齒波信號。鋸齒波信號也是一種比較常用的非正弦信號，如示波器的掃描信號就是鋸齒波信號。用二極體VD1、VD2和電位器RW代替圖6-19三角波發生電路中的積分電阻R，使積分電容C的充電和放電回路分開，即成為鋸齒波發生電路，如圖6-21（a）所示。調節電位器RW滑動端的位置，使R

W

R

W，即電容充電時間常數比放電時間常數小得多，也就是充電很快而放電很慢，此時積分電路的輸出電壓uO的波形如圖6-21(b)所示。6.2非正弦波產生電路返回上一頁集成函數發生器8038是一種多用途的波形發生器，可以用來產生正弦波、方波、三角波和鋸齒波，其振盪頻率可以通過外加的直流電壓進行調節，所以是壓控集成信號產生器。8038內部原理電路框圖如圖6-22所示。1．8038的工作原理由圖6-22可見，8038由兩個恒流源、兩個電壓比較器、觸發器、電子開關K和正弦波變換器等組成。在圖6-22中，電壓比較器A、B的門限電壓分別為2UR/3和UR/3（其中UR＝UCC+UEE），電流源I1和I2的大小可通過外接電阻調節，且I2必須大於I1。6.3集成函數發生器8038簡介下一頁返回圖6-22中的觸發器，當R端為高電平、S端為低電平時，Q端輸出低電平；反之，則Q端為高電平。當觸發器的Q端輸出為低電平時，它控制開關K使電流源I2斷開。而電流源I1則向外接電容C充電，使電容兩端電壓uC隨時間線性上升，當uC上升到uC＝2UR/3時，比較器A輸出發生跳變，使觸發器輸出Q端由低電平變為高電平，控制開關K使電流源I2接通。由於I2>I1

，因此電容C放電，uC隨時間線性下降。當uC下降到uC≤UR/3時，比較器B輸出發生跳變，使觸發器輸出端Q又由高電平變為低電平，I2再次斷開，I1再次向C充電，uC又隨時間線性上升。如此周而復始，產生振盪。6.3集成函數發生器8038簡介下一頁返回上一頁若I2＝2I1

，uC上升時間與下降時間相等，就產生三角波輸出到腳3。而觸發器輸出的方波，經反相器輸出到腳9。三角波經正弦波變換器變成正弦波後由腳2輸出。當I1<I2<2I1

時，uC的上升時間與下降時間不相等，管腳3輸出鋸齒波。因此，8038能輸出方波、三角波、正弦波和鋸齒波等四種不同的波形。2．8038的典型應用8038是塑封雙列直插式積體電路，其管腳功能如圖6-23所示，利用8038構成的函數發生器如圖6-24所示。由圖6-23可見，8腳為調頻電壓控制輸入端，振盪頻率與調頻電壓的高低成正比，調頻電壓的值（指6腳與8腳之間的電壓）不超過(UCC+UEE)/3。6.3集成函數發生器8038簡介下一頁返回上一頁此外，該器件的方波輸出端為集電極開路形式，一般需在正電源與9腳之間外接一電阻，其值常選用10k

左右，如圖6-24所示。其振盪頻率由電位器RP1滑動觸點的位置、C的容量、RA和RB的阻值決定，調節RP1即可改變輸出信號的頻率。圖中C1為高頻旁路電容，用以消除8腳的寄生交流電壓，RP2為方波占空比和正弦波失真度調節電位器，當RP2位於中間時，可產生占空比為50%的方波，對稱的三角波和正弦波。RP3、RP4是雙聯電位器，其作用是進一步調節正弦波的失真度。6.3集成函數發生器8038簡介返回上一頁6.4實訓：正弦波及非正弦波發生電路Multisim仿真實例1.RC橋式正弦波振盪器Multisim仿真1）創建圖6-25所示RC振盪電路。R1、C1、R2、C2構成正回饋選頻網路，R3、RP、R4為集成運放提供負回饋，D1、D2起穩幅的作用。2）啟動仿真開關，雙擊示波器圖示，合理設置參數，調節電位器RP的阻值，觀測輸出波形。在調節電位器RP的過程中，可以看出，當減小RP至一定時，電路將不能振盪。增大至一合適的值時，電路能振盪且輸出波形較好，如圖6-26所示，若繼續增大RP，當RP的值太大時，輸出波形產生嚴重失真，如圖6-27所示。試分析原因。下一頁返回6.4實訓：正弦波及非正弦波發生電路Multisim仿真實例（3）調節RP，使輸出波形幅度最大且不失真，移動示波器指針，可測得正弦波的週期T＝640

s，則振盪頻率f0＝1/T＝1.56kHz。（4）雙擊R1和R2，改變電阻阻值，使R1=R2=5kohm，重啟仿真開關，觀測輸出波形，並再次移動示波器指針，測得輸出頻率。（5）調節RP，使輸出波形幅度最大且不失真。雙擊二極體D1，設置D1為開路狀態時觀測輸出波形；將D1正常接入，雙擊二極體D2，設置D2為開路狀態時觀測輸出波形；並畫出這兩種情況下輸出波形。下一頁上一頁返回6.4實訓：正弦波及非正弦波發生電路Multisim仿真實例2.矩形波發生電路Multisim仿真（1）創建圖6-28所示電路。它由遲滯型電壓比較器和RC電路組成。RP、R4、C1、D1、D2構成有延遲的回饋網路，C1上的電壓就是回饋電壓，R3為限流電阻。（2）啟動仿真開關，雙擊示波器圖示，合理設置參數，調節電位器RP的阻值，觀測反相輸入