第7章 波形发生电路

波形发生电路第章第7章波形发生电路7.1正弦波振荡电路7.2非正弦信号发生器7.3集成函数发生器8083简介7.4压控振荡器波形发生电路第章7.1正弦波振荡电路7.1.1正弦波振荡电路的基础知识1.自激振荡现象扩音系统在使用中有时会发出刺耳的啸叫声,其形成的过程如图7.1所示。扩音机扬声器话筒图7.1自激振荡现象波形发生电路第章2.自激振荡形成的条件可以借助图７.２所示的方框图来分析正弦波振荡形成的条件。A.F.放大电路2S1＋－Uid.Ui.＋－Uf.＋－Uo.仅馈电路图7.2振荡电路的方框图波形发生电路第章由此可见,自激振荡形成的基本条件是反馈信号与输入信号大小相等、相位相同,即,而可得ifUUifUFAU1FA(7.1)这包含着两层含义:（１）反馈信号与输入信号大小相等,表示即（２）反馈信号与输入信号相位相同,表示输入信号经过放大电路产生的相移φA和反馈网络的相移φF之和为0,2π,4π,…,2nπ,即ifUU1FA（7.2）波形发生电路第章φA+φF=2nπ(n=0,1,2,3,…)（7.3）称为相位平衡条件。Uo.Obac起振稳幅t图7.3自激振荡的起振波形波形发生电路第章３.正弦波振荡的形成过程放大电路在接通电源的瞬间,随着电源电压由零开始的突然增大,电路受到扰动,在放大器的输入端产生一个微弱的扰动电压ui,经放大器放大、正反馈,再放大、再反馈……,如此反复循环,输出信号的幅度很快增加。这个扰动电压包括从低频到甚高频的各种频率的谐波成分。为了能得到我们所需要频率的正弦波信号,必须增加选频网络,只有在选频网络中心频率上的信号能通过,其他频率的信号被抑制,在输出端就会得到如图7.3的ab段所示的起振波形。波形发生电路第章那么,振荡电路在起振以后,振荡幅度会不会无休止地增长下去了呢？这就需要增加稳幅环节,当振荡电路的输出达到一定幅度后,稳幅环节就会使输出减小,维持一个相对稳定的稳幅振荡,如图7.3的bc段所示。也就是说,在振荡建立的初期,必须使反馈信号大于原输入信号,反馈信号一次比一次大,才能使振荡幅度逐渐增大;当振荡建立后,还必须使反馈信号等于原输入信号,才能使建立的振荡得以维持下去。波形发生电路第章由上述分析可知,起振条件应为1FA1FA稳幅后的幅度平衡条件为（7.4）４.要形成振荡,电路中必须包含以下组成部分:①放大器;②正反馈网络;③选频网络;④稳幅环节。波形发生电路第章根据选频网络组成元件的不同,正弦波振荡电路通常分为ＲＣ振荡电路,ＬＣ振荡电路和石英晶体振荡电路。7.1.2RCRC正弦波振荡电路结构简单,性能可靠,用来产生几兆赫兹以下的低频信号,常用的RC振荡电路有RC桥式振荡电路和移相式振荡电路。1.RC桥式振荡电路1）RCRC串并联网络由R2和C2并联后与R1和C1串联组成,如图7.4所示。波形发生电路第章＋Z2－.U1R2C2＋－.U2Z1R1C1图7.4RC串并联网络波形发生电路第章设R1、C1的串联阻抗用Z1表示,R2和C2的并联阻抗用Z2表示,那么222211111RCjZZCjRZ输出电压与输入电压之比为RC串并联网络传输系数,记为,则1U2UF2221122221212111RCjRCjRRCjRZZZUUF波形发生电路第章)1()1(112211221CRCRjCCRR在实际电路中取C1=C2=C,R1=R2=R,则上式可简化为31arctan)1(31)1(3122RCRCRCRCFFRCRCjFF其模值相角波形发生电路第章将f0的表达式代入模值和相角的表达式,并将角频率ω变换为由频率f表示,则RCfRCf2112000令即3arctan)(31002002ffffffffFF波形发生电路第章根据上式可作出RC串并联网络频率特性如图7.5所示。F310f0fFf0f0＋90°－90°图7.5RC串并联网络的频率特性波形发生电路第章当f=f0时,电压传输系数最大,其值为:F=1/3,相角为零,即φF=0。此时,输出电压与输入电压同相位。当f≠f0时,F1/3,且φF≠0,此时输出电压的相位滞后或超前于输入电压。:RC串并联网络只在f=f0=1/2πRC时,输出幅度最大,而且输出电压与输入电压同相,即相位移为零。所以,RC串并联网络具有选频特性。波形发生电路第章2）RC桥式振荡电路RC桥式振荡电路如图7.６所示。＋＋－R1RfV2V1R2RCCRuoRC串并联网络：正反馈、选频网络集成运放A：放大网络V1、V2：稳幅环节A∞图7.6RC桥式正弦波振荡电路波形发生电路第章在图7.6中,集成运放组成一个同相放大器,它的输出电压uo作为RC串并联网络的输入电压,而将RC串并联网络的输出电压作为放大器的输入电压,当f=f0时,RC串并联网络的相位移为零,放大器是同相放大器,电路的总相位移是零,满足相位平衡条件,而对于其他频率的信号,RC串并联网络的相位移不为零,不满足相位平衡条件。由于RC串并联网络在f=f0时的传输系数F＝1/3,因此要求放大器的总电压增益Au应大于3,这对于集成运放组成的同相放大器来说是很容易满足的。由R1、Rf、V1、V2及R2构成负反馈支路,它与集成运放形成了同相输入比例运算放大器波形发生电路第章只要适当选择Rf与R1的比值,就能实现Au3的要求。其中,Ｖ1、Ｖ2和R2是实现自动稳幅的限幅电路。11RRAfuRCf210（7.5）2．RC电路如图7.7所示,图中反馈网络由三节RC移相电路构成。波形发生电路第章＋＋－RRCCCRRf＋－Uo.∞图7.7RC超前型移相式振荡电路波形发生电路第章由于集成运算放大器的相移为180°,为满足振荡的相位平衡条件,要求反馈网络对某一频率的信号再移相180°,图7.7中RC构成超前相移网络。正如所知,一节RC电路的最大相移为90°,不能满足振荡的相位条件;二节RC电路的最大相移可以达到180°,但当相移等于180°时,输出电压已接近于零,故不能满足起振的幅度条件。为此,在图7.7所示的电路中,采用三节RC超前相移网络,三节相移网络对不同频率的信号所产生的相移是不同的,但其中总有某一个频率的信号,通过此相移网络产生的相移刚好为180°,满足相位平衡条件而产生振荡,该频率即为振荡频率f0。波形发生电路第章RC移相式振荡电路具有结构简单、经济方便等优点。其缺点是选频性能较差,频率调节不方便,由于输出幅度不够稳定,输出波形较差,一般只用于振荡频率固定、稳定性要求不高的场合。296210uARCf振幅起振条件为（7.6）（7.7）波形发生电路第章7.1.3LC振荡电路LC振荡电路分为变压器反馈式LC振荡电路、电感反馈式LC振荡电路、电容反馈式LC振荡电路,用来产生几兆赫兹以上的高频信号。1.变压器反馈式LC１）变压器反馈式LC振荡电路如图7.8所示。波形发生电路第章L1C：选频网络V、Rb1、Rb2、Re、Ce、C1组成共射放大电路L1(＋)C(－)RLL3L2(＋)(＋)V＋CeReRb2(＋)C1Rb1T＋UCCL2：反馈线圈引入正反馈图7.8变压器反馈式LC正弦波振荡电路波形发生电路第章２）（1）相位平衡条件。为了满足相位平衡条件,变压器初次级之间的同名端必须正确连接。电路振荡时,f=f0,LC回路的谐振阻抗是纯电阻性,由图中L1及L2同名端可知,反馈信号与输出电压极性相反,即φF=180°。于是φA+φF=360°,保证了电路的正反馈,满足振荡的相位平衡条件。对频率f≠f0的信号,LC回路的阻抗不是纯阻抗,而是感性或容性阻抗。此时,LC波形发生电路第章相移,造成φF≠180°,那φA+φF≠360°,不能满足相位平衡条件,电路也不可能产生振荡。由此可见,LC振荡电路只有在f=f0这个频率上,才有可能振荡。（2）幅度条件。为了满足幅度条件AF≥1,对晶体管的β值有一定要求。一般只要β值较大,就能满足振幅平衡条件。反馈线圈匝数越多,耦合越强,电路越容易起振。LCff210（7.8）波形发生电路第章4）(1)易起振,输出电压较大。由于采用变压器耦合,易满足阻抗匹配的要求。(2)调频方便。一般在LC回路中采用接入可变电容器的方法来实现,调频范围较宽,工作频率通常在几兆赫左右。(3)输出波形不理想。由于反馈电压取自电感两端,它对高次谐波的阻抗大,反馈也强,因此在输出波形中含有较多高次谐波成分。2.电感反馈式LC振荡电路1)如图7.9所示是电感反馈式LC振荡电路,又称哈特莱振荡电路。波形发生电路第章ReCeV(＋)(－)L2：反馈线圈C2Rc＋UCCRb1Rb2(＋)C1(－)(＋)(－)(＋)C①L2②③L1(＋)图7.9电感反馈式LC振荡电路波形发生电路第章２）（1）相位条件。设基极瞬时极性为正,由于放大器的倒相作用,集电极电位为负,与基极相位相反,则电感的３端为负,2端为公共端,１端为正,各瞬时极性如图7.9所示。反馈电压由1端引至三极管的基极,故为正反馈,满足相位平衡条件。（2）幅度条件。从图7.9可以看出反馈电压是取自电感L2两端,加到晶体管b、e间的。所以改变线圈抽头的位置,即改变L2的大小,就可调节反馈电压的大小。当满足||1的条件时,电路便可起振。FA波形发生电路第章上式中,L1+L2+2M为LC回路的总电感,M为L1与L2间的互感耦合系数。4）(1)由于L1和L2之间耦合很紧,故电路易起振,输出幅度大。(2)调频方便,电容C若采用可变电容器,就能获得较大的频率调节范围。3）振荡频率CMLLLCfo)2(212121（7.9）波形发生电路第章(3)由于反馈电压取自电感L2两端,它对高次谐波的阻抗大,反馈也强,因此在输出波形中含有较多高次谐波成分,输出波形不理想。3．电容反馈式LC振荡电路又称为考毕兹振荡电路，如图7.10所示。波形发生电路第章ReCeV(＋)(－)C2：反馈电容Rc＋UCCRb1Rb2(＋)Cb(－)(＋)(－)(＋)①C2②③C1L图7.10电容反馈式振荡电路波形发生电路第章1）与分析电感反馈式振荡电路相位条件的方法相同,该电路也满足相位平衡条件。2）由图7.10的电路可看出,反馈电压取自电容C2两端,所以适当地选择C1、C2的数值,并使放大器有足够的放大量,电路便可起振。3）振荡频率为LCfo21（7.10波形发生电路第章是谐振回路的总电容。4）容易起振,振荡频率高,可达100MHz以上。输出波形较好,这是由于C2对高次谐波的阻抗小,反馈电压中的谐波成分少,故振荡波形较好。但调节频率不方便。因为C1、C2的大小既与振荡频率有关,也与反馈量有关。改变C1（或C2）时会影响反馈系数,从而影响反馈电压的大小,造成电路工作性能不稳定。2121CCCCC其中波形发生电路第章*４.串联改进型电容反馈式LC振荡电路串联改进型电容反馈式LC振荡电路又称克拉泼振荡电路,如图7.11所示。321111121CCCCLCffo其中CΣ表示回路总电容（7.11）（7.12）当C３«C1,C3«C2时,CΣ≈C3。波形发生电路第章ReCeC3：用来决定振荡频率Rc＋UCCRb1Rb2Cb2C2C1L31C3图7.11克拉泼振荡电路波形发生电路第章7.1.4晶体振荡电路1.石英晶体谐振器是晶振电路的核心元件,其结构和外形如图7.12所示。石英晶体谐振器是从一块石英晶体上按确定的方位角切下的薄片,这种晶片可以是正方形、矩形或圆形、音叉形的,然后将晶片的两个对应表面上涂敷银层,并装上一对金属板,接出引线,封装于金属壳内。波形发生电路第章为什么石英晶体能作为一个谐振回路,而且具有极高的频率稳定度呢？这要从石英晶体的固有特性来进行分析。物理学的研究表明,当石英晶体受到交变电场作用时,即在两极板上加以交流电压,石英晶体便会产生机械振动。反过来,若对石英晶体施加周期性机械力,使其发生振动,则又会在晶体表面出现相应的交