目目 录录8.1 正弦波发生器的基本原理8.1.1振荡器的方框图8.1.2振荡条件8.1.3起振和稳定8.2 RC桥式正弦波振荡电路8.1.4正弦波振荡电路的分类8.2.1RC串并联选频网络8.2.2RC桥式振荡电路的振荡频率和起振条件8.3 LC正弦波振荡电路8.3.1LC并联回路的频率特性8.3.2LC正弦振荡器的基本形式第第8章章 波形产生电路波形产生电路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8.5.4555时基电路8.5.5压控振荡器8.5.6集成函数发生器8038目目 录录本章重点本章重点: 1. 正弦波发生器的组成、振荡条件和工作原理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集成型波形发生器的工作原理和应用第第8章章 波形产生电路波形产生电路本章难点本章难点: 1. 理想运放非线性特性的应用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。器。 在正弦波发生器电路中，主要介绍发生器的组成、振荡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。绍非正弦波发生器的组成和工作原理。 第第8章章 波形产生电路波形产生电路8.1 正弦波发生器的基本原理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、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。得到广泛应用。 8.1.1振荡器的方框图振荡器的方框图 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，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。其结构框图如图所示。 为正弦交流电压源，当开关为正弦交流电压源，当开关S处在处在位置位置1时，时， 正弦信号作为放大器的输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网络输出端产生一个反馈信号 此时，此时，假设开关假设开关S拨向位置拨向位置2，如果，如果 即大小相等，极性相同，那么该电路就即大小相等，极性相同，那么该电路就能维持稳定的输出电压能维持稳定的输出电压 . 振荡条件振荡条件fidXXX-=只有正反馈电路才能产生自激振荡。只有正反馈电路才能产生自激振荡。+Xi f基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FX+doXX改成正反馈改成正反馈+如果：如果：,dfXX=则去掉则去掉,iX仍有信号输出。仍有信号输出。反馈信号代替了放大反馈信号代替了放大电路的输入信号。电路的输入信号。Xi +f基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FX+doXXXdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXXfidXXX+=FA=1Xd=Xf所以，自激振荡条件也可以写成：所以，自激振荡条件也可以写成：自激振荡的条件：自激振荡的条件：（1）振幅条件：）振幅条件：（2）相位条件：）相位条件：pjjnFA2=+n是整数是整数因为：因为：.Xdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXX8.1.3 起振条件和稳幅原理起振条件和稳幅原理起振条件：起振条件：结果：产生增幅振荡结果：产生增幅振荡（略大于）（略大于）1 1、被动：器件非线性、被动：器件非线性2 2、主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以、主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节调节放大电路的放大电路的增益增益稳幅过程：稳幅过程：起振时，起振时，稳定振荡时，稳定振荡时，稳幅措施：稳幅措施：起振过程起振过程Xdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXX1.1.放大电路放大电路2.2.正反馈网络正反馈网络3.3.选频网络选频网络只对一个频率满足振荡条件，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。从而获得单一频率的正弦波输出。 常用的选频网络有常用的选频网络有RC选频选频和和LC选频选频4.4.稳幅环节稳幅环节使电路易于起振又能稳定振使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小。荡，波形失真小。正弦波振荡器的一般组成正弦波振荡器的一般组成 8.1.4正弦波振荡电路的分类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根据选频网络元件的不同，正弦波振荡器可分为RC振荡器、振荡器、LC振荡器、石英晶体振荡器三种。振荡器、石英晶体振荡器三种。RC振振荡器一般输出数百千赫以下的低频信号，荡器一般输出数百千赫以下的低频信号，LC振荡器主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。生高稳定度高频率信号。8.2 RC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路 RC桥式正弦波振荡电路原理如图桥式正弦波振荡电路原理如图8-2所示，图中集成运放所示，图中集成运放A作为作为放大器，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，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。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，从图中可以看出，RC串联支路，串联支路，RC并联支路，并联支路，R1支路，支路，Rf支路，刚好构成一支路，刚好构成一个文氏电桥的四个臂，如图个文氏电桥的四个臂，如图8-3所示，因所示，因此把该振荡器称为此把该振荡器称为RC桥式正弦波振荡器。桥式正弦波振荡器。 RC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路 文氏电桥文氏电桥 8.2.1RC串并联选频网络串并联选频网络 在在RC桥式正弦波振荡电路中，桥式正弦波振荡电路中，RC串并联电路既作为选频网络，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。又作为正反馈网络，该电路的频率特性十分重要。 如图如图8-4所示，设电路输入电压为所示，设电路输入电压为 ，输出电压为，输出电压为 ，则反，则反馈系数馈系数 (8-8) 令 (8-9) 8.2.1RC串并联选频网络串并联选频网络则则(8-10) 根据上式得到反馈系数的幅频特性根据上式得到反馈系数的幅频特性和相频特性分别为和相频特性分别为 (8-11) (8-12) 图图8-4 RC串并联电路串并联电路 幅频特性曲线和相频特性曲线幅频特性曲线和相频特性曲线当当 时,反反馈系数的幅系数的幅值 最大等于最大等于1/3，相位移，相位移 当当 时，时， 明显减小而且明显减小而且 因此因此RC串并联网络有很好的选频作用。串并联网络有很好的选频作用。F+90|F| 8.2.2RC桥式振荡电路的振荡频率和起振条件桥式振荡电路的振荡频率和起振条件 振荡频率为振荡频率为振荡角频率振荡角频率 只有只有 时，时， RC振荡器才能自激振荡振荡器才能自激振荡 8.3 LC正弦波振荡器正弦波振荡器8.3.1 LC并联回路的频率特性并联回路的频率特性(阻性阻性)LC并联谐振并联谐振特点：特点：谐振时，总路电流很小，支路电流很大，电感与谐振时，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。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为电感和回路中的损耗电阻当当 时，时，并联谐振。并联谐振。谐振时，电路呈阻性：谐振时，电路呈阻性： Q Q为谐振回路的品为谐振回路的品质因数，质因数，Q Q值越大，值越大，曲线越陡越窄，选曲线越陡越窄，选频特性越好。频特性越好。谐振时谐振时LC并联谐振电路并联谐振电路相当一个大电阻。相当一个大电阻。LC并联谐振回路的幅频特性曲线并联谐振回路的幅频特性曲线|Z|Q小小Q大大1234初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈同名端同名端1234+ 在在LC振荡器中，反馈信号通振荡器中，反馈信号通过互感线圈引出过互感线圈引出同名端：同名端：互感线圈的极性判别互感线圈的极性判别 8.3.2LC正弦波振荡器的基本形式正弦波振荡器的基本形式变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路 工作原理：工作原理：三极管共射放大器。三极管共射放大器。利用互感线圈的同利用互感线圈的同名端：名端： 满足相位条件。满足相位条件。振荡频率振荡频率:判断是否是满足判断是否是满足相位条件相位条件相相位平衡法：位平衡法： 断开反馈到放大断开反馈到放大器的输入端点，假设器的输入端点，假设在输入端加入一正极在输入端加入一正极性的信号，用瞬时极性的信号，用瞬时极性法判定反馈信号的性法判定反馈信号的极性。若反馈信号与极性。若反馈信号与输入信号同相，则满输入信号同相，则满足相位条件；否则不足相位条件；否则不满足。满足。(+)(-)(+)(+)(+)(+)(+)LC正弦波振荡器举例正弦波振荡器举例满足相位平衡条件满足相位平衡条件（+）（+）（）（+） LC正弦波振荡器举例正弦波振荡器举例振荡频率振荡频率:（）满足相位平衡条件满足相位平衡条件仍然由仍然由LC并联谐振电路构成选频网络并联谐振电路构成选频网络. 三点式三点式LC振荡电路振荡电路原理：原理：uf与与uo反相反相uf与与uo同相同相电感三点式：电感三点式：电容三点式：电容三点式：uf与与uo反相反相uf与与uo同相同相振荡频率：振荡频率：（1）电感三点式）电感三点式LC振荡电路振荡电路（2） 电容三点式电容三点式LC振荡电路振荡电路振荡频率：振荡频率：例例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。位平衡条件。8.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。值越高，选频特性越好，频率越稳定。频率稳定问题频率稳定问题频率稳定度一般由频率稳定度一般由 来衡量来衡量频率偏移量。频率偏移量。振荡频率。振荡频率。LC振荡电路振荡电路 Q 数百数百石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 Q 10000 5000008.4.1 石英晶体的基特性石英晶体的基特性2. 压电效应压电效应1. 结构：结构：极板间加电场极板间加电场极板间加机械力极板间加机械力晶体机械变形晶体机械变形晶体产生电场晶体产生电场压电效应：压电效应：交变电压交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高。机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高。当交变电压频率当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大固有频率时，振幅最大 符号符号压电谐振压电谐振3. 等效电路等效电路等效电路：等效电路：（1）串联谐振）串联谐振电抗频率特性：电抗频率特性： 晶体等效纯阻且阻值晶体等效纯阻且阻值0（2）并联谐振）并联谐振通常通常所以所以X感性感性0容性容性8.4.2 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路利用石英晶体的高品质因数的特点，构成利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。振荡电路。1. 并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在石英晶体工作在fs s与与fp p之间，相当一个大电感，与之间，相当一个大电感，与C C1 1、C C2 2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的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。千以上，所以电路可以获得很高的振荡频率稳定性。X感性感性0容容性性2. 串联型石英晶体振荡器串联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在石英晶体工作在fs s处，处，呈呈电阻性，而且阻抗最小，正反阻性，而且阻抗最小，正反馈最最强强，相移，相移为零零, ,满足振足振荡的相位平衡条件。的相位平衡条件。 对于于f fs s以外的以外的频率，石英晶体阻抗增大率，石英晶体阻抗增大, ,且相移不且相移不为零，不零，不满足振足振荡条件，条件，电路不振路不振荡。 X感性感性0容容性性例：例：分析下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振分析下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振荡荡, ,石英晶体处于何种状态？石英晶体处于何种状态？8.5.1 方波发生器方波发生器1.电路结构电路结构由滞回比较电路和由滞回比较电路和RC定时电路构成定时电路构成上下限上下限:8.5 8.5 非正弦波信号发生器非正弦波信号发生器2.工作原理：工作原理：(1) 设设 uo = + UZ , 此时，此时，uO给给C 充电充电, uc ，则：则：u+=UT+0tuo+UZ-UZucUT+0t在在 uc UT+ 时，时，u- UT+ , 就有就有 u- u+ , uo 立即由立即由UZ变成变成UZ 。此时，此时，C向向u uO O放电放电, ,再反向充电再反向充电(2) 当当uo = -UZ 时，时， u+=UT-uc达到达到UT-时，时，uo上跳。上跳。UT+uctUT-当当uo 重新回到重新回到UZ 后，电路又进入另一个周期性的变化。后，电路又进入另一个周期性的变化。-UZ0UT+uctUT-+UZuo0t - UZT完整的波形：完整的波形：动画演示动画演示计算振荡周期计算振荡周期T。周期与频率的计算：周期与频率的计算：0 UT+uct UT- +UZ -UZT1T2TT= T1 + T2 =2 T2 uc(t)=UC ( )+ UC (0+) -UC ( ) e , =RC-t T2阶段阶段uc(t)的过渡过程方程为的过渡过程方程为:f = 1/T可推出可推出:3 3、占空比可占空比可调的方波的方波发生器生器UZuo0t- UZ 改变电位器改变电位器 RW 的滑动端，就改变了冲放电的的滑动端，就改变了冲放电的时间，从而使方波的占空比可调。时间，从而使方波的占空比可调。电路结构：迟滞比较器电路结构：迟滞比较器+反相积分器反相积分器8.5.2 三角波发生器三角波发生器工作原理工作原理：若若uo1=+UZ， uo2， u+ 。 当当u+ 0时，时， uo1翻转为翻转为-UZ。若若uo1=-UZ， uo2， u+ 。 当当u+ 0时，时， uo1翻转为翻转为+UZ。波形图波形图振荡周期：振荡周期：0UT+uo2tUT-+UZuo10t - UZT8.5.3锯齿波发生器锯齿波发生器改变积分器的正反向改变积分器的正反向充电时间常数充电时间常数uo1=+UZ，D截止，截止，充电充电时间常数：时间常数：R4C。uo1=-UZ，D导通，导通，充电时充电时间常数：间常数：(R6R4)C。+UZuo10t - UZ R6R4 8.5.4555时基电路时基电路1. 电路框图电路框图 555时基电路由分压器、两个比时基电路由分压器、两个比较器、触发器、缓冲器、复位电路、较器、触发器、缓冲器、复位电路、放电管等组成。其中分压器由三个放电管等组成。其中分压器由三个高精度的阻值为高精度的阻值为5k的电阻组成。的电阻组成。555时基电路框图时基电路框图2. 工作原理工作原理 由图由图8-24可知，两个比较器分别被电阻可知，两个比较器分别被电阻R1、R2和和R3构成的分构成的分压器设定的压器设定的 VCC和和 VCC参考电压所限定。三个参考电压所限定。三个5k电阻组成电阻组成的分压器，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 V VCCCC，下触发电平为下触发电平为 VCC。在在 5脚控制端外接一个参考电源脚控制端外接一个参考电源V，可以改变上、下触发电平值。比较器可以改变上、下触发电平值。比较器A的输出和比较器的输出和比较器B的输出的输出端接到触发器的输入端。加到比较器端接到触发器的输入端。加到比较器A同相端同相端6脚的触发信号，脚的触发信号，只有当电位高于反相端只有当电位高于反相端5脚的电位时，触发器才翻转；而加到比脚的电位时，触发器才翻转；而加到比较器较器B反相端反相端2脚的触发信号，只有当电位低于脚的触发信号，只有当电位低于B同相端的电位同相端的电位 VCC时，触发器才翻转。时，触发器才翻转。 8.5.5压控振荡器压控振荡器1. 电路结构电路结构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. 工作原理工作原理滞回比较器A2的两个门限电压为 压控振荡器压控振荡器 设开始时设开始时uC=0V，uo1=0V，uo2=-UZ，D导通，使导通，使T截止，这截止，这时时I1=I2=U/4，由于，由于U为直流电压，则电容为直流电压，则电容C被恒流充电，被恒流充电，uC随时随时间线性上升，间线性上升，uo1则直线下降，当则直线下降，当uo1=UTH2时，比较器时，比较器A2发生翻发生翻转，转，uo2=+UZ，D截止，截止，T饱和导通，这时饱和导通，这时I2=I1-I3=-U/4R，电容，电容恒流放电，恒流放电，uo1上升，当上升，当uo1上升至上升至UTH1时，比较器时，比较器A2再次翻转，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。，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可以证明振荡器的振荡频率和周期为 振荡波形图振荡波形图 8.5.6集成函授发生器集成函授发生器80381. 8038的内部框图的内部框图 8038的内部结构框图如图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、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。波形变换电路、缓冲器、电流源等组成。 集成函数发生器集成函数发生器8038是单片多用途的发生器，它可以产生正弦波、方波、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。三角波和锯齿波。 在图中，比较器A的门限电压为：2/3(VCCVEE)，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IS2IS1，电容C的充放电转换由电子开关S控制：当S断开时，电流源IS1向电容C充电；当S闭合时，外接电容C通过IS2放电。开关S的状态受触发器的输出电平控制，当触发器输出低电平时，S断开；当触发器输出高电平时，S闭合。 8038内部结构框图内部结构框图 8.5.6集成函授发生器集成函授发生器80382. 工作原理工作原理 设开始时，触发器输出为低电平，电子开关设开始时，触发器输出为低电平，电子开关S断开，电流源断开，电流源IS1对电容对电容C恒流充电，恒流充电，uc随时间线性上升，当随时间线性上升，当uc =2/3 (VCC+VEE)时，比较器时，比较器A产生跳变，使触发器翻转输出高电平，产生跳变，使触发器翻转输出高电平，开关开关S闭合，电容闭合，电容C以以(IS2IS1) 恒流放电，恒流放电，uc随时间线性下降。随时间线性下降。当当uc降至降至 1/3(VCC+VEE)，比较器，比较器B发生跳变，使触发器再次翻转发生跳变，使触发器再次翻转输出低电平，开关输出低电平，开关S再次断开，如此重复开始时的过程，产生振再次断开，如此重复开始时的过程，产生振荡。荡。 电容电容C上形成的线性三角波，经缓冲器一路产生三角波输出信上形成的线性三角波，经缓冲器一路产生三角波输出信号，另一路经三角波变正弦波电路，产生正弦波输出信号。号，另一路经三角波变正弦波电路，产生正弦波输出信号。 触发器的输出电平，除用于控制电子开关触发器的输出电平，除用于控制电子开关S外，还用于产生方外，还用于产生方波输出信号。波输出信号。 3. 8038的外部引脚排列的外部引脚排列 4. 8038的典型应用的典型应用 利用利用8038组成的信号发生器如图组成的信号发生器如图8-31所示，图中，定时电容所示，图中，定时电容C、RP1、R3、R4决定发生器的振荡频率，决定发生器的振荡频率，RP2可调节方波占空比和锯齿波上升和下可调节方波占空比和锯齿波上升和下降的时间，降的时间，RP3、RP4可调节正弦波的可调节正弦波的失真度。失真度。 8038函数发生器函数发生器 8038的外部引脚排列的外部引脚排列本章小结本章小结1正弦波振荡的条件：正弦波振荡的条件： AF=1 （振幅条件）（振幅条件） （相位条件（相位条件正弦波振荡电路由放大器、反馈网络、选频网络和稳幅环节构成。正弦波振荡电路由放大器、反馈网络、选频网络和稳幅环节构成。2正正弦弦波波振振荡荡电电路路主主要要有有RC振振荡荡电电路路和和LC振振荡荡电电路路两两种种。RC振振荡荡电电路路主主要要用用于于中中低低频频场场合合，LC振振荡荡电电路路主主要要用用于于高高频频场场合合。石石英英晶晶体体振振荡电路是一种特殊的荡电路是一种特殊的LC振荡电路，其特点是具有很高的频率稳定性。振荡电路，其特点是具有很高的频率稳定性。3当当运运放放开开环环工工作作或或引引入入正正反反馈馈时时，运运放放工工作作在在非非线线性性状状态态。其其分分析析方法为：方法为： 若若U U+ +U U- - 则则U UO O=+U=+UOMOM； 若若U U+ +U U- - 则则U UO O=-U=-UOMOM。 虚断（运放输入端电流虚断（运放输入端电流=0=0）4 比较器是一种能够比较两个模拟量大小的电路。迟滞比较器具有回比较器是一种能够比较两个模拟量大小的电路。迟滞比较器具有回差特性。它们是运放非线性工作状态的典型应用。差特性。它们是运放非线性工作状态的典型应用。 5在在方方波波、锯锯齿齿波波和和三三角角波波等等非非正正弦弦波波信信号号发发生生器器中中，运运放放一一般般也也工工作在非线性状态。电路由比较器、积分器等环节组成。作在非线性状态。电路由比较器、积分器等环节组成。