1、 第八章第八章 信號發生電路信號發生電路 信號發生電路又稱信號源或振蕩器，在生產實踐和科技領域中有著廣泛的應用。例如在通信、廣播、電視系統中，都需要射頻(高頻)發射，這里的射頻波就是載波，把音頻(低頻)、視頻信號或脈沖信號運載出去，就需要能夠產生高頻信號的振蕩器。在工業、農業、生物醫學等領域內，如高頻感應加熱、熔煉、淬火、超聲波焊接、超聲診斷、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器。 振蕩電路按波形分為正弦波和非正弦波振蕩器兩大類。非正弦信號(方波、矩形波、三角波、鋸齒波等)發生器在測量設備、數字系統及自動控制系統中有著廣泛應用。 本章首先討論正弦波振蕩的條件、組成及分析方法

2、，具體分析了常用的RC和LC正弦波振蕩器；簡單介紹了石英晶體振蕩器的工作原理和特點。之后，又介紹了常見的方波、矩形波、三角波和鋸齒波非正弦振蕩器。 8.1 8.1 概概 述述一、產生正弦波振蕩的條件 一般采用正反饋方法產生正弦波振蕩，其方框圖如圖8-1所示。它由一個放大器(電壓增益為) 和一個反饋網絡(反饋系數為 )接在一起構成。如果開關K先接在1端，將正弦波電壓 輸入到放大電路后，則輸出正弦波電壓 。再立即將開關K接到2端，使輸入信號為反饋電壓 ，如果要維持輸出電壓 不變，則必須使 ，此時即使沒有外加的 ，也能穩定地輸出 。AFiUoiUAUfoUFU oUfiUUiUoU圖8-1 由放大到

3、振蕩的示意框圖 fiUU1foUFUAFU 1AF FAAFF 1AFAFAF 2AFn 因此，維持振蕩器輸出等幅振蕩的平衡條件為 由 ，得到 (8-1)由于放大器電壓增益 ,反饋網絡的反饋系數 ,式(8-1)可寫為 (8-2)于是，可得到產生自激振蕩兩個平衡條件。(一)相位平衡條件 (8-3)式中n=0,1,2,。說明產生振蕩時，反饋電壓的相位與所需輸入電壓的相位相同，即形成正反饋。因此，由相位平衡條件可確定振蕩器的振蕩頻率。(二)振幅平衡條件 (8-4)說明反饋電壓的大小與所需的輸入電壓相等。滿足 時產生等幅振蕩；當 時，即 ，振蕩輸出愈來愈大產生增幅振蕩，若 即 ，振蕩輸出愈來愈小直到最

4、后停振，稱為減幅振蕩。 (三)起振幅度條件 正弦波振蕩從起振到穩態需要一個過程。起振開始瞬間，如果反饋信號太小(或為零)，則輸出信號也太小(或為零)，容易受到某種干擾而停振或者干脆振不起來。只有當 時，經過多次循環放大，輸出信號才會從小到大，最后達到穩幅狀態。因此，起振的幅度條件是 (8-5) 1AF 1AF 1AF fiUU1AF fiUU1AF 1AF 若起振幅度條件及相位條件均已滿足，電路就能振蕩。那么，起振的原始信號是從哪兒來的呢?它是來源于合閘時引起PN結騷動及電路中產生的噪聲，其頻譜很寬，總可選出某一頻率為f0的信號作為起振的原始信號使電路振蕩。所以信號源不需要外加信號，靠自身工作

5、。f0稱振蕩頻率。起振過程如圖8-2(b)所示。二、正弦波振蕩電路的組成和分析方法(一)基本組成部分 正弦波振蕩電路一般由四個部分組成，除了把放大電路和反饋網絡接成正反饋外，還包括選頻網絡和穩幅環節。放大電路部分由集成運放或者分立元件電路構成。1.放大電路 應有合適的靜態工作點，以保證放大電路有放大作用。 2.反饋網絡 它的作用是形成正反饋，以滿足相位平衡條件。3.選頻網絡 其作用是使只有一個頻率滿足振蕩條件，以產生單一頻率的正弦波。選頻網絡與反 饋網絡可以單獨構成，也可以合二為一。當二者結合在一起時，同一個網絡既起反饋作用，又起選頻作用。用RC元件組成選頻網絡的振蕩電路稱為RC正弦波振蕩電路

6、；用LC元件組成選頻網絡的振蕩電路稱為LC正弦波振蕩電路。4.穩幅環節 如果電路滿足了起振條件，那么，在接通直流電源后，它的輸出信號將隨時間逐漸增大。由于管子具有非線性特性，將使輸出波形失真。穩幅環節的作用就是使 達到 的穩定狀態，使輸出信號幅度穩定，且波形良好。1AF 1AF 用瞬時極性法來判斷一個電路能否起振，幅度條件容易滿足，關鍵是看相位條件是否滿足，其分析步驟如下。(二)分析方法1.分析相位平衡條件是否滿足 先檢查放大電路是否正常放大，即放大電路 、反饋網絡 及選頻網絡三個組成部分是否均存在，而且放大電路具有合適的靜態工作點。在放大電路具有放大作用的條件下，斷開反饋信號到基本放大電路的

7、輸入端點處，如圖8-2(a)中的K點；在斷開處對地之間加入一個輸入信號 ；用瞬時極性法判別反饋信號 是否與輸入信號 同相位。若二者相位相同，說明已滿足相位平衡條件，再繼續檢查幅度平衡條件是否滿足；若二者反相位，說明不滿足相位平衡條件，可以斷定電路不可能振蕩，無需再檢查幅度平衡條件了。AFfUiUiU圖8-2 振蕩電路的方塊圖1AF 1AF 1AF 1AF AF 1AF 2.分析幅度平衡條件是否滿足 因是頻率的函數，在滿足相位平衡條件時，將f =f0代入 表達式有三種情況 (1) 不可能振蕩。 (2) 能振蕩。但需加穩幅環節，否則輸出波形嚴重失真。 (3) 能振蕩。達到穩幅后, 。 若電路不滿足

8、幅度平衡條件時，只需調節電路參數使之滿足。 3.求振蕩頻率f0和起振條件 滿足相位平衡條件的頻率就是振蕩頻率f0，也就是選頻網絡的固有頻率。而起振條件由 結合具體電路求得，通過實際電路調試均可滿足起振條件，一般不必計算。下面結合具體電路分析。8.2 8.2 RCRC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 常見的RC正弦波振蕩電路是RC串并聯網絡正弦波振蕩電路，又稱文氏橋正弦波振蕩電路。 圖8-3 RC文氏橋振蕩電路一、電路原理圖文氏橋振蕩電路如圖8-3所示。它由兩部分組成：即放大電路 和選頻網絡 。 由集成運放組成的電壓串聯負反饋放大電路，取其輸入電阻高、輸出電阻低的特點。 AAFF 由Z1、Z2組成，

9、同時兼作正反饋網絡，稱為RC串并聯網絡。由圖8-3可知，Z1、Z2和Rf、R3正好構成一個電橋的四個臂，電橋的對角線頂點接到放大電路的兩個輸入端。因此得名文氏橋振蕩電路。二、RC串并聯網絡的選頻特性 11ZRj C211Rj CZRj C212113()foUZFZZUjRCRC反饋系數圖8-4 RC串并聯網絡 0012fRC012fRC 令 （8-7）所以振蕩頻率 （8-8）將圖8-3中的RC串并聯網絡單獨畫于圖8-4，著重討論它的選頻特性。為了便于調節振蕩頻率，常取R1=R2=R,C1=C2=C。設220013()Fffff幅值 （8-11）0013()Fj（8-9）0013()Fffjf

10、f或 （8-10）將式(8-7)代入(8-6)得max13FF0ff0F 0F offoff幅頻特性 當 時， 為最大，且 （8-12） 當 時， ； 當 時， ；(a)幅頻特性 (b)相頻特性圖8-5 RC串并聯網絡的頻率特性00()arctan3Fffff 000,0,90,90FFFffffff 0ffFmax13F012ffRCfU相頻特性 (8-13)當 畫成曲線如圖8-5所示。綜上分析，當 時， 幅值最大， ,相移為零，即F=0。這就是說，當 時，反饋電壓 幅值最大，并且是輸入電壓的1/3,同時與輸入電壓同相位。三、RC橋式正弦波振蕩電路分析(一)相位條件 因為為同相輸入運放， 與

11、同相位 ，所以 ；再由圖8-5(b)知，當 時, ；總之， ，滿足相位平衡條件。 (二)幅度條件由 得出。因為 , 所以 。又由穩幅環節 與R 3 構 成 電 壓 串 聯 負 反 饋 ， 在 深 度 負 反 饋 條 件下， ，所以 (8-14)oUfU0A 0F 0AF 1AF 13F 3A 313FufRAR 32FRR0ffFR 由于電阻值的實際值存在誤差，常需通過試驗調整。需要注意的是：Auf3是指Auf略大于3。若Auf遠大于3，則因振幅的增大，致使放大器件工作到非線性區，輸出波形將產生嚴重的非線性失真。而Auf小于3時，則因不滿足幅值條件而不能振蕩。(三)振蕩的建立與穩定由于電路中存

12、在噪聲(電阻的熱噪聲、三極管的噪聲等)，它的頻譜分布很廣，其中包含 這樣的頻率成分。這個微弱信號經過放大正反饋選頻放大，開始時由于 ，輸出幅度逐漸增大，表示電路已經起振，最后受到放大器件非線性特性的限制，振蕩幅度自動穩定下來，達到平衡狀態， ，并在 頻率上穩定地工作。012fRC1AF 1AF 0f(四)估算振蕩頻率(五)穩幅措施 oUfIoUoUoUoU 因為圖8-3電路中的放大電路是集成運放組成的，它的輸出電阻可視為零，輸入電阻很大，可忽略對選頻網絡的影響。因此，振蕩頻率即為RC串并聯網絡的 。調節R和C就可以改變振蕩頻率。 012fRC為了進一步改善輸出電壓幅度的穩定性，可以在負反饋回路中采用非線性元件，自動調整反饋的強弱，以更好地維持輸出電壓幅度的穩定。例如，在圖8-3中用一個溫度系數為負的熱敏電阻代替反饋電阻Rf。當輸出電壓 增加時，通過負反饋支路的電流 也隨之增加，結果使熱敏電阻的阻值減小,負反饋增強,放大倍數下降從而使 下降。反之，當 下降時，由于熱敏電阻的自動調節作用，將使 增大。因此，可維持輸出電壓 基本穩定。 非線性電阻穩定輸出電壓幅值的另一種方案是采用具有正溫度系數的電阻來代替R3，其穩定過程讀者可以自行分析。圖8-6 例8-1的電路圖 穩幅的方法很多，讀者可以參閱其他有關文獻。 除了RC串并聯橋式正弦波振蕩電路