關于正弦波發生器基本原理8.4

石英晶體振蕩器8.4.1石英晶體的基本特性8.4.2石英晶體振蕩電路的基本形式8.5

非正弦波信號發生器8.5.1矩形波發生器8.5.2三角波發生器8.5.3鋸齒波發生器8.5.4

555時基電路8.5.5壓控振蕩器8.5.6集成函數發生器8038目錄第2頁,共51頁，2024年2月25日，星期天本章重點:

1.

正弦波發生器的組成、振蕩條件和工作原理

2.

正弦波發生器的類型

3.

非正弦波發生器的組成、工作原理和類型

4.

集成型波形發生器的工作原理和應用第8章波形產生電路第3頁,共51頁，2024年2月25日，星期天本章難點:

1.

理想運放非線性特性的應用

本章重點介紹兩類波形產生電路，一類是輸出正弦波形的正弦波發生器，另一類是輸出非正弦波形的非正弦波發生器。

在正弦波發生器電路中，主要介紹發生器的組成、振蕩條件和各種類型振蕩器；在非正弦波發生器電路中，主要介紹非正弦波發生器的組成和工作原理。第8章波形產生電路第4頁,共51頁，2024年2月25日，星期天8.1

正弦波發生器的基本原理

正弦波發生器是無需輸入信號，能自動輸出一定幅度、一定頻率正弦信號的電路，從能量的角度來看，它是把直流能量轉變為交流能量的電路。它在通信、無線電等諸多領域得到廣泛應用。

第5頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

8.1.1振蕩器的方框圖正弦波振蕩器結構框圖

從結構上分析，正弦波振蕩器是由正反饋網絡和放大器組成的，其結構框圖如圖所示。

為正弦交流電壓源，當開關S處在位置1時，正弦信號作為放大器的輸入信號，經放大器放大后產生輸出信號。作為反饋網絡的輸入信號，在反饋網絡輸出端產生一個反饋信號此時，假設開關S撥向位置2，如果即大小相等，極性相同，那么該電路就能維持穩定的輸出電壓

第6頁,共51頁，2024年2月25日，星期天８.１.２振蕩條件fidXXX-=只有正反饋電路才能產生自激振蕩。+Xi–f

基本放大器A反饋網絡FX+doXX改成正反饋+第7頁,共51頁，2024年2月25日，星期天如果：,dfXX=則去掉,iX仍有信號輸出。反饋信號代替了放大電路的輸入信號。Xi+f

基本放大器A反饋網絡FX+doXXXdof基本放大器A反饋網絡FXXfidXXX+=第8頁,共51頁，2024年2月25日，星期天FA=1Xd=Xf所以，自激振蕩條件也可以寫成：自激振蕩的條件：（1）振幅條件：（2）相位條件：pjjnFA2=+n是整數因為：..Xdof基本放大器A反饋網絡FXX第9頁,共51頁，2024年2月25日，星期天8.1.3起振條件和穩幅原理起振條件：結果：產生增幅振蕩（略大于）1、被動：器件非線性2、主動：在反饋網絡中加入非線性穩幅環節，用以調節放大電路的增益穩幅過程：起振時，穩定振蕩時，穩幅措施：起振過程Xdof基本放大器A反饋網絡FXX第10頁,共51頁，2024年2月25日，星期天1.放大電路2.正反饋網絡3.選頻網絡——只對一個頻率滿足振蕩條件，從而獲得單一頻率的正弦波輸出。常用的選頻網絡有RC選頻和LC選頻4.穩幅環節——使電路易于起振又能穩定振蕩，波形失真小。正弦波振蕩器的一般組成第11頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

8.1.4正弦波振蕩電路的分類

根據選頻網絡元件的不同，正弦波振蕩器可分為RC振蕩器、LC振蕩器、石英晶體振蕩器三種。RC振蕩器一般輸出數百千赫以下的低頻信號，LC振蕩器主要輸出數百千赫的高頻信號，石英晶體振蕩器主要產生高穩定度高頻率信號。第12頁,共51頁，2024年2月25日，星期天8.2

RC橋式正弦波振蕩電路RC橋式正弦波振蕩電路原理如圖8-2所示，圖中集成運放A作為放大器，RC串并聯網絡組成選頻網絡，同時也作為振蕩器的正反饋網絡，R1、Rf組成電壓負反饋以起到穩定和改善輸出波形的作用。

從圖中可以看出，RC串聯支路，RC并聯支路，R1支路，Rf支路，剛好構成一個文氏電橋的四個臂，如圖8-3所示，因此把該振蕩器稱為RC橋式正弦波振蕩器。

RC橋式正弦波振蕩電路文氏電橋第13頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

8.2.1

RC串并聯選頻網絡

在RC橋式正弦波振蕩電路中，RC串并聯電路既作為選頻網絡，又作為正反饋網絡，該電路的頻率特性十分重要。

如圖8-4所示，設電路輸入電壓為，輸出電壓為，則反饋系數

(8-8)

令(8-9)第14頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

8.2.1

RC串并聯選頻網絡則(8-10)

根據上式得到反饋系數的幅頻特性和相頻特性分別為(8-11)(8-12)圖8-4RC串并聯電路第15頁,共51頁，2024年2月25日，星期天幅頻特性曲線和相頻特性曲線當時,反饋系數的幅值最大等于1/3，相位移當時，明顯減小而且

因此RC串并聯網絡有很好的選頻作用。φF+90°|F|第16頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

8.2.2

RC橋式振蕩電路的振蕩頻率和起振條件

振蕩頻率為振蕩角頻率

只有時，

RC振蕩器才能自激振蕩

第17頁,共51頁，2024年2月25日，星期天8.3LC正弦波振蕩器8.3.1LC并聯回路的頻率特性(阻性)LC并聯諧振特點：諧振時，總路電流很小，支路電流很大，電感與電容的無功功率互相補償，電路呈阻性。R為電感和回路中的損耗電阻當時，并聯諧振。諧振時，電路呈阻性：第18頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

Q為諧振回路的品質因數，Q值越大，曲線越陡越窄，選頻特性越好。諧振時LC并聯諧振電路相當一個大電阻。LC并聯諧振回路的幅頻特性曲線|Z|Q小Q大第19頁,共51頁，2024年2月25日，星期天1234初級線圈次級線圈同名端1234+–+–

在LC振蕩器中，反饋信號通過互感線圈引出同名端：互感線圈的極性判別

8.3.2

LC正弦波振蕩器的基本形式第20頁,共51頁，2024年2月25日，星期天１．變壓器反饋式振蕩電路

工作原理：三極管共射放大器。利用互感線圈的同名端：

滿足相位條件。振蕩頻率:第21頁,共51頁，2024年2月25日，星期天判斷是否是滿足相位條件——相位平衡法：

斷開反饋到放大器的輸入端點，假設在輸入端加入一正極性的信號，用瞬時極性法判定反饋信號的極性。若反饋信號與輸入信號同相，則滿足相位條件；否則不滿足。(+)(-)(+)第22頁,共51頁，2024年2月25日，星期天(+)(+)(+)(+)LC正弦波振蕩器舉例滿足相位平衡條件第23頁,共51頁，2024年2月25日，星期天（+）（+）（–）（+）

LC正弦波振蕩器舉例振蕩頻率:（–）滿足相位平衡條件第24頁,共51頁，2024年2月25日，星期天仍然由LC并聯諧振電路構成選頻網絡２.

三點式LC振蕩電路原理：uf與uo反相uf與uo同相電感三點式：電容三點式：uf與uo反相uf與uo同相第25頁,共51頁，2024年2月25日，星期天振蕩頻率：（1）電感三點式LC振蕩電路第26頁,共51頁，2024年2月25日，星期天（2）電容三點式LC振蕩電路振蕩頻率：第27頁,共51頁，2024年2月25日，星期天例：試判斷下圖所示三點式振蕩電路是否滿足相位平衡條件。第28頁,共51頁，2024年2月25日，星期天8.4

石英晶體振蕩電路Q值越高，選頻特性越好，頻率越穩定。頻率穩定問題頻率穩定度一般由來衡量——頻率偏移量。——振蕩頻率。LC振蕩電路Q——數百石英晶體振蕩電路Q——10000

500000第29頁,共51頁，2024年2月25日，星期天8.4.1

石英晶體的基特性2.壓電效應1.結構：極板間加電場極板間加機械力晶體機械變形晶體產生電場壓電效應：交變電壓機械振動交變電壓機械振動的固有頻率與晶片尺寸有關，穩定性高。當交變電壓頻率=固有頻率時，振幅最大

符號壓電諧振第30頁,共51頁，2024年2月25日，星期天3.等效電路等效電路：（1）串聯諧振４．電抗頻率特性：

晶體等效純阻且阻值≈0（2）并聯諧振通常所以X感性0容性第31頁,共51頁，2024年2月25日，星期天8.4.2石英晶體振蕩電路利用石英晶體的高品質因數的特點，構成LC振蕩電路。1.并聯型石英晶體振蕩器

石英晶體工作在fs與fp之間，相當一個大電感，與C1、C2組成電容三點式振蕩器。由于石英晶體的Q值很高，可達到幾千以上，所以電路可以獲得很高的振蕩頻率穩定性。X感性0容性第32頁,共51頁，2024年2月25日，星期天2.串聯型石英晶體振蕩器

石英晶體工作在fs處，呈電阻性，而且阻抗最小，正反饋最強，相移為零,滿足振蕩的相位平衡條件。對于fs以外的頻率，石英晶體阻抗增大,且相移不為零，不滿足振蕩條件，電路不振蕩。

X感性0容性第33頁,共51頁，2024年2月25日，星期天例：分析下圖的振蕩電路能否產生振蕩，若產生振蕩,石英晶體處于何種狀態？第34頁,共51頁，2024年2月25日，星期天8.5.1方波發生器1.電路結構由滯回比較電路和RC定時電路構成上下限:8.5非正弦波信號發生器第35頁,共51頁，2024年2月25日，星期天2.工作原理：(1)設uo

=

+UZ,

此時，uO給C充電,uc

，則：u+=UT+0tuo+UZ-UZucUT+0t在uc<UT+

時，u-

<u+,

設uC初始值uC(0+)=0方波發生器uo保持+UZ不變+UZ一旦uc>UT+

,就有u->u+,uo

立即由＋UZ變成－UZ

。第36頁,共51頁，2024年2月25日，星期天此時，C向uO放電,再反向充電(2)當uo

=

-UZ時，u+=UT-uc達到UT-時，uo上跳。UT+uctUT-當uo

重新回到＋UZ

后，電路又進入另一個周期性的變化。-UZ第37頁,共51頁，2024年2月25日，星期天0UT+uctUT-+UZuo0t-UZT完整的波形：動畫演示計算振蕩周期T。第38頁,共51頁，2024年2月25日，星期天周期與頻率的計算：0UT+uctUT-+UZ-UZT1T2TT=T1+T2=2T2

uc(t)=UC(

)+

UC(0+)-UC(

)

e,

=RC-t

T2階段uc(t)的過渡過程方程為:f=1/T可推出:第39頁,共51頁，2024年2月25日，星期天3、占空比可調的方波發生器UZuo0t-UZ

改變電位器RW

的滑動端，就改變了沖放電的時間，從而使方波的占空比可調。第40頁,共51頁，2024年2月25日，星期天電路結構：遲滯比較器+反相積分器8.5.2三角波發生器工作原理：若uo1=+UZ，uo2↓，u+↓。

當u+≤0時，uo1翻轉為-UZ。若uo1=-UZ，uo2↑，u+↑

。

當u+≥0時，uo1翻轉為+UZ。第41頁,共51頁，2024年2月25日，星期天波形圖振蕩周期：0UT+uo2tUT-+UZuo10t

-UZT第42頁,共51頁，2024年2月25日，星期天8.5.3鋸齒波發生器改變積分器的正反向充電時間常數uo1=+UZ，D截止，充電時間常數：R4C。uo1=-UZ，D導通，充電時間常數：(R6∥R4)C。+UZuo10t

-UZR6＜＜R4第43頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

8.5.4

555時基電路1.

電路框圖

555時基電路由分壓器、兩個比較器、觸發器、緩沖器、復位電路、放電管等組成。其中分壓器由三個高精度的阻值為5kΩ的電阻組成。555時基電路框圖第44頁,共51頁，2024年2月25日，星期天2.

工作原理

由圖8-24可知，兩個比較器分別被電阻R1、R2和R3構成的分壓器設定的VCC和VCC參考電壓所限定。三個5kΩ電阻組成的分壓器，使兩個比較器構成一個電平觸發器，上觸發電平為

VCC，下觸發電平為VCC。在

5腳控制端外接一個參考電源V，可以改變上、下觸發電平值。比較器A的輸出和比較器B的輸出端接到觸發器的輸入端。加到比較器A同相端6腳的觸發信號，只有當電位高于反相端5腳的電位時，觸發器才翻轉；而加到比較器B反相端2腳的觸發信號，只有當電位低于B同相端的電位VCC時，觸發器才翻轉。

第45頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

8.5.5

壓控振蕩器1.

電路結構U為直流控制電壓，A1組成積分電路，A2組成滯回比較器，場效應管T工作在開關狀態，控制積分電容C的充放電，二極管D為隔離二極管。2.

工作原理滯回比較器A2的兩個門限電壓為

壓控振蕩器第46頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

設開始時uC=0V，uo1=0V，uo2=-UZ，D導通，使T截止，這時I1=I2=U/4，由于U為直流電壓，則電容C被恒流充電，uC隨時間線性上升，uo1則直線下降，當uo1=UTH2時，比較器A2發生翻轉，uo2=+UZ，D截止，T飽和導通，這時I2=I1-I3=-U/4R，電容恒流放電，uo1上升，當uo1上升至UTH1時，比較器A2再次翻轉，uo2=-UZ，這時又重復剛開始的過程，周而復始產生振蕩。可以證明振蕩器的振蕩頻率和周期為

振蕩波形圖第47頁,共51頁，2024年2月25日，星期天

8.5.6集成函授發生器80381.8038的內部框圖

8038的內部結構框圖如圖8-29所示，它由電壓比較器、觸發器、電子開關、波形變換電路、緩沖器、電流源等組成。

集成函數發生器8038是單片多用途的發生器，它可以產生正弦波、方波、三角波和鋸齒波。

在圖中，比較器A的門限電壓為：2/3(VCC＋VEE)，比較器B的門限電壓為：1/3(VCC+VEE)，電流源IS1和IS2擔任外接電容C的充放電回路，且IS2>IS