波形產(chǎn)生電路波形產(chǎn)生電路通常也稱為振蕩器。它與放大器的區(qū)別在于沒有外加激勵的情況下，電路能自行產(chǎn)生一定頻率和幅度的交流振蕩信號。按產(chǎn)生的交流信號波形的不同，可將波形產(chǎn)生電路分為兩大類，即正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器。本章主要討論作為信號源的振蕩器。將首先研究正弦波振蕩器的工作原理；然后討論幾種典型正弦波振蕩器和非正弦波產(chǎn)生電路，最后簡要介紹集成函數(shù)發(fā)生器8038。正弦波振蕩器可分為兩大類：一類是依靠外加正反饋而得到自激振蕩的反饋式振蕩器；另一類是負(fù)阻式振蕩器，它是利用接在諧振回路中的負(fù)阻器件的負(fù)電阻效應(yīng)，6.1正弦波振蕩器下一頁返回去抵消諧振回路中的損耗而產(chǎn)生的等幅自由振蕩，這類振蕩器主要工作在微波波段。本節(jié)僅討論反饋式正弦波振蕩器。6.1.1正弦波振蕩器的工作原理在放大電路中，采用負(fù)反饋來改善放大電路的性能；而在波形產(chǎn)生電路中，是利用正反饋來實現(xiàn)振蕩信號的輸出。利用正反饋的方法來獲得等幅的正弦振蕩，是反饋式正弦波振蕩器的基本原理。反饋式正弦波振蕩器是由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個閉合環(huán)路，如圖6-1所示。圖6-1中，分別是反饋電壓、輸入電壓和放大器輸出電壓，均代表復(fù)數(shù)。6.1正弦波振蕩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(chǎn)生一定頻率和幅度的正弦輸出信號，就要求自激振蕩只能在某一個頻率上產(chǎn)生，因此在圖6-1所示的閉合環(huán)路中必須含有選頻網(wǎng)絡(luò)，選頻網(wǎng)絡(luò)可以包含在放大器內(nèi)，也可在反饋網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。而任何一個具有正反饋的放大器都必須滿足一定的條件才能自激振蕩。下面我們就分析正弦波振蕩器的起振條件（保證接通電源后能逐步建立起振蕩）和平衡條件（保證進(jìn)入維持等幅持續(xù)振蕩的平衡狀態(tài)）。6.1正弦波振蕩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，振蕩環(huán)路中存在各種微弱的電擾動（如接通電源瞬間在電路中產(chǎn)生很窄的脈沖，放大器內(nèi)部的熱噪聲等），這些電擾動噪聲中包含各種頻率分量，都可作為放大器的初始輸入信號。由于選頻網(wǎng)絡(luò)是由LC并聯(lián)諧振回路組成，則其中只有角頻率為LC回路諧振角頻率ω0的分量才能通過反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生較大的反饋電壓，反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，反饋到輸入端的與原輸入電壓同相，并且具有更大的振幅，則再經(jīng)過線性放大和反饋的不斷循環(huán)，振蕩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正弦波振蕩器下一頁返回上一頁就這樣利用正反饋使輸出振蕩信號從無到有地建立起來，所以，要使振蕩器起振的條件是

2.平衡過程與平衡條件振蕩器起振后，振蕩幅度不可能無止境地增長下去，因為放大器的線性范圍是有限的。隨著振幅的增大，放大器逐漸由放大區(qū)進(jìn)入非線性區(qū)域，其增益逐漸下降。當(dāng)放大器增益下降而導(dǎo)致環(huán)路增益下降到1，即反饋電壓正好等于原輸入電壓時，振幅的增長過程將停止，振蕩器的輸出電壓不再變化，振蕩器達(dá)到平衡狀態(tài)，如圖6-2的bc段所示。所以，振蕩器的平衡條件為：6.1正弦波振蕩器下一頁返回上一頁振蕩器進(jìn)入平衡狀態(tài)以后，直流電源補(bǔ)充的能量剛好抵消整個環(huán)路消耗的能量。綜上所述，要使振蕩器能夠振蕩，把放大器接成正反饋是產(chǎn)生振蕩的首要條件。其次，在振蕩建立的初期，必須使反饋信號大于原輸入信號，反饋信號一次比一次大，才能使振蕩幅度逐漸增大；當(dāng)振蕩建立后，振蕩電路的輸出達(dá)到一定幅度時，還必須使反饋信號等于原輸入信號，才能使建立的振蕩得以維持下去。一般為了使輸出的正弦信號幅度保持穩(wěn)定，還要加入穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。6.1正弦波振蕩器下一頁返回上一頁3.正弦波振蕩器的基本組成為了產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波振蕩，正弦波振蕩器一般應(yīng)包括以下幾個基本組成部分：(1)放大器。(2)正反饋網(wǎng)絡(luò)。(3)選頻網(wǎng)絡(luò)。(4)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。其中放大器是能量轉(zhuǎn)換裝置，從能量觀點看，振蕩的本質(zhì)是直流能量向交流能量轉(zhuǎn)換的過程。放大器和正反饋網(wǎng)絡(luò)共同滿足。6.1正弦波振蕩器下一頁返回上一頁選頻網(wǎng)絡(luò)的作用是實現(xiàn)單一頻率的正弦波振蕩。穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的作用是使振蕩幅度達(dá)到穩(wěn)定，通常可以利用放大元件的非線性來實現(xiàn)，可以利用晶體管、場效應(yīng)管等器件的非線性，也可以外接非線性器件，前者稱為內(nèi)穩(wěn)幅，后者稱為外穩(wěn)幅。根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)組成元件的不同，正弦波振蕩電路通常分為RC振蕩器，LC振蕩器和石英晶體振蕩器。6.1.2RC正弦波振蕩器由RC選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的振蕩器稱為RC振蕩器，RC振蕩器結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，它適用于低頻振蕩，常用的RC振蕩器有RC橋式振蕩器和移相式振蕩器。本節(jié)只介紹由RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的RC橋式振蕩器。6.1正弦波振蕩器下一頁返回上一頁1.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)由R2和C2并聯(lián)后與R1和C1串聯(lián)組成，如圖6-3所示。R1、C1串聯(lián)部分的復(fù)阻抗R2、C2并聯(lián)部分的復(fù)阻由圖6-3可得RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的電壓傳輸系數(shù)為6.1正弦波振蕩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正弦波振蕩器下一頁返回上一頁可得到RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(dāng)時，電壓傳輸系數(shù)最大，其值為，相移。此時，當(dāng)時，，且，此時輸出電壓的相位滯后或超前于輸入電壓。6.1正弦波振蕩器下一頁返回上一頁由以上分析可知：RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性。2.RC橋式振蕩器的組成將RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和放大器結(jié)合起來即可構(gòu)成RC振蕩器，由RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性可知，在時，其相移為零，要使振蕩器滿足相位條件，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(gòu)成的RC橋式振蕩器。6.1正弦波振蕩器下一頁返回上一頁3.起振條件和振蕩頻率為了判斷電路是否滿足產(chǎn)生振蕩的相位平衡條件，假設(shè)在運放A的同相輸入端處斷開，并加上輸入信號，故運放A的輸出電壓與輸入電壓同相，即

A＝0°。RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接在運算放大器A的輸出端和同相輸入端之間，當(dāng)時，RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的相移為零，因此在時，，電路滿足相位平衡條件。為了使電路能振蕩，還應(yīng)滿足振幅起振條件，即要求

而圖6-5所示的反饋系數(shù)就是RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)，即f＝f0時，＝1/3。6.1正弦波振蕩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(gòu)成負(fù)反饋支路，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(chǎn)生自激振蕩，振蕩頻率為：

4.穩(wěn)幅過程為了滿足振幅平衡和穩(wěn)定條件，在圖6-5所示振蕩器的負(fù)反饋支路上采用了具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻Rt來改善振蕩波形，實現(xiàn)自動穩(wěn)幅。起振時，由于＝0，流過Rt的電流為零，熱敏電阻Rt處于冷態(tài)，阻值較大，放大器的負(fù)反饋較弱，6.1正弦波振蕩器下一頁返回上一頁增益很高，振蕩很快建立。起振后，振蕩電壓振幅逐漸增大，流過Rt的電流也增大，溫度升高，使Rt阻值減小，負(fù)反饋加深，放大器的增益下降，在運算放大器還未進(jìn)入非線性工作區(qū)時，振蕩器已經(jīng)達(dá)到平衡條件＝1，停止增長，因此這時振蕩波形為一失真很小的正弦波。這樣，放大器在線性工作區(qū)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(wěn)定條件。同理，當(dāng)振蕩建立后，由于某種原因使得輸出幅度發(fā)生變化，則流過Rt的電流變化，使熱敏電阻的阻值發(fā)生變化，自動穩(wěn)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(fù)反饋減弱，6.1正弦波振蕩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(xù)減小，從而達(dá)到自動穩(wěn)幅的效果。各種RC振蕩器的振蕩頻率均與R、C的乘積成反比，如欲產(chǎn)生振蕩頻率很高的正弦波信號，勢必要求電阻或電容的值很小，這在制造上和電路實現(xiàn)上將有很大的困難，因此，RC振蕩器一般用來產(chǎn)生幾Hz～幾百kHz的低頻信號，若要產(chǎn)生更高頻率的信號，可以考慮采用LC正弦波振蕩器。6.1.3LC正弦波振蕩器采用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩器稱為LC振蕩器，用來產(chǎn)生1MHz以上的高頻正弦信號。6.1正弦波振蕩器下一頁返回上一頁根據(jù)反饋形式的不同，LC振蕩器可分為變壓器反饋式LC振蕩器、電感反饋三點式LC振蕩器和電容反饋三點式LC振蕩器。1.變壓器反饋式LC振蕩器１）電路組成變壓器反饋式LC振蕩器的特點是用變壓器的初級或次級繞組與電容C構(gòu)成LC選頻網(wǎng)絡(luò)。振蕩信號的輸出和反饋信號的傳遞都是靠變壓器耦合完成的。為保證電路的正反饋，變壓器初次級之間的同名端必須正確連接。如圖6-6所示是變壓器反饋式LC振蕩器，它由共射極放大器、LC選頻網(wǎng)絡(luò)和變壓器反饋網(wǎng)絡(luò)三部分組成。6.1正弦波振蕩器下一頁返回上一頁圖中L1、C并聯(lián)組成的選頻網(wǎng)絡(luò)作為放大器的負(fù)載，構(gòu)成選頻放大器。反饋信號通過變壓器線圈L1和L3間的互感耦合，由反饋網(wǎng)絡(luò)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(tài)，C1是耦合電容，C2是射極旁路電容，對振蕩頻率而言可看成短路。２）起振條件和振蕩頻率為了判斷電路是否滿足產(chǎn)生振蕩的相位平衡條件，假設(shè)在放大器的輸入端a點處斷開，并加輸入信號，其頻率為L1C并聯(lián)諧振回路的諧振頻率f0，此時集電極的L1C并聯(lián)諧振回路呈現(xiàn)純電阻，并且阻值最大。則共射極放大器輸出電壓和反相，6.1正弦波振蕩器下一頁返回上一頁由圖中L1及L3同名端可知，反饋信號與輸出電壓反相，因此，和同相，說明電路滿足振蕩的相位平衡條件。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，所以振蕩器的振蕩頻率就是L1C并聯(lián)諧振回路的諧振頻率，即

另外，要滿足振幅起振條件

，可以選

值較大的晶體管或增加反饋線圈的匝數(shù)，調(diào)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(guān)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正弦波振蕩器下一頁返回上一頁3）變壓器反饋式LC振蕩器的優(yōu)缺點優(yōu)點是容易起振，輸出電壓較大，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)頻率方便，通常用作廣播收音機(jī)的本地振蕩器。缺點是工作在高頻時，分布電容影響較大，輸出波形不理想。2.電感反饋三點式LC振蕩器１）電路組成電感反饋三點式LC振蕩器又稱為哈特萊（Hartley）振蕩器，是一種應(yīng)用廣泛的振蕩電路，如圖6-7(a)所示。圖（a）中，L1、L2和C組成并聯(lián)諧振回路，作為放大器的交流負(fù)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正弦波振蕩器下一頁返回上一頁C1、C2是耦合電容，用于防止電源VCC經(jīng)電感與基極接通。圖6-7(b)是其交流等效電路。由圖可見，反饋電壓取自電感L2上的電壓，交流時并聯(lián)諧振回路的三個端點相當(dāng)于分別與晶體管的三個電極相連，因此稱為電感反饋三點式LC振蕩器。2）起振條件和振蕩頻率假設(shè)在圖6-7(a)中a點處將電路斷開，并加輸入信號，由于諧振時LC并聯(lián)諧振回路呈現(xiàn)純電阻，則輸出電壓和反相，而反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(gòu)成正反饋滿足振蕩的相位平衡條件。6.1正弦波振蕩器下一頁返回上一頁由此得到振蕩頻率為：

式中，M是L1、L2間的互感系數(shù)。同樣，若要滿足振幅起振條件，管子的

值應(yīng)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(nèi)的諧振回路總損耗電阻。實際上并不常按

公式去挑選管子，只要適當(dāng)選取L2/L1的數(shù)值，即改變線圈抽頭的位置，改變L2的大小，就可調(diào)節(jié)反饋電壓的大小。6.1正弦波振蕩器下一頁返回上一頁就可以使電路起振，一般取反饋線圈的匝數(shù)為電感線圈總匝數(shù)的1/8～1/4即可起振。3）電感反饋三點式LC振蕩器的優(yōu)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。振蕩回路中用一只可變電容器就可很方便地在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)振蕩頻率。這種振蕩器的缺點是反饋信號取自電感兩端，而電感對高次諧波呈現(xiàn)高阻抗，振蕩波形含有的諧波成分多，因此輸出波形不理想，振蕩頻率不易很高，最高只達(dá)幾十MHz。故常用于要求不高的設(shè)備中，如高頻加熱器。6.1正弦波振蕩器下一頁返回上一頁3.電容反饋三點式LC振蕩器１）電路組成電容反饋三點式LC振蕩器又稱為考畢茲(Colpitts)振蕩器，也是一種應(yīng)用十分廣泛的振蕩電路，如圖6-8(a)所示，圖6-8(b)是其交流等效電路。由圖可見，反饋電壓取自電容C2上的電壓，交流時并聯(lián)諧振回路的三個端點相當(dāng)于分別與晶體管的三個電極相連，因此稱為電感反饋三點式LC振蕩器。2）起振條件和振蕩頻率假設(shè)圖6-8（a）中a點處斷開，加上輸入電壓，利用瞬時極性法不難分析在回路諧振頻率上，6.1正弦波振蕩器下一頁返回上一頁反饋信號與輸入電壓同相，滿足振蕩的相位平衡條件。電路的振蕩頻率近似等于諧振回路的諧振頻率，即

可以證明，若滿足振幅起振條件，應(yīng)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(nèi)的諧振回路總損耗電阻。6.1正弦波振蕩器下一頁返回上一頁3）電容反饋三點式LC振蕩器的優(yōu)缺點電容反饋三點式LC振蕩器的反饋信號取自電容兩端，電容對高次諧波呈現(xiàn)較小的阻抗，故振蕩波形好，振蕩頻率可以很高，只要減小電容，就能提高振蕩頻率，一般可達(dá)100MHz以上。但調(diào)節(jié)頻率不方便，因為調(diào)節(jié)C1、C2可以改變振蕩頻率，但同時會改變正反饋量的大小，會影響起振條件，使輸出信號幅度發(fā)生變化，甚至可能會使電路停振。另外與C1、C2并聯(lián)的晶體管的輸出電容和輸入電容（即晶體管的極間電容）是不穩(wěn)定的，將影響振蕩頻率的穩(wěn)定度。為了使電容反饋三點式振蕩器易于調(diào)節(jié)頻率，提高頻率的穩(wěn)定性，可在電感L支路串聯(lián)一個電容量值很小的電容C3，6.1正弦波振蕩器下一頁返回上一頁即如圖6-9所示的串聯(lián)改進(jìn)型電容反饋三點式LC振蕩器，也叫克拉潑（Clapp）振蕩器。C3的改變對取出的反饋電壓信號沒有影響，因此可以通過調(diào)整C3的大小方便地調(diào)節(jié)振蕩頻率。在選擇電路的參數(shù)時，為避免晶體管極間電容變化對振蕩頻率產(chǎn)生影響，取C3

C1，C3

C2，此時電路的振蕩頻率為

振蕩頻率f0僅由L和C3決定，與C1、C2的關(guān)系很小，所以當(dāng)晶體管的極間電容改變時，對f0的影響很小，6.1正弦波振蕩器下一頁返回上一頁提高了頻率的穩(wěn)定度，克拉潑振蕩器的頻率穩(wěn)定度可達(dá)10－4～10－5。6.1.4石英晶體振蕩器根據(jù)前面的分析已經(jīng)知道，LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度是不高的，即使采取了各種穩(wěn)頻措施提高LC振蕩回路的Q值，頻率穩(wěn)定度(

f/f0)也很難超過10－5的數(shù)量級。在要求高頻率穩(wěn)定度的場合，往往采用高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蕩器其頻率穩(wěn)定度一般可達(dá)10－6～10－8，有的甚至可達(dá)到10－10～10－11。所以石英晶體廣泛應(yīng)用于石英鐘（手表）、標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器、電腦中的時鐘信號發(fā)生器等精密電子設(shè)備中。6.1正弦波振蕩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(jié)構(gòu)石英晶體諧振器是利用石英晶體（二氧化硅的結(jié)晶體）的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)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(yīng)面上涂敷銀層作為電極，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(gòu)成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。圖6-11是一種金屬外殼封裝的石英晶體結(jié)構(gòu)示意圖。6.1正弦波振蕩器下一頁返回上一頁2）壓電效應(yīng)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(yīng)。若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產(chǎn)生機(jī)械振動，同時晶片的機(jī)械振動又會產(chǎn)生交變電場。在一般情況下，晶片機(jī)械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當(dāng)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(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)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(guān)。6.1正弦波振蕩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(dāng)晶體不振動時，可把它看成一個平板電容器稱為靜態(tài)電容C0，它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關(guān)，一般約幾個pF到幾十pF。當(dāng)晶體振蕩時，機(jī)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(shù)值約為100Ω。由于晶片的等效電感很大，而C很小，R也小，因此回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大，可達(dá)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(guān)，6.1正弦波振蕩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蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)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(dāng)L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時，它的等效阻抗最小（等于R），串聯(lián)揩振頻率用fS表示，石英晶體對于串聯(lián)揩振頻率fS呈純阻性；二是當(dāng)頻率高于fS時L、C、R支路呈感性，可與電容C0發(fā)生并聯(lián)諧振，其并聯(lián)頻率用fp表示。根據(jù)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(dāng)頻率低于串聯(lián)諧振頻率fS或者頻率高于并聯(lián)揩振頻率fp時，石英晶體呈容性。僅在fS＜f＜fp極窄的范圍內(nèi)，石英晶體呈感性。6.1正弦波振蕩器下一頁返回上一頁由從圖6-12(b)等效電路得

2.石英晶體振蕩器電路石英晶體振蕩器可以分為兩類，一類是石英晶體作為一個反饋元件，工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)，稱為串聯(lián)型石英晶體振蕩器；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并聯(lián)諧振，稱為并聯(lián)型石英晶體振蕩器。下面分別介紹。6.1正弦波振蕩器下一頁返回上一頁1）串聯(lián)型石英晶體振蕩器圖圖6-14是一種串聯(lián)型石英晶體振蕩器原理電路，T1采用共基極接法，T2為射極輸出器，石英晶體作為一個反饋元件。用瞬時極性法不難分析，當(dāng)工作于串聯(lián)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于串聯(lián)諧振頻率fS的信號正反饋最強(qiáng)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(diào)節(jié)反饋量的，使輸出的振蕩波形失真較小且幅度穩(wěn)定。6.1正弦波振蕩器下一頁返回上一頁2）并聯(lián)型石英晶體振蕩器圖6-15所示為并聯(lián)型石英晶體振蕩器。當(dāng)f0在fS～fP的極窄的頻率范圍內(nèi)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組成電容反饋三點式振蕩電路。從圖6-15可以看出，滿足三點式振蕩器的連接規(guī)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蕩電路如圖6-16所示，其中CS為可調(diào)電容，調(diào)節(jié)CS可微調(diào)振蕩頻率。6.1正弦波振蕩器返回上一頁非正弦波產(chǎn)生電路常常用于脈沖和數(shù)字系統(tǒng)中作為信號源。常用的非正弦產(chǎn)生電路有矩形波產(chǎn)生電路、三角波產(chǎn)生電路和鋸齒波產(chǎn)生電路。6.2.1矩形波產(chǎn)生電路1.電路組成由于矩形波中包含極豐富的諧波，因此矩形波產(chǎn)生電路又稱為多諧振蕩器。如圖6-17所示為一個矩形波產(chǎn)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(gòu)成充放電回路，電阻R3和穩(wěn)壓管VDz1、VDz2對輸出電壓雙向限幅，6.2非正弦波產(chǎn)生電路下一頁返回將遲滯比較器的輸出電壓限制在穩(wěn)壓管的穩(wěn)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分壓后得到，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(shè)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(chǎn)生電路下一頁返回上一頁當(dāng)電容上的電壓上升到u－

u＋時，輸出電壓uO從高電平+UZ跳變?yōu)榈碗娖?UZ，集成運放同相輸入端的電壓也立即變?yōu)榇藭r，電容C將通過R放電，使反相輸入端電壓u－逐漸下降。當(dāng)uC下降到u－

u＋時,遲滯比較器的輸出端將再次發(fā)生跳變，輸出電壓uO從低電平跳變?yōu)楦唠娖剑磚O＝＋UZ,同相輸入端的電壓也隨之而跳變?yōu)?電容C再次充電。如此周而復(fù)始,遲滯比較器的輸出端電壓uO反復(fù)在高電平和低電平之間跳變，于是產(chǎn)生了正負(fù)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(chǎn)生電路下一頁返回上一頁可以證明，矩形波的振蕩周期為

6.2.2三角波產(chǎn)生電路

1.電路組成三角波產(chǎn)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(zhuǎn)換為三角波，同時反饋給比較器的同相輸入端，使比較器產(chǎn)生隨三角波的變化而翻轉(zhuǎn)的矩形波。這里的遲滯比較器和前述的矩形波發(fā)生器的區(qū)別是從同相端輸入信號，但基本原理相同。6.2非正弦波產(chǎn)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(jù)疊加定理當(dāng)u＋

0時,uO1＝＋UZ；當(dāng)u＋

0時,uO1＝－UZ。即遲滯比較器的翻轉(zhuǎn)發(fā)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(yīng)該為也就是比較器的上、下門限電壓。6.2非正弦波產(chǎn)生電路下一頁返回上一頁假設(shè)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(fù)方向線性增長，即輸出電壓uO開始減小，u＋值也隨之減小，當(dāng)uO減小到－UZR2/R1時，u＋由正值變?yōu)榱悖t滯比較器A1翻轉(zhuǎn)，集成運放A1的輸出uO1＝－UZ，此時u＋也跳變成為一個負(fù)值。當(dāng)uO1＝－UZ時，積分器輸入負(fù)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(dāng)uO增大到＋UZR2/R1時，u＋由負(fù)值變?yōu)榱悖t滯比較器A1再次翻轉(zhuǎn)，集成運放A1的輸出uO1＝＋UZ。6.2非正弦波產(chǎn)生電路下一頁返回上一頁以后重復(fù)上述過程，于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也成為周期性的三角波，三角波的輸出幅度為UZR2/R1，如圖6-20所示。可以證明三角波的周期為

由以上分析可知，三角波的輸出幅度于穩(wěn)壓管的UZ及R2/R1成正比，周期與積分電路的時間常數(shù)RC及R2/R1成正比。6.2.3鋸齒波產(chǎn)生電路如果在三角波產(chǎn)生電路中，使積分電容充電和放電的時間常數(shù)不同，而且相差懸殊，6.2非正弦波產(chǎn)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。用二極管VD1、VD2和電位器RW代替圖6-19三角波發(fā)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(fā)生電路，如圖6-21（a）所示。調(diào)節(jié)電位器RW滑動端的位置，使R

W

R

W，即電容充電時間常數(shù)比放電時間常數(shù)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(chǎn)生電路返回上一頁集成函數(shù)發(fā)生器8038是一種多用途的波形發(fā)生器，可以用來產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波，其振蕩頻率可以通過外加的直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以是壓控集成信號產(chǎn)生器。8038內(nèi)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(fā)器、電子開關(guān)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(diào)節(jié)，且I2必須大于I1。6.3集成函數(shù)發(fā)生器8038簡介下一頁返回圖6-22中的觸發(fā)器，當(dāng)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(dāng)觸發(fā)器的Q端輸出為低電平時，它控制開關(guān)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(dāng)uC上升到uC＝2UR/3時，比較器A輸出發(fā)生跳變，使觸發(fā)器輸出Q端由低電平變?yōu)楦唠娖剑刂崎_關(guān)K使電流源I2接通。由于I2>I1

，因此電容C放電，uC隨時間線性下降。當(dāng)uC下降到uC≤UR/3時，比較器B輸出發(fā)生跳變，使觸發(fā)器輸出端Q又由高電平變?yōu)榈碗娖剑琁2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(fù)始，產(chǎn)生振蕩。6.3集成函數(shù)發(fā)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(chǎn)生三角波輸出到腳3。而觸發(fā)器輸出的方波，經(jīng)反相器輸出到腳9。三角波經(jīng)正弦波變換器變成正弦波后由腳2輸出。當(dāng)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(yīng)用8038是塑封雙列直插式集成電路，其管腳功能如圖6-23所示，利用8038構(gòu)成的函數(shù)發(fā)生器如圖6-24所示。由圖6-23可見，8腳為調(diào)頻電壓控制輸入端，振蕩頻率與調(diào)頻電壓的高低成正比，調(diào)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(shù)發(fā)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。其振蕩頻率由電位器RP1滑動觸點的位置、C的容量、RA和RB的阻值決定，調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)電位器，當(dāng)RP2位于中間時，可產(chǎn)生占空比為50%的方波，對稱的三角波和正弦波。RP3、RP4是雙聯(lián)電位器，其作用是進(jìn)一步調(diào)節(jié)正弦波的失真度。6.3集成函數(shù)發(fā)生器8038簡介返回上一頁6.4實訓(xùn)：正弦波及非正弦波發(fā)生電路Multisim仿真實例1.RC橋式正弦波振蕩器Multisim仿真1）創(chuàng)建圖6-25所示RC振蕩電路。R1、C1、R2、C2構(gòu)成正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)，R3、RP、R4為集成運放提供負(fù)反饋，D1、D2起穩(wěn)幅的作用。2）啟動仿真開關(guān)，雙擊示波器圖標(biāo)，合理設(shè)置參數(shù)，調(diào)節(jié)電位器RP的阻值，觀測輸出波形。在調(diào)節(jié)電位器RP的過程中，可以看出，當(dāng)減小RP至一定時，電路將不能振蕩。增大至一合適的值時，電路能振蕩且輸出波形較好，如圖6-26所示，若繼續(xù)增大RP，當(dāng)RP的值太大時，輸出波形產(chǎn)生嚴(yán)重失真，如圖6-27所示。試分析原因。下一頁返回6.4實訓(xùn)：正弦波及非正弦波發(fā)生電路Multisim仿真實例（3）調(diào)節(jié)RP，使輸出波形幅度最大且不失真，移動示波器指針，可測得正弦波的周期T＝640

s，則振蕩頻率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(guān)，觀測輸出波形，并再次移動示波器指針，測得輸出頻率。（5）調(diào)節(jié)RP，使輸出波形幅度最大且不失真。雙擊二極管D1，設(shè)置D1為開路狀態(tài)時觀測輸出波形；將D1正常接入，雙擊二極管D2，設(shè)置D2為開路狀態(tài)時觀測輸出波形；并畫出這兩種情況下輸出波形。下一頁上一頁返回6.4實訓(xùn)：正弦波及非正弦波發(fā)生電路Multisim仿真實例2.矩形波發(fā)生電路Multisim仿真（1）創(chuàng)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(gòu)成有延遲的反饋網(wǎng)絡(luò)，C1上的電壓就是反饋電壓，R3為限流電阻。（2）啟動仿真開關(guān)，雙擊示波器圖標(biāo)，合理設(shè)置參數(shù)，調(diào)節(jié)電位器RP的阻值，觀測反相輸入