正弦波發(fā)生器的基本原理

目錄8.1

正弦波發(fā)生器的基本原理8.1.1振蕩器的方框圖8.1.2振蕩條件8.1.3起振和穩(wěn)定8.2RC橋式正弦波振蕩電路8.1.4正弦波振蕩電路的分類8.2.1

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)8.2.2

RC橋式振蕩電路的振蕩頻率和起振條件8.3LC正弦波振蕩電路8.3.1

LC并聯(lián)回路的頻率特性8.3.2

LC正弦振蕩器的基本形式第8章波形產(chǎn)生電路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(fā)生器8.5.1矩形波發(fā)生器8.5.2三角波發(fā)生器8.5.3鋸齒波發(fā)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(shù)發(fā)生器8038目錄本章重點:

1.

正弦波發(fā)生器的組成、振蕩條件和工作原理

2.

正弦波發(fā)生器的類型

3.

非正弦波發(fā)生器的組成、工作原理和類型

4.

集成型波形發(fā)生器的工作原理和應用第8章波形產(chǎn)生電路本章難點:

1.

理想運放非線性特性的應用

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

在正弦波發(fā)生器電路中，主要介紹發(fā)生器的組成、振蕩條件和各種類型振蕩器；在非正弦波發(fā)生器電路中，主要介紹非正弦波發(fā)生器的組成和工作原理。第8章波形產(chǎn)生電路8.1

正弦波發(fā)生器的基本原理

正弦波發(fā)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(zhuǎn)變?yōu)榻涣髂芰康碾娐?。它在通信、無線電等諸多領(lǐng)域得到廣泛應用。

8.1.1振蕩器的方框圖正弦波振蕩器結(jié)構(gòu)框圖

從結(jié)構(gòu)上分析，正弦波振蕩器是由正反饋網(wǎng)絡(luò)和放大器組成的，其結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。

為正弦交流電壓源，當開關(guān)S處在位置1時，正弦信號作為放大器的輸入信號，經(jīng)放大器放大后產(chǎn)生輸出信號。作為反饋網(wǎng)絡(luò)的輸入信號，在反饋網(wǎng)絡(luò)輸出端產(chǎn)生一個反饋信號此時，假設(shè)開關(guān)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(wěn)定的輸出電壓

８.１.２振蕩條件fidXXX-=只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。+Xi–f基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)FX+doXX改成正反饋+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(wǎng)絡(luò)FX+doXXXdof基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)FXXfidXXX+=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(shù)因為：..Xdof基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)FXX8.1.3起振條件和穩(wěn)幅原理起振條件：結(jié)果：產(chǎn)生增幅振蕩（略大于）1、被動：器件非線性2、主動：在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)放大電路的增益穩(wěn)幅過程：起振時，穩(wěn)定振蕩時，穩(wěn)幅措施：起振過程Xdof基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)FXX1.放大電路2.正反饋網(wǎng)絡(luò)3.選頻網(wǎng)絡(luò)——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(wǎng)絡(luò)有RC選頻和LC選頻4.穩(wěn)幅環(huán)節(jié)——使電路易于起振又能穩(wěn)定振蕩，波形失真小。正弦波振蕩器的一般組成

8.1.4正弦波振蕩電路的分類

根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)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(shù)百千赫以下的低頻信號，LC振蕩器主要輸出數(shù)百千赫的高頻信號，石英晶體振蕩器主要產(chǎn)生高穩(wěn)定度高頻率信號。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(lián)網(wǎng)絡(luò)組成選頻網(wǎng)絡(luò)，同時也作為振蕩器的正反饋網(wǎng)絡(luò)，R1、Rf組成電壓負反饋以起到穩(wěn)定和改善輸出波形的作用。

從圖中可以看出，RC串聯(lián)支路，RC并聯(lián)支路，R1支路，Rf支路，剛好構(gòu)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

8.2.1

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)

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

如圖8-4所示，設(shè)電路輸入電壓為，輸出電壓為，則反饋系數(shù)

(8-8)

令(8-9)

8.2.1

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)則(8-10)

根據(jù)上式得到反饋系數(shù)的幅頻特性和相頻特性分別為(8-11)(8-12)圖8-4RC串并聯(lián)電路幅頻特性曲線和相頻特性曲線當時,反饋系數(shù)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(lián)網(wǎng)絡(luò)有很好的選頻作用。φF+90°|F|

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

8.3LC正弦波振蕩器8.3.1LC并聯(lián)回路的頻率特性(阻性)LC并聯(lián)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(lián)諧振。諧振時，電路呈阻性：

Q為諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，Q值越大，曲線越陡越窄，選頻特性越好。諧振時LC并聯(lián)諧振電路相當一個大電阻。LC并聯(lián)諧振回路的幅頻特性曲線|Z|Q小Q大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: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(shè)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。(+)(-)(+)(+)(+)(+)(+)LC正弦波振蕩器舉例滿足相位平衡條件（+）（+）（–）（+）

LC正弦波振蕩器舉例振蕩頻率:（–）滿足相位平衡條件仍然由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)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同相振蕩頻率：（1）電感三點式LC振蕩電路（2）電容三點式LC振蕩電路振蕩頻率：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。8.4

石英晶體振蕩電路Q值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。頻率穩(wěn)定問題頻率穩(wěn)定度一般由來衡量——頻率偏移量?！袷庮l率。LC振蕩電路Q——數(shù)百石英晶體振蕩電路Q——100005000008.4.1

石英晶體的基特性2.壓電效應1.結(jié)構(gòu)：極板間加電場極板間加機械力晶體機械變形晶體產(chǎn)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(guān)，穩(wěn)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3.等效電路等效電路：（1）串聯(lián)諧振４．電抗頻率特性：

晶體等效純阻且阻值≈0（2）并聯(lián)諧振通常所以X感性0容性8.4.2石英晶體振蕩電路利用石英晶體的高品質(zhì)因數(shù)的特點，構(gòu)成LC振蕩電路。1.并聯(lián)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(wěn)定性。X感性0容性2.串聯(lián)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容性例：分析下圖的振蕩電路能否產(chǎn)生振蕩，若產(chǎn)生振蕩,石英晶體處于何種狀態(tài)？8.5.1方波發(fā)生器1.電路結(jié)構(gòu)由滯回比較電路和RC定時電路構(gòu)成上下限:8.5非正弦波信號發(fā)生器2.工作原理：(1)設(shè)uo

=

+UZ,

此時，uO給C充電,uc

，則：u+=UT+0tuo+UZ-UZucUT+0t在uc<UT+

時，u-

<u+,

設(shè)uC初始值uC(0+)=0方波發(fā)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

。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。-UZ0UT+uctUT-+UZuo0t-UZT完整的波形：動畫演示計算振蕩周期T。周期與頻率的計算：0UT+uctUT-+UZ-UZT1T2TT=T1+T2=2T2

uc(t)=UC()+

UC(0+)-UC()e,=RC-tT2階段uc(t)的過渡過程方程為:f=1/T可推出:3、占空比可調(diào)的方波發(fā)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(diào)。電路結(jié)構(gòu)：遲滯比較器+反相積分器8.5.2三角波發(fā)生器工作原理：若uo1=+UZ，uo2↓，u+↓。

當u+≤0時，uo1翻轉(zhuǎn)為-UZ。若uo1=-UZ，uo2↑，u+↑

。

當u+≥0時，uo1翻轉(zhuǎn)為+UZ。波形圖振蕩周期：0UT+uo2tUT-+UZuo10t

-UZT8.5.3鋸齒波發(fā)生器改變積分器的正反向充電時間常數(shù)uo1=+UZ，D截止，充電時間常數(shù)：R4C。uo1=-UZ，D導通，充電時間常數(shù)：(R6∥R4)C。+UZuo10t

-UZR6＜＜R4

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(fā)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(gòu)成的分壓器設(shè)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(gòu)成一個電平觸發(fā)器，上觸發(fā)電平為

VCC，下觸發(fā)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(fā)電平值。比較器A的輸出和比較器B的輸出端接到觸發(fā)器的輸入端。加到比較器A同相端6腳的觸發(fā)信號，只有當電位高于反相端5腳的電位時，觸發(fā)器才翻轉(zhuǎn)；而加到比較器B反相端2腳的觸發(fā)信號，只有當電位低于B同相端的電位VCC時，觸發(fā)器才翻轉(zhuǎn)。

8.5.5

壓控振蕩器1.

電路結(jié)構(gòu)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(guān)狀態(tài)，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

設(shè)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(fā)生翻轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)，uo2=-UZ，這時又重復剛開始的過程，周而復始產(chǎn)生振蕩?？梢宰C明振蕩器的振蕩頻率和周期為

振蕩波形圖

8.5.6集成函授發(fā)生器80381.8038的內(nèi)部框圖

8038的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖8-29所示，它由電壓比較器、觸發(fā)器、電子開關(guān)、波形變換電路、緩沖器、電流源等組成。

集成函數(shù)發(fā)生器8038是單片多用途的發(fā)生器，它可以產(chǎn)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>IS1，電容C的充放電轉(zhuǎn)換由電子開關(guān)S控制：當S斷開時，電流源IS1向電容C充電；當S閉合時，外接電容C通過IS2放電。開關(guān)S的狀態(tài)受觸發(fā)器的輸出電平控制，當觸發(fā)器輸出低電平時，S斷開；當觸發(fā)器輸出高電平時，S閉合。8038內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

8.5.6集成函授發(fā)生器80382.

工作原理

設(shè)開始時，觸發(fā)器輸出為低電平，電子開關(guān)S斷開，電流源IS1對電容C恒流充電，uc隨時間線性上升，當uc=2/3(VCC+VEE)時，比較器A產(chǎn)生跳變，使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)輸出高電平，開關(guān)S閉合，電容C以(IS2－IS1)

恒流放電，uc隨時間線性下降。當uc降至1/3(VCC+VEE)，比較器B發(fā)生跳變，使觸發(fā)器再次翻轉(zhuǎn)輸出低電平，開關(guān)S再次斷開，如此重復開始時的過程，產(chǎn)生振蕩。

電容C上形成的線性三角波，經(jīng)緩沖器一路產(chǎn)生三角波輸出信號，