第7章信號產生與變換電路

7.1正弦波振蕩電路的基本概念7.2RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路7.3LC正弦波振蕩電路7.4石英晶體振蕩器7.5非正弦信號發(fā)生器7.6振蕩電路的調試與制作示例第7章信號產生與變換電路本章教學目標1、掌握振蕩電路和自激振蕩電路的振幅平衡條件、相位平衡條件，熟悉振蕩電路的組成和分析方法。會用振蕩電路起振條件判斷電路是否起振。了解表征頻率穩(wěn)定性的主要參數(shù)：頻率準確度、相對頻率準確度的含義。2、了解RC串并聯(lián)網(wǎng)絡頻率特性。熟悉文氏橋式正弦波振蕩電路組成。掌握振蕩頻率估算方法。熟悉起振條件和穩(wěn)幅措施。本章教學目標3、了解LC并聯(lián)回路的頻率特性，熟悉變壓器反饋式、電感三點式、電容點式及其改進型振蕩電路組成、起振條件和頻率估算方法。4、了解石英晶體結構和晶體壓電效應原理，熟悉石英諧振器電路符號和晶體振蕩電路組成。5、選學非正弦信號發(fā)生器電路。6、選學振蕩電路調試。信號產生電路是一種不需外加激勵信號就能將直流能源轉換成具有一定頻率、一定幅度和一定波形的交流能量輸出的電路。它又稱為振蕩器（Oscillator）或波形發(fā)生器。波形發(fā)生器按輸出信號的波形不同分為正波波發(fā)生器（又稱正弦振蕩器Sinusoidaloscillator）和非正弦波發(fā)生器（又稱張弛振蕩器Relaxationoscillator）。正弦波發(fā)生器在測量、通信、無線電技術、自動控制和熱加工、音頻、視頻設備等領域有著廣泛的應用。非正弦波發(fā)生器在測量儀器、數(shù)字系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)中的應用廣泛。波形變換電路是根據(jù)實際需要將輸入信號變換成特定的波形。

7.1.1產生自激振蕩的條件正弦波振蕩電路框圖如圖7.1.1所示。

1．原理框圖圖7.1.1正弦波振蕩電路的框圖其中A是放大電路，F(xiàn)是反饋網(wǎng)絡。由圖可知，產生振蕩的基本條件是反饋信號與輸入信號大小相等、相位相同。當時，必有7.1正弦波振蕩電路的基本概念

2．振蕩平衡條件(1)振幅平衡條件（Amplitudeequilibriumcondition）∣∣=1稱為振蕩電路產生振蕩時的振幅平衡條件，即放大倍數(shù)與反饋系數(shù)乘積的模為1。它表示反饋信號與原輸入信號的幅度相等。(2)相位平衡條件（Phaseequilibriumcondition）

(n=0,1,2,3…)稱為振蕩電路產生振蕩時的相位平衡條件，即放大電路的相移與反饋網(wǎng)絡的相移之和為2nπ，引入的反饋為正反饋，反饋端信號與輸入端信號同相。設，則得得到振蕩的兩個條件：7.1.2起振與穩(wěn)幅1．起振條件振蕩的平衡條件是指振蕩電路已進入振蕩的穩(wěn)定狀態(tài)而言的，為使電路接通直流電源后能自動起振，必須滿足振幅起振條件和相位起振條件：(1)振幅起振條件：幅度上，即∣∣(2)相位起振條件：反饋電壓與輸入電壓同相，即（n=0,1,2,3……）

2．起振穩(wěn)幅過程當振蕩電路接通電源時，電路中就會產生微小的不規(guī)則的噪聲和電源剛接通時的沖擊信號，它們包含從低頻到甚高頻的各種頻率的諧波成分，其中必有一種頻率信號f0能滿足相位平衡條件。如果電路的放大倍數(shù)足夠大，能滿足|AF|＞1的條件。微小信號經(jīng)過正反饋，不斷地放大，輸出信號在很短時間內就由小變大，使振蕩電路起振。

7.1.3振蕩電路的組成與分析方法一、振蕩電路的組成正弦波振蕩電路具有能自行起振且輸出穩(wěn)定的振蕩信號的特點，一般必須由以下幾部分組成。

1．放大電路具有信號放大作用，將電源的直流電能轉換成交變的振蕩能量。

2．反饋網(wǎng)絡形成正反饋以滿足振蕩平衡條件。

3．選頻網(wǎng)絡(Frequency-selectivenework)選擇某一頻率f0的信號滿足振蕩條件，形成單一頻率的振蕩。

4．穩(wěn)幅電路(Amblitudestabilitycircuit)使幅度穩(wěn)定并改善輸出波形。常用的有兩種穩(wěn)幅措施，一種是利用振蕩管特性的非線性（截止或飽和）實現(xiàn)穩(wěn)幅，稱為內穩(wěn)幅；另一種是利用外加穩(wěn)幅電路實現(xiàn)穩(wěn)幅，稱為外穩(wěn)幅，這時，振蕩管工作在線性放大區(qū)。二、振蕩電路的分析方法對于一個振蕩電路，首先要判斷它能否產生振蕩。對于能振蕩的電路，其振蕩頻率可根據(jù)選頻網(wǎng)絡的參數(shù)進行計算。為保證振蕩電路的起振，必須根據(jù)起振條件來確定電路元器件的參數(shù)。判斷電路能否產生振蕩的步驟如下：(1)檢查電路的基本環(huán)節(jié)，一般振蕩電路應具有放大電路、反饋網(wǎng)絡、選頻網(wǎng)絡和穩(wěn)幅電路等環(huán)節(jié)，缺一不可。(2)檢查放大電路的靜態(tài)工作是否合適。(3)檢查電路是否引入正反饋，即是否滿足相位平衡條件，如不能滿足，肯定不能產生振蕩。(4)判斷電路是否滿足振幅起振條件,具體方法是：分別求解電路和，然后判斷∣∣是否大于1。三、振蕩器的頻率穩(wěn)定性

在實際應用中，總希望振蕩器頻率穩(wěn)定不變。但由于受環(huán)境溫度及元件老化等影響，振蕩頻率或多或少會發(fā)生變化。振蕩器頻率的穩(wěn)定性指標用頻率穩(wěn)定度和頻率準確度來衡量。

頻率準確度（Frequencyaccuracy）又稱頻率精度，可用兩種方法表示。

1.頻率準確度（1）絕對頻率準確度△f△f是指一定條件下，實際振蕩頻率與標稱頻率之間的偏差值，即△f=│f－f0│

（2）相對頻率準確度

相對頻率準確度指絕對頻率差值△f與標稱頻率的比值，即△f/f0=

│f－f0│/f0

(1)頻率穩(wěn)定度（Frequencystability）是指在一定觀測時間內，由于各種因素引起振蕩頻率相對于標稱頻率變化的程度。

(2)根據(jù)觀察時間長短，將頻率穩(wěn)定度分為長期（一天以上），短期（觀測時間一天以內）和瞬時頻率穩(wěn)定度（秒或毫秒內頻率變化）。

(3)頻率穩(wěn)定度用10_n來表示，方次絕對值越大，頻率穩(wěn)定度越高。2.頻率穩(wěn)定度7.1.4正弦波振蕩電路的分類1.RC振蕩電路RC振蕩電路的選頻網(wǎng)絡由R、C元件組成。根據(jù)選頻網(wǎng)絡的結構和連接方式的不同，又可分為文氏電橋振蕩電路（WienbridgeRCoscillator）、移相式（PhaseshiftRCoscillator）和雙T式RC振蕩電路（TwinT-RCoscillator）等。RC振蕩電路工作頻率較低，一般頻率范圍為1Hz～1MHz，常采用外穩(wěn)幅電路，用于低頻電子設備中。根據(jù)選頻網(wǎng)絡的不同，正弦波振蕩電路一般可分為以下三種類型。7.1.4正弦波振蕩電路的分類

2.LC振蕩電路LC振蕩電路的選頻網(wǎng)絡由L、C元件組成。它又可分為變壓器反饋式（Transformerfeedbackoscillator）、電感三點式（Hartleyoscillator）和電容三點式（Colpittsoscillator）三種。LC振蕩電路工作頻率較高，一般在1MHz以上。放大器可以工作在非線性區(qū)實現(xiàn)內穩(wěn)幅，常用于高頻電路和設備中。

7.1.4正弦波振蕩電路的分類3.石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路（Quartzcrystaloscillator）的選頻作用是依靠石英諧振器（Quartzcrystalresonator）來完成的。根據(jù)石英晶體諧振器的工作狀態(tài)和連接方式的不同又可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。這種振蕩器的工作頻率取決于石英晶體的振蕩頻率，頻率穩(wěn)定度高，多用于時基電路和電子測量儀器設備中。7.2RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路

RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路如圖7.2.1a所示。圖中集成運放A構成同相比例放大電路，反饋網(wǎng)絡由RC串并聯(lián)網(wǎng)絡組成，因它與Rf、R3構成電橋形式，如圖7.2.1b所示，故稱文氏橋式RC振蕩電路(WienbridgeRCoscillator)。

圖7.2.1RC文氏橋式振蕩器在集成運放同相輸入端與選頻網(wǎng)絡連線K處斷開，設同相輸入端的瞬時極性為（+），則輸出端為（+），在K處瞬時極性為（+），RC串并聯(lián)網(wǎng)絡構成正反饋電路，滿足相位平衡條件。

RF、R3將運放接成同相比例放大電路即電壓串聯(lián)負反饋電路，以滿足振幅平衡條件。為了對這種振蕩器的起振條件進行分析，下面先介紹RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的頻率特性。

2．振蕩判斷

為了便于分析，將圖7.2.1中的選頻網(wǎng)絡單獨畫在圖7.2.2上。圖中R1=R2=R，C1=C2=C。7.2.1RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的頻率特性圖7.2.2RC串聯(lián)聯(lián)網(wǎng)絡

RC并聯(lián)電路的阻抗為

RC串聯(lián)電路的阻抗為當輸入端輸入正弦波電壓時，電路的輸出電壓為，電路的傳輸函數(shù)（即振蕩電路中的反饋系數(shù)）為

令,ω

0

是電路的諧振角頻率。則上式可改寫為

(1)RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡的幅頻特性

(2)RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡的相頻特性為

圖7.2.3RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的頻率特性7.2.2RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路

當串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡在f=f0時，Uf最大，相移φ=0o，因此，采用同相放大器，就能滿足相位平衡條件。一、振蕩頻率計算

可見，改變R、C的參數(shù)值，就可調節(jié)振蕩頻率。為了同時改變圖7.2.1中的R1、R2值或C1、C2值，一般采用雙聯(lián)電位器或雙聯(lián)電容器來實現(xiàn)。

當R1=R2=R，C1=C2=C時，RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路的振蕩頻率為

二、起振條件當f=f0、

F

=||=1/3,根據(jù)起振條件||＞1，要求圖7.2.1所示Rf、R3構成電壓串聯(lián)負反饋電路的電壓放大倍數(shù)Af=1+Rf/R3＞3。即Rf＞2R3就能順利起振。[例7.2.1]圖6.2.1所示電路中，若R1=R2=100Ω，C1=C2=0.22μF，R3=10kΩ，求振蕩頻率以及滿足振蕩條件的Rf的值。

解：由求振蕩頻率公式可得：要滿足起振條件，則Rf＞2R3，故Rf

＞2×10kΩ=20kΩ，Rf取大于20kΩ電阻。三、穩(wěn)幅措施

如圖7.2.4所示電路是利用二極管的非線性自動完成穩(wěn)幅的。在負反饋電路中，二極管VD1、VD2與R4并聯(lián)，只要有信號輸出總有一個二極管導通，放大倍數(shù)為：(1)二極管穩(wěn)幅式中，rd為二極管VD1、VD2導通時的動態(tài)電阻。

圖7.2.4利用二極管穩(wěn)幅RC振蕩電路

振蕩電路剛起振時，輸出電壓較小，二極管正向偏置電壓小，二極管正向交流電阻較大，負反饋較弱，使||大于3，滿足起振條件。當輸出電壓增大時，通過二極管的電流相應增大，導致二極管動態(tài)電阻rd減小，負反饋增強，使||減小，從而達到自動穩(wěn)定輸出幅度的目的。

除二極管外，還可用熱敏電阻進行穩(wěn)幅。為此，把圖7.2.1中的負反饋電阻Rf換成負溫度系數(shù)的熱敏電阻，就能達到穩(wěn)幅的目的。即振蕩電壓振幅增加時，流過Rf的電流增加，導致Rf中的功率增加而使溫度上升，從而使Rf阻值減小，同相放大器增益下降。

(2)熱敏電阻穩(wěn)幅電路如圖7.2.5所示。圖中，場效應管V1的漏源電阻RDS和R3串聯(lián)后代替圖7.2.1中的R3，負反饋網(wǎng)絡由RP3、RDS、R3組成。輸出電壓經(jīng)二極管VD1整流和R4、C4濾波后，通過R5和RP4為場效應管提供與振蕩振幅成比例的負柵壓UGS，調整RP4，使場效應管工作在變阻區(qū)，它的RDS成為受UGS控制的可變電阻。當振蕩電路輸出幅值增大，|UGS|也隨之增大（即UGS變負），管子的RDS增大，負反饋增強，放大倍數(shù)Au減小。

(3)場效應管穩(wěn)幅圖7.2.5利用場效應穩(wěn)幅的文氏電橋式振蕩電路7.2.3RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路的特點

RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路具有電路簡單，易于起振的優(yōu)點，適用于f0＜1MHz的場合。缺點是頻率調節(jié)不方便，振蕩頻率不高。

7.3LC正弦波振蕩電路

LC正弦波振蕩電路的選頻網(wǎng)絡為LC并聯(lián)回路，它主要用于產生高頻正弦波信號。7.3.1LC并聯(lián)回路的頻率特性

LC并聯(lián)回路如圖7.3.1所示。圖中R表示電感和電路其它損耗的總等效電阻，IS為幅值不變、頻率可變的正弦波電流源信號。圖7.3.1LC并聯(lián)回路圖7.3.1中LC并聯(lián)回路總阻抗Z為一般情況下，ωL＞＞

R，故上式可簡化為一、諧振頻率

當虛部為零時即ωL=1/(ωc)時，電路發(fā)生并聯(lián)諧振，電路呈純電阻性，令并聯(lián)諧振角頻率為ω0，即諧振頻率為并聯(lián)諧振時阻抗Z0為最大，且諧振回路品質因數(shù)

故

LC并聯(lián)回路諧振時，阻抗呈純阻性，且Q值越大，諧振時阻抗Z0越大。

二、諧振時的回路阻抗三、LC并聯(lián)回路的選頻特性引入Q后，將Z改寫為相應的幅頻特性和相頻特性如圖7.3.2所示。

（a）幅頻特性（b)相頻特性圖7.3.2LC并聯(lián)回路的頻率特性由圖7.3.2可見，當信號頻率f=f0時，Z最大且為純阻性，φ=0o。當f≠f0時，Z減小。當f/f0＜1，即f＜f0時，Z呈感性，φ＞0o。當f＞f0時，Z呈容性，φ＜0。同時Q值越大，諧振阻抗Z0也越大，幅頻特性越尖銳，相位隨頻率變化的程度也越急劇，說明電路選擇有用信號（頻振頻率f0信號）的能力越強，即選頻效果越好。圖7.3.3變壓器反饋式LC正弦波振蕩器電路

7.3.2變壓器反饋式LC正弦波振蕩器（1）放大電路圖中由V組成采用分壓式偏置的共射電路，耦合電容Cb和發(fā)射極旁路電容Ce容量較大，在振蕩頻率上，交流阻抗小，可視短路。（2）選頻網(wǎng)絡選頻網(wǎng)絡由L1和C構成。作為三極管集電極負載。（3）反饋網(wǎng)絡變壓器二次側繞組N2作為反饋繞組，將輸出的一部分，經(jīng)Cb反饋到輸入端。變壓器二次側繞組N3接輸出負載。

一、電路組成變壓器反饋式LC正弦波振蕩器電路（Transformerfeedbackoscillator）如圖7.3.3所示。由下列三部分組成。

1.相位平衡條件判斷在反饋輸入端K處斷開，用瞬時極性法進行判斷。設V基極上的瞬時極性為正，則集電極為負，即L1的瞬時極性為上正下負。根據(jù)同名端的概念，N2上端瞬時極性為正，反饋至K處的瞬時極性為正，為正反饋。滿足振蕩的相位平衡條件。二、電路能否振蕩的判斷

2.振幅起振條件的判斷本電路中，N1、N2同繞在一磁芯上為緊耦合。放大電路為共射電路，放大倍數(shù)較大，這種電路是利用三極管的非線性實現(xiàn)內穩(wěn)幅的。實踐中，只要設置合適的靜態(tài)工作點，增減N2的匝數(shù)或改變同一磁棒上N1、N2的相對位置調節(jié)反饋系數(shù)的大小，使反饋量合適，即可滿足起振條件。振蕩器的振蕩頻率近似為LC網(wǎng)絡的固有諧振頻率，可用X下式估算三、振蕩頻率f0的估算其中，L為諧振回路總電感量，C為諧振回路總電容量。1．電路特點

四、電路特點與實用電路分析示例

變壓器耦合LC振蕩電路易于起振，用可變電容器可使輸出正弦波信號的頻率連續(xù)可調。但振蕩頻率不太高，一般為幾兆赫至十幾兆赫。

2．實用電路分析

超外差收音機變頻級中的本機振蕩電路如圖7.3.4所示。電路中V兼作變頻器，L1、L2、C1、C2組成變頻器的輸入回路，C8、L5、L6組成變頻器的輸出中頻回路，它們在振蕩頻率上因回路嚴重失諧而均可看作短路，故本機振蕩電路的簡化電路如圖7.3.5所示。

圖7.3.4超外差收音機變頻級電路

圖7.3.5變頻級中本機振蕩電路的簡化電路

圖7.3.5中，R1/是偏流電阻，C6/為振蕩回路諧振電容，由C5、C6和C7等效而成，且本電路是一個諧振線圈帶抽頭的變壓器反饋式LC振蕩電路。L4和C6/為并聯(lián)諧振回路，決定振蕩頻率f0,三極管V組成共基極放大電路，C3為基極旁路電路。L3為集電極負載，輸出電壓通過耦合反饋到L4、C6/耦合回路，經(jīng)C4加到V的發(fā)射極上，由于三極管的射極輸入電阻很低，必須采用抽頭式以減小三極管低輸入電阻對LC回路的影響，以保證回路有高Q值，并滿足起振條件。7.3.3電感三點式振蕩電路電感三點式振蕩電路又稱哈脫萊（Hartley）振蕩電路，電路如圖7.3.6所示。一、電路組成圖7.3.6電感三點式振蕩電路（1）放大電路

本電路采用分壓式偏置，Cb為基極旁路電容，由于容量足夠大，對交流可視為短路。畫出電路的交流通路如7.3.6b所示?；鶚O是交流接地端，所以是共基極放大電路

（2）選頻網(wǎng)絡選頻網(wǎng)絡由L1、L2和C并聯(lián)而成。（3）反饋網(wǎng)絡L2上的反饋電壓經(jīng)Ce送至三極管的輸入端發(fā)射極。

二、電路能否振蕩的判斷

在圖7.3.6b中，斷開反饋輸入端K，設三極管輸入端發(fā)射極的輸入信號對地瞬時極性為正，共基放大電路集電極電壓與射極同相，瞬時極性也為正，電感L2的反饋信號對地瞬時極性也為正，即與同相，滿足相位平衡條件。

1．相位起振條件判斷電感三點式振蕩器的L1、L2由同一電感線圈中間抽頭組成，耦合緊密，易于起振，其起振條件為：其中，（L2+M）/（L1+M）=Fu為反饋系數(shù)的模。

2．振幅起振條件判斷

電感三點式振蕩電路的振蕩頻率近似等于LC并聯(lián)回路的諧振頻率，即其中，M是電感L1與L2間的互感。電感三點式振蕩電路簡單，易于起振，但由于反饋信號取自感L1，電感對高次諧波的感抗大，因而輸出振蕩電壓的諧波分量增大，波形較差。常用于對波形要求不高的設備中，其振蕩頻率通常在幾十兆赫以下。三、諧振頻率f0估算四、電路特點7.3.4電容三點式振蕩電路

一、電容三點式振蕩電路電容三點式振蕩電路又稱考畢茲（Colpittsoscillator）電路，電原理圖如圖7.3.7a所示。三極管V接成共射電路，Cb為耦合電容，Ce為旁路電容。該電路的交流通路如圖7.3.7b所示。

用瞬時極性法在圖b中標出各點瞬時極性，由圖可知，反饋信號與輸入端信號同相，滿足相位平衡條件。1．相位起振條件判斷圖7.3.7電容三點式振蕩電路

該電路的振蕩頻率為

該電路起振的條件為3．振幅起振條件2．f0估算該電路的反饋電壓為電容器C2的兩端電壓，反饋電壓中的高次諧波分量小，輸出波形較好。但三極管的極間電容Cbc、Cce與C2、C1并聯(lián)，極間電容隨溫度變化，影響振蕩頻率的穩(wěn)定性。該電路的振蕩頻率可達100MHz以上。4．電路特點為提高電容三點式振蕩（考畢茲）電路的頻率穩(wěn)定性，可采用改進型電路。1.克拉波（Clapp）電路二、電容三點式改進型振蕩電路

(1)電路與交流通路

在電容三點式電路的回路中多加一個與C1、C2相串接的電容C3即可構成克拉波電路，如圖7.3.8a所示，交流通路如圖b所示。圖7.3.8克拉波振蕩電路(2)起振條件分析

一般情況下，C3取值較小，滿足C3＜＜C1，

C3＜＜C2，回路總電容值C主要取決于C3。而影響振蕩頻率穩(wěn)定性的是三極管的極間電容Cce、Cbc、Ccb,它們都直接并接在C1、C2上，不影響C3值，故減小了不穩(wěn)定的極間電容對振蕩頻率的影響，且C3越小，影響就越小，頻率穩(wěn)定也就越高。但是C3過小，有可能不滿足起振條件而停振。

(3)克拉波電路特點及適用場合

克拉波電路的頻率穩(wěn)定度比電容三點式電路高一個數(shù)量級，達10-4~10-5?？死ㄕ袷幤鞯钠鹫駰l件對振蕩管的β值要求高，它與f03成正比。但輸出電壓幅值與f03成反比，故f0升高，會使輸出電壓幅值迅速下降而停振。因此，克拉波振蕩器在波段內輸出幅值不均勻，波段覆蓋系數(shù)小，只適于固定頻率振蕩器。

(4)f0

估算克拉波振蕩電路的頻率為

2.西勒（Seiler）電路

在克拉波電路的電感L兩端并聯(lián)一個電容C4即為西勒電路，原理圖和交流通路如圖7.3.9所示。(1)電路圖與交流通路圖7.3.9西勒電路當C1＞＞C3、C2＞＞C3的情況下，總電容C≈C4+C3,振蕩頻率為(2)f0

的估算

西勒電路的總電容C值為C1、C2、C3串聯(lián)后再與C4并聯(lián)，即由此可知，西勒電路的振蕩頻率主要由L和C3+C4決定，而與C1、C2的大小基本無關，因此，西勒電路也具有頻率穩(wěn)定度高的優(yōu)點。

分析表明，它的輸出電壓幅值與f0成正比，因此西勒電路可用作可變頻率振蕩器。

(3)適用場合判斷三點式振蕩電路（電感三點式和電容三點式）是否滿足相位平衡條件，可采用由瞬時極性法演變來的一種簡便方法7.3.5判斷三點式振蕩電路振蕩與否的簡便方法a)通用交流等效電路b)電容三點式電路交流等效電路c)電三點式電路等效電路d~g)不滿足相位平衡條件交流等效電路圖7.3.10三點式振蕩電路相位平衡條件判斷

具體方法如下：畫出通用的交流等效電路如圖7.3.10(a)所示，查看電路結構，即查看與三極管三個極相連接的三個電抗元件X1、X2、X3。如果電路中與三極管的發(fā)射極相連的兩個元件X1、X2為電抗性質相同的元件（都是電容或都是電感），另一個與集電極、基極相接的元件X3與X1、X2元件的電抗性質相反，電路肯定滿足相位平衡條件。7.3.5判斷三點式振蕩電路振蕩與否的簡便方法圖7.3.10(b)為圖7.3.7所示電容三點式振蕩電路交流通路。從所示交流通路上可知，C1、C2與發(fā)射極相接，同為電容，電感L并接在基極與集電極之間，與容抗性質相反，用此方法可判斷電路滿足相位平衡條件。圖7.3.10(c)為圖7.3.6所示電感三點式振蕩電路的交流等效電路，用此方法可判斷電路滿足相位平衡條件。通過判斷，圖7.3.10(d)~(g)交流等效電路，不能滿足相位平衡條件，不能振蕩。

7.3.5判斷三點式振蕩電路振蕩與否的簡便方法

LC振蕩因LC回路的Q值不高（僅在200以下），頻率的穩(wěn)定度很難突破10-5數(shù)量級，而用石英晶體（Quartzcrystal）作為振蕩回路，組成晶體振蕩器（Crystaloscllator）的Q值高達104以上，可將頻率穩(wěn)定度提高幾個數(shù)量級，最高穩(wěn)定度可達10-10數(shù)量級。它在各類電子設備中得到廣泛應用。7.4石英晶體振蕩器

石英晶體是從石英晶體柱上按一定方位角切割下來的薄片（稱之為晶片，可為圓形、正方形或矩形等），在表面上涂敷上銀層作為電極，加上引線后封裝而成。外殼可為金屬，也可為玻璃。它的結構示意圖如圖7.4.1所示。7.4.1石英晶體諧振器一、石英晶體的結構圖7.4.1某石英晶體結構示意圖二、晶體的壓電效應

當在晶片上施加外力，使之產生機械形變，則會在兩電極上產生極性相反、數(shù)值相等的電荷；反之，若在兩極間施加電壓，晶片會產生由電壓極性決定的機械形變，這種現(xiàn)象稱之為壓電效應（Piezoelectriceffect）。1．壓電效應與壓電諧振

改變交變電壓頻率，晶片的振動幅度和流過晶片回路的交變電流都會隨之改變。當外加交變電壓的頻率與晶片的固有振動頻率（由晶片尺寸決定）相等時，晶片機械振動的幅度將急劇增加，振動最強，通過晶體的交變電流最大，這時稱為壓電諧振，故石英晶體又稱之為石英諧振器。石英晶體的振動具有多諧性，除基頻振動外，還有奇次諧波的泛音振動。石英諧振器若利用其基頻振動的，稱之為基頻（Fundamentalfrenquency）晶體。若利用其泛音振動的，稱之為泛音（Overtones）晶體。泛音晶體一般利用三次和五次的泛音振動，而很少利用九次以上的泛音振動。2．基頻晶體與泛音晶體

石英諧振器圖形符號如圖7.4.2a所示。它的基頻等效電路如圖7.4.2b所示。圖中C0表示石英晶片的靜態(tài)電容和支架、引線等分布電容之和。Lq用來模擬晶片振動時的慣性，Cq模擬晶片的彈性；晶片振動時的摩擦損耗用電阻rq來等效。三、石英諧振器電路符號及其性能參數(shù)1．圖形符號與基頻等效電路

石英諧振器的Lq很大（幾十毫亨），Cq很?。?0-2PF以下），品質因數(shù)Qq很高(104∽106)，且它們的數(shù)值極其穩(wěn)定。另外C0遠大于Cq，故頻率穩(wěn)定度高。圖7.4.2石英諧振器的符號、等效電路及其電抗頻率特性(1)串聯(lián)諧振角頻率ωs（Seriesresonantangularfrequency）當L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時，XLq=XCq，X=0，串聯(lián)諧振角頻率為由圖7.4.2c可見，石英諧振器有兩個諧振角頻率。2．諧振角頻率此時，C0忽略不計。

當頻率高于ωs時，晶體Lq、Cq串聯(lián)支路呈電感性，電路發(fā)生并聯(lián)諧振，并聯(lián)諧振的角頻率為

在實際振蕩電路中，晶體兩端往往并接有負載電容CL，如圖7.4.3所示。此時，并接的總電容為(C0+CL)，相應的并聯(lián)諧振頻率由fp減小到fN,fN值為(2)并聯(lián)諧振角頻率(Antiresonantangularfrequency)

3．負載電容

CL越大，fN值就越接近fs。一般情況下，基頻晶體的負載電容為30pF或50pF，在晶體外殼上的振蕩頻率（晶體標稱頻率）就是并接CL后的fN值。圖7.4.3并聯(lián)CL晶體等效電路根據(jù)晶體在振蕩電路中的作用不同，晶體振蕩電路可分為并聯(lián)型晶體振蕩電路（Parallel-modecrystaloscillators）和串聯(lián)型晶體振蕩電路（Series-modecrystaloscillators）。使晶體工作在略高于fs呈感性的頻段內，用來代替三點式電路中的回路電感，相應構成的振蕩電路稱為并聯(lián)型晶體振蕩電路。使晶體工作在fs上，等效為串聯(lián)諧振電路，用作高選擇性的短路元件，相應構成的振蕩電路稱為串聯(lián)型晶體振蕩電路。晶體只能工作在上述兩種方式，決不能工作在低于fs和高于fp呈容性的頻段內，否則，頻率穩(wěn)定度將明顯下降。7.4.2晶體振蕩電路一、串聯(lián)型石英晶體振蕩電路串聯(lián)型石英振蕩電路如圖7.4.4所示。圖中V1組成共基極放大器，V2組成共集極電路。設V1發(fā)射極瞬時極性為（+），集電極亦為（+），V2發(fā)射極為（+），經(jīng)石英晶體反饋到V1發(fā)射極瞬時極性為（+），石英晶體構成正反饋電路，，滿足相位起振條件。

1．電路組成及相位起振條件2．振幅起振條件圖中可變電阻R5，用以改變正反饋信號的幅度，使之滿足振幅起振條件，使電路起振。R5不能過小，否則，振蕩波形會產生失真。圖7.4.4串聯(lián)型石英晶體振蕩電路二、并聯(lián)型石英晶體振蕩電路目前應用最廣的并聯(lián)型晶體振蕩器是類似電容三點式的皮爾斯（Pirese）電路，如圖7.4.5a所示。其中，Cb為旁路電容，Cc為耦合電容，Lc為高頻扼流圈。三極管接成分壓式偏置的共基極電路，以穩(wěn)定直流工作點圖7.4.5(a)中C1、C2串接后與石英晶體并聯(lián)，為晶體的負載電容，若它們的等效電容值等于晶體規(guī)定的負載電容值，那么振蕩電路的振蕩頻率就是晶體的標稱頻率。但實際上，由于種種原因，振蕩器的頻率往往與標稱頻率略有偏差。故工程上采用微調電容的晶體振蕩電路如圖7.4.5(b)所示。1．電路組成圖7.4.5并聯(lián)型晶體振蕩電路

圖7.4.5b中，CT為微調電容，用來改變并接在晶體上的負載電容，從而改變振蕩頻率。CT和C3并聯(lián)與石英晶體串接，以減弱振蕩管與晶體的耦合，從而進一步減小三極管參量變化對回路的影響。但CT的頻率調節(jié)范圍很小，故在實際電路中，還可采用微調電感或同時采用微調電容和微調電感。2．頻率微調方法(1)在頻率穩(wěn)定度要求很高的場合，為克服溫度變化對頻率的影響，將晶體或整個振蕩器設置于恒溫槽內。采用恒溫措施可將頻率穩(wěn)定度提高到10-10數(shù)量級。(2)在使用過程中，石英晶體的激勵功率不能過大，否則會使頻率穩(wěn)定性、老化特性、寄生頻率特性等變差，甚至可能使晶片振毀。3.晶振電路應用注意事項隨著MOS集成工藝的發(fā)展，出現(xiàn)了一種低功耗的CMOS晶體振蕩器。所謂CMOS電路是指NMOS管和PMOS管構成的互補對稱的MOS電路，它具有靜態(tài)功耗低、抗干擾能力強、工作穩(wěn)定性、開關速度高等優(yōu)點。

CMOS晶體振蕩器非常適合在功耗要求小的電子設備中使用，如電子表中的時間基準振蕩器等，當電源電壓VDD=1.5V時，其功耗僅為微瓦量級。三、CMOS晶體振蕩器

CMOS微功耗晶體振蕩器如圖7.4.6所示。圖中V1、V2為組成互補倒相的N溝道和P溝道場效應管，在振蕩過程中，V1、V2輪流導通對環(huán)路電容充電、放電。

V3為N溝道MOS管，工作于可變電阻區(qū)，給V1、V2提供電流通路。

C2用于微調振蕩頻率。為減小芯片面積，石英諧振器、C1、C2都為外接元件。圖7.4.6CMOS微功耗晶體振蕩器在電子設備中，經(jīng)常要用到非正弦波信號，如數(shù)字電路、微機電路中的方波和矩形波；電視機、示波器和顯示器掃描電路中的鋸齒波等等。通常，把正弦波以外的波形統(tǒng)稱為非正弦波，本節(jié)僅討論方波、三角波、鋸齒波的產生電路。這些電路通常由遲滯比較器和RC充放電電路組成，工作過程有一張一弛的變化，所以這些電路又稱張弛振蕩器。

7.5非正弦信號發(fā)生器

7.5.1

方波發(fā)生器方波（Squarewave）發(fā)生器是非正弦發(fā)生器中應用最廣的電路，數(shù)字電路和微機電路中時鐘信號就由方波發(fā)生器提供。一、電路組成方波發(fā)生器電路如圖7.5.1a所示。它由滯回比較器和具有延時作用的RC反饋網(wǎng)絡組成。圖7.5.1方波發(fā)生器二、工作原理我們從滯回比較器原理可知，圖7.5.1所示滯回比較器的輸出電壓不是uo1=Uom=UZ+UD，就是uo2=－Uom=－(UZ+UD)，UD為二極管導通電壓，為討論方便，UD忽略不計。當電源接通，在t=0時刻，電容兩端電壓uc=0，設uo1=+UZ，此時同相輸入端電壓（即閾值電壓）為

輸出電壓uo=UZ經(jīng)R3向C充電,

uc按指數(shù)規(guī)律上升,如圖7.5.1b曲線①.當電容上電壓升至uc=Uth1時,電路狀態(tài)發(fā)生翻轉,輸出電壓由uo1突變?yōu)閡o2=－UZ。此時,同相端輸入電壓突變?yōu)?/p>

此時，電容C上電壓因放電而開始下降，如圖7.5.1（b）曲線②，放電完畢后電容反向充電，當uc=u－=Uth2，電路發(fā)生翻轉，uo=+UZ。電容反向放電，當放電完畢進行正向充電，當uc=Uth1時，電路又發(fā)生翻轉，輸出由+UZ突變?yōu)椋璘Z

。如此反復，在輸出端即產生方波波形。波形如圖7.5.1（b）所示。三、振蕩頻率估算從以上分析可知，方波的頻率與充放電時間常數(shù)有關，RC的乘積越大，充放電時間越長，方波的頻率就越低。方波的周期和頻率可由下式估算：

由上式不難看出，適當選取R1、R2值，使

則

7.5.2占空比可調的矩形波發(fā)生器將圖7.5.1電路稍加改造，就可組成占空比可調的矩形波發(fā)生器，電路如圖7.5.2（a）所示。

一、電路組成和工作原理在脈沖電路中，將矩形波中高電平的時間TH與周期T之比稱為占空比D（），方波發(fā)生器高電平與低電平所占時間相等，占空比為

圖7.5.2占空比可調矩形波發(fā)生器

二、振蕩周期估算：

7.5.3三角波發(fā)生器與鋸齒波發(fā)生器圖7.5.3三角波發(fā)生器一、三角波發(fā)生器

1、電路組成和工作原理三角波發(fā)生器電路如圖7.5.3所示。電路由同相輸入滯回比較器（A1）和積分器（A2）組成。

應用迭加定理，集成運放A1同相輸入端的電位

uo2經(jīng)R1反饋至A1同相輸入端控制滯回比較器翻轉。A1反相輸入端經(jīng)R4接地，up1=uN1=0時比較器翻轉，則閾值電壓比較器的輸出電壓uo1經(jīng)R5接至A2的反相輸入端，積分電路輸出電壓

2、頻率估算從圖7.5.3可見，方波和三角波的周期相等，是uo2從零變至所需時間4倍。所以，三角波周期和頻率分別為

可見，該電路產生的方波和三角波的頻率與R1、R2、R5及C有關。電路調試時一般先調節(jié)R2或R1，使三角波幅值滿足要求后，再調節(jié)R5或C，用以調節(jié)頻率值。為使頻率可調，可在uo1輸出端接一電位器，另一端接地，R5左端接電位器滑動臂，即組成了頻率可調三角波電路。

二、鋸齒波發(fā)生器圖7.5.4鋸齒波發(fā)生器如果三角波波形不對稱，即上升時間與下降時間不相等，則成為鋸齒波。鋸齒波電路如圖7.5.4（a）所示。它與圖7.5.3三角波電路的區(qū)別在于R5換成由電位器RP和VD1、VD2組成的網(wǎng)絡。

該電路的鋸齒波幅值為振蕩頻率為式中，rd1、rd2為二極管導通動態(tài)電阻，通常可忽略不計。7.5.4集成函數(shù)信號發(fā)生器一、5G8038的結構5G8038為14管腳、雙列直插塑料封裝集成電路，其內部結構框圖如圖7.5.5所示。它的內電路由電壓比較器A1、電壓比較器A2、電壓跟隨器、觸發(fā)器、三角波—正弦波轉換器、反相器及兩個電流源I1、I2等構成。

隨著集成電路產業(yè)的發(fā)展，已生產出可以同時獲得正弦波、方波（矩形波）和三角波（鋸齒波）信號的集成函數(shù)信號電路。例如5G8038。

7.5.4集成函數(shù)信號發(fā)生器圖7.5.5集成電路5G8038內部電路框圖

7.5.4集成函數(shù)信號發(fā)生器7.5.4集成函數(shù)信號發(fā)生器圖7.5.5中開關S由觸發(fā)器控制，當觸發(fā)器Q端輸出低電平時，開關S斷開，這時電流源I1向外接于10腳和11腳的電容C充電，使電容C兩端電壓uc隨時間線性上升。當uc

達到比較器A的閾值電壓2/3·（VCC+VEE）時，電壓比較器A1翻轉，輸出跳變信號，使觸發(fā)器Q端輸出由低電平翻轉為高電平。此時，觸發(fā)器控制開關S，使其閉合，則電流源I1、I2都接通。由于I2≥I1，外接電容C放電，使電容C兩端電壓uc隨時間線性下降。當uc下降到比較器A2的閾值電壓1/3·（VCC+VEE）時，電壓比較器翻轉，輸出跳變信號，使觸發(fā)器翻轉，Q端輸出低電平，觸發(fā)器的低電平再次使開關S斷開，電流源I1又向外接電容C充電。如此循環(huán)，電路產生振蕩。

二、5G8038基本工作原理7.5.4集成函數(shù)信號發(fā)生器從以上分析可知，觸發(fā)器Q

非端受電壓比較器A1、A2控制，使其輸出端輸出高電平或低電平，再經(jīng)反相器從9腳輸出方波信號。外接電容兩端電壓uc

隨時間線性上升或線性下降而產生三角波信號，它通過電壓跟隨器從3腳輸出。同時，三角波信號經(jīng)三角波——正弦波轉換電路，得到正弦波信號，從2腳輸出。5G8038輸出信號波形受電流源I1、I2控制，只要改變外接電位器以改變I2和I1，就可改變輸出信號波形。當I2=2I1時，則在9腳、3腳和2腳即可分別得到方波、三角波和正弦波信號。當I2的大小在I2～2I1之間時，則在9腳、3腳和2腳可分別得到矩形波、鋸齒波和正弦波。

7.5.4集成函數(shù)信號發(fā)生器集成函數(shù)信號發(fā)生器5G8038管腳如圖7.5.6所示。三、5G8038管腳與實用電路圖7.5.65G8038管腳與實用電路

7.5.4集成函數(shù)信號發(fā)生器1腳為正弦波線性調節(jié)；2腳正弦波輸出；3腳三角波輸出。4腳和5腳為恒流源調節(jié)端，外接電位器以改變I1、I2大小，從而改變三角波的上升時間和下降時間。6腳接正電源，7腳調頻偏置端，8腳調頻控制輸入端。9腳方波輸出端，為集電極開路輸出，即集電極與正電源間沒有接集電極負載電阻，使用時一般需在正電源與9腳之間接10kΩ左右電阻。10腳外接電容端；11腳負電源或接地端。12腳正弦波線性調節(jié)。13、14為空腳。

7.5.4集成函數(shù)信號發(fā)生器5G8038組成和多功能信號發(fā)生器電路如圖7.5.7(b)所示。調節(jié)RP3可調整三角波上升、下降時間，改變9、3、2腳輸出波形。為了調整正弦信號的失真度，需同時配合調節(jié)電位器RP1、RP2、RP3，可使正弦波信號的失真度減小到0.5%左右。8腳外接電位器RP4，用來調節(jié)信號頻率，可使信號頻率在20Hz～20kHz范圍內調節(jié)。7.6振蕩電路的調試與制作示例在設計安裝好振蕩電路后，必須進行調試。振蕩電路調試一般按以下步驟進行：①檢查電路焊接安裝是否正確可靠有無短路現(xiàn)象后再接通電源進行調試；②調整放大器件的靜態(tài)工作點，使之處于放大狀態(tài)；③仔細檢查反饋回路使之滿足正反饋條件，滿足相位平衡條件；④調節(jié)放大器件的靜態(tài)工作點和反饋的大小，使電路在指定振蕩頻率上滿足起振條件；⑤用示波器觀測振蕩波形，用電子毫伏表觀測輸出信號幅值，調整負反饋網(wǎng)絡，使波形無失真，幅值滿足設計要求；⑥?用頻率計測量振蕩頻率，調整頻率微調環(huán)節(jié)，使輸出信號頻率符合設計要求。

7.6.1不能自動起振的調試振蕩電路接通電源后，有時不起振或者要外界信號強烈解發(fā)下才能起振（如手握螺釘旋具碰觸晶體管基極或用0.01～0.1μF電容一端接電源、一端去碰觸晶體管基極）；在波段振蕩器中，有時只在某一頻段振蕩，而在另一頻段不振蕩等等。以上這些現(xiàn)象一般均是由于沒有滿足振幅平衡條件或相位平衡條件所引起的?，F(xiàn)根據(jù)不同情況，分述如下。

7.6.1不能自動起振的調試一、在可調頻率范圍內，全部不起振這種情況下，首先要檢查反饋電壓極性，是否滿足相位平衡條件。圖7.6.1(a)所示電路為變壓器反饋振蕩電路，圖(b)為收音機中的本機振蕩電路。電路不起振，要檢查反饋線圈L1是否因端頭接反而形成負反饋。圖(b)中若⑤端與④端互換，電路就接成負反饋電路，不能產生振蕩。對于三點式LC振蕩電路，要根據(jù)三點式組成原則進行判斷。用集成運放組成的RC振蕩電路和非正弦波產生電路，在實驗中常因反饋網(wǎng)絡在輸入端由原接同相輸入端錯接在反相輸入端不能起振。7.6.1不能自動起振的調試在滿足相位平衡的情況下，則可根據(jù)振幅平衡條件找出不起振的原因，一般可能有以下原因：（1）直流工作點偏低，管子β值太小。在這種情況下，可適當改變偏置電路參數(shù)，如調整圖6.6.1(a)中RP，使IC提高。一般小功率管的IC約為1～2mA。如IC提高后，振蕩波形顯著失真，則應提高諧振回路Q值，以減小失真。

7.6.1不能自動起振的調試圖7.6.1振蕩電路

7.6.1不能自動起振的調試（2）諧振回路Q值太低。在圖6.6.1(b)電路中，若C3右端錯接在線圈③端，就形成晶體管輸入阻抗直接與高阻抗振蕩回路并聯(lián)，而該電路為共基極振蕩電路，它的輸入阻抗是極低的，這將大大降低振蕩回路品質因數(shù)Q值，使振蕩減弱，波形變壞，甚至不能起振。除不正確接線外，振蕩管與LC回路之間耦合過緊，也會使Q值下降。提高Q值可通過增加L/C比值、減小線圈損耗或減小負載影響等途徑來實現(xiàn)。（3）反饋強度不夠，即F過小。反饋系數(shù)F是振蕩電路一個重要因素。F太小，自然不易滿足振幅平衡條件，但一味增大反饋量，會使振蕩波形變壞，甚至也會使電路不能起振。所以F并非越大越好，而應適當選取、調整。

7.6.1不能自動起振的調試二、某一頻率不能起振對于LC振蕩器在某頻段內，頻率低端不能起振，而高端能正常起振，多半產生在用調整回路電容來改變振蕩頻率的電路中。低端由于電容C增大而使L/C下降，從而使諧振阻抗降低，增益下降導致低頻