第7章信號(hào)的產(chǎn)生和波形變換

第7章信號(hào)的產(chǎn)生和波形變換7.1正弦波振蕩電路7.2非正弦波信號(hào)發(fā)生電路7.3用專用集成電路構(gòu)成的信號(hào)發(fā)生器7.4鎖相環(huán)技術(shù)及其應(yīng)用第7章信號(hào)的產(chǎn)生和波形變換電子電路除了能對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和處理外，還有一個(gè)重要的功能就是產(chǎn)生信號(hào)。能自己產(chǎn)生信號(hào)的電路叫做振蕩器。振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)有各種波形，最常用的是正弦波。電子琴、音樂合成器等電子樂器能發(fā)出各種美妙的聲音，尤其是近年來(lái)面世的手機(jī)發(fā)出的和弦聲令人回味無(wú)窮。這些聲音都是由正弦波振蕩電路產(chǎn)生的。無(wú)線通訊的基礎(chǔ)就是建立在正弦波振蕩電路上的。電路需要滿足什么條件才能產(chǎn)生正弦波？如何判斷電路能否振蕩？這是本章首先要研究的內(nèi)容。產(chǎn)生正弦波的電路有哪些？每個(gè)電路又有什么特點(diǎn)？分別適合用于什么場(chǎng)合？本章要著重討論這些問題。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，鎖相環(huán)電路的應(yīng)用越來(lái)越廣，本章也簡(jiǎn)單介紹了鎖相環(huán)電路的組成．工作原理及其在信號(hào)轉(zhuǎn)換電路中的應(yīng)用章首導(dǎo)言7.1正弦波振蕩電路7.1.1正弦波振蕩器的基本概念

1.正弦波振蕩器的振蕩條件由方框圖可知，電路產(chǎn)生振蕩的基本條件是反饋信號(hào)與原輸入信號(hào)大小相等、相位相同。因?yàn)榉答侂妷簽椋寒?dāng)時(shí)，有：正弦波振蕩器方框圖7.1正弦波振蕩電路7.1.1正弦波振蕩器的基本概念

式子可分解為兩部分：

(1)幅度平衡條件：

(2)相位平衡條件

相位平衡條件要求放大器對(duì)信號(hào)的相移與反饋網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)的相移之和為2nπ，即電路必須引入正反饋。7.1正弦波振蕩電路7.1.1正弦波振蕩器的基本概念

2.振蕩器的起振與穩(wěn)幅當(dāng)振蕩電路剛接通電源時(shí)，隨著電路中的電流從零開始突然增大，電路中就產(chǎn)生了電沖擊，它包含了從低頻到高頻的各種頻率成分，其中必有一種頻率的信號(hào)滿足振蕩器的相位平衡條件，產(chǎn)生正反饋。隨著電路輸出信號(hào)的增大，晶體管的工作范圍進(jìn)入了截止區(qū)和飽和區(qū)，電路的放大倍數(shù)自動(dòng)地逐漸減小，限制了振蕩幅度的無(wú)限增大，最后電路就有穩(wěn)定的信號(hào)輸出。7.1正弦波振蕩電路7.1.1正弦波振蕩器的基本概念

3.振蕩電路的組成

根據(jù)振蕩電路對(duì)起振．穩(wěn)幅和振蕩頻率的要求，振蕩器由以下幾部分組成：

(1)放大電路

它具有放大信號(hào)的作用，并將電源的直流電能轉(zhuǎn)換成振蕩信號(hào)的交流能量。

(2)反饋網(wǎng)絡(luò)

它形成正反饋，滿足振蕩器的相位平衡條件。

(3)選頻網(wǎng)絡(luò)

在正弦波振蕩電路中，它的作用是選擇某一頻率

f0

，使之滿足

振蕩條件，形成單一頻率的振蕩。

(4)穩(wěn)幅電路

用于穩(wěn)定振蕩器輸出信號(hào)的振幅，改善波形。7.1正弦波振蕩電路7.1.1正弦波振蕩器的基本概念

5．振蕩電路的分類為了保證振蕩電路產(chǎn)生單一頻率的正弦波，電路中必須包含選頻網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)組成的元件不同，可將振蕩器分為RC振蕩器、LC振蕩器和石英晶體正弦波振蕩器。7.1正弦波振蕩電路7.1.2

RC正弦波振蕩電路

1.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性如圖所示，為RC正弦波振蕩器的一種，又稱為文氏橋振蕩器。它一般用來(lái)產(chǎn)生從零點(diǎn)幾赫茲到數(shù)百千赫茲的低頻信號(hào)，目前常用的低頻信號(hào)源大多采用這種形式的振蕩電路。RC橋式振蕩器7.1正弦波振蕩電路7.1.2

RC正弦波振蕩電路

1.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性

在文氏橋正弦波振蕩電路中，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)擔(dān)任選頻和正反饋的雙重任務(wù)。

RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)如圖所示。設(shè)輸入信號(hào)為幅度恒定、頻率可變的電壓UO，分析UO與輸出信號(hào)Uf之間相位差

φ

的變化。RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)7.1正弦波振蕩電路7.1.2

RC正弦波振蕩電路

當(dāng)信號(hào)的頻率較低時(shí)，在RC串聯(lián)回路中，C1的容抗遠(yuǎn)大于R1，故R1的大小可忽略不計(jì)；在RC并聯(lián)回路中，C2的容抗遠(yuǎn)大于R2，所以C2的容抗也可以忽略不計(jì)，這樣可得到圖所示的低頻等效電路。RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)7.1正弦波振蕩電路7.1.2

RC正弦波振蕩電路

當(dāng)信號(hào)的頻率較高時(shí)，在RC串聯(lián)回路中，容抗遠(yuǎn)小于R1，所以C1的容抗可以忽略不計(jì)；在RC并聯(lián)回路中，C2的容抗也遠(yuǎn)小于R2，所以R2的阻抗可以忽略不計(jì)，這樣可得到圖所示的高頻等效電路。RC串并聯(lián)高頻等效電路7.1正弦波振蕩電路7.1.2

RC正弦波振蕩電路

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性7.1正弦波振蕩電路7.1.2

RC正弦波振蕩電路

2.文氏橋正弦波振蕩電路

(1)放大器必須是一個(gè)同相放大器

由于

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)在

f=f0

時(shí)，輸出信號(hào)

Uf最大，相移

φ=0，這就要求放大電路的相移φa=±2nπ，即放大器必須是一個(gè)同相放大器。在圖中放大電路采用同相輸入式，這樣就滿足了振蕩的相位平衡條件。7.1正弦波振蕩電路7.1.2

RC正弦波振蕩電路

2.文氏橋正弦波振蕩電路

(2)文氏橋振蕩器的振蕩頻率可以證明，RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路的振蕩頻率為：

(3)文氏橋振蕩器的起振條件電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路的電壓放大倍數(shù)：7.1正弦波振蕩電路7.1.2

RC正弦波振蕩電路

2.文氏橋正弦波振蕩電路

(4)常用的穩(wěn)幅措施如圖所示是兩種具有穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的文氏橋振蕩器。具有穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的文氏橋振蕩器7.1正弦波振蕩電路7.1.2

RC正弦波振蕩電路用文氏橋組成的正弦波音頻信號(hào)發(fā)生器7.1正弦波振蕩電路7.1.3

LC正弦波振蕩電路

1.LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性

LC并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)如圖所示。在圖中R表示電感和電容的等效損耗電阻。因?yàn)橐话氵x頻網(wǎng)絡(luò)都接在三極管放大電路的輸出端，所以用恒流源

Io近似等效三極管的恒流作用。

LC并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)7.1正弦波振蕩電路7.1.3

LC正弦波振蕩電路用文氏橋組成的正弦波音頻信號(hào)發(fā)生器7.1正弦波振蕩電路7.1.3

LC正弦波振蕩電路

2.變壓器反饋式正弦波振蕩器

圖所示電路是采用高頻變壓器構(gòu)成的LC正弦波振蕩電路。

(1)電路組成

①

放大電路

②

選頻網(wǎng)絡(luò)

③

反饋網(wǎng)絡(luò)變壓器反饋式LC正弦波振蕩器7.1正弦波振蕩電路7.1.3

LC正弦波振蕩電路

(2)

起振條件和平衡條件

為了使振蕩電路起振，必須正確連接反饋繞組

L2的極性，使之符合正反饋的要求，滿足相位平衡條件。

反饋信號(hào)

uf的大小由匝數(shù)比

N2/N1決定，當(dāng)三極管的放大倍數(shù)和繞組的匝數(shù)比合適時(shí)，滿足幅度平衡條件和電路的起振條件。

(3)

電路特點(diǎn)

變壓器反饋式

LC振蕩器容易起振，若用可變電容器代替固定電容

C，則可以方便的調(diào)節(jié)頻率，其缺點(diǎn)是振蕩頻率不太高，通常為幾兆赫～十幾兆赫。7.1正弦波振蕩電路7.1.3

LC正弦波振蕩電路

3.電感三點(diǎn)式振蕩電路電感三點(diǎn)振蕩電路又稱為哈特萊振蕩電路，電路如圖所示。電感三點(diǎn)式LC振蕩電路7.1正弦波振蕩電路7.1.3

LC正弦波振蕩電路

(1)電路組成

①放大電路;②選頻網(wǎng)絡(luò);③反饋網(wǎng)絡(luò)。

(2)相位平衡條件

用瞬時(shí)極性法可判斷出電路中的反饋為正反饋，滿足振蕩器的相位平衡條件。用“射同基反”的口訣來(lái)加以判斷更為準(zhǔn)確和快捷。

“射同基反”的含義是：對(duì)于三點(diǎn)式振蕩器的交流通路，如圖所示。電感三點(diǎn)式LC振蕩電路的交流通路7.1正弦波振蕩電路7.1.3

LC正弦波振蕩電路

(3)振蕩頻率電感三點(diǎn)式振蕩電路的振蕩頻率由LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率確定，即：

(4)電路特點(diǎn)電感三點(diǎn)式振蕩器電路簡(jiǎn)單，容易起振，調(diào)頻方便，只要將電容C換成可變電容器，就可以方便的進(jìn)行頻率的連續(xù)調(diào)節(jié)。7.1正弦波振蕩電路7.1.3

LC正弦波振蕩電路

4.電容三點(diǎn)式振蕩器

電容三點(diǎn)式振蕩器又稱為考畢茲電路，電路如圖所示。電容三點(diǎn)式LC振蕩器7.1正弦波振蕩電路7.1.3

LC正弦波振蕩電路

(1)電路組成

放大電路采用分壓式偏置的共發(fā)射極電路。

(2)相位平衡條件

可用瞬時(shí)極性法判斷出：uf與

ui

同相，即電路為正反饋，滿足相位平衡條件。

(3)振蕩頻率

振蕩頻率由LC回路的諧振頻率確定，振蕩頻率為：7.1正弦波振蕩電路7.1.3

LC正弦波振蕩電路

(4)電路特點(diǎn)由于電路的反饋電壓取自電容兩端，而電容對(duì)高次諧波的容抗較小，所以電路對(duì)高次諧波的正反饋比基波弱，使得輸出信號(hào)波形中的高次諧波成分少，波形較好。電路的振蕩頻率比較高，可達(dá)100MHz以上，在電視機(jī)等高頻設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。但電容三點(diǎn)式振蕩器電路的頻率調(diào)節(jié)不太方便，常用切換電感的方法來(lái)改變頻率，不能實(shí)現(xiàn)頻率的連續(xù)調(diào)節(jié)。若要實(shí)現(xiàn)頻率的連續(xù)調(diào)節(jié)，可在電感兩端并聯(lián)一個(gè)可變電容器，在小范圍內(nèi)進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。7.1正弦波振蕩電路7.1.3

LC正弦波振蕩電路彩電電調(diào)諧高頻頭的本振電路

7.1正弦波振蕩電路7.1.4石英晶體振蕩器彩電電調(diào)諧高頻頭的本振電路

1．石英晶體的特性

(1)石英晶體諧振器的結(jié)構(gòu)

石英晶體諧振器是從一塊石英晶體上按一定的方位角切下的薄片（稱為晶體）。其外形、結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖所示。7.1正弦波振蕩電路7.1.4石英晶體振蕩器

(2)石英晶體的壓電效應(yīng)

機(jī)械振動(dòng)和交變電場(chǎng)的幅度是極其微小的，只有在外加交變電壓的頻率等于石英晶片的固有振動(dòng)頻率時(shí)，振幅才會(huì)急劇增大，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。

(3)石英晶振的等效電路石英晶片的壓電諧振等效電路和LC諧振回路十分相似，其等效電路如圖所示。石英晶振的等效電路7.1正弦波振蕩電路7.1.4石英晶體振蕩器

(4)石英晶振的諧振頻率和諧振曲線

如圖所示，是石英晶體諧振器的電抗一頻率特性曲線，它個(gè)有兩個(gè)諧振頻率

fs和

fp，這兩個(gè)頻率非常接近，當(dāng)

fs<f<fp時(shí)，石英晶體呈感性，在其它的頻率范圍內(nèi)，石英晶體均呈容性。石英晶振的諧振頻率和諧振曲線7.1正弦波振蕩電路7.1.4石英晶體振蕩器

2.石英晶體振蕩器電路石英晶體振蕩器電路的基本形式有串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。串聯(lián)型石英晶體振蕩器電路并聯(lián)型石英晶體振蕩電路7.1正弦波振蕩電路7.1.4石英晶體振蕩器

可以根據(jù)需要加以選擇。一種實(shí)用的石英晶振電路如圖所示，調(diào)節(jié)可以微調(diào)輸出頻率，使振蕩器的信號(hào)頻率更為準(zhǔn)確。實(shí)用的石英晶振電路（皮爾斯電路）7.2非正弦波信號(hào)發(fā)生電路7.2.1方波信號(hào)發(fā)生器

1．電路組成

如圖所示，為方波信號(hào)發(fā)生器的基本電路。方波信號(hào)發(fā)生器的基本電路7.2非正弦波信號(hào)發(fā)生電路7.2.1方波信號(hào)發(fā)生器

2．電路工作原理同相輸入端的比較電壓為：同相端的比較電壓也隨之變?yōu)椋悍讲ㄐ盘?hào)的周期為：7.2非正弦波信號(hào)發(fā)生電路

7.2.2三角波信號(hào)發(fā)生器

1．電路組成

如圖所示，為一方波和三角波信號(hào)發(fā)生器的電路圖。方波和三角波信號(hào)發(fā)生器7.2非正弦波信號(hào)發(fā)生電路

7.2.2三角波信號(hào)發(fā)生器

2．工作原理

集成運(yùn)放A1的同相輸入端電壓up可由電位疊加原理可求出：

當(dāng)uo2達(dá)到某值正好使up由負(fù)值升到稍大于零時(shí)，過(guò)零電壓比較器A1輸出翻轉(zhuǎn)，使uo1迅速跳變到+UZ。此時(shí)up的值可由下式求出：7.2非正弦波信號(hào)發(fā)生電路

7.2.2三角波信號(hào)發(fā)生器

電壓比較器再次翻轉(zhuǎn)到-UZ時(shí)的up值為：

由此式可求出：

經(jīng)分析計(jì)算，可得方波和三角波信號(hào)的周期為：7.2非正弦波信號(hào)發(fā)生電路7.2.3鋸齒波信號(hào)發(fā)生器鋸齒波信號(hào)發(fā)生器7.3用專用集成電路構(gòu)成的信號(hào)發(fā)生器7.3.1集成時(shí)基電路555

集成時(shí)基電路555是一種數(shù)字電路和模擬電路混合型的中規(guī)模集成電路，其應(yīng)用十分廣泛?？梢越M成多種波形發(fā)生器、定時(shí)延時(shí)電路、雙穩(wěn)觸發(fā)電路、報(bào)警電路、檢測(cè)電路和頻率變換電路等。

集成時(shí)基電路555有雙極型和CMOS型兩大類。雙極型產(chǎn)品型號(hào)最后的三位數(shù)字都是555；CMOS產(chǎn)品型號(hào)最后四位數(shù)字都是7555，二者的邏輯功能和引腳排列完全相同，易于互換。標(biāo)有555型號(hào)的集成電路是單定時(shí)器，標(biāo)有556型號(hào)的集成電路是雙定時(shí)器，標(biāo)有558型號(hào)的集成電路內(nèi)部含四個(gè)定時(shí)器。7.3用專用集成電路構(gòu)成的信號(hào)發(fā)生器7.3.1集成時(shí)基電路555

集成時(shí)基電路555的內(nèi)部電路方框圖如圖所示，其引腳圖如圖所示。它含有兩個(gè)電壓比較器，一個(gè)基本的RS觸發(fā)器，一個(gè)放電開關(guān)管VT，比較器的參考電壓由三只5KΩ的電阻器構(gòu)成得分壓器提供。集成時(shí)基電路555的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)示意圖集成時(shí)基電路555的引腳排列7.3用專用集成電路構(gòu)成的信號(hào)發(fā)生器7.3.1集成時(shí)基電路5557.3用專用集成電路構(gòu)成的信號(hào)發(fā)生器7.3.2集成時(shí)基電路555的實(shí)際應(yīng)用

1.集成時(shí)基電路555組成的多諧振蕩器

多諧振蕩器又稱為無(wú)穩(wěn)態(tài)電路，集成時(shí)基電路555組成的多諧振蕩器的原理圖如圖所示。振蕩周期可用下式計(jì)算：555構(gòu)成的多諧振蕩器7.3用專用集成電路構(gòu)成的信號(hào)發(fā)生器7.3.2集成時(shí)基電路555的實(shí)際應(yīng)用

2.集成時(shí)基電路555組成的單穩(wěn)觸發(fā)器

集成時(shí)基電路555組成的單穩(wěn)觸發(fā)器的原理如圖所示。集成時(shí)基電路555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7.3用專用集成電路構(gòu)成的信號(hào)發(fā)生器7.3.2集成時(shí)基電路555的實(shí)際應(yīng)用

可見輸入一窄脈沖觸發(fā)，可得到一寬的矩形脈沖，通過(guò)改變

R、C的大小，可使延時(shí)時(shí)間在幾個(gè)微秒到幾十分鐘之間的變化，這種單穩(wěn)態(tài)電路可作為延時(shí)器使用。

暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間為：7.3用專用集成電路構(gòu)成的信號(hào)發(fā)生器7.3.2集成時(shí)基電路555的實(shí)際應(yīng)用

3.

集成時(shí)基電路555組成的雙穩(wěn)態(tài)電路

集成時(shí)基電路555組成的雙穩(wěn)態(tài)電路又稱為施密特觸發(fā)器，其組成電路和輸出波形如圖所示。5G8038多種函數(shù)信號(hào)發(fā)生集成電路7.3用專用集成電路構(gòu)成的信號(hào)發(fā)生器7.3.3用5G8038多種函數(shù)信號(hào)發(fā)生集成電路組成的信號(hào)發(fā)生器

1.5G8038多種函數(shù)信號(hào)發(fā)生集成電路的功能

如圖所示，為5G8038集成塊的封裝外形和引腳名稱，圖為5G8038的內(nèi)部電路的組成框圖。5G8038的內(nèi)部電路5G8038集成塊的引腳排列7.3用專用集成電路構(gòu)成的信號(hào)發(fā)生器7.3.3用5G8038多種函數(shù)信號(hào)發(fā)生集成電路組成的信號(hào)發(fā)生器

2．5G8038多種函數(shù)信號(hào)發(fā)生集成電路的應(yīng)用

如圖所示，為5G8038多種函數(shù)信號(hào)發(fā)生集成電路接成產(chǎn)生方波、三角波和正弦波信號(hào)的電路。

5G8038多種函數(shù)信號(hào)發(fā)生集成電路的8腳接在7腳上，電路輸出波形的頻率為：5G8038多種函數(shù)信號(hào)發(fā)生集成電路接成產(chǎn)生方波、三角波和正弦波信號(hào)的電路7.3用專用集成電路構(gòu)成的信號(hào)發(fā)生器7.3.3用5G8038多種函數(shù)信號(hào)發(fā)生集成電路組成的信號(hào)發(fā)生器5G8038組成多種函數(shù)信號(hào)發(fā)生器7.4鎖相環(huán)技術(shù)及其應(yīng)用

鎖相環(huán)技術(shù)可以使一個(gè)自激振蕩器所產(chǎn)生的信號(hào)的頻率和相位受基準(zhǔn)信號(hào)的控制，使振蕩信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)在頻率上保持相等，而在相位上保持一個(gè)固定的差值，這就是所謂的“鎖相技術(shù)”。實(shí)現(xiàn)鎖相技術(shù)在電路上往往是形成一個(gè)環(huán)路，該環(huán)路就稱之為“鎖相環(huán)”。實(shí)質(zhì)上，鎖相環(huán)就是一種反饋控制系統(tǒng)。7.4鎖相環(huán)技術(shù)及其應(yīng)用

1．鎖相環(huán)電路的基本組成

如圖所示，鎖相環(huán)電路由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三部分組成。7.4.1鎖相環(huán)電路鎖相環(huán)電路方框圖7.4鎖相環(huán)技術(shù)及其應(yīng)用

鑒相器是一個(gè)相位比較電路，它把輸入的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)ui與壓控振蕩器VCO的輸出信號(hào)uo進(jìn)行相位比較，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于兩信號(hào)相位差的誤差電壓ud，起到相位差—電壓的變換作用。

環(huán)路濾波器相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，它的作用是濾除鑒相器輸出的誤差電壓ud中的高頻成分和干擾信號(hào)，得到更純的控制電壓uc。

壓控振蕩器VCO是一個(gè)其振蕩頻率受控制電壓控制的振蕩器，實(shí)質(zhì)是一個(gè)電壓一頻率轉(zhuǎn)換電路。其振蕩頻率決定于控制電壓uC(t)，即決定于誤差電壓ud。7.4.1鎖相環(huán)電路7.4鎖相環(huán)技術(shù)及其應(yīng)用

2．鎖相環(huán)電路的特性

(1)鎖定特性

當(dāng)壓控振蕩器的輸出頻率

fo和鑒相器的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)頻率

fi有一個(gè)較小的頻率差時(shí)，鑒相器會(huì)檢測(cè)出兩信號(hào)的相位差并輸出一個(gè)誤差電壓，此電壓經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器加到壓控振蕩器上，使振蕩器的振蕩頻率向減小頻率差的方向改變，這個(gè)過(guò)程稱之為“頻率牽引”。

(2)跟蹤特性

鎖相環(huán)一旦進(jìn)入鎖定狀態(tài)，就能對(duì)輸入信號(hào)在一定范圍內(nèi)的頻率變化具有良好的跟蹤性，使振蕩器的振蕩頻率隨著輸入信號(hào)頻率的變化而變化。7.4.1鎖相環(huán)電路7.4鎖相環(huán)技術(shù)及其應(yīng)用

如圖所示，是CC4046的引腳排列圖和內(nèi)部框圖，外接的元件