模拟电子技术_第7章_波形产生电路B.doc

第7章 波形产生电路
第7章 波形产生电路
7.1 教学基本要求

主 要 知 识 点
教 学 基 本 要 求
熟练掌握
正确理解
一般了解
正弦波信号发生器
   正弦波自激振荡的基本原理

  √

   正弦波信号发生器的分析方法
√

   RC 型正弦波信号发生器
√

   LC型正弦波信号发生器

√

   石英晶体振荡器

√
非正弦波信号发生器
   非正弦波信号发生器的分析方法
√

   方波、三角波和锯齿波发生器

√

7.2 重点和难点
一、重点
RC串并联（桥式）正弦波振荡电路的分析。
二、难点
非正弦波振荡电路的分析。
7.3 知识要点
正弦波振荡器的振荡条件
RC正弦波振荡电路
信号产生电路 LC正弦波振荡电路
石英晶体振荡器
非正弦波发生器
7.4 内容提要
一、正弦波振荡器的振荡条件
在放大电路中，为了改善电路的动态性能，通常引入负反馈。当电路的附加相移达到180o，负反馈变为正反馈时，电路就会出现自激振荡，这是有害的，应该消除。在振荡电路中，人为引入正反馈，并使反馈环路增益满足一定要求，在没有输入信号的情况下，电路可以振荡起来。
1．起振条件
振荡电路没有输入信号，起始信号来源于电源刚接通时的扰动，而这种扰动信号一般比较微弱。故要使振荡电路能够振荡起来，除了满足正反馈条件（相位条件）外，还要满足幅值条件，故起振条件为：
其中 相位条件：
幅值条件：
2．平衡振荡条件
当电路振荡起来之后，为了维持等幅振荡，电路必须满足平衡振荡条件：

其中 相位条件：
幅值条件：
3．选频网络
在满足起振条件的情况下，振荡电路在接通直流电源瞬间，感应初始扰动或噪声，就可以振荡起来。但这个初始扰动或噪声是随机信号，可以看作是不同频率的正弦量的叠加。要使振荡电路产生单一频率的正弦信号，就需要加一个选频网络将某一特定频率的信号选择出来。在振荡电路中，选频网络常常就是正反馈网络。根据选频网络的不同，可将振荡电路分为RC振荡器、LC振荡器、石英晶体振荡器。
4．稳幅环节
振荡电路满足起振条件后，输出信号将随时间的增长而增大。当输出幅值达到一定程度后，会进入放大管的非线性区，将造成放大电路的电压增益下降，可使振荡的幅值平衡条件自动满足，但这会造成输出信号的失真。为了减少这种非线性失真，常常加一个非线性负反馈作为稳幅环节。这个稳幅环节在输出信号的幅度较小时，负反馈较弱；在输出信号的幅度较强时，负反馈较强，使电压增益降低较多。这可以用热敏电阻来实现。
5．正弦波振荡器的组成
正弦波振荡器一般由放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅环节四部分组成。选频网络既可以包含在放大电路中，也可以包含在正反馈网络中。稳幅环节一般由放大电路中的非线性元件（放大管）或者增加非线性负反馈网络实现。
6．正弦波振荡器的分析方法
（1）检查正弦振荡器是否具有放大、反馈、选频、稳幅4个基本环节。
（2）分析放大电路是否能正常放大。
对于分立元件电路，首先估计静态工作点是否合适，其次分析交流通路能否正常传递信号。对于运放则检查输入端是否有直流通路。
（3）判断振荡器是否满足相位平衡条件。
分别求出放大电路的相移和正反馈网络的相移，看其是否满足相位平衡条件。或直接用瞬时极性法判断是否为正反馈。
在判断相位条件时应注意：①如果原电路比较复杂，可画出交流通路，再用瞬时极性法判断是否为正反馈；②判定选频网络的输出与输入的相位关系时，应以时的相位关系为准。例如RC串并联网络在时的相移为零；LC选频网络谐振时，谐振回路呈阻性；并联型石英晶体振荡电路中，石英晶体呈感性，而串联型石英晶体振荡电路中，石英晶体呈低阻性（串联谐振）。
（4）检查振荡器是否满足幅值起振条件和平衡条件，并由此确定相关的放大电路和反馈网络参数。
二、RC正弦波振荡器
RC振荡器是用电阻、电容构成选频网络。通过特殊的连接方式，电阻电容也可以实现选频和移相作用，使振荡器实现正反馈。RC振荡器一般用于频率不高的场合（1MHz以下）。常见的几种RC正弦波振荡器如表7-1所示。
表7-1

桥式振荡器
移相式振荡器
双T网络振荡器

电路

选频网
络特点

，

放大
要求
，

原理

概述
选频电路具有带通特点，当时，正反馈最强，，相移。只要放大电路的就可以起振。由于具有负反馈稳幅环节，稳定后，输出波形失真较小。
三级RC移相网络在特定频率时产生180o的相移，只要反相放大电路增益合适就可以满足起振条件。由于移相网络选择性差，故输出正弦波质量较差。
选频网络具有带阻特性，当时，相移为180o。由于选频网络的幅值较低，整个电路的电压增益要足够大时，才可在的频率处振荡起来。输出的正弦波失真最小。
应用
频率调节方便，输出波形好，应用最广。
输出波形较差，应用在对波形要求不高的场合。
频率调节困难，应用在单一频率且输出波形要求高的场合。
三、LC正弦波振荡电路
当需要实现较高频率的正弦波输出时，一般采用LC振荡器。LC振荡器是由电感、电容构成并联谐振电路，实现选频作用。谐振时，LC选频网络阻抗最大，且相当于一个电阻，相移为零，其谐振频率为。选频特性由品质因素决定，值越大，选择性越好。常用的几种连接形式如表7-2所示。
表7-2

变压器耦合式
电感三点式
电容三点式
改进电容三点式

电
路

振荡
频率

特点
结构复杂，分布电容大，频率在几兆赫到十几兆之间。
输出信号高次谐波分量较大，波形质量较差。
输出波形好。但频率调节不方便，且频率稳定性差。
输出波形好，改变就可以改变频率，且频率稳定性高，应用较广。
四、石英晶体振荡器
当要产生频率特别稳定的正弦信号时，就要采用石英晶体振荡器。石英晶体的等效电路如图7-1所示，对应的电抗特性如图7-2所示。石英晶体的频率稳定性很高，稳定度可达。

石英晶体可以连接成并联型和串联型两种正弦波振荡器。在并联型振荡器中，一般接成电容三点式，石英晶体当作一个电感使用，而振荡频率近似为石英晶体的串联谐振频率，即。在串联型振荡器中，石英晶体直接工作在串联谐振点，相当于一个阻值很小的电阻。振荡频率为。
五、非正弦波发生器
非正弦波发生器有方波发生器，三角波发生器，锯齿波发生器。通常由电压比较器、反馈网络、延迟环节或积分环节等组成。
在方波发生器中，当RC积分电路充电和放电时间常数不等时，高电平和低电平的持续时间不相等，电路输出信号为矩形波。在三角波发生器中，当积分电路的充、放电时间常数不等时，电路输出为锯齿波。
方波或矩形波的输出幅值取决于电压比较器的输出电压。当比较器的输出有稳压管时，输出电压幅值等于稳压管的稳压值，即；如果没有稳压管，输出电压幅值则等于运放的输出饱和电压，即。三角波和锯齿波的输出电压幅值取决于电压比较器的阈值电压。
几种非正弦波发生器的电路和主要指标如表7-3所示。
表7-3

电路
振荡周期
输出幅值

方波
发生器

方波
三角波
发生器

为方波，为三角波

锯齿波
发生器

为矩形波，为锯齿波

7.4 典型例题分析
[例7-1]电路如例7-1图所示。
（1）用相位平衡条件判断电路能否产生正弦波振荡；（2）若能振荡，电阻和的阻值应有何关系？振荡频率是多少？（3）为了稳幅，电路中哪个电阻可采用热敏电阻，其温度系数如何？
解：（1）电路中的反馈信号可以看作从T1的栅极输入，从T2的集电极输出。放大电路是两级，第一级是共源放大电路，相移为180o，第二级是共射放大电路，相移也为180o，故放大电路总相移。该正弦波振荡电路的选频网络为RC串并联电阻网络，其相移范围为（－90o～＋90o），当频率为时，相移。则，满足相位平衡条件，电路能振荡。
（2）RC串并联电阻网络当频率时，反馈系数。要让振荡器振荡起来，必须满足起振的幅值条件即，即。
T1、T2构成的放大电路是具有级间反馈的多级放大电路，级间反馈类型为电压串联负反馈。根据深度负反馈条件，电压放大倍数的估算，有

则
振荡频率
（3）为了稳定输出幅度，当输出电压信号幅度增大时，放大电路的增益要减小，最后稳定在，故或可采用热敏电阻。当采用热敏电阻时，输出信号增大（温度升高）时，应该增大，故需要选用正温度系数。当采用热敏电阻时，输出信号增大（温度升高）时，应该减小，故要选用负的温度系数。
[例7-2]在例7-2图所示的电路中，、、的电容值足够大，对于交流而言可看作短路。试问图中哪些电路有可能产生自激振荡？若不能振荡，请加以改正并写出振荡频率的表达式。

解：图（a）中放大电路是共射接法，LC并联谐振网络接在集电极，反馈取自电容C1，连接到基极。由瞬时极性法，可知本电路的反馈是负反馈，不满足振荡的相位平衡条件，故而不可能产生振荡。
为满足相位平衡条件，可将放大电路改为共基极接法，修改后的电路如例7-2解图（a）。
此为电容三点式，振荡频率为：

其中
图（b）中放大电路是共射接法，LC并联谐振网络是选频网络兼反馈网络。静态时，基极对地之间被L2短路，晶体管发射极不能正偏。应在基极反馈回路串接隔直电容CB。动态时，集电极对地短路，信号无法传送到选频网络；另外由瞬时极性法，可知本电路的反馈是负反馈，不满足振荡的相位平衡条件，故而不可能产生振荡。修改后的电路如例7-2解图（b）所示。
此为电感三点式，振荡频率为：

其中
图（c）中放大电路是共基接法，LC并联谐振网络是反馈网络。由于电路没有反馈回路，故而不可能产生振荡。改正方法很简单，只要在晶体管发射极与电容C1、C2之间增加一根连线，电路就满足相位平衡条件。修改后的电路如例7-2解图（c）。
此为电容三点式，振荡频率为：

其中

[例7-3]某收音机的本振电路如例7-3图所示。试标明该电路振荡线圈中两个绕组的同名端，并估算振荡频率的可调范围。
解：本电路的放大电路是共基接法，LC并联谐振网络是选频网络，反馈信号取自电感2、3之间，通过耦合电容连到晶体管发射极。用瞬时极性法可以判断，只要1和5信号极性相同，电路就是正反馈，满足相位平衡条件。故5端和1端为同名端。
谐振电容值

振荡频率

[例7-4]矩形波发生器如例7-4图所示。运放的电源为＋15V（单电源供电），其最大输出电压，最小输出电压，其它特性都是理想的。
（1）画出输出电压和电容电压的波形；（2）求出的最大值和最小值。
解：由节点法可求得运放同相端的电压：

当，，此即为比较器的正向阈值电压。
当，，此即为比较器的反向阈值电压。
（1）方波发生器的输出电压即为运放的最大输出电压和最小输出电压两种。电容两端的电压随输出电压的不同而充电（当）和放电（当）。运放的输出电压又会随电容电压的不同而翻转，当电容电压小于，输出为高电平；当电容电压大于时，输出为低电平。输出电压和电容电压的波形如例7-4解图。
（2）由上面的分析可知，，。

7.5 习题及其解答(供参考)
一、自测题
7-1 思考题
（1）试说明正弦波振荡器的组成、振荡条件和分析要点？
答：正弦波振荡器是由放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节组成。
振荡条件为，包括幅度条件和相位条件，即和（）。
分析要点为：（i）检查振荡器是否具有振荡器的几个基本环节，即是否有放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅环节（选频网络常和正反馈网络合而为一，有些振荡器没有单独的稳幅部分）。（ii）检查放大电路是否具有合适的静态工作点。（iii）判断振荡器是否满足正反馈自激振荡的相位平衡条件。
（2）试说明常见振荡器的种类和分析方法？
答：振荡器可分为串并联(文式桥)振荡器、移相式振荡器和双T网络振荡器。
其分析方法为：i.判断能否产生正弦波振荡。首先检查是否具备正弦波振荡的组成部分，即是否具有放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅网络；其次检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正常工作；第三是分析电路是否满足自激振荡的条件。ii.求振荡频率和起振条件：振荡频率是由相位平衡条件所决定，而起振条件则由幅度平衡条件的关系式求得。
（3）试说明常用振荡器的类型和分析方法？
答：常见的振荡器分为变压器反馈式、电容三点式、电感三点式三种。
其分析方法同RC振荡器。
（4）什么叫三点式振荡器？
答：三点式振荡器就是将LC回路的三个引出端子分别与三极管(或其他放大器件)的三个管脚相连。
（5）试说明石英晶体振荡器的电路类型和电路中晶体的作用？
答：石英晶体振荡器的电路类型包括并联晶体振荡器和串联晶体振荡器。由于石英晶体具有极高的Q值，因此，由它组成的石英晶体振荡器可获得很高的频率稳定度。
（6）试说明非正弦波振荡器的组成和工作特点？
答：非正弦波振荡器是由电容器、电阻和运算放大器组成。其工作原理是将运算放大器接成滞回比较器，利用电容充放电使得输出电压不断翻转。
（7）试说明串联谐振和并联谐振回路的组成和特点？
串联谐振电路：电感L、电容C和信号源相串联的线性选频网络。
特点：1.谐振时回路的阻抗最小，且
2. 谐振时的回路电流最大，且与信号源同相。
3. 谐振时电阻上的电压，与信号源大小相等，相位相同。
4. 电路在谐振时，电容C上的电压与电感L上的电压相位相反、大小相等，都等于电源电压的Q倍。
并联谐振电路：电感L、电容C和信号源相并联的电路。
特点：
1.谐振时回路的阻抗最大，且
2. 谐振时的回路端电压最大，且与信号源同相。
3. 电路在谐振时，电容支路和电感支路的电流几乎大小相等、相位相反。二者的大小近似等于激励电流源的Q倍。
所以当串联或并联谐振电路不是调节在信号频率点时，信号通过它将会产生相移(即相位失真)。
7-2 正误判断题（正确的打√，错误的打）
（1）在图7-40所示方框图中，只要、同符号，就可能产生正弦波振荡。（ ）
（2）因为RC串并联选频网络作为反馈网络时的，单管共集放大电路的。满足正弦波振荡的相位条件，故合理连接它们可以构成正弦波振荡电路。（ √ ）
（3）电路只要满足，就一定会产生正弦波振荡。（ ）
（4）负反馈放大电路不可能产生自激振荡。（ ）
（5）在LC振荡器中，不采用通用型运放作放大电路是由于其上限频率太低。（ √ ）
（6）只要集成运放引入正反馈，就一定工作于非线性区。（ ）
（7）正弦波振荡器和非正弦波振荡器在电路构成上是完全不同的。（ √ ）
7-3 填空题
（1）LC并联网络在谐振时呈 B ，在信号频率大于谐振频率时呈 A ，在信号频率小于谐振频率时呈 C 。
（2）当信号频率等于石英晶体串联谐振频率时，石英晶体呈 B ，当信号频率在石英晶体的串联谐振和并联谐振频率之间时，石英晶体呈 C ，其它情况下石英晶体呈 A 。
（3）当信号频率时，RC串并联网络呈 B 。
（以上三个填空题的备选答案为：A. 容性 B. 阻性 C. 感性 ）

（4）要使一个正弦波振荡器从小到大建立振荡，必须满足 C 。
（5）一个正弦波振荡器振荡建立起来，且达到平衡时，必须满足 B 。
（以上两个填空题的备选答案为：A. B. C.）
（6）一般RC振荡器用来产生 低频 信号（高频、低频），LC振荡器用来产生 高频 信号（高频、低频），当振荡频率的稳定度要求较高时，一般采用 石英晶体 振荡器。（LC、RC、石英晶体）
（7）要使一个正弦波振荡器振荡，必须满足相位条件，即要形成 正 反馈（正、负）。
（8）已知图7-41（a）所示方框各点的波形如图7-41（b）所示，填写各电路的名称。
电路1为 正弦波发生器电路 ，电路2为矩形波发生器电路/过零比较器电路，电路3为 三角波发生器电路/积分电路 ，电路4为 比较器电路/滞回比较器电路/双限比较器电路 。
二、习题
7-4 用相位平衡条件判断图7-42所示的电路是否有可能产生正弦波振荡，并简述理由，假设耦合电容和射极旁路电容很大，可视为对交流短路。

解：对于图7-42（a），不能产生正弦波振荡，因为放大器只有移相，而RC串并联选频网络在谐振点相移，构成负反馈，故不满足相位条件。对于图7-42（b），放大器只有移相，而RC串并联选频网络在谐振点相移，构成负反馈，故不满足相位条件。对于图7-42（c），可以产生正弦波振荡，因为在谐振点放大电路和选频网络的相移为，构成正反馈。对于图7-42（d）中，可以产生正弦波振荡，因为在谐振点放大电路和选频网络的相移为零，构成正反馈。
7-5 为了使图7-43所示的电路产生正弦波振荡，图中j、k、m、n四点应如何连接（或不连）？应如何选取？振荡频率为多少？设耦合电容和射极旁路电容很大，可视为对交流短路。

解：为了使电路能产生正弦波振荡，图中的k点应与n相接，这样可形成正反馈，而j可接到n上构成电压串联负反馈，稳定输出电压。
设电路处于深度负反馈状态，则其闭环电压增益为

而RC选频网络的反馈系数为，为了满足幅度条件，则有，故，则可得

其振荡频率为
7-6 正弦波振荡电路如图7-44所示，试求：
（1）热敏电阻应采用正的还是负的温度系数？ 并说明理由。
（2）估算的阻值。
（3）若双联可变电容从变化到时，振荡频率的调节范围多大？
解：（1）热敏电阻应采用正的温度系数，因为当输出电压增加时，反馈电流增大，热敏电阻阻值增加，使得负反馈加强，放大电路的增益下降，从而使得输出电压降低。反之，当输出电压下降，通过热敏电阻的调节作用，使得输出电压增大，因此采用正的温度系数的热敏电阻可以维持输出电压基本恒定。
（2）由可得，
（3）若双联可变电容为时，振荡频率为

若双联可变电容为时，振荡频率为

故振荡频率调节范围为（1.33kHz~2.65kHz）
7-7 试用相位平衡条件判断图7-45（a）、（b）所示电路能否振荡，并简述理由。

解：对于图7-45（a）所示电路可以产生振荡，因为集成运算放大器的移相为，而每节RC移相电路相位移为0～，故三节RC移相电路可能满足，形成正反馈。
对于图7-45（b）所示电路不能产生振荡，因为集成运算放大器的移相为，而每节RC移相电路相位移0～，故两节RC移相为，因此，不能形成正反馈。
7-8 根据相位平衡条件判别图7-46中的两个电路是否可能产生正弦波振荡？

解：对于图7-46（a）可以产生正弦波振荡，因为N2线圈引入的反馈为正反馈；对于图7-46（b）可以产生正弦波振荡，因为N2线圈引入的反馈为正反馈。
7-9 试标出图7-47（a）、（b）所示两个电路中变压器的同名端，使之满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。

题7-9解图
解：电路如题7-9解图所示。
7-10 试将图7-48（a）、（b）所示电路中的j、k、m、n各点正确连接，使它们成为正弦波振荡电路，并指出它们属于哪种类型的振荡电路。

图7-48 题7-10图

解：对于图7-48（a），将n和k、m和j连在一起，构成电容三点式振荡电路；对于图7-48（b），将n和m、k和j连在一起，构成电感三点式振荡电路。
7-11 试检查图7-49中的正弦波振荡电路是否有错误，如有错误请指出并在图上予以改正。

图7-49 题7-11图

题7-11解图
解：对于图7-49（a）中的同名端标错，正确电路如题7-11解图（a）所示。对于图7-49（b）和图7-49（c），应在电感反馈回路中加耦合电容。
7-12 图7-50（a）、（b）所示为三点式振荡器的原理电路，为满足相位平衡条件，试在括号内标明运算放大器输入端的极性。

解：如图

7-13 试用相位平衡条件判断图7-51所示的电路能否产生正弦波振荡。如可能振荡，指出它们是属于串联型还是并联型石英晶体振荡电路，如不能振荡，请加以改正。图中、为旁路电容，为耦合电容，RFC为高频扼流圈。

图7-51 题7-13图
解：对于图7-51（a），能产生正弦波振荡，此时为串联型石英振荡电路。对于图7-51（b）能产生正弦波振荡，此时为并联型石英振荡电路。
7-14 试用相位平衡条件判断图7-52电路能否产生正弦波振荡？若能振荡，试计算其振荡频率，并指出其属于哪种类型的振荡电路。
解：此电路可以产生正弦波振荡，属于电容三点式振荡电路。其振荡频率为

7-15 在图7-53所示的三角波发生器中，设稳压管的稳压值，，,。
（1）若要求输出三角波的幅度，振荡周期，试选择电容和电阻的值。
（2）试画出、的波形，并标明其振荡幅度和周期。
解：（1）输出电压的幅度为

故
而由其振荡周期可得

（2）输出、的波形如题7-15解图所示。

7-16 图7-54所示是一个三角波发生电路，为了实现以下的几种不同要求，和应作哪些调整？
（1）端输出对称矩形波，端输出对称三角波；
（2）对称的矩形波以及三角波的电平可以移动（例如使波形上移）；
（3）输出矩形波的占空比可以改变（例如占空比减小）。
解：（1）和接地；
（2）加一可调电压，接地；
（3）输出矩形波的占空比可调电路：
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