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1、第第7章章信信号号产产生生电电路路7.1 正弦波信号振荡电路正弦波信号振荡电路7.2 非正弦波信号振荡电路非正弦波信号振荡电路7.3 集成函数产生器集成函数产生器8038的功能及应用的功能及应用7.4 应应 用用 电电 路路 举举 例例7.1正弦波信号振正弦波信号振荡电荡电路路7.1.1 正弦波信号振正弦波信号振荡电荡电路的基本概念路的基本概念1.正弦波信号振正弦波信号振荡电荡电路的路的产产生条件生条件正弦波振荡电路是一个没有输入信号正弦波振荡电路是一个没有输入信号的带选频环节的正反馈放大电路。的带选频环节的正反馈放大电路。图7.1 正弦波信号振荡电路方框图（1）正弦波振）正弦波振荡荡的平衡条
2、件的平衡条件作作为为一一个个稳稳态态振振荡荡电电路路，相相位位平平衡衡条条件和振幅平衡条件必件和振幅平衡条件必须须同同时时得到得到满满足。足。（2）正弦波振）正弦波振荡荡的起振条件的起振条件|AF|1.2.正弦波信号振正弦波信号振荡电荡电路的路的组组成成一个正弦波振一个正弦波振荡荡器主要由以下几个部分器主要由以下几个部分组组成。成。（1）放大）放大电电路路（2）正反）正反馈馈网网络络（3）选频选频网网络络（4）稳稳幅幅环节环节3.正弦波信号振正弦波信号振荡电荡电路的分路的分类类根据选频网络构成元件的不同，可把根据选频网络构成元件的不同，可把正弦信号振荡电路分为如下几类：选频网正弦信号振荡电路分
3、为如下几类：选频网络若由络若由RC元件组成，则称元件组成，则称RC振荡电路；振荡电路；选频网络若由选频网络若由LC元件组成，则称元件组成，则称LC振荡电振荡电路；选频网络若由石英晶体构成，则称为路；选频网络若由石英晶体构成，则称为石英晶体振荡器石英晶体振荡器7.1.2 RC桥桥式正弦波振式正弦波振荡电荡电路路采用采用RC选频网络构成的选频网络构成的RC振荡电路，振荡电路，一般用于产生一般用于产生1Hz1MHz的低频信号。的低频信号。1.RC串并串并联选频联选频网网络络由相同的由相同的RC元件组成的串并联选频网元件组成的串并联选频网络如图络如图7.2所示。所示。图7.3 RC串并联选频网络幅频特
4、性和相频特性 2.RC桥桥式振式振荡电荡电路的路的组组成成将将RC串串并并联联选选频频网网络络和和放放大大器器结结合合起起来来即即可可构构成成RC振振荡荡电电路路，放放大大器器件件可可采采用用集集成成运运算算放放大大器器，也也可可采采用用分分离离元元件件构构成成。图图7.4(a)所所示示为为由由集集成成运运算算放放大大器器构构成成的的RC桥桥式式振振荡荡电电路路，图图中中RC串串并并联联选选频频网网络络接接在在运运算算放放大大器器的的输输出出端端和和同同相相输输入入端端之之间间，构成正反馈；构成正反馈；图图7.4RC桥式振荡电路图桥式振荡电路图 Rf和和R1接接在在运运算算放放大大器器的的输输
5、出出端端和和反反相相输输入入端端之之间间，构构成成负负反反馈馈。正正反反馈馈电电路路与与负负反反馈馈电电路路构构成成一一文文氏氏电电桥桥电电路路，如如图图7.4(b)所所示示，运运算算放放大大器器的的输输入入端端和和输输出出端端分分别别跨跨接接在在电电桥桥的的对对角角线线上上，形形成成四四臂臂电电桥桥。所所以以，把这种振荡电路称为把这种振荡电路称为RC桥式振荡电路。桥式振荡电路。图图7.4RC桥式振荡电路图桥式振荡电路图3.RC桥桥式振式振荡电荡电路的振路的振荡荡特性特性（1）相位平衡条件）相位平衡条件 （2）振幅平衡条件振幅平衡条件（3）振）振荡频荡频率率 （4）振）振荡荡的建立的建立过过程
6、程 （5）稳稳幅幅过过程程 （6）RC桥桥式式正正弦弦波波振振荡荡电电路路中中振振荡频荡频率的率的调节调节负负反反馈馈支支路路中中采采用用热热敏敏电电阻阻后后不不但但使使RC桥桥式式振振荡荡电电路路的的起起振振容容易易，振振幅幅波波形形改改善善，同同时时还还具具有有很很好好的的稳稳幅幅特特性性，所所以以，实实用用RC桥桥式式振振荡荡电电路路中中热热敏敏电电阻阻的的选选择择是是很很重重要要的的。RC桥桥式式正正弦弦波波振振荡荡电电路路输输出出电电压压稳稳定定，波波形形失失真真小小，频频率率调调节节方方便便。因因此此，在在低低频频标标准准信信号号发发生生器器中中都都有有它它构构成成的振的振荡电荡电
7、路。路。7.1.3 LC正弦波振正弦波振荡电荡电路路正正弦弦振振荡荡电电路路选选频频网网络络由由LC谐谐振振元元件件组组成成，称称LC正正弦弦波波振振荡荡电电路路。LC振振荡荡电电路路产产生生频频率率高高于于1MHz的的高高频频正正弦弦信信号号。根根据据反反馈馈形形式式的的不不同同，LC正正弦弦波波振振荡荡电电路路可可分分为为互互感感耦耦合合式式(变变压压器器反反馈馈式式)、电电感感三三点点式、式、电电容三点式等几种容三点式等几种电电路形式。路形式。1.LC并并联谐联谐振回路振回路在选频放大器中，经常用到图在选频放大器中，经常用到图7.5所示所示的的LC并联谐振回路。并联谐振回路。图7.5 L
8、C并联谐振回路 图7.6 LC并联谐振回路的谐振曲线 2.互互感感耦耦合合式式(变变压压器器反反馈馈式式)LC正弦波振正弦波振荡电荡电路路变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路原理图振荡电路原理图如图如图7.7所示。所示。图7.7 变压器反馈式LC振荡电路 3.三点式三点式LC正弦波振正弦波振荡电荡电路路三点式振荡电路的连接规律如下：对三点式振荡电路的连接规律如下：对于振荡器的交流通路，与三极管的发射极于振荡器的交流通路，与三极管的发射极或者运放的同相输入端相连的或者运放的同相输入端相连的LC回路元件，回路元件，其电抗性质相同（同是电感或同为电容）；其电抗性质相同（同是电感或同为电容）；与三极管
9、的基极和集电极或者运放的反相与三极管的基极和集电极或者运放的反相输入端和输出端相连的元件，其电抗性质输入端和输出端相连的元件，其电抗性质必相反（一个为电感，另一个为电容）。必相反（一个为电感，另一个为电容）。可以证明，这样连接的三点式振荡电路一可以证明，这样连接的三点式振荡电路一定满足振荡器的相位平衡条件。定满足振荡器的相位平衡条件。（1）电电感三点式感三点式LC振振荡电荡电路路电电感感三三点点式式振振荡荡电电路路原原理理电电路路如如图图7.8所所示示。图图7.8电电感三点式感三点式电电路路图图（2）电电容三点式容三点式LC振振荡电荡电路路电容三点式振荡电路原理如图电容三点式振荡电路原理如图7
10、.9所示，所示，由图可见，其电路构成与电感三点式振荡由图可见，其电路构成与电感三点式振荡电路基本相同，不过正反馈选频网络由电电路基本相同，不过正反馈选频网络由电容容C1、C2和电感和电感L构成，反馈信号构成，反馈信号Uf取自电取自电容容C2两端，故称为电容三点式振荡电路，两端，故称为电容三点式振荡电路，也称为电容反馈式振荡电路。也称为电容反馈式振荡电路。图7.9 电容三点式电路图 图图7.10所示为改进型电容三点式振荡电路。所示为改进型电容三点式振荡电路。图7.10 改进型电容三点式电路 分分析析三三种种LC正正弦弦波波振振荡荡电电路路能能否否正正常常工工作作的步的步骤骤可可归纳归纳如下：如下
11、：（1）检检查查电电路路是是否否具具备备正正弦弦波波振振荡荡器器的的基基本本组组成成部部分分，即即基基本本放放大大器器和和反反馈馈网网络络，并并且有且有选频环节选频环节。（2）检检查查放放大大器器的的偏偏置置电电路路，看看静静态态工工作作点是否能确保放大器正常工作。点是否能确保放大器正常工作。（3）分析振荡器是否满足振幅平衡条件和）分析振荡器是否满足振幅平衡条件和相位平衡条件相位平衡条件(主要看是否满足相位平衡条主要看是否满足相位平衡条件，即用瞬时极性法判别是否存在正反馈件，即用瞬时极性法判别是否存在正反馈)。7.1.4 石英晶体振石英晶体振荡电荡电路路1.石英晶体的基本特性和等效石英晶体的基
12、本特性和等效电电路路 天天天天然然然然的的的的石石石石英英英英是是是是六六六六菱菱菱菱形形形形晶晶晶晶体体体体，其其其其化化化化学学学学成成成成分分分分是是是是二二二二氧氧氧氧化化化化硅硅硅硅(SiOSiO2 2)。石石石石英英英英晶晶晶晶体体体体具具具具有有有有非非非非常常常常稳稳稳稳定定定定的的的的物物物物理理理理和和和和化化化化学学学学性性性性能能能能。从从从从一一一一块块块块石石石石英英英英晶晶晶晶体体体体上上上上按按按按一一一一定定定定的的的的方方方方位位位位角角角角切切切切割割割割，得得得得到到到到的的的的薄薄薄薄片片片片称称称称“晶晶晶晶片片片片”。晶晶晶晶片片片片通通通通常常常
13、常是是是是矩矩矩矩形形形形，也也也也有有有有正正正正方方方方形形形形。在在在在晶晶晶晶片片片片两两两两个个个个对对对对应应应应的的的的表表表表面面面面用用用用真真真真空空空空喷喷喷喷涂涂涂涂或或或或用用用用其其其其他他他他方方方方法法法法涂涂涂涂敷敷敷敷上上上上一一一一层层层层银银银银膜膜膜膜，在在在在两两两两层层层层银银银银膜膜膜膜上上上上分分分分别别别别引引引引出出出出两两两两个个个个电电电电极极极极，再再再再用用用用金金金金属属属属壳壳壳壳或或或或玻玻玻玻璃璃璃璃壳壳壳壳封封封封装装装装起起起起来来来来，就就就就构构构构成成成成了了了了一一一一个个个个石石石石英英英英晶晶晶晶体体体体谐谐
14、谐谐振振振振器器器器。它它它它是是是是晶晶晶晶体体体体振振振振荡荡荡荡器器器器的核心元件。的核心元件。的核心元件。的核心元件。晶体谐振器的代表符号如图晶体谐振器的代表符号如图7.12（a）所示，它可用一个所示，它可用一个LC串并联电路来等效，串并联电路来等效，如图如图7.12（b）所示。其中）所示。其中C0是晶片两是晶片两表面涂敷银膜形成的电容，表面涂敷银膜形成的电容，L和和C分别模拟分别模拟晶片的质量晶片的质量(代表惯性代表惯性)和弹性，晶片振动和弹性，晶片振动时因摩擦而造成的损耗用电阻时因摩擦而造成的损耗用电阻R来代表。来代表。从图从图7.12（b）所示的等效电路可得到）所示的等效电路可得
15、到它的电抗与频率之间的关系曲线，称晶体它的电抗与频率之间的关系曲线，称晶体谐振器的电抗频率特性曲线，如图谐振器的电抗频率特性曲线，如图7.12（c）所示。）所示。图7.12 晶体谐振器的等效电路 2.石英晶体振石英晶体振荡电荡电路路用用石石英英晶晶体体构构成成的的正正弦弦波波振振荡荡电电路路的的基基本本电电路路有有两两类类：一一类类是是石石英英晶晶体体作作为为一一个个高高Q值值的的电电感感元元件件，和和回回路路中中的的其其他他元元件件形形成成并并联联谐谐振振，称称为为并并联联型型晶晶体体振振荡荡电电路路；另另一一类类是是石石英英晶晶体体作作为为一一个个正正反反馈馈通通路路元元件件，工工作作在在
16、串串联联谐谐振振状状态态，称称为为串串联联型晶体振型晶体振荡电荡电路。路。图图7.13所示为一种并联晶体振荡电路。所示为一种并联晶体振荡电路。图7.13 并联晶体振荡电路 图7.14 串联晶体振荡电路 7.2非正弦波信号振非正弦波信号振荡电荡电路路在在自自动动化化、电电子子、通通信信等等领领域域中中，经经常常需需要要进进行行性性能能测测试试和和信信息息的的传传送送等等，这这些些都都离离不不开开一一些些非非正正弦弦信信号号。常常见见非非正正弦弦信信号号产产生生电电路路有有方方波波、三三角角波波、锯锯齿齿波波产产生生电电路路等等。本本节节将将重重点点介介绍绍方方波波产产生生电电路路和和锯齿锯齿波波
17、产产生生电电路的基本工作原理。路的基本工作原理。1.方波方波产产生生电电路路用用滞滞回回比比较较器器构构成成的的方方波波产产生生电电路路如如图图7.15(a)所所示示。两两个个稳稳压压管管的的作作用用是是将将输输出出电电压压钳钳位位在在某某个个特特定定的的电电压压值值，它它的的指指导导思思想想是是利利用用电电容容两两端端的的电电压压作作比比较较，来来决决定定电电容容是是充充电电还还是是放放电电。图图中中R和和C为为定定时时元元件件，构构成成积积分分电电路路。由由于于方方波波包包含含极极丰丰富富的的谐谐波波，因因此此方方波波产产生生电电路又称路又称为为多多谐谐振振荡荡器。器。图图7.15方方波波
18、产产生生电电路路还还可可利利用用压压控控方方波波产产生生电电路路来来获获取取方方波波。通通常常将将输输出出信信号号频频率率与与输输入入控控制制电电压压成成正正比比的的波波形形产产生生电电路路称称为为压压控控振振荡荡器器，它它的的应应用用也也十十分分广广泛泛。若若用用直直流流电电压压作作为为控控制制电电压压，压压控控振振荡荡器器可可制制成成频频率率调调节节十十分分方方便便的的信信号号源源；若若用用正正弦弦波波电电压压作作为为控控制制电电压压，压压控控振振荡荡器器就就成成了了调调频频波波振振荡荡器器；当当振振荡荡受受锯锯齿齿波波电电压压控控制制时时，它它就就成成了了扫扫频频振振荡荡器。器。2.锯齿
19、锯齿波波产产生生电电路路积分电路可将方波变换为线性度很高积分电路可将方波变换为线性度很高的三角波，如图的三角波，如图7.16所示。所示。图7.16 三角波发生电路 通通常常积积分分器器产产生生的的三三角角波波幅幅值值随随方方波波输输入入信信号号的的频频率率变变化化。正正是是为为了了克克服服这这一一缺缺点点，才才将将积积分分电电路路的的输输出出送送给给迟迟滞滞比比较较器器的的输输入入，再再将将它它输输出出的的方方波波送送给给积积分分电电路路的的输输入入，从从而而得得到到质质量量较较高高的的三三角角波波。锯锯齿齿波波与与三三角角波波的的区区别别是是：三三角角波波的的上上升升和和下下降降的的斜斜率率
20、（指指绝绝对对值值）相相等等，而而锯锯齿齿波波的的上上升升和和下下降降的的斜斜率率不不相相等等(通通常常相相差差很很多多)。锯锯齿齿波波常常用用在在示示波波器器的的扫扫描描电电路路或或数数字字电压电压表中。表中。如果有意识地使如果有意识地使C的充电和放电时间的充电和放电时间常数造成显著的差别，则在电容两端的电常数造成显著的差别，则在电容两端的电压波形就是锯齿波。图压波形就是锯齿波。图7.17是利用一个滞是利用一个滞回比较器和一个反相积分器组成频率可调回比较器和一个反相积分器组成频率可调节的锯齿波发生电路。节的锯齿波发生电路。图7.17 频率和幅度均可调节的锯齿波发生电路 7.3集成函数集成函数
21、产产生器生器8038的功能及的功能及应应用用集集成成函函数数发发生生器器8038是是一一种种多多用用途途的的波波形形发发生生器器，可可以以用用来来产产生生正正弦弦波波、方方波波、三三角角波波和和锯锯齿齿波波，其其振振荡荡频频率率可可通通过过外外加加的的直直流流电电压压进进行行调调节节，所所以以是是压压控控集集成成信信号号产产生器。生器。8038为塑封双列直插式集成电路，其为塑封双列直插式集成电路，其管脚功能如图管脚功能如图7.18所示。所示。图7.18 8038管脚中英文排列对照 其其内内部部电电路路结结构构如如图图7.19所所示示。由由图图可可见见，外外接接电电容容C的的充充、放放电电电电流
22、流由由两两个个电电流流源源控控制制，所所以以电电容容C两两端端电电压压uC的的变变化化与与时时间间成成线线性性关关系系，从从而而可可以以获获得得理理想想的的三三角角波波输输出出。另另外外，8038电电路路中中含含有有正正弦弦波波变变换换器器，故可以直接将三角波故可以直接将三角波变变成正弦波成正弦波输输出。出。图图7.198038内部电路结构内部电路结构利用利用8038构成的函数发生器的实例如图构成的函数发生器的实例如图7.20所示。所示。图7.20 频率可调、失真小的函数发生器 7.4应应用用电电路路举举例例图图7.21(a)是是接接近近开开关关的的电电路路图图，它它的的主主要要部部分分是是由由VT1组组成成的的LC振振荡荡器器，其其中中L1、L2、L3是是绕绕在在同同一一铁铁心心上上的的三三个个耦耦合合线线圈图，如图圈图，如图7.21(b)所示。所示。图7.21 接近开关