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1、第五章第五章 信号发生电路信号发生电路5.1 5.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 5.1.1 自激条件自激条件1.1.自激振荡自激振荡 图5-1所示为自激振荡电路的方框图，是基本放大器，是反馈电路，是基本放大器的输入信号，是反馈电路的反馈信号，是放大电路的输出信号。图5-1 自激振荡电路的方框图 如图5-1可看出，。如果 ，则 ，即电路中的反馈信号与输入信号无论在幅值上还是在相位上都完全相等，此时电路可维持稳定的信号输出。由此可见，自激振荡的条件为 （1 1）相位平衡条件）相位平衡条件 即放大电路的相移与反馈电路的相移之和为。（5.1）（5.2）（2 2）幅值平衡条件）幅值平衡条件 即放大倍
2、数与反馈系数的乘积的模为1。（5.3）2.2.起振和稳幅起振和稳幅 振荡电路要激励起振荡，必须要求反馈信号大于输入信号，即必须满足下面的条件：电路起振后，随着输入信号的幅度增大，受电路中非线性元件的限制，值会逐渐下降，最后达到 的平衡条件。此后，电路的信号幅度就稳定下来，这个过程称为振荡的稳幅。（5.4）正反馈使放大电路自激正反馈使放大电路自激 振荡电路的组成一般包括1.1.基本放大电路基本放大电路 基本放大电路的功能是放大信号，将直流电源的能量转化为交流能量。2.2.选频电路选频电路 选频网络的功能是实现单一频率信号的振荡。在构成上，选频网络与反馈网络可以单独构成，也可以合二为一。3.稳幅环
3、节。稳幅环节。稳幅环节实际上是负反馈环节。引入稳幅环节可以使波形幅值稳定，而且波形的形状良好。4.4.反馈电路反馈电路 从式（5.2）可以看出，要产生自激振荡，放大电路的相移与反馈电路的相移之和必须为，即反馈信号和输入信号要同相。这时的电路就必须采用正反馈。这说明正反馈可以使电路自激，所以，电路满足正反馈也就满足了相位平衡条件。图5-2是RC文氏电桥式正弦波振荡电路的原理图，其中集成运放接成同相比例放大电路；RF和R3构成负反馈支路，起稳幅作用；R1C1和R2C2组成RC串并联网络，它们构成正反馈环节和选频环节。上述两个反馈支路正好形成四臂电桥，故称之为文氏桥式振荡电路。1.1.电路组成电路组
4、成5.1.3 RC正弦波发生器正弦波发生器 图5-2 RC文氏电桥式振荡电路2.RC串并联网络的频率特性串并联网络的频率特性 图5-3 RC串并联网络 RC串并联网络如图5-3所示。其中 为输入电压，为输出电压。其传输系数化简得当且设时因为所以上式可化煎为(5.5)分析其幅频特性和相频特性分别为（5.6）（5.7）可画出RC串并联网络的幅频特性和相频特性如图5-4所示 图5-4 RC串并联网络的幅频特性和相频特性 (a)幅频特性；(b)相频特性。(a)(b)从图中可以看出：RC串并联网络具有选频特性。当f处于f0之外的其它频率时，传输系数的模较小，且存在相位差。当时，网络的输出电压与输入电压同
5、相，即 （5.8）且传输系数的模最大，即（5.9）当 时，网络的输出电压与输入电压同相，满足相位平衡条件。当f处于其它频率时，输出电压与输入电压不同相，不满足相位平衡条件，不可能产生自激振荡。所以，振荡频率只能是 3 3电路的振荡频率电路的振荡频率（5.10）4 4起振条件起振条件 电路起振必须满足起振条件 。当时，传输系数的模最大，=1/3。因此，可以求出电路放大倍数应满足 。因为同相比例放大电路的电压放大倍数 ，所以Rf应略大于2R3。5 5稳幅方法稳幅方法 在电路图5-2中，R3和Rf构成负反馈支路，调整R3和Rf的值可以改变电路放大倍数，使电路工作在线性区，减小波形失真，实现电路的稳幅
6、。电路有时选用具有负温度系数的热敏电阻作反馈电阻Rf，当起振刚开始时，信号幅度较小，Rf上的功耗较小，Rf的阻值较大，电压放大倍数较大，电路可以起振。当信号幅度增大后，Rf上的功耗增加，其温度随之上升，Rf的阻值减小，电压放大倍数Af下降。当Af下降到3时，输出信号的幅度就会稳定下来，实现了稳幅的作用。LC正弦波发生器正弦波发生器 1 1LC并联谐振回路的选频特性并联谐振回路的选频特性 （1）LC并联谐振回路的谐振频率 由图5-6可得，LC谐振回路的等效阻抗为 图5-6 LC并联谐振回路 （5.11）v当 时，Z虚部为零，LC回路呈纯电阻性。此时，端电压与总电流同相，回路发生并联谐振。所以由式
7、（5.11）可推出并联谐振频率为（5.12）（2）谐振时的阻抗 由式（5.11）可推出谐振时回路阻抗达到最大，即定义回路的品质因数Q为（5.13）（5.14）由式（5.15）可画出其幅频特性和相频特性如图5-7所示（3）频率特性曲线 由式（5.11）、（5.12）（5.13）和（5.14）整理可得 （5.15）图5-7 RC串并联网络的幅频特性和相频特性 (a)幅频特性；(b)相频特性。(a)(b)由上面的分析，可以得出如下结论：LC并联回路具有选频特性。当 时，回路总阻抗为纯电阻，阻值最大。当 时，回路总阻抗呈感性，阻抗值 随 降低而减小，相角为正值；当时，回路总阻抗呈容性，阻抗值 随 提高
8、而减小，相角为负值。LC并联回路的谐振频率与回路参数有关，当回路品质因数Q较高时，LC并联谐振回路品质因数Q值越大，则曲线越陡峭，选频特性越好。2 2变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路（1）电路基本组成 图5-8 变压器反馈式LC振荡电路（2）幅值平衡条件（3）相位平衡条件 根据变压器绕组间同名端极性相同的规定，变压器二次测引出的反馈电压与集电极电压的相位相反，即的瞬时极性为正。也即反馈信号与输入信号相位相同，电路为正反馈，满足振荡的相位平衡条件，电路可以起振。（4）谐振频率 由以上分析可知，电路的谐振频率取决于LC回路的振荡频率，当回路品质因数Q较高时（5.16）3.3.电感三点式
9、电感三点式LC振荡电路振荡电路（1）电路组成 电感三点式LC正弦波振荡电路如图5-9（a）所示。电感L1、L2和电容C组成的LC并联谐振回路构成选频网络；三极管电路作为放大环节；电感L2构成正反馈环节。画出该电路的交流通路示意图如图5-9（b）所示。从图中可以看出，三极管的三个电极分别接到电感的三个端点上，故称此电路为电感三点式LC振荡电路。图5-9 电感三点式LC正弦波振荡电路 (a)电路图；(b)交流等效电路。(a)(b)（2）相位平衡条件 反馈信号与输入信号相位相同，电路为正反馈，满足振荡的相位平衡条件，电路能产生振荡。（3）谐振频率 由以上分析可知，电路的谐振频率f0取决于LC回路的振
10、荡频率，当回路品质因数Q值较高时，f0基本上等于LC并联回路的振荡频率，即（5.17）4.4.电容三点式电容三点式LC振荡电路振荡电路 电容三点式LC正弦波振荡电路如图5-10（a）所示。（1）电路组成 电容C1、C2和电感L组成的LC并联谐振回路构成选频网络，三极管电路作为放大环节，电容C2构成正反馈环节。画出该电路的交流通路示意图如图5-10（b）所示。由图5-10（b）可知，三极管的三个电极分别与电容的三个端点相连，故称此电路为电容三点式LC振荡电路。图5-10 电容三点式LC正弦波振荡电路 (a)电路图；(b)交流等效电路(a)(b)（2）相位平衡条件 反馈信号与输入信号相位相同，电路
11、为正反馈，满足振荡的相位平衡条件，电路能产生振荡。（3）谐振频率 由以上分析可知，电路的谐振频率取决于LC回路的振荡频率，当回路品质因数Q值较高时，基本上等于LC并联回路的谐振频率，即 （5.18）（4）电容三点式改进型振荡电路 图5-11 电容三点式改进型振荡电路 电路的振荡频率为 为了减小极间电容对回路的影响，一般应满足，的条件，上式可近似写成（5.19）（5.20）该电路的振荡频率只取决L和C3的值，而与C1和C2的关系很小。所以三极管极间电容的变化对f0的影响很小，提高了电路频率的稳定性。（5）三点式振荡器的规律 综合电感三点式振荡电路的交流通路图5.9（b）和电容三点式交流通路图5.
12、10（b）可找到共同的电抗规律：Xbe与Xce必须性质相同，Xbe与Xce和Xcb必须性质相反。只有满足这个条件，三点式振荡器才能产生振荡。5.1.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器1 1石英晶体石英晶体(1(1）石英晶体的结构与符号）石英晶体的结构与符号 石英晶体是一种常用的电子器件，它是将石英晶体按一定的方位角切成薄片，在两个对应表面上涂敷银层作为极板，并引出两个电极，最后加以封装而成。图5-12石英晶体(a)结构；(b)符号。(a)(b)(2 2）石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应 石英晶体在外电场作用下可以产生压电效应。所谓压电效应是指，当石英晶体的两个电极间加有电压时，晶体片会产生相
13、应的机械变形；反之，当石英晶体片受到机械压力使晶体片产生应变时，石英晶体的两个电极间也会出现相应的电场。根据压电效应，当在晶片两极间加入交变电场时，晶片会产生机械振动，同时这种机械振动又产生交变电场。当外加交变电场的频率为某一特定频率时，机械振动和交变电场的强度最大，而在其它频率时则很小，这种现象称为石英晶体的压电谐振。晶体谐振时所对应的特定频率称为晶体谐振频率，谐振频率的大小取决于晶片的形状、几何尺寸和切割方式，很少受温度、气压等环境条件的影响，所以其固有谐振频率十分稳定。(3）石英晶体的等效电路）石英晶体的等效电路 石英晶体的等效电路如图5-13（a）所示。图中电容C0表示晶体片极板间的平
14、板电容，约为几到几十pF。电感L等效机械振动的惯性，电容等效机械振动的弹性，而电阻等效振动产生摩擦所造成的能量损耗。由于晶片的等效电感L很大，而C和R较小，所以回路的品质因数很高，可达。因此利用石英晶体组成的振荡电路具有很高的频率稳定性。图5-13 石英晶体的等效电路和频率特性 (a)等效电路；(b)频率特性。(a)(b)(4(4）频率特性和谐振频率）频率特性和谐振频率 忽略R时，由图5-13（a）得石英晶体等效电路的等效电抗为(5.21)根据式（5.21）可画出石英晶体谐振器的频率特性如图5-13（b）所示。从图中可看出，晶体有两个谐振频率和。当时，晶体的电抗呈电感性，在此区间之外，晶体的电
15、抗呈电容性。当电路发生串联谐振时，回路的等 效 阻 抗 最 小，即 X=0。由 式（5.21）可推出回路的串联谐振频率:当电路发生并联谐振时，回路的等效阻抗最大，。由式（5.21）可推出回路的并联谐振频率:(5.22)(5.23)2 2石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路（1）串联型晶体振荡电路 串联型晶体振荡电路的振荡频率为:（2）并联型晶体振荡电路(5.24)图5-14串联型石英晶体振荡电路图5-15并联型石英晶体振荡电路【例例5.3】在图5-16所示的电路中，判断电路属于何种类型的振荡电路，并说明石英晶体等效为何种性质的阻抗。解：由图5-16分析可知，本电路属于并联型晶体振荡电路。石英晶体等
16、效为电感性质的阻抗，配合电容C2、和电感L构成电感三点式振荡电路。图5-16 例5.3的电路5.1.6 应用实例应用实例 1半导体接近开关半导体接近开关 接近开关是一种当被测物（金属体）接近到它一定距离时，不须接触，就能发出动作信号的电器设备。它具有方应速度快、定位精确、寿命长、没有机械碰撞等优点。已被广泛应用于定位控制、行程控制、自动计数和安全保护控制等方面。（1）电路组成 电路中的晶体管T2工作于开关状态，即T2不是工作于饱和状态，就是工作于截止状态，所以它组成的是一个开关电路。T3组成的射极输出器作为输出极，是为了提高接近开关的带负载能力。图5-17 半导体接近开关的电路（2）工作原理
17、当无金属体靠近开关的感应头时，振荡电路维持振荡。L3上有交流输出电压，经二极管D1整流和电容C3滤波后加到晶体管T2的基极，T2获得足够的偏流而工作于饱和导通状态。此时，T3截止，接在输出端的继电器KA的线圈不通电。当有金属体靠近时，金属体内感应产生涡流，涡流的去磁作用减弱线圈L1、L2、L3间的磁耦合，L1上的反馈电压显著降低，因而振荡停止。停振后，L3上无交流输出电压，T2截止。此时，T3导通，继电器KA通电。通过继电器线圈的通电与否，来开闭它的触点，用来控制某个电路的通断。（3）反馈电阻R5的作用 停振时，T2集电极电压的一部分通过R5反馈到T1的发射极电阻R3上，使T1的发射极电位升高
18、，以确保振荡电路迅速而可靠地停振。当电路起振时，R3上无反馈电压，使电路迅速恢复振荡。这样，可以加快开关的反应速度。2收音机的本机振荡电路收音机的本机振荡电路 如图5-19放大电路为三极管共射极放大电路，反馈是通过L1和L2之间的变压器耦合实现的，选频环节为电容C3、C5、C5和电感L组成的LC并联谐振回路。电容C3和C5用于收音机的通调，C5为可变电容，用于改变收音机的接受频率。图 5-18 感应头 图5-19收音机的本机振荡电路5.2 5.2 非正弦信号发生电路非正弦信号发生电路 5.2.1 方波发生器方波发生器 1电路组成电路组成 方波发生器的电路由图5-20所示。它由滞回电压比较器和R
19、C积分电路等组成。其中，滞回比较器是由运算放大器引入正反馈构成的。输出端的稳压管DZ起限幅作用，电阻R3为DZ的限流电阻。图5-20 方波发生器2工作原理工作原理 输出电压产生方波信号。电容电压和输出电压的波形如图5-21所示。可以证明，电路的振荡周期为:图5-21 工作波形(5.27)3频率的调节频率的调节 根据式（5.27）可知，若需要调节方波发生器的周期，只需改变R1、R2、C、R 4个参数中的一个或几个。在低频范围内，此电路是一个波形较好的方波发生器。当需要更高的振荡频率时，应选择转换速率较高的运算放大器。4、占空比可调的方波发生器、占空比可调的方波发生器图5-22 占空比可调的矩形波发生器 (a)电路图；(b)工作波形。(a)(b)