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1、项目项目6 6 波形发生电路分析及波形发生电路分析及应用应用6.1 6.1 任务任务1 RC1 RC正弦波振荡电路的正弦波振荡电路的分析分析振荡电路是一种不需要外加输入信号就能将直流电源能量转换为具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出的电路。按产生的波形不同振荡电路可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。正弦波振荡器在电子测量、自动控制、通信和热处理等多种技术领域都有着广泛的应用。如电子技术实验中经常使用的低频信号发生器就是一种正弦波振荡电路；大功率的振荡电路还可以直接为工业生产提供能源，如高频加热炉的高频电源；此外，超声波探伤、无线电和广播电视信号的发送和接收等，都离不开正弦波振荡电路。
2、6.1.1 6.1.1 正弦波振荡电路的组成与振荡正弦波振荡电路的组成与振荡条件条件1.正弦波振荡电路的组成正弦波振荡器是一种能产生并连续输出稳定正弦波信号的电路。由于波形产生电路没有外加激励信号，其初始信号来自于开机时冲击电流中的谐波分量这种谐波分量随时间衰减很快，要想振荡能够持续下去，必须有一个放大电路，把这些谐波分量加以放大，以保证正常起振和维持足够的输出幅度。为得到幅值稳定的振荡信号，需要有一个稳定幅度的电路，使输出的振荡信号振幅保持恒定。正弦波振荡电路的框图如图6-1所示。正弦波振荡电路的组成及各部分的作用如下（1）基本放大电路在正弦波振荡电路中，放大电路除了一定的放大作用外，还给电
3、路提供能量，补充振荡中的能量损耗，使振荡电路维持等幅振荡。（2）反馈网络反馈网络的主要作用是将放大电路的振荡信号进行正反馈，以维持持续的振荡（3）选频网络它的主要作用是产生单一频率的正弦波。选频网络所选定的频率就是正弦波振荡电路的振荡频率。（4）稳幅环节该环节用于建立振荡的稳定的振幅。它可以利用电路中有源器件的非线性来完成，也可以设计独立的稳幅电路。2.自激振荡的条件（1）振荡条件从结构上看，正弦波振荡电路可以看成一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大器。图6-2表示接成正反馈时，放大电路在输入信号为0时的方框图。由图可知，若在放大器的输入端外接一定频率、一定幅度的正弦波信号，经过基本放大器
4、和反馈网络构成的环路传输后，在反馈网络的输出端得到反馈信号，如果输入信号与反馈信号在大小和相位上都一致，即 上式分别用幅度平衡条件和相位平衡条件表示幅度平衡条件是放大倍数与反馈系数的乘积之模等于1，即 相位平衡条件是放大电路的相移与反馈网络的相移之和等于2n，即 （2）起振和稳幅我们知道，放大电路中存在噪声或瞬态扰动，它的频谱很宽，其中必然包含振荡频率fo的成分。我们可以用选频网络将频率为fo的成分从噪声或瞬态扰动中“挑选”出来，并使fo以外其他频率的成分衰减下去，只耍，输出信号就会由小逐渐变大，即正弦波振荡电路就会自行起振，或者说能够自激。因此起振的幅值条件是，要想能自行起振，当然还必须满足
5、相位条件，即。3正弦波振荡电路的分析方法首先检查是否具有正弦波振荡电路的几个基本组成部分，即是否有放大电路，反馈网络和选频网络等。然后分析放大电路的结构是否合理，静态工作点是否能保证放大电路正常工作。再分析放大电路是否满足振荡的相位平衡条件和幅值平衡条件。利用幅值平衡条件检查正弦波振荡电路是否可以满足自激振荡条件。如果，电路不可能振荡。如果电路能够振荡，但是会出现明显的非线性失真，需要加强稳幅环节的作用。如果，电路能够振荡。振荡电路在起振过程中，要求，这样才能保证振荡信号的幅度不断加大。而在起振过程完成后，必须位，电路能够维持振荡。一股采用瞬时极性法，针对反馈环路判别反馈的性质，如果是正反馈则
6、满足相位条件，否则不满足相位条件。具体的判断步骤是：确定振荡电路中的放大器和反馈网络两个部分。找到反馈网络的输出端和放大器输入端的连线，将其断开。这时应把放大电路的输入阻抗作为反馈网络的负载看待。在断开点处给放大电路加输入信号，假设信号的瞬时极性为正；经放大电路和反馈支路逐级判定信号的瞬时极性，确定出反馈信号的瞬时极性。根据放大电路和反馈网络判断电路是否满足相位起振条件。一般来说，振荡的幅度平衡条件比较容易满足，关键是检查相位平衡条件。6.1.2 RC6.1.2 RC正弦波正弦波振荡器振荡器输出幅度最大，而且输出电压与输入电压同相，即相位移为0。所以RC串并联网络具有选频特性。2.RC桥式振荡
7、电路图6-5是RC桥式正弦波振荡器，它由两部分组成。放大电路和选频网络。放大电路是一个运放构成的同相比例放大电路。RC串并联网络在电路中作为正反馈通道兼有选频作用。Rf和R支路引入一个电压串联负反馈。由图可见，串并联网络中的RC串联支路和RC并联支路以及负反馈支路中的Rf和R正好组成一个电桥的四个臂，因此这种电路又称为文氏电桥振荡电路。这个电路并没有解决好振幅自动稳定的问题。刚开始起振时，环路增益大于1，振荡器的输出幅度不断增大。当输出幅度受运放最大输出幅度的限制不再增大时，波形已产生了较为严重的非线性失真。因此，需要利用非线性器件来实现振荡幅度的自动稳定。图6-6就是利用热敏电阻稳幅的RC桥
8、式正弦波振荡器。当振荡信号足够大时，电阻Rf2上的压降也较大，两个二极管导通了。这时，反馈支路的等效电阻逐渐变小，电压放大倍数趋近于3，振荡输出信号uo的幅度稳定下来。起振过程结束电路输出稳定的正弦信号。操作训练1 RC正弦波振荡器测试1.训练目的掌握RC正弦波振荡器的组成及其振荡条件。学会测量、调试振荡器电路。2.仿真训练（1）创建仿真电路按图6-8所示电路连接好仿真电路。元器件参数按电路标注设置。（2）启动仿真按钮，双击示波器图标，观察示波器面板有无正弦波输出。若无输出，可调节RP使电路产生振荡。观察输出波形的情况，如出现图6-9所示波形，说明输出产生失真。适当减小RP，可以得到无明显失真
9、的正弦波。如图6-10所示。(3)根据示波器测得的正弦波，读出其周期，计算振荡器的频率，与理论值比较。3.实验测试（1）参考RC振荡器仿真电路，准备元器件连接电路，并仔细检查确保电路无误。(2)接通电源用示波器观测有无正弦波输出。调节Rp，使输出波形从无到有直至不失真。(3)根据示波器测得的正弦波，读出其周期，计算振荡器的频率，与理论值比较。6.2 6.2 任务任务2 LC2 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路6.2.1 LC并联电路的频率特性根据上式可以画出不同Q时LC并联电路的幅频特性和相频特性，如图6-12所示。从图中可看出，LC并联回路具有良好的选频特性，Q值越高，则幅频特性越尖锐相角随
10、频率变化的程度也越急剧，选频特性越好。6.2.2 变压器反馈式LC振荡电路变压器反馈式LC振荡电路如图6-13所示，它由放大电路、变压器反馈电路和选频网络三部分组成。放大电路接成共发射极组态，线因L1与电容C组成选频网络，变压器二次线圈是反馈网络，通过耦合电容Cb将信号反馈回晶体管的基极。产生正弦波振荡时，线圈L1与电容C组成的选频网络工作在并联谐振状态，相当于一个电阻，即晶体管的集电极负载电阻。变压器反馈式振荡电路的特点：（1）易起振，输出电压较大。由于采用变压器耦合，易满足阻抗匹配的要求。（2）调频方便。一般在LC回路中采用接入可变电容器的方法来实现，调频范围较宽，工作频率通常在几兆赫左右
11、。（3）输出波形不理想。由于反馈电压取自电感两端，它对高次谐波的阻抗大，反馈也强，因此在输出波形中含有较多高次谐波成分。6.2.3 6.2.3 三点式三点式LCLC振荡电路振荡电路1电感三点式LC振荡电路图6-15 a所示是一种电感三点式LC振荡器。电路中，LC并联回路的电感是一个电感线圈，中间有抽头，分为L1和L2两个线圈。从交流通路上看，电感线圈的三个端点分别同晶体管的三个极相连，所以称为电感三点式LC振荡器。电感三点式具有以下特点(1)L1和L2两个线圈耦合紧密，很容易起振。改变电感油头的位置，即改变L1和L2的比值，可以获得满意的正弦波，且振幅较大。通常反馈线圈选择为整个线圈的1/8到
12、1/4。(2)并联谐振回路可以采用可变电容，改变电容C来调节振荡频率，调节频率非常方便，易获得一个较宽的振荡频率调节范围。(3)由于反馈电压取自电感L1，而电感对高次谐波的阻抗较大，在反馈信号中有较大的高次谐波分量，使输出波形变差。一般用于要求不高的场合，产生几十兆赫以下的正弦波。2电容三点式LC振荡电路电容三点式LC振荡电路如图6-16所示。晶体管的三个电极分别与电容C1和C2的三个端点相联，故称电容三点式LC振荡电路。这种电路的放大器是共射组态，其基极与集电极的相位相差180。电容三点式具有以下特点1）电容三点式振荡电路的反馈电压取自C2，C2对高次谐波容抗小，反馈电压中含高次谐波分量小，
13、因此输出波形好。2）由于C1和C2的容量可以选的较小，故振荡频率一般可达100MH z以上。这种电路反馈电压取自电容C2两端，而电容对高次谐波的阻抗较小，因此反馈电压中的谐波分量很小，输出波形较好。3）该电路调节振荡频率不太方便。若通过调节电容来调节频率，反馈系数会随之变化，将影响振动器工作状态。因此，电容三点式振荡电路适用于频率固定的高频振动器。与电感三点式LC振荡电路一样，电容三点式LC振荡电路也可与共基放大器配合使用。这时，由于放大器输入信号和输出信号之间相位相同，电容三点网络的输入信号和输出信号之间相位也必须相同。这样才能满足相位平衡条件的要求。操作训练2 LC正弦波振荡电路测试1.训
14、练目的掌握LC正弦波振荡器的组成及其振荡条件。学会测量、调试振荡器。2.仿真测试1）创建仿真电路LC振荡的仿真电路如图6-17所示。2）启动仿真按钮，双击示波器图标，观察示波器面板有振荡输出。逐渐增加基极偏置电阻，并在输出端产生振荡波形，如图6-18所示。3.实验测试实验电路参照仿真测试电路图6-16，图中晶体管用3DG6代替，连接电路并检查无误后再接通电源，仿照仿真测试步骤调试电路，用示波器观察振荡波形，并与仿真结果比较。6.3任务3 石英晶体正弦波振荡电路6.3.1 石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效电路1石英晶体的基本特性(1)石英晶体谐振器的结构石英晶体是一种各向异性
15、的结晶体，其化学成分是二氧化硅。石英晶体谐振器是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等)，在它的两个对应表面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体。(2)压电效应 石英晶体之所以能作为选频元件，是利用了它所特有的压电效应。所谓压电效应，就是当晶体受外力作用而变形时，就在它的表面产生正、负电荷，呈现出电压，这称为正压电效应；当在晶片两面施加电压时，晶体又会发生形变，这称为反压电效应。因此若在晶体两端加
16、交变电压时，晶体就会发生周期性的振动，同时由于电荷的周期性变化，又会有交流电流流过晶体。由于晶体是有弹性的固体，对于某一种振动方式，有一个机械的自然谐振频率。当外加电信号频率在此自然频率附近时，就会发生谐振现象。它既表现为晶片的机械共振，又在电路上表现出电谐振，有很大的电流流过，产生电能和机械能的转换。晶片的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。2等效电路 石英晶体谐振器的等效电路如图6-20所示。图中Co称为静电电容，电感L和电容C分别表示晶片的惯性和弹性，晶片振动时的摩擦损耗则由电阻R来等效。由石英晶体的等效电路可以看出，它是一个串、并联的振荡电路，它有两个谐振频率，即L，C，R
17、支路串联谐振频率fs和整个等效电路并联谐振频率fp，它们分别为：根据石英晶体的等效电路，可定性画出它的电抗频率特性曲线如图6-21所示，可见，仅在fsffp的极窄的范围时，石英晶体呈感性，相当于一个电感元件。当ffs时，石英晶体呈纯电阻性，其阻值等于R为最小；频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联谐振频率fp时，石英晶体都呈容性，相当于一个电容元件。6.3.2 6.3.2 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路用石英晶体谐振器构成的晶体振荡器的电路类型有很多，从晶体谐振器所起的作用来看，主要分为并联型晶体振荡器和串联型振荡器两大类。即：(1)当石英晶体发生串联谐振时，它呈纯阻性，相移是零。若把石英
18、晶体作为放大电路的反馈网络，并起选频作用，只要放大电路的相移也是零，则满足相位条件。这种电路称为串联型石英晶体振荡电路。(2)当频率在fp与fs之间时，石英晶体的阻抗呈电感性，可将它与两个外接电容器构成电容三点式正弦波振荡电路，这种电路称为并联型石英晶体振荡电路。1并联型石英晶体振荡电路 电路图6-22是个并联型石英晶体振荡电路，石英晶体在电路中起到电感的作用，它与C1和C2组成LC选频电路，构成了振荡频率高度稳定的电容三点式LC振荡电路。石英晶片作电感用。电路的振荡频率为2串联型石英晶体振荡电路图6-23是一个串联型石英晶体振荡电路。图中C1为旁路电容，对交流信号可视为短路。若断开反馈，给放
19、大电路加输入电压，极性上“+”下“”，则VT1管集电极动态电位为“+”，VT2管的发射极动态电位也为“+”。只有在石英晶体呈纯阻性，即产生串联谐振时，反馈电压才与输入电压同相，电路才满足正弦波振荡的相位平衡条件。所以电路的振荡频率为石英晶体的联谐振频率fs。调整 Rf的阻值，可使电路满足正弦波振荡的幅值平衡条件。6.4 6.4 任务任务4 4 非正弦波形发生电路的分析非正弦波形发生电路的分析6.4.1 方波发生器方波发生器1方波波发生电路方波波发生电路如图6-24所示，它是在迟滞比较器的基础上，把输出电压经R、C反馈到集成运放的反相端，在运放的输出端引入限流电阻R3和两个稳压管而组成的双向限幅
20、电路。方波波发生电路常作为数字电路的信号源或模拟电子开关的控制信号，它也是其它非正弦波发生电路的基础。由于方波被包含丰富的高次谐波，所以方波波发生器也称为多谐振荡器。设初始时电容上没电荷，即uc(0)0，比较器的输出为高电平uo+UZ，则运放同相端的电压为输出端维持高电平uo=+UZ，这时，输出uo通过R向电容C充电，电容电压按指数规律上升。只要ucU+，电容将继续被充电。但当电容充电到uc=U+时，比较器的输出翻转，uo=UZ，同时运放同相端的电压也改变为这时，电容通过R放电，电容电压将按指数规律下降。当电容电压下降到uc=U+时，比较器输出再度跳转到uo=+UZ，输出电压再度向电容充电，当
21、电容充电到uc=U+时，输出又翻转如此反复，最后在输出端就得到了如图6-25所示的方波发生电路的输出电压波形。2.占空比可调的矩形波发占空比可调的矩形波发生电路生电路矩形波与方波相比，是高低电平所占时间不等，通常把方波高电平的时间TH与周期T之比称为占空比。方波的占空比为50。如需产生占空比小于或大于50的矩形波，只需适当改变电容C的正、反向充电时间常数即可。因此只需对图6-23稍加改造即可，其改造后的电路如图6-26所示。对应的波形如图6-27所示。若改变RW滑动触头位置，就可改变充电和放电的时间常数。如滑动端往下移，RW1增加，RW2减少，则充电时间常数增加，放电时间常数减少。矩形波高电平
22、和低电平的时间分别为6.4.2 6.4.2 三角波发生电路三角波发生电路三角波发生电路一般可用方波发生电路后加一级积分电路组成，将矩形波积分后即可得到三角波。图6-28所示为方波三角波发生器。图中第一级运放构成滞回比较器，第二级运放构成积分电路，第二级的输出又反馈到第一级的同相输入端。假定刚开始(t0时，滞回比较器输出为高电平，即u01+UZ，且积分电容上的初始电压为零，有uouc0。由叠加定理可得滞回比较器的同相端的电压为在电源刚接通时，假设电容器初始电压为零，集成运放A1输出电压为+UZ，即积分器输入为+UZ，通过R3给电容C开始正向充电，输出电压uo开始减小，u+1值也随之减小，当uo减
23、小到时，u+1由正值变为零，滞回比较器A1翻转，输出uo1变为-UZ。由以上分析可知，三角波的输出幅度与滞回比较器中电阻值之比及滞回比较器的输出电压UZ成正比；而三角波的振荡周期不仅与滞回比较器的电阻值之比成正比，而且还与积分电路的时间常数成正比。在实际调整三角波的输出幅度与振荡周期时，应该先调整电阻R1、R2的值，使其输出达到规定值，然后再调整R3、C值，以使振荡周期满足要求。6.4.3 6.4.3 锯齿波发生电路锯齿波发生电路锯齿波发生电路能够提供一个与时间成线性关系的电压或电流波形，这种信号在示波器和电视机的扫描电路以及许多数字仪表中得到了广泛应用。锯齿波与三角波的不同之处是上升和下降的
24、波形不对称。因此，只要在三角波发生电路基础上，使积分电路中的积分电容充放电路径不同，就可以让波形上升和下降的斜率不同，从而输出锯齿波，简单的锯齿波发生电路如图6-30所示。锯齿波发生电路的工作原理与三角波发生电路基本相同，只是在集成运放A2的反向输入电阻R3上并联了二极管VD1和电阻R5组成支路，使积分器正向积分和反向积分的速度明显不同。当uo1=-UZ时，VD1反偏截止，正向积分的时间常数为R3C；当uo1=+UZ时，VD1正偏导通，正向积分的时间常数为(R3/R5)C。若取R5R3，则反向积分时间小于正向积分时间，就形成了如图6-31所示的锯齿波。6.4.4 80386.4.4 8038集
25、成函数发生器集成函数发生器18038的工作原理的工作原理8038是大规模集成电路，它的内部主要有矩形波、三角波、锯齿波发生电路以及三角波变正弦波电路，其内部原理框图如图6-32所示。外接电容C交替地从一个电流源充电后向另一个电流源放电，就会在电容C两端产生三角波并输出到3脚。该三角波经电压跟随缓冲后，一路经正弦波变换器变换成正弦波后由2脚输出，另一路通过电压比较器和触发器，并经过反向缓冲器，由9脚输出方波。图6-33为8038的外部引脚排列图。28038的典型应用的典型应用利用8038构成的函数发生器如图6-34所示，其振荡频率由电位器RP1滑动触点的位置、C的容量、RA和RB的阻值决定，图中
26、C1为高频旁路电容，用以消除8脚的寄生交流电压，RP2为方波占空比和正弦波失真度调节电位器，当RP2位于中间时，可输出方波。操作训练操作训练3 3 非正弦波形发生电路测试非正弦波形发生电路测试1.训练目的掌握非正弦波发生电路的基本结构s掌握非正弦波发小电路的基本设计、分析和调试方法理解非正弦波发生电路的基本性能特点。2.仿真测试1）矩形波发生电路（1）创建仿真电路矩形波发生仿真测试电路如图6-35所示。（3）当电位器RP的滑动端调整在中间位置，输出波形为正负半周对称的矩形波，如图6-36所示。可以根据波形读出矩形波的幅度和周期。（4）将RP的滑动端向上移动，矩形波的正半周T1增大，负半周T2减
27、小，图6-37所示，相反，如果RP的滑动端向上移动，矩形波的正半周T1减小，负半周T2 增大。（5)当RP滑动到最下端时，波形如图6-38所示，可以根据波形读出矩形波的幅度和周期。2）三角波发生电路仿真（1）创建仿真电路三角波发生仿真测试电路如图6-39所示。（2）启动仿真按钮，双击示波器图标，观察示波器面板输出波形如图6-40所示。可以根据波形读出三角波的幅度和周期。3）锯齿波发生电路仿真（1）创建仿真电路锯齿波发生仿真测试电路如图6-41所示。（2）启动仿真按钮，双击示波器图标，观察示波器面板输出波形如图6-42所示。3.实验测试1）矩形波发生器电路测试（1）参考矩形波发生仿真测试电路，准备元器件连接电路，并仔细检查确保电路无误。(2)接通电源用示波器观测矩形波的输出。当电位器RP的滑动端调整在中间位置，输出波形为正负半周对称的矩形波。（3）将RP的滑动端向上移动，观察矩形波的变化，把RP滑动到最下端时，读出矩形波的幅度和周期。2）三角波、锯齿波发生电路测试（1）参考三角波、锯齿波发生仿真测试电路，准备元器件连接电路，并仔细检查确保电路无误。(2)接通电源用示波器观测三角波、锯齿波的输出波形。