第8章信號(hào)發(fā)生和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路(新模板)

1、8.1 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路8.2 非正弦波發(fā)生電路非正弦波發(fā)生電路 8.3 波形變換電路波形變換電路 8.4 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例 教學(xué)目標(biāo)與要求教學(xué)目標(biāo)與要求l 掌握掌握RCRC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路和串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路和LCLC振蕩電路的電路振蕩電路的電路結(jié)構(gòu)、工作原理以及分析方法。結(jié)構(gòu)、工作原理以及分析方法。l 掌握矩形波、三角波、鋸齒波發(fā)生電路的結(jié)構(gòu)和掌握矩形波、三角波、鋸齒波發(fā)生電路的結(jié)構(gòu)和工作原理。工作原理。l 理解正反饋和自激振蕩的原理。理解正反饋和自激振蕩的原理。l 了解石英晶體諧振器的壓電效應(yīng)及電抗頻率特性。了解石英晶體諧振器的壓電效應(yīng)及電抗頻率特性。l 了解并聯(lián)型和串聯(lián)型

2、石英晶體振蕩電路的結(jié)構(gòu)和了解并聯(lián)型和串聯(lián)型石英晶體振蕩電路的結(jié)構(gòu)和工作原理。工作原理。8.1 8.1 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路8.1.1 正反饋與自激振蕩正反饋與自激振蕩1. 1. 反饋振蕩器的基本原理反饋振蕩器的基本原理正弦波振蕩器主要由放大電路和正反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其原理框正弦波振蕩器主要由放大電路和正反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其原理框圖如圖圖如圖8.1.18.1.1所示。圖中，正反饋網(wǎng)絡(luò)通常是無(wú)源的線性網(wǎng)所示。圖中，正反饋網(wǎng)絡(luò)通常是無(wú)源的線性網(wǎng)絡(luò)。此外，為使振蕩器能夠輸出一定頻率和一定幅值的振蕩絡(luò)。此外，為使振蕩器能夠輸出一定頻率和一定幅值的振蕩信號(hào)，電路中還應(yīng)含有選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。信號(hào)，電路中還

3、應(yīng)含有選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。 +iUAF+iUfUoU放大電路正反饋網(wǎng)絡(luò)圖圖8.1.1 8.1.1 正弦波振蕩器的原理框圖正弦波振蕩器的原理框圖由圖由圖8.1.18.1.1分析可得閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為分析可得閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為ofi1uUAAUAF2. 2. 起振條件和平衡條件起振條件和平衡條件電路要進(jìn)行增幅振蕩，必須滿足電路要進(jìn)行增幅振蕩，必須滿足 1AF 上式為自激振蕩的起振條件，將其寫(xiě)成模和相角的形式為上式為自激振蕩的起振條件，將其寫(xiě)成模和相角的形式為1AF AF2 n分別稱為起振時(shí)的振幅條件和相位條件。分別稱為起振時(shí)的振幅條件和相位條件。電路要進(jìn)行等幅振蕩，必須滿足電路要進(jìn)行等幅振蕩，必須

4、滿足 1AF 上式為自激振蕩的平衡條件，將其寫(xiě)成模和相角的形式為上式為自激振蕩的平衡條件，將其寫(xiě)成模和相角的形式為1AF AF2 n分別稱為幅值平衡條件和相位平衡條件。分別稱為幅值平衡條件和相位平衡條件。8.1.2 8.1.2 RCRC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路實(shí)用的實(shí)用的RCRC正弦波振蕩電路主要有三種，即正弦波振蕩電路主要有三種，即RCRC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路、移相式振蕩電路、雙蕩電路、移相式振蕩電路、雙T T型選頻網(wǎng)絡(luò)振蕩電路，這里型選頻網(wǎng)絡(luò)振蕩電路，這里只介紹最具典型性的只介紹最具典型性的RCRC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路。串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路。 圖圖8.1.28.1.2所示是所示是

5、RCRC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路的原理圖。串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路的原理圖。 +-UoAFR1R2R1C2CR故該振蕩電路又稱為故該振蕩電路又稱為RCRC橋式正弦波振蕩電路或文式電橋振橋式正弦波振蕩電路或文式電橋振蕩電路。蕩電路。 圖圖8.1.2 8.1.2 RCRC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路1R2R2C1C-+-fUUo-+-UofU1C2R1. 1. RCRC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性RCRC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖8.1.38.1.3（a a）所示，）所示， 2C-+-fU1RUo圖圖8.1.3 8.1.3 RCRC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及其高頻、低頻等效電路串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及

6、其高頻、低頻等效電路由圖由圖8.1.38.1.3（a a）可寫(xiě)出網(wǎng)絡(luò)的頻率特性表達(dá)式）可寫(xiě)出網(wǎng)絡(luò)的頻率特性表達(dá)式2f222o11221j1j1jRUR CFRURCR C為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，通常取為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，通常取 ， 12RRR12CCC113jFRCRC令令 ，代入，代入上式得上式得 012fRC0013jFffff由上式可得網(wǎng)絡(luò)幅頻特性為由上式可得網(wǎng)絡(luò)幅頻特性為20019Fffff相頻特性為相頻特性為0F01arctan3ffff 由式（由式（8-1-88-1-8）、（）、（8-1-98-1-9）可畫(huà)出）可畫(huà)出 頻率特性曲線，頻率特性曲線，如圖如圖8.1.48.1.4所示。所示。Ff0f0fOf

7、圖圖8.1.4 8.1.4 RCRC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性2. 2. 振蕩頻率與起振條件振蕩頻率與起振條件1 1）振蕩頻率）振蕩頻率振蕩頻率應(yīng)等于選頻網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率，即振蕩頻率應(yīng)等于選頻網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率，即 012fRC2 2）起振條件）起振條件起振時(shí)電路必須滿足起振時(shí)電路必須滿足 ，因此可得振蕩電路，因此可得振蕩電路的起振條件為的起振條件為 1AF 3A 圖圖8.1.28.1.2中的負(fù)反饋支路的電阻參數(shù)應(yīng)滿足中的負(fù)反饋支路的電阻參數(shù)應(yīng)滿足 RR 2F3. 3. 頻率可調(diào)的頻率可調(diào)的RCRC橋式振蕩電路橋式振蕩電路為使為使RCRC橋式振蕩電路的振蕩頻橋式振蕩電路的振蕩頻率在較寬

8、的范圍內(nèi)可調(diào)，通常率在較寬的范圍內(nèi)可調(diào)，通常在在RCRC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，利用同軸串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，利用同軸波段開(kāi)關(guān)接不同的電容對(duì)振蕩波段開(kāi)關(guān)接不同的電容對(duì)振蕩頻率進(jìn)行粗調(diào)，利用同軸電位頻率進(jìn)行粗調(diào)，利用同軸電位器對(duì)振蕩頻率進(jìn)行微調(diào)，如圖器對(duì)振蕩頻率進(jìn)行微調(diào)，如圖8.1.58.1.5所示。采用這種方法，所示。采用這種方法，振蕩頻率可從幾振蕩頻率可從幾HzHz調(diào)到幾百調(diào)到幾百HzHz。 RR1C2C3C1C2C3CpRpR+-fU-+UoRCRC橋式振蕩電路只適合于產(chǎn)生低頻的正弦波信號(hào)。橋式振蕩電路只適合于產(chǎn)生低頻的正弦波信號(hào)。【例【例8-1-18-1-1】一臺(tái)由文氏電橋振蕩電路組成的正弦波信號(hào)發(fā)一臺(tái)由

9、文氏電橋振蕩電路組成的正弦波信號(hào)發(fā)生器，采用圖生器，采用圖8.1.58.1.5所示的方法調(diào)節(jié)輸出頻率。切換不同的所示的方法調(diào)節(jié)輸出頻率。切換不同的電容作為頻率粗調(diào)，調(diào)節(jié)同軸電位器作為細(xì)調(diào)。已知電容作為頻率粗調(diào)，調(diào)節(jié)同軸電位器作為細(xì)調(diào)。已知 、 分別為分別為 、 、 ，固，固定電阻定電阻 ，電位器，電位器 。試。試估算該儀器三檔頻率的調(diào)節(jié)范圍。估算該儀器三檔頻率的調(diào)節(jié)范圍。 1C2C0.25F0.025F 0.0025F=3kRp=30kRRCRC橋式正弦波振蕩電路具有振蕩頻率穩(wěn)定，帶負(fù)載能力強(qiáng)，橋式正弦波振蕩電路具有振蕩頻率穩(wěn)定，帶負(fù)載能力強(qiáng)，輸出電壓失真小的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。輸出電壓失真小

10、的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用相當(dāng)廣泛?！窘狻俊窘狻吭诘皖l擋，在低頻擋， ，當(dāng)電位器，當(dāng)電位器 調(diào)至最大時(shí)調(diào)至最大時(shí) 0.25FC p330 k33kRR pR此時(shí)振蕩頻率為此時(shí)振蕩頻率為361Hz=19Hz233 100.25 10f當(dāng)電位器當(dāng)電位器 調(diào)至零時(shí)，調(diào)至零時(shí)， pRp30 k3kRR 在中頻擋，在中頻擋， ， 0.025FC 調(diào)至最大時(shí)調(diào)至最大時(shí) pR361Hz=190Hz233 100.025 10f 當(dāng)當(dāng) 調(diào)至零時(shí)調(diào)至零時(shí) pR361Hz=21.2kHz23 100.0025 10f 在高頻擋，在高頻擋， ，當(dāng)，當(dāng) 調(diào)至最大時(shí)調(diào)至最大時(shí) 0.0025FC pR361Hz=1.9kHz233 1

11、00.0025 10f 當(dāng)當(dāng) 調(diào)至零時(shí)調(diào)至零時(shí) pR361Hz=21.2kHz23 100.0025 10f 8.1.3 8.1.3 LCLC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路LCLC正弦波振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)通常由正弦波振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)通常由LCLC并聯(lián)諧振回路組成，并聯(lián)諧振回路組成，一般可以產(chǎn)生幾十一般可以產(chǎn)生幾十MHzMHz以上的正弦波信號(hào)。根據(jù)反饋電壓的以上的正弦波信號(hào)。根據(jù)反饋電壓的來(lái)源不同，來(lái)源不同，LCLC振蕩電路可分為變壓器反饋式、電感反饋式、振蕩電路可分為變壓器反饋式、電感反饋式、電容反饋式三種形式。電容反饋式三種形式。 1. 1. LCLC并聯(lián)諧振回路的選頻特性并聯(lián)諧振回路的選頻

12、特性圖圖8.1.68.1.6（a a）所示為）所示為L(zhǎng)CLC并聯(lián)諧振回路，并聯(lián)諧振回路，R R是損耗電阻，電是損耗電阻，電路的總導(dǎo)納為路的總導(dǎo)納為22221jjj()()RLYCCRLRLRL令上式虛部為零，可求得回路的諧振角頻率令上式虛部為零，可求得回路的諧振角頻率02201111111LCLCRQL諧振頻率為諧振頻率為 012fLC品質(zhì)因數(shù)又可表示為品質(zhì)因數(shù)又可表示為01LLQRRC當(dāng)當(dāng) 時(shí)，回路總阻抗為時(shí)，回路總阻抗為 0ff0LZRC當(dāng)信號(hào)頻率等于回路的諧振頻率時(shí)，回路導(dǎo)納最小，阻抗當(dāng)信號(hào)頻率等于回路的諧振頻率時(shí)，回路導(dǎo)納最小，阻抗最大，呈純阻性，回路兩端的電壓與流過(guò)回路的總電流同最大

13、，呈純阻性，回路兩端的電壓與流過(guò)回路的總電流同相位，即回路發(fā)生諧振。相位，即回路發(fā)生諧振。 圖圖8.1.68.1.6（a a）中，當(dāng)損耗電阻）中，當(dāng)損耗電阻R R很小時(shí)，回路總阻抗很小時(shí)，回路總阻抗Z Z的的表達(dá)式為表達(dá)式為 020211jjjj11jjj1j1LRLZCCZRLRLQCC由式（由式（8-1-188-1-18）可以畫(huà)出不同）可以畫(huà)出不同Q Q值時(shí)的值時(shí)的LCLC并聯(lián)諧振回路阻抗并聯(lián)諧振回路阻抗Z Z的幅頻特性和相頻特性曲線，如圖的幅頻特性和相頻特性曲線，如圖8.1.68.1.6（b b）、（）、（c c）所示。）所示。 RCLIf0Off0fCBC1N2NLRRB1RB2ERE

14、CTCCV+-fu+-ou+-iuci3NP+-+2. 2. 變壓器反饋式振蕩電路變壓器反饋式振蕩電路1 1）電路結(jié)構(gòu)）電路結(jié)構(gòu)變壓器反饋式振蕩電路通過(guò)變壓器線圈的互感產(chǎn)生反饋?zhàn)儔浩鞣答伿秸袷庪娐吠ㄟ^(guò)變壓器線圈的互感產(chǎn)生反饋電壓。圖電壓。圖8.1.78.1.7（a a）是典型的變壓器反饋式振蕩電路。）是典型的變壓器反饋式振蕩電路。 C1N2NLR+-fuTci+-ou+-iu3NRB2RB1圖圖8.1.7 8.1.7 變壓器反饋式振蕩電路及其交流通路變壓器反饋式振蕩電路及其交流通路+-RB1iURC1I2IbIcIRB2rbe2L1LABiR+-oU+-fU2 2）起振條件和振蕩頻率）起振條件

15、和振蕩頻率相位條件可采用瞬時(shí)極性法判斷。圖相位條件可采用瞬時(shí)極性法判斷。圖8.1.78.1.7（a a）中，）中，假設(shè)放大電路的輸入端在假設(shè)放大電路的輸入端在P P點(diǎn)斷開(kāi)，點(diǎn)斷開(kāi)， 電路滿足相位條件電路滿足相位條件 AF2 n由圖由圖8.1.78.1.7（b b）可畫(huà)出變壓器反饋式振蕩電路的交流等效）可畫(huà)出變壓器反饋式振蕩電路的交流等效電路，如圖電路，如圖8.1.88.1.8（a a）所示。）所示。 1IR1LAB圖圖8.1.8 8.1.8 變壓器反饋式振蕩電路的交流等效電路變壓器反饋式振蕩電路的交流等效電路電路的振幅起振條件為電路的振幅起振條件為 ber R CM變壓器反饋式振蕩電路具有易于

16、起振，波形失真小的優(yōu)點(diǎn)，變壓器反饋式振蕩電路具有易于起振，波形失真小的優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用較廣，但其頻率穩(wěn)定度不高，而且因輸出電壓與所以應(yīng)用較廣，但其頻率穩(wěn)定度不高，而且因輸出電壓與反饋電壓通過(guò)磁耦合不緊密，損耗較大。反饋電壓通過(guò)磁耦合不緊密，損耗較大。 3. 3. 電感反饋式振蕩電路電感反饋式振蕩電路1 1）電路結(jié)構(gòu)）電路結(jié)構(gòu)電感反饋式振蕩電路的反饋電壓取自電感。圖電感反饋式振蕩電路的反饋電壓取自電感。圖8.1.78.1.7（a a）是典型的電感反饋式振蕩電路。是典型的電感反饋式振蕩電路。 CBC1LLRRB1RB2ERECVTCCV+-+-iuci3L2Lou+-fu+-+PC1LLRVTci+

17、-ou+iu3L+-fu-2LRB2RB1圖圖8.1.9 8.1.9 電感反饋式振蕩電路及其交流通路電感反饋式振蕩電路及其交流通路電感反饋式振蕩電路又稱為電感三點(diǎn)式振蕩電路。電感反饋式振蕩電路又稱為電感三點(diǎn)式振蕩電路。2 2）起振條件和振蕩頻率）起振條件和振蕩頻率相位條件可采用瞬時(shí)極性法來(lái)判斷。圖相位條件可采用瞬時(shí)極性法來(lái)判斷。圖8.1.98.1.9（a a）中，假）中，假設(shè)放大電路的輸入端在設(shè)放大電路的輸入端在P P點(diǎn)斷點(diǎn)斷開(kāi)，開(kāi)， ，電路滿足相位條件。，電路滿足相位條件。 AF2 n由圖由圖8.1.98.1.9（b b）可畫(huà)出電感反饋式振蕩電路的交流等效電路）可畫(huà)出電感反饋式振蕩電路的交流

18、等效電路+-RB1iUbIbIRB2rbe2L1LiRC+-fULR+-oU圖圖8.1.10 8.1.10 電感反饋式振蕩電路的交流等效電路電感反饋式振蕩電路的交流等效電路振幅起振條件為振幅起振條件為 be12LrLMLM R振蕩電路的振蕩頻率為振蕩電路的振蕩頻率為 012122fLLM C電感反饋式振蕩電路具有容易起振、調(diào)整方便的優(yōu)點(diǎn)，但是電感反饋式振蕩電路具有容易起振、調(diào)整方便的優(yōu)點(diǎn)，但是其輸出波形不好，且頻率穩(wěn)定度不高，因此通常應(yīng)用于要求其輸出波形不好，且頻率穩(wěn)定度不高，因此通常應(yīng)用于要求不高的設(shè)備中，如高頻加熱器、接收機(jī)本振等。不高的設(shè)備中，如高頻加熱器、接收機(jī)本振等。4. 4. 電容

19、反饋式振蕩電路電容反饋式振蕩電路電容反饋式振蕩電路又稱為電容三點(diǎn)式振蕩電路，其典型電容反饋式振蕩電路又稱為電容三點(diǎn)式振蕩電路，其典型電路如圖電路如圖8.1.118.1.11所示。電容反饋式振蕩電路又稱為電容三所示。電容反饋式振蕩電路又稱為電容三點(diǎn)式振蕩電路。點(diǎn)式振蕩電路。 BCLRB1RB2ERECVTCCV+-iu+-fu+-ou1C2CCR+-P圖圖8.1.11 8.1.11 電容反饋式振蕩電路電容反饋式振蕩電路按照電感反饋式振蕩電路類似的分析方法，也可以分析電按照電感反饋式振蕩電路類似的分析方法，也可以分析電容反饋式振蕩電路的起振條件、反饋系數(shù)和振蕩頻率。容反饋式振蕩電路的起振條件、反饋

20、系數(shù)和振蕩頻率。 振幅起振條件為振幅起振條件為be21LrCC R振蕩頻率為振蕩頻率為0121212fC CLCC電容反饋式振蕩電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出波形較好、振蕩頻率較電容反饋式振蕩電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出波形較好、振蕩頻率較高，但是通過(guò)調(diào)節(jié)電容來(lái)改變振蕩頻率時(shí)，會(huì)影響電路的高，但是通過(guò)調(diào)節(jié)電容來(lái)改變振蕩頻率時(shí)，會(huì)影響電路的起振條件，所以常常用在振蕩頻率固定的場(chǎng)合。起振條件，所以常常用在振蕩頻率固定的場(chǎng)合。 -CCV1C2CRB1ERECVT+-iuL+-ou+-fuRB2-【例【例8-1-28-1-2】圖圖8.1.128.1.12（a a）、（）、（b b）所示的兩個(gè)電路中，）所示的兩個(gè)電路中， ， ，

21、試從相位條件判斷電路能否振蕩，如能振蕩，估算其振，試從相位條件判斷電路能否振蕩，如能振蕩，估算其振蕩頻率。蕩頻率。 0.4mHL 1225pFCCCCV1C2CRB1ERBCVT+-iuL+-ou+-fu+RB2圖圖8.1.12 8.1.12 例例8-1-28-1-2的圖的圖【解】【解】圖（圖（a a）所示電路中，放大電路采用共射組態(tài)，反饋所示電路中，放大電路采用共射組態(tài)，反饋電壓電壓 ，取自電容，取自電容 fu1C利用瞬時(shí)極性法判斷相位條件。假設(shè)斷開(kāi)反饋，利用瞬時(shí)極性法判斷相位條件。假設(shè)斷開(kāi)反饋， AF180電路不滿足相位條件，不可能產(chǎn)生振蕩。電路不滿足相位條件，不可能產(chǎn)生振蕩。 圖（圖（b

22、 b）所示電路中，放大電路采用共基組態(tài)，反饋電所示電路中，放大電路采用共基組態(tài)，反饋電壓壓 ，取自電容，取自電容fu1CAF0電路滿足相位條件，可能產(chǎn)生振蕩。電路滿足相位條件，可能產(chǎn)生振蕩。 0312121211Hz=2.25MHz252523.140.4 101022525fC CLCC8.1.4 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路是利用石英晶體諧振器作為選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)石英晶體振蕩電路是利用石英晶體諧振器作為選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的振蕩電路，簡(jiǎn)稱晶振。根據(jù)晶體諧振器在電路中作用成的振蕩電路，簡(jiǎn)稱晶振。根據(jù)晶體諧振器在電路中作用原理不同，石英晶體振蕩電路可分為兩類：并聯(lián)型石英晶原理不同，石英晶

23、體振蕩電路可分為兩類：并聯(lián)型石英晶體振蕩電路和串聯(lián)型石英晶體振蕩電路。體振蕩電路和串聯(lián)型石英晶體振蕩電路。石英晶體諧振器石英晶體諧振器1 1）物理特性）物理特性 石英晶體諧振器是由石英晶體（石英晶體諧振器是由石英晶體（SiO2SiO2結(jié)晶體）切片制成。結(jié)晶體）切片制成。將石英晶體按照一定的角度切成薄片（簡(jiǎn)稱晶片），在晶將石英晶體按照一定的角度切成薄片（簡(jiǎn)稱晶片），在晶片的兩面涂敷銀層作為電極，并與管腳相連，最后進(jìn)行封片的兩面涂敷銀層作為電極，并與管腳相連，最后進(jìn)行封裝，就可構(gòu)成石英晶體諧振器，裝，就可構(gòu)成石英晶體諧振器， （a a） 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖（b b） 電路符號(hào)電路符號(hào)銀層管腳晶體

24、（c c） 實(shí)際晶振實(shí)際晶振圖圖8.1.13 8.1.13 石英晶體諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號(hào)石英晶體諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號(hào)由于存在壓電效應(yīng)，故在晶體兩端加交變電壓時(shí)，晶體由于存在壓電效應(yīng)，故在晶體兩端加交變電壓時(shí)，晶體將產(chǎn)生周期性機(jī)械振動(dòng)，而周期性振動(dòng)反過(guò)來(lái)又在晶片將產(chǎn)生周期性機(jī)械振動(dòng)，而周期性振動(dòng)反過(guò)來(lái)又在晶片表面產(chǎn)生交變正負(fù)電荷，形成交變電場(chǎng)，從而有交變電表面產(chǎn)生交變正負(fù)電荷，形成交變電場(chǎng)，從而有交變電流流過(guò)晶體。石英晶體存在一個(gè)固有的機(jī)械諧振頻率流流過(guò)晶體。石英晶體存在一個(gè)固有的機(jī)械諧振頻率（也稱固有諧振頻率），當(dāng)外加交變電壓頻率在此頻率（也稱固有諧振頻率），當(dāng)外加交變電壓頻率

25、在此頻率附近時(shí)，晶片的機(jī)械振動(dòng)振幅和交變電流的振幅達(dá)到最附近時(shí)，晶片的機(jī)械振動(dòng)振幅和交變電流的振幅達(dá)到最大，這種現(xiàn)象和大，這種現(xiàn)象和LCLC回路的諧振現(xiàn)象十分相似，稱為壓電回路的諧振現(xiàn)象十分相似，稱為壓電諧振。諧振。 2 2）等效電路與電抗特性）等效電路與電抗特性石英晶體諧振器等效電路如圖石英晶體諧振器等效電路如圖8.1.148.1.14（a a）所示。）所示。 圖圖8.1.14 8.1.14 石英晶體諧振器的等效電路及電抗特性石英晶體諧振器的等效電路及電抗特性O(shè)0CdLdCdR由圖由圖8.1.148.1.14（a a）可寫(xiě)出等效電路的阻抗表達(dá)式為）可寫(xiě)出等效電路的阻抗表達(dá)式為dd0dedd0

26、d11j+jj11j+jjRLCCZRLCC 較小，將其忽略后，上式經(jīng)整理可得較小，將其忽略后，上式經(jīng)整理可得 qR2s2ee2p0211jj1ZXC 上式中，上式中， sdd1L Cp0dq0d1C CLCC由式（由式（8-1-368-1-36）可畫(huà)出石英晶體諧振器的電抗特性曲線，）可畫(huà)出石英晶體諧振器的電抗特性曲線，如圖如圖8.1.148.1.14（b b）所示。）所示。 串聯(lián)諧振頻率為串聯(lián)諧振頻率為 sdd12fL C并聯(lián)諧振頻率為并聯(lián)諧振頻率為p0dd0d12fC CLCC石英晶體諧振器的品質(zhì)因數(shù)為石英晶體諧振器的品質(zhì)因數(shù)為 dddLQR石英晶體諧振器的接入系數(shù)為石英晶體諧振器的接入系

27、數(shù)為dd0d0CCpCCC2.2.并聯(lián)型晶體振蕩電路并聯(lián)型晶體振蕩電路將圖將圖8.1.118.1.11所示的電容反饋式振蕩電路中所示的電容反饋式振蕩電路中B-CB-C間的電感間的電感L L用用石英晶體諧振器代替，就可得到一種并聯(lián)型石英晶體振蕩石英晶體諧振器代替，就可得到一種并聯(lián)型石英晶體振蕩電路，稱為皮爾斯振蕩器，其電路如圖電路，稱為皮爾斯振蕩器，其電路如圖8.1.158.1.15（a a）所示。）所示。 BCRB1RB2ERECVTCCV1C2CRCdLdCdR1C2C0C晶體諧振器圖圖8.1.15 8.1.15 并聯(lián)型晶體振蕩電路及其選頻網(wǎng)并聯(lián)型晶體振蕩電路及其選頻網(wǎng)路路并聯(lián)型晶體振蕩電路

28、的振蕩頻率為并聯(lián)型晶體振蕩電路的振蕩頻率為 d0s0L112CffCC振蕩電路的振蕩頻率在石英晶體諧振器的串聯(lián)諧振頻率和振蕩電路的振蕩頻率在石英晶體諧振器的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率之間，此時(shí)，晶體呈感性，在振蕩電路中起并聯(lián)諧振頻率之間，此時(shí)，晶體呈感性，在振蕩電路中起等效電感作用。等效電感作用。 晶體的參數(shù)雖然穩(wěn)定，但仍然受溫度影響，所以振蕩頻率晶體的參數(shù)雖然穩(wěn)定，但仍然受溫度影響，所以振蕩頻率難免會(huì)發(fā)生緩慢變化，偏離晶振標(biāo)稱頻率。為此，通常在難免會(huì)發(fā)生緩慢變化，偏離晶振標(biāo)稱頻率。為此，通常在圖圖8.1.158.1.15（a a）中晶體所在支路上串聯(lián)一微調(diào)電容，利用）中晶體所在支路上串聯(lián)一微

29、調(diào)電容，利用微調(diào)電容來(lái)調(diào)整負(fù)載電容微調(diào)電容來(lái)調(diào)整負(fù)載電容 ，使振蕩頻率正好等于晶振的，使振蕩頻率正好等于晶振的標(biāo)稱頻率。標(biāo)稱頻率。 3.3.串聯(lián)型晶體振蕩電路串聯(lián)型晶體振蕩電路串聯(lián)型晶體振蕩電路中，石英晶體諧振器接在要求低阻抗串聯(lián)型晶體振蕩電路中，石英晶體諧振器接在要求低阻抗的兩點(diǎn)之間，相當(dāng)于選頻短路線。的兩點(diǎn)之間，相當(dāng)于選頻短路線。BCRB1RB2ERVTCCV1C2CL圖圖8.1.16 8.1.16 串聯(lián)型晶體振蕩電路串聯(lián)型晶體振蕩電路因?yàn)槭⒕w振蕩器的振蕩頻率因?yàn)槭⒕w振蕩器的振蕩頻率比較穩(wěn)定，因此廣泛應(yīng)用于對(duì)頻比較穩(wěn)定，因此廣泛應(yīng)用于對(duì)頻率穩(wěn)定度要求較高的設(shè)備中，如率穩(wěn)定度要求較高

30、的設(shè)備中，如數(shù)字系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、精密儀器信數(shù)字系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、精密儀器信號(hào)源等。號(hào)源等。8.2 8.2 非正弦波發(fā)生電路非正弦波發(fā)生電路 8.2.1 8.2.1 矩形波發(fā)生電路矩形波發(fā)生電路1. 1. 電路組成電路組成矩形波信號(hào)只有高電平和低電平兩個(gè)狀態(tài)，而且每一個(gè)狀矩形波信號(hào)只有高電平和低電平兩個(gè)狀態(tài)，而且每一個(gè)狀態(tài)在持續(xù)一定的時(shí)間后就轉(zhuǎn)換為另外一種狀態(tài)。矩形波發(fā)態(tài)在持續(xù)一定的時(shí)間后就轉(zhuǎn)換為另外一種狀態(tài)。矩形波發(fā)生電路可產(chǎn)生矩形波信號(hào)輸出，是其他非正弦波發(fā)生電路生電路可產(chǎn)生矩形波信號(hào)輸出，是其他非正弦波發(fā)生電路的基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)。圖圖8.2.18.2.1（a a）所示為一種典型的矩形波發(fā)生電路，由反

31、）所示為一種典型的矩形波發(fā)生電路，由反相輸入的滯回比較器和相輸入的滯回比較器和RCRC回路組成?；芈方M成。 +-ouA3R1R2RC4RCuZUVZ+-圖圖8.2.1 8.2.1 矩形波發(fā)生電路及其滯回比較器傳輸特性矩形波發(fā)生電路及其滯回比較器傳輸特性2. 2. 工作原理工作原理圖圖8.2.18.2.1（a a）中，反相滯回比較器電壓傳輸特性如圖）中，反相滯回比較器電壓傳輸特性如圖8.2.18.2.1（b b）所示，其閾值電壓為）所示，其閾值電壓為1TZ12RUURR 由于電容充電和放電的時(shí)間常數(shù)相等，所以輸出為對(duì)稱方波。由于電容充電和放電的時(shí)間常數(shù)相等，所以輸出為對(duì)稱方波。如圖如圖8.2.2

32、8.2.2所示所示 。tt圖圖8.2.2 8.2.2 矩形波發(fā)生電路波形矩形波發(fā)生電路波形3. 3. 振蕩頻率振蕩頻率按照一階按照一階RCRC電路的三要素法有電路的三要素法有 32TZTZ()eTR CUUUU 13222ln 1RTR CR電路的振蕩頻率電路的振蕩頻率1fT。 1fT占空比占空比 k12TqT4. 4. 占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路由方波發(fā)生電路的工作原理可以看出，如果電容由方波發(fā)生電路的工作原理可以看出，如果電容C C充電電流充電電流和和放電電流流過(guò)的通路不同，則可通過(guò)調(diào)節(jié)充電和放電時(shí)和和放電電流流過(guò)的通路不同，則可通過(guò)調(diào)節(jié)充電和放電時(shí)間常數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)占

33、空比，得到占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路。間常數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)占空比，得到占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路。 圖圖8.2.38.2.3（a a）所示為一典型的占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路。）所示為一典型的占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路。 +-ouA3R1R2RC4RCuZUVZ1VD2VDp1Rp2RPR+-按照一階按照一階RCRC電路的三要素法，可以得出充電時(shí)間和放電電路的三要素法，可以得出充電時(shí)間和放電時(shí)間分別為時(shí)間分別為11122ln 1RTR12222ln 1RTR波形周期為波形周期為112p322(2)ln 1RTTTRR CR占空比為占空比為p131p32RRTqTRR波形如圖波形如圖8.2.38.2.3

34、（b b）所示）所示 tt圖圖8.2.3 8.2.3 占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路及其波形占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路及其波形【例【例8-2-1】圖圖8.2.48.2.4（a a）所示電路中，已知）所示電路中，已知 ， ， ，集成運(yùn)放的最大輸出電壓幅值為，集成運(yùn)放的最大輸出電壓幅值為，二極管的動(dòng)態(tài)電阻可忽略不計(jì)。二極管的動(dòng)態(tài)電阻可忽略不計(jì)。 1=10kR2=20kR0.01FC （1 1）求電路的振蕩周期；）求電路的振蕩周期；（2 2）畫(huà)出）畫(huà)出 和和 的波形。的波形。ouCu【解】【解】（1 1）由圖由圖8.2.48.2.4（a a）所示電路可知，這是一個(gè)）所示電路可知，這是一個(gè)矩形波發(fā)生電路。

35、集成運(yùn)放矩形波發(fā)生電路。集成運(yùn)放A A同相端電壓同相端電壓+-ouAR1R1VDCCu2R2VDR112ln 1RTR222ln 1RTR所以，振蕩周期為所以，振蕩周期為1212ln3TTTRRC361020100.01 101.1s=0.33ms12V=6VRuRR 利用一階利用一階RCRC電路的三要素法，可以得出一個(gè)周期內(nèi)的充電時(shí)電路的三要素法，可以得出一個(gè)周期內(nèi)的充電時(shí)間和放電時(shí)間分別為間和放電時(shí)間分別為（2 2）波形如圖）波形如圖8.2.48.2.4（b b）所示）所示 t/mst/ms8.2.2 8.2.2 三角波發(fā)生電路三角波發(fā)生電路1. 1. 電路組成電路組成方波信號(hào)經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算

36、可得三角波信號(hào)，因此利用滯回比方波信號(hào)經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算可得三角波信號(hào)，因此利用滯回比較器和積分電路可構(gòu)成三角波發(fā)生電路。圖較器和積分電路可構(gòu)成三角波發(fā)生電路。圖8.2.58.2.5（a a）為）為一典型三角波發(fā)生電路。一典型三角波發(fā)生電路。 +-ou1R2R3R+-C5R4RZUVZ1A2Ao1u圖圖8.2.5 8.2.5 三角波發(fā)生電路及其滯回比較器傳輸特性三角波發(fā)生電路及其滯回比較器傳輸特性2. 2. 工作原理工作原理圖圖8.2.58.2.5（a a）中，滯回比較器的輸入電壓為）中，滯回比較器的輸入電壓為 ，輸出電，輸出電壓壓 ouo1ZuU 1212o1oZo12121212RRRRuuuU

37、uRRRRRRRR +0u 令令 ，可得圖，可得圖8.2.58.2.5（b b）中滯回比較器的閾值電壓為）中滯回比較器的閾值電壓為 1TZ2RUUR 因正向積分和反向積分時(shí)間常數(shù)相等，所以一個(gè)周期內(nèi)，因正向積分和反向積分時(shí)間常數(shù)相等，所以一個(gè)周期內(nèi)， 的上升時(shí)間和下降時(shí)間相等，即的上升時(shí)間和下降時(shí)間相等，即 為三角波。為三角波。 ououtt 輸出波形如圖輸出波形如圖8.2.68.2.6所示。所示。 ou3. 3. 振蕩頻率振蕩頻率由圖由圖8.2.68.2.6中電壓中電壓 波形可知，在正向積分的半個(gè)周期內(nèi)，波形可知，在正向積分的半個(gè)周期內(nèi)， ouTTZ412TUUUR C 將將 代入上式可得波

38、形周期為代入上式可得波形周期為 1TZ2RUUR1424R R CTR振蕩頻率為振蕩頻率為21414RfTR R C由式（由式（8-2-78-2-7）可以看出，改變即可改變）可以看出，改變即可改變 、 、 三角波發(fā)生電路的輸出波形的頻率。三角波發(fā)生電路的輸出波形的頻率。1R2R4R8.2.3 8.2.3 鋸齒波發(fā)生電路鋸齒波發(fā)生電路由三角波發(fā)生電路的工作原理可知，若積分電路的正向積由三角波發(fā)生電路的工作原理可知，若積分電路的正向積分時(shí)間常數(shù)和反向積分時(shí)間常數(shù)不同，且相差懸殊，則輸出分時(shí)間常數(shù)和反向積分時(shí)間常數(shù)不同，且相差懸殊，則輸出電壓波形上升和下降的斜率相差很多，輸出將為鋸齒波。因電壓波形上

39、升和下降的斜率相差很多，輸出將為鋸齒波。因此，修改圖此，修改圖8.2.58.2.5（a a）所示的三角波發(fā)生電路，使其正向積）所示的三角波發(fā)生電路，使其正向積分和反向積分的通路不同，即可得到鋸齒波發(fā)生電路，如圖分和反向積分的通路不同，即可得到鋸齒波發(fā)生電路，如圖8.2.78.2.7所示。所示。+-ou1R2R3R+-5R4RZUVZ1VD2VDp1Rp2R1A2Ao1uCpR按照三角波發(fā)生電路波形周期的分析方法，可得按照三角波發(fā)生電路波形周期的分析方法，可得14p1122()R RRCTR14p2222()R RRCTR波形周期為波形周期為14p1222(2)RRR CTTTR占空比為占空比為

40、 4p114p2RRTqTRR波形如圖波形如圖8.2.88.2.8所示。所示。 t圖圖8.2.8 8.2.8 鋸齒波發(fā)生電路波形鋸齒波發(fā)生電路波形【例【例8-2-28-2-2】圖圖8.2.98.2.9所示電路中，所示電路中， ， ，Z6VU R15VU（1 1）說(shuō)出該電路的名稱，并簡(jiǎn)述其工作原理；）說(shuō)出該電路的名稱，并簡(jiǎn)述其工作原理；（2 2）定性畫(huà)出輸出電壓）定性畫(huà)出輸出電壓 的波形，并估算輸出的波形，并估算輸出 電壓的幅度；電壓的幅度；（3 3）估算輸出電壓的頻率。）估算輸出電壓的頻率。 ou+-ou1R2R3R+-CZUVZ1A2Ao1u4RPRRURUVD5RRU1k3k1.2k200

41、k0.01F12k圖圖8.2.9 8.2.9 例例8-2-28-2-2的電路圖的電路圖【解】【解】（1 1）該電路為鋸齒波發(fā)生電路。）該電路為鋸齒波發(fā)生電路。第一級(jí)是由運(yùn)放第一級(jí)是由運(yùn)放 為主組成的滯回比較器，輸出電壓為主組成的滯回比較器，輸出電壓為為 ；第二級(jí)是由運(yùn)放；第二級(jí)是由運(yùn)放 為主組成的積分電為主組成的積分電路，工作在線性范圍內(nèi)。前后兩級(jí)首尾相連，互為輸入、路，工作在線性范圍內(nèi)。前后兩級(jí)首尾相連，互為輸入、輸出。輸出。 1AZU2A放電時(shí)間比充電時(shí)間小得多，所以放電時(shí)間比充電時(shí)間小得多，所以為為 鋸齒波電壓。鋸齒波電壓。 ou（2 2）輸出電壓的波形如圖）輸出電壓的波形如圖8.2.1

42、08.2.10所示。所示。當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， 同相端電壓為同相端電壓為o1ZuU oZo12o1Z12121uUuuRR uRURRRR 1A2o1Z121R uRUuRRomax121Z21uRRuRUR當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， 同相端電壓為同相端電壓為o1ZuU 1AoZ+o12o1Z12121uUuuRR uRURRRR2o1Z121R uRUuRRomin121Z21uRRuRUR由此可得輸出鋸齒波電壓幅度為由此可得輸出鋸齒波電壓幅度為1omaxominZ23226V=3V12RuuUR（3 3）電容）電容C C 的充電電流為的充電電流為4R40CRUiiR 1Comaxomin01d3VTit u

43、uCR1413VUTC R361433200 100.01 10 s=0.4ms1515TR C輸出鋸齒波電壓的頻率近似為輸出鋸齒波電壓的頻率近似為11112.5kHz0.4msfTTt8.3 8.3 波形變換電路波形變換電路8.3.1 三角波到鋸齒波變換電路三角波到鋸齒波變換電路設(shè)變換電路輸入的三角波和輸出的鋸齒波如圖設(shè)變換電路輸入的三角波和輸出的鋸齒波如圖8.3.18.3.1所示，所示，將圖中的兩個(gè)波形進(jìn)行比較可以看出，在三角波上升階將圖中的兩個(gè)波形進(jìn)行比較可以看出，在三角波上升階段有段有 oiuu在三角波下降階段有在三角波下降階段有oiuu 用三角波的上升、下降階段產(chǎn)生控制信號(hào)，再用控制

44、信號(hào)用三角波的上升、下降階段產(chǎn)生控制信號(hào)，再用控制信號(hào)去控制比例運(yùn)算電路的比例系數(shù)在去控制比例運(yùn)算電路的比例系數(shù)在+1+1和和-1-1之間切換，就之間切換，就可構(gòu)成三角波變鋸齒波電路。可構(gòu)成三角波變鋸齒波電路。 圖圖8.3.38.3.3為三角波變鋸齒波的基本電路。為三角波變鋸齒波的基本電路。 +-ouAFR2R4RC1R5R6RVDVTCuiu3RN在三角波輸入在三角波輸入 上升階段，上升階段， 為低電平，結(jié)型場(chǎng)為低電平，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管效應(yīng)管VTVT的的 小于其夾斷電壓，相當(dāng)于電子開(kāi)關(guān)斷小于其夾斷電壓，相當(dāng)于電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，所以有開(kāi)，所以有 iuCuGSu5i345RuuuRRR在在N N點(diǎn)列電流方程點(diǎn)列電流方程oi2f1uuuuuRRR所以由式（所以由式（8-3-38-3-3）和（）和（8-3-48-3-4）可得）可得oiuu在三角波輸入在三角波輸入 下降階段，下降階段， 為高電平，結(jié)型場(chǎng)為高電平，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管效應(yīng)管VTVT的的 ，相當(dāng)于電子開(kāi)關(guān)閉合，相當(dāng)于電子開(kāi)關(guān)閉合，所以有所以有 iuCu0GSuFo1iRuRuoiuu 綜合以上分析可知，在三角波上升階