《模擬電子技術(shù)及應(yīng)用》課件第5章

5.1.1振蕩的概念

振蕩器在自動控制、儀器儀表、高頻加熱、超聲波探傷、廣播通信、電視技術(shù)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。它既是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可把直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能；同時(shí)又是一種信號產(chǎn)生裝置，無信號輸入，卻有信號輸出。實(shí)驗(yàn)室中常用的函數(shù)信號發(fā)生器就是振蕩器的一個(gè)實(shí)例。5.1概述

振蕩器按照輸出電壓的波形可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器；按照電路組成可分為LC振蕩器、RC振蕩器、石英晶體振蕩器等；按照頻率范圍可分為低頻振蕩器和高頻振蕩器等。本章將討論幾種常見振蕩器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理。

在放大電路中，當(dāng)放大器的輸入端接上信號源時(shí)，才有信號輸出；若輸入信號為零，則輸出信號也為零。如果放大電路中有正反饋存在，則放大器的工作不穩(wěn)定。當(dāng)放大器的輸入端不接外加信號時(shí)，它的輸出端也有可能出現(xiàn)一定頻率和幅度的交流信號，這種現(xiàn)象就稱為自激振蕩。振蕩器的基本原理就是利用了自激振蕩的現(xiàn)象。

放大電路中產(chǎn)生自激振蕩的現(xiàn)象，可以用常見的擴(kuò)音機(jī)來說明。如圖5-1所示，當(dāng)有人把他所使用的擴(kuò)音機(jī)音量開得太大或話筒擺放位置不合適時(shí)，會引起一陣刺耳的嘯叫聲，這種現(xiàn)象是由于揚(yáng)聲器靠近話筒時(shí)，來自揚(yáng)聲器的聲波激勵(lì)話筒，話筒感應(yīng)電壓并輸入放大器，然后揚(yáng)聲器又把放大了的聲波再送回話筒，從而形成了正反饋。如此反復(fù)循環(huán)就形成了聲電和電聲的自激振蕩嘯叫聲。

圖5-1顯然，自激振蕩在放大器中是人們所不希望的，而在振蕩器中卻是必需的。因此，不論是為了消除自激振蕩，還是需產(chǎn)生自激振蕩，首先必須了解電路在具備何種條件下才能形成自激振蕩。5.1.2自激振蕩的條件

圖5-2是一個(gè)反饋放大器的方框圖。當(dāng)開關(guān)S置于位置1時(shí)，放大器的輸入端和信號源連接，設(shè)輸入信號為一正弦波，即ui＝Uimsin(

t＋

)式中，Uim為輸入信號的幅值，

為角頻率，

為初相角。這個(gè)輸入信號經(jīng)放大后就會在輸出端產(chǎn)生一個(gè)同頻率的輸出電壓uo，通過線性反饋電路，使2端獲得同頻率的正弦信號uf。

如果適當(dāng)調(diào)節(jié)放大電路和反饋電路的參數(shù)，可使反饋電壓uf的幅值Ufm和初相角

f與輸入信號ui的幅值和初相位完全相同，即

圖5-2

Ufm＝Uim

(5-1-1)

f＝

＋2n

(5-1-2)

式中，n為整數(shù)。于是，反饋電壓uf就可以代替輸入信號ui。這時(shí)，如果把開關(guān)S從1端轉(zhuǎn)換到2端，則輸出電壓仍能維持不變。這樣，反饋放大器就變成了一個(gè)自激振蕩器。由此可見，要使電路產(chǎn)生自激振蕩，必須滿足以下兩個(gè)條件。

(1)相位平衡條件：由輸出端反饋到輸入端的電壓必須與輸入電壓同相位，必須使電路具有正反饋性質(zhì)，即

f＝

±2n

。

(2)振幅平衡條件：由輸出端反饋到輸入端的電壓幅值必須等于輸入電壓的幅值，即Ufm＝Uim。

在分析上述振蕩條件時(shí)，假定最初的輸入信號是由信號源提供的，當(dāng)電路滿足振蕩條件后，再由反饋信號來代替輸入信號。而實(shí)際振蕩器并不接信號源，也就是說，振蕩器的初始信號不是由信號源提供的，其框圖如圖5-3所示。

圖5-3那么，振蕩器的初始信號是從哪里來的呢？實(shí)際上，振蕩器的初始信號是自激的。在振蕩器接通電源的瞬間，電路中會出現(xiàn)一種沖擊電流所產(chǎn)生的諧波信號，這種諧波信號具有很寬的頻帶，但初始幅度很小。此外，電源電壓的波動、電路參數(shù)的變化都會使電路出現(xiàn)一些擾動。這些變化都能引起一個(gè)微小的電壓而傳送到放大器的輸入端，從而構(gòu)成振蕩器的最初輸入信號。

初始信號經(jīng)放大后反饋到輸入端，作為振蕩器的第二輸入信號，若反饋電壓與第一次的輸入信號同相位且幅值大于第一次的輸入信號的幅值，則振蕩器的輸出電壓進(jìn)一步增強(qiáng)，這樣，正反饋→放大→再反饋→再放大，經(jīng)過多次循環(huán)，輸出電壓不斷增大，但這個(gè)過程并不會無限制地增加下去，這是由于三極管的非線性特性所造成的。當(dāng)正反饋使輸出電壓不斷增大時(shí)，必將導(dǎo)致三極管的工作進(jìn)入非線性區(qū)域，從而使得放大器的放大倍數(shù)降低，輸出信號幅度的增加越來越少，最后反饋電壓與前一次的輸入電壓大小相等，達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)定的狀態(tài)，振蕩器的輸出就維持在某一幅值而穩(wěn)幅振蕩。

振蕩器振蕩時(shí)，它的輸入信號取自于自己的輸出端，放大器的輸出電壓有效值為

(5-1-3)

而反饋電壓有效值為

(5-1-4)

在振蕩器起振時(shí)，要求它的反饋電壓應(yīng)大于初始信號電壓，即Uf＞Ui或 ，因此，自激振蕩器起振時(shí)應(yīng)滿足以下關(guān)系： (5-1-5)

當(dāng)振蕩器穩(wěn)幅振蕩后，要求后一次的反饋電壓與前一次的輸入電壓相等，即Uf＝Ui或 ，因此，自激振蕩器穩(wěn)幅振蕩后應(yīng)滿足以下關(guān)系：

(5-1-6)

可見，振蕩器的起振過程，就是從 到

的變化過程。

前面說過，擾動信號含有多種頻率成分，為了使放大器輸出單一頻率的正弦信號，在振蕩電路中需要有選頻電路。

選頻電路有多種，由電阻R和電容C組成的選頻回路稱為RC選頻回路；由電感L和電容C組成的選頻回路稱為LC選頻回路；由石英晶體組成的稱為晶體選頻回路。具有RC選頻回路的振蕩器稱為RC振蕩器；具有LC選頻回路的振蕩器稱為LC振蕩器，具有晶體選頻回路的振蕩器稱為晶體振蕩器。

綜上所述，一個(gè)正弦波振蕩器應(yīng)具有以下幾部分。

(1)放大部分：利用放大電路的放大作用，使電路具有足夠的放大倍數(shù)，以獲得較大的輸出電壓。

(2)反饋部分：把輸出信號反饋到輸入端，作為放大電路的輸入信號，如果反饋信號的大小和相位滿足自激振蕩條件，電路就能產(chǎn)生自激振蕩。

(3)選頻部分：使電路僅對某一種頻率的信號滿足自激振蕩條件，從而產(chǎn)生單一頻率的正弦波振蕩。

(4)電源部分：為電路提供直流電能。

5.2.1LC回路的選頻特性

圖5-4(a)為電感線圈L和電容器C的并聯(lián)交流電路，圖5-4(b)是其等效電路。當(dāng)電源頻率一定時(shí)，改變電路參數(shù)L或C，可使電路的電壓和總電流

同相位從而達(dá)到諧振狀態(tài)；若電路參數(shù)不變，則改變電源頻率也可使電路達(dá)到諧振狀態(tài)。圖5-4的等效阻抗為5.2LC正弦波振蕩器

由于電感的寄生電阻R比感抗和容抗小得多，因此，上式分子中的電阻R可略去不計(jì)，故有

(5-2-1)

圖5-4當(dāng)電路發(fā)生諧振時(shí)，阻抗Z的虛部等于零，即

，因此

或

(5-2-2)式中，f0稱為電路的諧振頻率(或固有頻率)。諧振時(shí)，電路的等效阻抗Z呈現(xiàn)純電阻性質(zhì)，且達(dá)到最大，用Z0表示，稱為諧振阻抗。

(5-2-3)

式中：

(5-2-4)

Q稱為品質(zhì)因數(shù)，它是LC回路的一個(gè)重要指標(biāo)。

如果用LC回路代替放大電路中的集電極負(fù)載電阻RC，則可組成具有選頻特性的放大電路，如圖5-5所示，RL為負(fù)載電阻。圖中各元件所起的作用和前述放大電路相同，不再重復(fù)。

設(shè)輸入信號ui是許多不同頻率的正弦信號的組合，但由于LC回路具有選頻作用，它對頻率為f0的正弦信號具有最大阻抗，因此，放大器對頻率為f0的正弦信號具有最高的電壓放大倍數(shù)，這樣就把輸入信號中頻率為f0的正弦信號選擇出來并加以放大。改變LC回路參數(shù)，即可放大不同頻率的正弦信號，這種具有選頻特性的放大器稱為選頻放大器。

圖5-5

若LC回路的品質(zhì)因數(shù)Q越高，則電路的選頻特性越好，選擇性越強(qiáng)。

如果在選頻放大器的變壓器上再加一個(gè)副繞組，把選頻放大器放大后的信號通過副繞組反饋到放大器的輸入端，并使反饋電壓的大小和相位與原來頻率為f0的輸入信號相等，則選頻放大器在無外加輸入信號的情況下仍能維持電壓輸出，這樣，選頻放大器就變成了正弦波自激振蕩器。5.2.2變壓器反饋式LC振蕩器

圖5-6為變壓器反饋式LC正弦波振蕩器。這個(gè)電路可以分為三個(gè)主要組成部分：

(1)三極管V和電阻RB1、RB2、RE、CE構(gòu)成分壓式電流負(fù)反饋偏置電路，建立放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。

(2)變壓器原繞組L1(稱為振蕩線圈)與電容C1并聯(lián)組成選頻回路，并作為放大器的集電極負(fù)載。

(3)變壓器副繞組Lf(稱為反饋線圈)與電容Cf串聯(lián)構(gòu)成正反饋電路，這就是變壓器反饋式名稱的由來。

另外，變壓器的另一副繞組L2是振蕩電路的信號輸出繞組。

圖5-6當(dāng)電路接通電源時(shí)，沖擊電流會產(chǎn)生一個(gè)初始信號并輸入到三極管的基極，它含有各種頻率成分，由于LC回路有選頻特性，因此，放大器只對頻率為f0的信號具有很高的電壓放大倍數(shù)，而對其他頻率的信號只有很小的電壓放大倍數(shù)。當(dāng)電路有足夠的反饋量時(shí)，頻率為f0的信號便能滿足振幅平衡條件。那么，電路是否滿足相位平衡條件呢？LC選頻回路僅對頻率為f0的信號具有最高的阻抗，且為純電阻性質(zhì)，故振蕩回路兩端頻率為f0的信號電壓u與集電極電流的交流分量ic同相位，反饋電壓uf可能與振蕩電壓同相位，也可能反相位，這要由Lf的接法來決定。如果Lf的接法正確，則uf與u同相位，亦即uf與頻率為f0的輸入信號同相位。這時(shí)，基極回路在uf的作用下，會產(chǎn)生與uf同相位的基極電流的交流分量ib，通過三極管放大后，在集電極回路中再產(chǎn)生與ib同相位的ic和u，如此不斷反饋和放大，直到產(chǎn)生頻率為f0的穩(wěn)幅輸出電壓為止，這個(gè)正反饋過程可表示如下：

如上所述，只有頻率為f0的信號才能滿足相位平衡條件，而偏離f0頻率的信號，LC回路則不能呈現(xiàn)出純電阻性質(zhì)，ic與u之間有相位差(即相位差不為零)，因而，不能滿足相位平衡條件。

如果反饋線圈接反，則uf與頻率為f0的初始輸入信號相位相反，這時(shí)振蕩器就不能產(chǎn)生振蕩，L1和Lf的正確接法如圖5-7所示。

圖5-7為了便于分析振蕩器的工作原理，常常需要畫出它的交流通道。為了分析方便，在畫振蕩電路的交流通道時(shí)可忽略偏置電路(圖5-6中的電阻RB1和RB2)對交流的分流作用，則圖5-6的交流通道如圖5-8所示。利用瞬時(shí)極性法較易判斷電路是否滿足相位平衡條件。由于CE的旁路作用，Cf的短路作用，故反饋電壓uf直接加在三極管的基極和發(fā)射極之間。又因直流電源對交流信號來說相當(dāng)于短路，故在交流通道中，振蕩回路一端接在三極管的集電極，另一端接地。設(shè)某瞬間三極管的基極上有一個(gè)的信號(電位上升)，由于共射電路的反相作用，其集電極輸出為的信號(電位下降)，于是，在L1C1上得到上負(fù)下正的電壓，因L1的下端與Lf的上端為同極性端，故Lf的反饋電壓為上正下負(fù)，反饋到基極上的電壓也是的信號。因此，這種電路為正反饋，滿足相位平衡條件，可以起振。振蕩頻率為

(5-2-5)

變壓器反饋式振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是易于起振，故應(yīng)用較廣泛。

圖5-85.2.3電感三點(diǎn)式振蕩器

LC振蕩器也常采用自感線圈完成反饋，其電路如圖5-9(a)所示。圖中振蕩線圈L共有三個(gè)出線端，根據(jù)交流通道，三個(gè)出線端分別與三極管的三個(gè)電極相連接，故稱為電感三點(diǎn)式振蕩器。

在圖5-9(a)中，RB1、RB2、RE、CE組成偏置電路，由UCC經(jīng)L1、V、RE到地構(gòu)成振蕩器的集電極直流通道。L(包括L1和L2)與C1組成振蕩器的選頻回路，線圈L中的一部分L2把反饋信號經(jīng)Cf耦合到三極管的基極，同時(shí)Cf還具有隔直作用，它隔斷了直流電源UCC經(jīng)L2到三極管基極的通路，使電路的靜態(tài)工作點(diǎn)不受反饋線圈L2的影響。

圖5-9由于直流電源UCC、電容Cf和CE對交流信號來說都可看成短路，故電感三點(diǎn)式振蕩器的交流通道如圖5-9(b)所示。根據(jù)交流通道可方便地判斷出電路是否滿足自激振蕩的相位平衡條件。其正反饋的過程如下：

u12與uf反相(共射電路的倒相作用)，L1、L2都是L的一部分，電流方向一致，即u32與u12反相，故uf(等于u32)與ube同相，能滿足相位平衡條件。

反饋電壓的大小與振蕩線圈抽頭“2”的位置有關(guān)，適當(dāng)增加L2的匝數(shù)N2，有利于振蕩器起振，但N2增加過多，將導(dǎo)致振蕩器輸出波形嚴(yán)重失真，因?yàn)殡姼蠰2對高次諧波具有很高的阻抗，所以反饋電壓的高次諧波的幅度也較大，因而使輸出波形含有較大的高次諧波分量。實(shí)踐表明，L2的匝數(shù)N2一般選取線圈總匝數(shù)(N1＋N2)的1／8~1／4較為適宜。

電感三點(diǎn)式振蕩電路制作簡單，L1、L2耦合緊密，易起振，但波形較差。其振蕩頻率為

(5-2-6)

5.2.4電容三點(diǎn)式振蕩器

圖5-10(a)為電容三點(diǎn)式振蕩器。在這個(gè)電路中，RB1、RB2、RC、RE、CE構(gòu)成偏置電路，電源UCC經(jīng)RC、三極管C極和E極、RE到地，構(gòu)成集電極直流通道。反饋電壓取自電容C2，故又稱電容反饋式振蕩器。振蕩回路包含了L和C1、C2，且從C1、C2串聯(lián)支路中引出三個(gè)端子與三極管的三個(gè)電極相連接，所以，稱為電容三點(diǎn)式振蕩器。電容三點(diǎn)式振蕩器的交流通道如圖5-10(b)所示。

圖5-10根據(jù)交流通道，可以方便地判斷出電路是否滿足相位平衡條件。由共射電路的倒相作用知ube與u12反相，C1和C2通過同一電流i，u23與u12同相位，uf與u23反相，故ube與uf同相位，滿足相位平衡條件，所以，電路能產(chǎn)生振蕩。其正反饋的過程如下：

電路的振蕩頻率為

(5-2-7)

式中，C＝C1C2／(C1＋C2)。

電容三點(diǎn)式振蕩器的輸出波形好，而且可以通過與電感線圈再并聯(lián)一個(gè)適量的電容器，在小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)頻率，這種振蕩器常用于調(diào)頻和調(diào)幅的接收機(jī)中。5.2.5三點(diǎn)式LC振蕩器的一般形式

三點(diǎn)式振蕩電路實(shí)際上就是將電路中三極管的三個(gè)電極分別接到諧振回路的三個(gè)端點(diǎn)上，三點(diǎn)式電路的交流通道的一般形式如圖5-11所示。圖5-11中用X1、X2、X3分別表示諧振回路的三個(gè)電抗元件。電感三點(diǎn)式X1、X2都是感抗，電容三點(diǎn)式X1、X2都是容抗。X1、X2都連接在三極管的發(fā)射極上，是同類電抗，以滿足相位平衡條件，X2、X3都連接在三極管的基極上，是性質(zhì)相反的電抗，所以，可概括為“射同基反”。

圖5-11

LC振蕩器的振蕩頻率比較高，一般都在幾千赫茲到幾百兆赫茲或更高頻率。若要產(chǎn)生音頻范圍(一般不超過20kHz)的正弦波信號，常采用RC振蕩器，其振蕩頻率可以低到1Hz以下，測試技術(shù)中常用的低頻信號源就是一種RC振蕩器。RC振蕩器主要分為RC橋式(又稱文氏電橋)振蕩器和RC移相式振蕩器。下面就RC橋式振蕩器作一介紹。5.3RC正弦波振蕩器5.3.1RC回路的選頻特性

RC橋式振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，如圖5-12(a)所示。

當(dāng)輸入電壓ui的頻率f趨于零時(shí)，C1、C2的容抗趨于無窮大，等效電路如圖5-12(b)所示。此時(shí)串聯(lián)部分的阻抗很大，且 ，ui幾乎全部降落在C1上，i相位超前ui相位

；同時(shí)，輸出電壓uo趨于零。又由于

，i1≈i，uo與i2同相，因此uo相位超前ui相位

。

圖5-12

當(dāng)輸入電壓ui的頻率f趨于無窮大時(shí)，C1、C2的容抗趨于零，等效電路如圖5-12(c)所示。此時(shí)串聯(lián)部分的阻抗約等于R1，并聯(lián)部分的阻抗約等于電容C2的容抗 ，且 ，ui幾乎全部降落在R1上，i與ui同相位；同時(shí)，輸出電壓uo趨于零。又由于

，i2＝i，因此uo相位滯后i2相位

，uo相位滯后ui相位

。

由上述分析可知，輸入電壓頻率在零到無窮大之間變化時(shí)，一定存在一個(gè)頻率f0所對應(yīng)的輸出電壓uo值最大，且uo與輸入電壓ui同相位。

綜上所述，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對不同頻率的信號具有不同的特性，當(dāng)頻率為f0時(shí)，它的輸出電壓uo的幅值最大，且輸出電壓與輸入電壓同相位；當(dāng)f＜f0時(shí)，uo超前ui；當(dāng)f>f0時(shí)，uo滯后ui。由此可見，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有選頻作用。下面根據(jù)電路結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出它的頻率特性。

由圖5-12(a)得

整理得

(5-3-1)

通常取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，則

(5-3-2)

式中，

，即

(5-3-3)

同時(shí)，輸出電壓uo的幅值最大，即

(5-3-4)

式(5-3-2)所代表的幅頻特性為

(5-3-5)相頻特性為

(5-3-6)

當(dāng)

＝

0時(shí)， 最大，等于。此時(shí)，uo與ui

同相位，

＝0。幅頻特性曲線與相頻特性曲線如圖5-13所示。

圖5-135.3.2集成RC正弦波振蕩器

如圖5-14所示為集成RC橋式正弦波振蕩器，其由同相放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。圖中R1、C1、R2、C2組成電橋的兩個(gè)臂，由它們組成正反饋網(wǎng)絡(luò)；電阻R3、R4組成同相放大器的電壓串聯(lián)負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，由它們組成電橋的另外兩個(gè)臂。當(dāng)運(yùn)算放大器具有理想特性時(shí)，振蕩條件主要由兩個(gè)反饋通道的參數(shù)決定。

圖5-14同相放大器的電壓放大倍數(shù)由負(fù)反饋通道R3、R4的參數(shù)決定，其值為

由RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性知，在R1＝R2＝R，C1＝C2＝C的條件下，當(dāng)f＝f0時(shí)電路諧振，正反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)F＝1／3為最大，且ui與uo同相位。此時(shí)，若滿足振幅條件 ，同相放大器的電壓放大倍數(shù)大于3，則

R3≥2R4

(5-3-7)對于如圖5-14所示的振蕩器來說，為了使其能起振并穩(wěn)定工作，同相放大器的電壓放大倍數(shù)應(yīng)該接近3但略大于3。如果放大倍數(shù)遠(yuǎn)大于3，雖然有利于起振，但因振幅的增長，會導(dǎo)致放大器的動態(tài)工作范圍延伸到非線性區(qū)，振蕩波形將產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真。

從理論上講，滿足振蕩條件后振蕩幅度可穩(wěn)定在任意值上。但由于實(shí)際的運(yùn)算放大器不理想、元件的離散性及溫度等環(huán)境條件的變化，振蕩條件會遭受破壞。這種情況一旦發(fā)生，振蕩器不是停振(放大倍數(shù)小于3)就是波形失真(放大倍數(shù)過大)。所以，為了使RC橋式振蕩器能夠達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的目的，還需加上穩(wěn)幅措施，具有穩(wěn)幅電路的RC橋式振蕩器如圖5-15所示。圖5-15中穩(wěn)幅電路由兩只二極管VD1和VD2反向并聯(lián)，再和電阻R1并聯(lián)后串聯(lián)在負(fù)反饋回路中，正常工作時(shí)兩只二極管總有一只處于正向偏置而導(dǎo)通，利用二極管正向伏安特性的非線性完成自動穩(wěn)幅。其工作原理為：當(dāng)振幅變大時(shí)，二極管正向?qū)娮铚p小，使負(fù)反饋增強(qiáng)，限制幅度繼續(xù)增長；反之，當(dāng)幅度減小時(shí)，二極管正向?qū)娮柙龃?，限制幅度繼續(xù)下降。圖5-15中，RP電位器可用于調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)。

圖5-155.3.3分立元件RC正弦波振蕩器

如圖5-16所示為分立元件RC橋式振蕩電路。以V1與V2三極管為核心構(gòu)成兩級放大電路，RT和RE1構(gòu)成電橋的另外兩個(gè)臂。其工作原理與集成RC振蕩器大同小異，這里不再重復(fù)。

RT是具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，隨著振蕩過程中信號幅度的不斷增大，通過RT的電流不斷增大，RT發(fā)熱量增加，溫度升高，阻值減小，當(dāng)RT阻值減小到RT＝2RE1時(shí)，兩級負(fù)反饋放大器的電壓放大倍數(shù)下降為Au＝3，此時(shí)，AuF＝1，輸出信號不再增大，進(jìn)入穩(wěn)幅振蕩。可見，熱敏電阻RT具有穩(wěn)幅作用。RT和RE1取值不宜過大，一般取RT稍大于2RE1較為合適。

圖5-165.3.4振蕩頻率可調(diào)的RC正弦波振蕩器

RC橋式振蕩器振蕩頻率低，低頻振蕩電路廣泛采用這種電路形式。如果選頻網(wǎng)絡(luò)的電阻和電容采用雙連電位器和雙連電容器，則可以方便地調(diào)節(jié)RC振蕩器輸出電壓的頻率。振蕩頻率連續(xù)可調(diào)的RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)如圖5-17所示。圖5-17中利用電容進(jìn)行頻率粗調(diào)，用雙聯(lián)電位器進(jìn)行頻率細(xì)調(diào)。

圖5-17綜上所述，RC橋式正弦波振蕩電路以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)，以電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路為放大環(huán)節(jié)，具有振蕩頻率穩(wěn)定，帶負(fù)載能力強(qiáng)，輸出電壓失真小等優(yōu)點(diǎn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用。為了提高振蕩頻率，必須減小R和C的數(shù)值。然而，當(dāng)R減小到一定值時(shí)，同相比例運(yùn)算電路的輸出電阻將影響選頻特性；同理，當(dāng)C減小到一定值時(shí)，三極管的極間電容和電路的分布電容將影響選頻特性，因此，振蕩頻率不能太高。當(dāng)需要頻率較高的正弦波時(shí)，應(yīng)選用LC振蕩器。

用石英晶體諧振器(簡稱石英晶體)取代LC振蕩器中的LC選頻回路，可以做成頻率極為穩(wěn)定的石英晶體正弦波振蕩器，以滿足一些對振蕩頻率要求極嚴(yán)格的場合，比如計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘信號發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)器等等。5.4石英晶體正弦波振蕩器5.4.1石英晶體的特點(diǎn)

石英晶體是從SiO2結(jié)晶體的晶片上按一定方位切下一塊薄片，然后對著該切片的相應(yīng)表面涂敷導(dǎo)電層及安裝電極，再加以封裝就構(gòu)成石英晶體諧振器。其結(jié)構(gòu)示意圖及圖形符號如圖5-18所示。

圖5-18石英晶體的最大特性是能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。所謂壓電效應(yīng)，即為在石英晶體的極板間施加電場，能使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；反之，在極板間施加機(jī)械力，又會在相應(yīng)的方向形成電場。如果在極板之間加一交變電場，則會在晶體內(nèi)產(chǎn)生與電場頻率相同的機(jī)械變形振動；同樣，機(jī)械變形振動又會引起石英切片表面產(chǎn)生交變電場。在用石英晶體構(gòu)成回路時(shí)，回路中若有交變電流流過石英晶片，則晶片機(jī)械變形的振幅與此電流的頻率有關(guān)。在一般情況下，這個(gè)機(jī)械變形的振幅及交變電場的振幅都很微小，只有當(dāng)外加電壓頻率與晶片的固有頻率相等時(shí)，機(jī)械變形的振幅才能達(dá)到最大，回路交變電流也達(dá)到最大值，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。

圖5-19石英晶體的等效電路和頻率特性如圖5-19所示。

當(dāng)石英晶體不振動時(shí)，可等效為一個(gè)平板電容C0，稱為靜態(tài)電容，其值取決于晶片的幾何尺寸和電極面積，一般為幾到幾十皮法。當(dāng)晶片產(chǎn)生振動時(shí)，機(jī)械振動的慣性等效為電感L，其值為幾毫亨到幾十毫亨。晶片的彈性等效為電容C，其值僅為0.01~0.1pF，因此，C＜＜C0。晶片的摩擦損耗等效為電阻R，其值約100

，理想情況下，R＝0。

當(dāng)?shù)刃щ娐分械腖、C、R串聯(lián)支路發(fā)生諧振時(shí)，該支路的等效阻抗等于純電阻R，諧振頻率為

(5-4-1)

當(dāng)f＝fs時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于R與C0并聯(lián)，由于R＜＜1／

sC0，故可近似認(rèn)為石英晶體也呈純電阻R。

當(dāng)f＜fs時(shí)，C0和C電抗很大，石英晶體呈容性。

當(dāng)f＞fs時(shí)，L、C、R支路呈感性，與C0并聯(lián)產(chǎn)生諧振，石英晶體又呈純電阻性，諧振頻率為

(5-4-2)由于C＜＜C0，因此fp≈fs。

當(dāng)f＞fp時(shí)，電抗主要取決于C0，石英晶體又呈容性。

根據(jù)以上分析，石英晶體電抗的頻率特性如圖5-19(b)所示，只有在fs＜f＜fp的情況下石英晶體才呈感性。并且，C與C0的容量相差愈懸殊，fs和fp愈接近，石英晶體呈感性的頻帶愈窄。5.4.2石英晶體正弦波振蕩器

如圖5-20(a)所示電路是一個(gè)用石英晶體作為選頻元件的正弦波振蕩器，圖520(b)是其交流通道。在該電路中，石英晶體與其他元件構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，故又稱為并聯(lián)型晶體振蕩器。

圖5-20根據(jù)圖5-20(b)，比較前面學(xué)過的電容三點(diǎn)式振蕩器可知，并聯(lián)型晶體振蕩器實(shí)際上是用一個(gè)石英晶體代替了電容三點(diǎn)式電路中的電感?？梢宰C明，振蕩器的振蕩頻率主要取決于石英晶體與Cs的諧振頻率，而其他元件對振蕩頻率的影響很微弱。因此，這種振蕩器的輸出頻率非常穩(wěn)定，而且保持了電容三點(diǎn)式振蕩器輸出波形好的特點(diǎn)，調(diào)節(jié)Cs還可以在小范圍內(nèi)改變輸出信號的頻率。因此，并聯(lián)諧振式石英晶體振蕩器應(yīng)用較為廣泛。

非正弦波產(chǎn)生電路的工作原理和分析方法與正弦波產(chǎn)生電路不同。方波產(chǎn)生電路是典型的非正弦波產(chǎn)生電路，也是其他非正弦波電路的基本單元。因此，首先通過對該電路的分析，掌握非正弦波產(chǎn)生電路的分析方法。5.5非正弦波產(chǎn)生電路5.5.1方波產(chǎn)生電路

圖5-21(a)是由運(yùn)算放大器組成的方波產(chǎn)生電路，圖(b)是電路各點(diǎn)的電壓波形。其電路結(jié)構(gòu)是由Rf和C組成的積分電路與帶有限幅元件的遲滯電壓比較器構(gòu)成的方波產(chǎn)生電路，輸出幅度被限制在±UZ，這里UZ指穩(wěn)壓管VZ的穩(wěn)壓值，且UZ1＝UZ2＝UZ，忽略了穩(wěn)壓二極管正向?qū)▔航礥T。

比較器的反相輸入端與RfC積分電路的輸出端uC相接，比較器的參考電壓UR加在同相輸入端。由圖5-21可知，當(dāng)比較器的輸出電壓為UZ或－UZ時(shí)，根據(jù)分壓關(guān)系，可求得參考電壓為

(5-5-1)

電路無輸入信號時(shí)，由uC和UR的比較結(jié)果決定電路的輸出是高電平還是低電平。

當(dāng)電路接通電源時(shí)，U＋與U－必存在差異，U＋＞U－或U＋＜U－是隨機(jī)的。盡管這種差別極其微小，但一旦出現(xiàn)U＋＞U－，輸出則為高電平；反之，當(dāng)出現(xiàn)U＋＜U－時(shí)，輸出為低電平。

設(shè)當(dāng)電路接通電源時(shí)，U＋＞U－，因電路具有正反饋，故輸出端很快就達(dá)到飽和值，即為Uo＝＋UZ(已忽略了其中一個(gè)穩(wěn)壓二極管正向?qū)妷篣T)，則UR也為正值。RfC積分電路在＋UZ作用下，電容器C充電，uC按指數(shù)規(guī)律增長。當(dāng)U－＝U＋(＝uC)時(shí)，輸出電壓即由＋UZ躍變到－UZ，同時(shí)UR也躍變?yōu)樨?fù)值，參見圖5-21(b)。RfC積分電路在－UZ作用下，電容兩端將反向充電(如圖5-21(b)中虛線所示)。當(dāng)uC反向充電使U－＝U＋時(shí)，輸出電壓即由－UZ躍變到＋UZ，UR也躍變?yōu)檎?，電容C又正向充電，如此循環(huán)，在輸出端就可獲得一定頻率(或周期)的方波電壓。

方波產(chǎn)生電路所產(chǎn)生的方波周期為T，頻率為f＝1／T。

圖5-21由圖5-21(b)可見，振蕩周期T為

T＝T1＋T2 (5-5-2)

其中，T1、T2可從電容充放電三要素和轉(zhuǎn)換值UR求得，即

設(shè)0＋時(shí)刻為T1的起始時(shí)刻，

τ放＝RfC

則

(5-5-3)

同理求得

(5-5-4)振蕩周期T為

(5-5-5)

其振蕩頻率f為

(5-5-6)

由于T1＝T2，因而如圖5-21所示電路產(chǎn)生的是周期性方波，改變Rf、C或R1／R2的值均可改變振蕩周期和頻率。

通常定義矩形波為高電平的時(shí)間T2與周期T之比為占空比，記作D，即

(5-5-7)

圖5-22圖5-21電路產(chǎn)生的方波(T2＝T1＝T／2)可以看做是占空比為1／2的矩形波。產(chǎn)生占空比可調(diào)的矩形波電路如圖5-22所示。該電路與圖5-21的不同之處在于反向積分電路中接入了RP(RP＝RP1＋RP2)和兩個(gè)反向并接的二極管，使得正反向充電時(shí)間常數(shù)不相等。調(diào)節(jié)RP的滑動端子，就可調(diào)節(jié)矩形波的占空比。

通過分析計(jì)算可得到該電路的占空比為

(5-5-8)

式中，rd1、rd2分別為二極管VD1、VD2導(dǎo)通時(shí)的等效電阻。5.5.2三角波產(chǎn)生電路

圖5-23(a)是三角波產(chǎn)生電路，圖5-23(b)是電路各點(diǎn)的電壓波形。其中運(yùn)放A1組成遲滯電壓比較器，A2組成反相積分器。

設(shè)電源接通時(shí)t＝0，由于A1工作在正反饋狀態(tài)，輸出電壓即達(dá)到穩(wěn)定值，設(shè)uo1為－UZ(忽略穩(wěn)壓二極管正向?qū)妷?。A1同相輸入端電壓U＋由uo1和uo疊加而成，即

(5-5-9)

uo1為－UZ期間，A2的反相積分器使uo輸出正向斜坡電壓，如圖5-23(b)中0到t1段波形所示。當(dāng)uo增長到使U＋＞U－(＝0)時(shí)，uo1就由－UZ躍變到＋UZ，此時(shí)的uo值就是遲滯比較器的上門限電壓UTH(即uo最大值)，可由式(5-5-9)求得(令U＋＝0即可)

(5-5-10)

在uo1＝＋UZ期間，A1同相輸入端電壓為

(5-5-11)

A2反相積分器使uo輸出負(fù)向斜坡電壓，如圖5-23(b)中t1到t2段。當(dāng)uo減小到使A1的U＋＜U－(＝0)時(shí)，uo1躍變到－UZ，此時(shí)的uo值就是遲滯比較器的下門限電壓UTL(即uo最小值)，可由式(5-5-11)求得

(5-5-12)

圖5-23如此周期性地變化，在A1輸出端可獲得方波，A2輸出端可獲得三角波。由圖5-23(b)可知，A2積分器輸出電壓

由 上升到

所占的時(shí)間為，即為

由上式可求得振蕩的周期為

(5-5-13)

則三角波的振蕩頻率為

(5-5-14)

5.5.3鋸齒波產(chǎn)生電路

鋸齒波產(chǎn)生電路如圖5-24(a)所示，圖(b)是電路各點(diǎn)的電壓波形。鋸齒波產(chǎn)生電路與圖5-23(a)矩形波-三角波產(chǎn)生電路基本相同。只有兩處不同：首先是在A1遲滯比較器的反相端接入一個(gè)可調(diào)的直流電壓UR，這就調(diào)節(jié)了比較器上、下門限電壓，使鋸齒波可在縱軸方向上下移動，如圖5-24(b)中的UTL＝0；其次，如果改變反相積分器的正、反方向的積分時(shí)間常數(shù)，則三角波就可變成鋸齒波，由圖5-24(a)所示，在運(yùn)放A2中的正向積分時(shí)間常數(shù)為R4Cf，而負(fù)向積分時(shí)的時(shí)間常數(shù)則為 ，只要前者遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者，即T1＞＞T2，就可產(chǎn)生如圖5-24(b)所示的鋸齒波。

圖5-24

集成函數(shù)發(fā)生器ICL8038是一種具有多種用途的波形發(fā)生器，可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波，其頻率可以通過外加的直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使用方便，性能可靠。

5.6集成函數(shù)信號發(fā)生器ICL80385.6.1ICL8038的工作原理

ICL8038由兩個(gè)恒流源、兩個(gè)電壓比較器和觸發(fā)器等電路組成。其內(nèi)部原理框圖如圖5-25所示。

在圖5-25中，電壓比較器A、B的門限電壓分別為兩個(gè)電源電壓之和(UCC＋UEE)的2/3和1/3，電流源I1和I2的大小可通過外界電阻調(diào)節(jié)，其中I2必須大于I1。

當(dāng)觸發(fā)器的輸出端為低電平時(shí)，它控制開關(guān)S使電流源I2斷開。而電流源I1則向外界電容C充電，使電容兩端電壓隨時(shí)間線性上升，當(dāng)uC上升到uC＝2(UCC＋UEE)／3時(shí)，比較器A的輸出電壓發(fā)生跳變，使觸發(fā)器輸出端由低電平變