第 5章
5-1 正弦波发生器
5-2 非正弦波发生器
5-1 正弦波发生器
?振荡的基本概念
1.
1）
放大电路是维持振荡器连续工作的主要环节, 没
有放大, 信号就会逐渐衰减, 不可能产生持续的振荡 。
要求放大器必须有能量供给, 结构合理, 静态工作点
合适, 具有放大作用 。
2）
反馈网络的作用是形成反馈, 它们将输出信号的
一部分或者全部反馈到输入端, 即三极管 V1的基极或
发射极, 构成反馈, 通常把整个反馈系统称为反馈网
络 。
3）
选频网络的主要作用是产生单一频率的振荡信号,
一般情况下这个频率就是振荡器的振荡频率 。 在很多
振荡电路中, 选频网络和反馈网络结合在一起构成选
频网络 。 选频网络只对一个频率满足振荡条件, 从而
获得单一频率的正弦波输出 。
常用的选频网络有 RC选频 和 LC选频。
4）
稳幅环节的作用主要是使振荡信号幅值稳定, 以
达到振荡器所要求的幅值, 使振荡器持续工作 。
2.
（ 1）振幅条件：
（ 2）相位条件,pjj nFA 2=+ n是整数
1|| ?FA ?? （ 略大于）
3.
（ 1）振幅条件：
（ 2）相位条件,pjj nFA 2=+ n是整数
1|| =FA ??
1,电路的组成
下图是采用三级 RC超前移相电路组成的 RC移相振
荡器 。 C1和 R1,C2和 R2构成两级 RC移相网络, C3和 V1
放大电路的输入电阻 ri构成第三级 RC移相网络 。 V2为
射极输出器, 它的作用是减小负载对振荡电路的影响,
在分析振荡频率和条件时, 可忽略 。
通常选取 C1=C2=C3=C,R1=R2=R。 为什么要用三
级 RC电路来移相呢？ 因为基本放大电路在很宽的频率
范围内其 φA为 180°, 若要求满足振荡相位条件, 必须
在三级 RC移相网络中也移相 180
?RC振荡器
一级 RC电路移相在 0° ~90°, 不能满足, 两级
RC移相最大相移可达 180°, 但在接近 180° 时, 超
前移相 RC网络频率很低, 并且输出电压接近于零,
也不能满足振荡幅值条件, 所以实际应用中至少要用
三级 RC 移 相电 路, 三级 RC 移 相电 路的 相 移 在
0° ~270° 才能满足振荡条件 。
2,
在电路中，若把 a点断开，它的交流等效电路如
下图 (a)所示，为了计算 把图（ a）画成图 (b)的
等效电压源形式。
,?? FA
??
?
?
?
??
==
beb
i
i
f
rI
rI
U
UFA 3
当 rbe,Rb1∥ Rb2时，
?
?
?
?
??
=?
bi
f
I
I
U
UFA 3
要使 RC
?
?
??
?
bI
IFA 3
取 C1=C2=C3=C,R1=R2=RC=R
RIRIjXRI B??? ?=?? ?21 )2(
0)2( 321 =??+? ??? RIjXRIRI
0)(32 =?++? ?? jXrRIRI i
wcx
1=
式中
解得
时，?? = bII 3
-βR3=［ R3 3R2ri -X2(ri5R)］ -jX(6R2+4Rri-X2)
虚部相等
32 )46(0 XR r iRX ?+=
得出
R
rRC
f
i462
1
0
+
=
p
β=29+ 2)(423
R
r
R
r ii +
当 ri,R时，以上两式近似为
RCf 62
1
0 p?
β=29
以上结果表明, 振荡频率主要取决于网络参数
RC。
RC移相电路具有结构简单, 经济方便等优点 。
缺点是选频作用较差, 频率调节不方便, 一般用于
振荡频率固定且稳定性要求不高的场合, 其频率范
围为几赫兹到几十千赫兹 。
1.
此电路工作在中频段时, 前级输入电压与输出电
压反相, 而后级输入电压与输出电压反相, 所以前级
的输入电压 ui与后级的输出电压 uo同相 。
?RC桥式振荡器
考虑到选频性, 反馈信号通过 R1,C1,R2,C2所
组成串并联选频电路反馈回去, V1的输入电压 ui是从
R2C2并联电路取出的, ui是 uo的一部分 。
为了提高振荡电路的稳定性和改善输出电压的波
形, 引入负反馈电路 。 输出电压 uo通过 RP1电阻反馈到
V1的发射极, R5上的电压即为负反馈电压 uf。 这样由
R1C1,R2C2和负反馈电路中的 R5,RP1正好构成电桥的
四臂 。
2,
从采用运算放大器的 RC桥式振荡电路和以前的
分析中可以看出，产生振荡的相位条件是,
φ=φA+φF=± 2nπ
而对于 RC桥式振荡电路,φF=0,所以必须是
φA=± 2nπ,即输入电压与输出电压同相位。
1,变压器反馈式振荡电路
变压器反馈式振荡电路由放大电路, 变压器反馈
电路和 LC选频电路三部分组成 。 图中, 三个线圈作变
压器耦合, 线圈 L1与电容 C组成选频电路, L2是反馈
线圈, L3线圈与负载相联 。
集电极输出信号与基极相位差为 180°, 通过变
压器的适当连接, 使之从 L-2两端引回的交流电压又产
生 180° 的相移, 所以满足相位条件 。 当产生并联谐振
时,
?LC振荡电路
LCf p2
1
0 =
M
R C rbe??
β和 rbe分别为三极管的电流放大系数和输入电阻；
M为 N-1和 N-2两个绕组之间的等效互感； R为二次侧绕
组的参数折合到一次侧绕组后的等效电阻 。
当将振荡电路与电源接通时, 在集电极选频电路
中激起一个很小的电流变化信号, 只有与谐振频率 f0
相同的那部分电流变化信号能通过, 其它分量都被阻
止, 通过的信号经反馈放大再通过选频电路, 就可产
生振荡 。 当改变 LC电路的参数 L或 C时, 振荡频率也
相应地改变 。
如果没有正反馈电路, 反馈信号将很快衰减 。 形
成正反馈电路, 线圈 L1的极性 (即同名端 )是关键, 不
能接错, 使用中要特别注意 。
变压器反馈振荡电路的特点是, 电路结构简单,
容易起振, 改变电容的大小可以方便地调节频率 。 其
缺陷是, 由于变压器耦合的漏感等影响, 这类振荡
器工作频率不太高；输出正弦波形不理想 。 改进电路
常应用电感反馈式振荡电路 。
L1,L2和 C组成振荡回路, 起选频和反馈作用,
实际就是一个具有抽头的电感线圈, 类似自耦变压器 。
电感线圈 L1,L2和三个抽头分别与三极管的三个极连
接, 故又称电感三点式振荡电路 。
1.
将 A点断开, 在输入端加上一个频率为 f-0的正极
性信号, 在三极管的集电极得到一个负极性信号 。 这
样 1端对地为负, 3端对地为正, 反馈到输入端是正反
馈 。
与, 电路满足相位条件 。 通常反馈线
圈 L2的匝数为线圈 L1和 L2总匝数的 1/8~1/4。
?
fU
?
iU
?电感反馈式振荡电路
2,振荡频率
在分析振荡频率和起振条件时, 可以认为 LC回路
的 Q值很高, 且电路产生并联谐振 。 根据谐振条件, 电
路的振荡频率为
LCCMLLf o pp 2
1
)2(2
1
21
=++=
式中
MLLL 221 ++=
其中, M为线圈 L1与 L2之间的互感, M=K,K为
耦合系数 。 当 K等于 1时, M=
，则21 LL
其中, M为线圈 L1与 L2之间的互感, M=,
K为耦合系数 。
电感反馈式振荡电路的特点是, 振荡电路的 L1和
L2是自耦变压器, 耦合很紧, 容易起振, 改变抽头位
置可获得较好的正弦波振荡, 且输出幅度较大；频率
的调节可采用可变电容, 调节方便 。 不足之处是, 由
于反馈电压取自 L2,对高次谐波分量的阻抗大, 输出
波形中含较多的高次谐波, 所以波形较差； 振荡频率
的稳定性较差 。 一般电感反馈式振荡电路用于收音机
的本机振荡以及高频加热器等 。
21LLK
电容反馈式振荡电路与电感反馈式振荡电路比较,
只是把 LC回路中的电感和电容的位置互换 。
回路电容也有 3个连接点, 分别接到三极管的 3个
极, 因此也称为电容三点式振荡电路 。
1.
与电感反馈式振荡电路分析方法相同, 当 LC回路
谐振时, 回路呈纯电阻性, 反相, 而
,因此, 电路满足
相位条件 。
?
OU
?
iU
?
fU
?Uo
?
fU
?
iU
?电感反馈式振荡电路
2.
与电感反馈式振荡电路一样, 电路的谐振频率为
21
21
0
2
1
CC
CCL
f
+
=
p
LCf p2
1
0 =
其中
21
21
CC
CCC
+=
电容反馈式振荡电路的特点是, 由于反馈电压取
自电容 C2,它对高次谐波分量的阻抗较小, 因此, 振
荡波形较好； 其较电感反馈式振荡电路受三极管极间
电容的影响比较小, 即频率稳定性较高 。
1,石英晶体的特性,
1） 石英晶体的特性,
石英晶体是二氧化硅 （ SiO2） 结晶体, 具有各向
异性的物理特性 。 从石英晶体上按一定方位切割下来
的薄片叫石英晶片, 不同切向的晶片其特性是不同的 。
晶片常装在支架上, 并引出接线 。 支架有分夹式
和焊接式两种 。 为了保护晶片, 把它密封于金属或玻
璃壳内 。
?石英晶体振荡电路
石英晶片之所以能做成谐振器是基于它的压电效
应 。 若在晶片两面施加机械力, 沿受力方向将产生电
场, 晶片两面产生异号电荷, 这种效应称正向压电效
应；若在晶片处加一电场, 晶片将产生机械变形, 这
种效应称为反向压电效应 。 事实上, 正, 反向压电效
应同时存在, 电场产生机械形变, 机械形变产生电场,
两者相互限制, 最后达到平衡态 。
在石英谐振器两极板上加交变电压, 晶片将随交变
电压周期性地机械振动；当交变电压频率与晶片固有
谐振频率相等时, 振荡交变电流最大, 这种现象称压
电谐振 。
2）
石英晶体的符号如图 （ a） 所示,等效电路如图 （ b）
所示,图 （ c） 中是石英晶体谐振器忽略 R以后的电抗
频率特性 。
由等效电路可见, 石英谐振器有两个谐振频率 。
当 L,C,R串联支路发生谐振时, 它的等效阻抗最
小 (等于 R),串联谐振频率为
LCf s p2
1=
当频率高于 f-S时, L,C,R支路呈感性, 可与电
容 C-0发生并联谐振,
当频率高于 f-S 时, L,C,R支路呈感性, 可与
电容 C-0发生并联谐振,
0
0
0
1
2
1
c
cf
CC
CCL
f sp +=
+
=
p
通常 C0〉〉 C,比较以上两式可见, 两个谐振频
率非常接近, 且 fP稍大于 fS。
由图 （ c） 可知, 频率很低时, 两个支路的容抗
起主要作用, 电路呈容抗性；随频率增加, 容抗减小；
当 f= fS 时, LC串联谐振, 阻抗最小, 呈电阻性；
当 f>fS时, LC支路电感起主要作用, 呈感抗性；
当 f=fP时, 并联谐振, 阻抗最大且呈纯电阻性；
当 f>fP时, C0支路起主要作用, 电路又呈容抗性 。
6.3.4表明, 在晶体振荡器中, 常把石英谐振器当作一
个电感器元件, 由于 Q值大, 振荡器的频率稳定性很
高 。
2.
1）
当工作频率介于 fS和 fP之间时, 晶片等效为一电
感元件, 它与电容 C1,C2组成并联谐振回路 。
2）
用石英晶体谐振器代替了 RC串并联网络中的电阻,
与 C串联, 整个 RC串并联网络构成正反馈网络, 集成
运算放大器组成放大电路, 其余部分构成振荡器的负
反馈和电路自动稳幅环节 。
当 f=f-0时, 晶体振荡器产生串联谐振 。 谐振时阻
抗呈最小, 反馈量最大, 且相移为零, 该频率满足自
激振荡条件 。
当 f≠f-0时, 晶体振荡器的阻抗呈最大, 而且相移
不为零, 不能产生谐振, 所以该电路的振荡频率只能
是 f=f-0。
1.电路结构
由滞回比较电路和 RC定时电路构成,
5-2 非正弦波发生器
?方波发生器
ZURR
RU
f1
1T +=+
ZURR
RU
f1
1T +?=?
2,工作原理,
(1) 设 uo = + UZ,则,u+=UT+
此时,uO给 C 充电,
uc ?,在 uc < UT+ 时，
设 uC初始值 uC(0+)= 0
u- < u+,uo保持 +UZ不变
一旦 uc > UT+,就有 u- >
u+,uo 立即由＋ UZ变成－ UZ 。
0 t
uo
+UZ
-UZ
uc
UT+
0 t
+UZ
(2) 当 uo = -UZ 时,u+=UT-
此时,C向 uO放电,再反向充电
当 uo 重新回到＋ UZ 后，电路又进入另一个周期性的
变化。 uc达到 UT-时,uo上跳。
UT
+
uc
t
UT-
3.完整的波形,
0
UT+
uc
t
UT-
+UZ
uo
0 t
- UZ T
4.周期与频率的计算,
T= T1 + T2 =2 T2
T2阶段 uc(t)的过渡过程方程为,
可推出,
uc(t)=UC (?)+? UC (0+) -UC (?)? e–t/?,?=RC
)21l n (2
f
1
R
RRCT +=
f = 1/T
4.占空比可调的方波发生器
改变电位器 RW 的滑动端，就改变了冲放电的时
间，从而使方波的占空比可调。
UZ
uo
0 t
-UZ
1.三角波发生器
（ 1）电路结构：迟滞比较器 +反相积分器
（ 2）工作原理,
?三角波及锯齿波信号发生器
若 uo1=+UZ,uo2↓,u+ ↓。
)(0dt1 2o0 1o
4
2o
++?= ? uu
CRu
t
2o
21
2
1o
21
1 u
RR
Ru
RR
Ru
+++=+
当 u+ ≤0时,uo1翻转为 -UZ。
若 uo1=-UZ,uo2↑,u+ ↑。
当 u+ ≥0时,uo1翻转为 +UZ。
（ 3） 波形图：
0
UT+
uo2
t
UT-
+UZ
uo1
0
t
- UZ
T
2.锯齿波发生器
原理：改变积分器的正反向充电时间常数；
当 uo1=+UZ,D截止,充电时间常数,R4C。
当 uo1=-UZ,D导通,充电时间常数,(R6∥ R4)C。
( R6＜＜ R4 )
