1、第8章信號(hào)產(chǎn)生電路 8.1正弦波振蕩電路8.1.1正弦波振蕩電路的組成和工作原理1、正弦波振蕩電路的組成正弦波振蕩電路一般由以下幾個(gè)基本組成部分：（1）放大電路。沒有放大，不可能產(chǎn)生正弦波振蕩。放大電路不僅必須有供給能量的電源，而且應(yīng)當(dāng)結(jié)構(gòu)合理，靜態(tài)工作點(diǎn)正確，以保證放大電路具有放大作用。（2）反饋網(wǎng)絡(luò)。它的主要作用是形成反饋（一般是正反饋），以滿足相位平衡條件。（3）選頻網(wǎng)絡(luò)。它的主要作用是只讓單一頻率信號(hào)滿足振蕩條件，以產(chǎn)生單一頻率的正弦波。選頻網(wǎng)絡(luò)所確定的頻率一般就是正弦波振蕩電路的頻率fo。在很多正弦波振蕩電路中，選頻網(wǎng)絡(luò)與反饋網(wǎng)絡(luò)合在一起，即同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)既有選頻作用，又起反饋?zhàn)饔谩?（

2、4）為了使振蕩幅值穩(wěn)定且波形較好，還需要有穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。2、正弦波振蕩電路的工作原理（1）振蕩產(chǎn)生的基本原理正弦波振蕩電路由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)等組成，其電路原理圖如圖8.1.1 所示。假如開關(guān)S處于位置1，即在放大器的輸入端輸入一正弦波電壓信號(hào) ，此信號(hào)經(jīng)放大器放大后產(chǎn)生輸出信號(hào) ，而 又作為反饋網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)，在反饋網(wǎng)絡(luò)輸出端產(chǎn)生反饋信號(hào) 。如果 和原來的輸入信號(hào) 大小相等且相位相同，假如這時(shí)去除外加信號(hào)并將開關(guān)S接至2端，由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成一閉環(huán)系統(tǒng)，在沒有外加輸入信號(hào)的情況下，輸出端可維持一定頻率和幅度的信號(hào) 輸出，從而實(shí)現(xiàn)了自激振蕩。為使振蕩電路的輸出為一個(gè)固定頻率的正弦波，要求自激振蕩

3、只能在一個(gè)頻率上產(chǎn)生，而在其他頻率上不能產(chǎn)生，因此圖8.1.1 所示的閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，必須含有選頻網(wǎng)絡(luò)，使得只有選頻網(wǎng)絡(luò)中心頻率上的信號(hào)才滿足 和 相同的條件而產(chǎn)生的自激振蕩，其他頻率的信號(hào)不滿足 和 相同的條件而不能產(chǎn)生振蕩。選頻網(wǎng)絡(luò)可以包含在放大器內(nèi)，也可在反饋網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。 如上所述，反饋振蕩電路是一個(gè)將反饋信號(hào)作為輸入電壓來維持一定輸出電壓的閉環(huán)正反饋系統(tǒng)，實(shí)際上它是不需外加信號(hào)激發(fā)就可以產(chǎn)生輸出信號(hào)的。振蕩環(huán)路內(nèi)存在的微弱的電擾動(dòng)（如接通電源間在電路中產(chǎn)生很窄的脈沖，放大器內(nèi)部的熱噪聲等），都可作為放大器的初始輸入信號(hào)。由于很窄的脈沖內(nèi)具有十分豐富的頻率分量，經(jīng)選頻網(wǎng)絡(luò)選頻，使得只有某一頻率的

4、信號(hào)能反饋到放大器的輸入端，而其他頻率的信號(hào)被抑制。這一頻率分量的信號(hào)經(jīng)放大后，又通過反饋網(wǎng)絡(luò)回送到輸入端，且信號(hào)幅度比前一瞬時(shí)要大，再經(jīng)過放大、反饋，使回送到輸入端的信號(hào)幅度進(jìn)一步增大，最后將使放大器進(jìn)入非線性工作區(qū)，放大器的增益下降，振蕩電路輸出幅度越大，增益下降也越多，最后當(dāng)反饋電壓正好等于原輸入電壓時(shí)，振蕩幅度不再增大從而進(jìn)入平衡狀態(tài)。（2）振蕩電路的平衡條件和起振條件1）振蕩的平衡條件 當(dāng)反饋信號(hào) 等于放大器的輸入信號(hào) 時(shí)，振蕩電路的輸出電壓不再發(fā)生變化，這時(shí)電路達(dá)到平衡狀態(tài)，因此將 稱為振蕩的平衡條件。需要強(qiáng)調(diào)的是這里的 和 都是復(fù)數(shù)，所以兩者相等是指大小相等而且相位也相同。根據(jù)圖

5、8.1.1 可知所以 由此可得振蕩的平衡條件為 | |（ ）1 式中| |、為放大倍數(shù) 的模和相角；| |、 為反饋系數(shù) 的模和相角。因此，振蕩的平衡條件應(yīng)當(dāng)包括振幅平衡條件和相位平衡條件兩個(gè)方面。 振幅平衡條件| |1上式說明，放大器與反饋網(wǎng)絡(luò)組成的閉合環(huán)路中，環(huán)路總的傳輸系數(shù)應(yīng)等于1，使反饋電壓與輸入電壓大小相等。 相位平衡條件 2n（n0，1，2） 上式說明，放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)的總相移必須等于2的整數(shù)倍，使反饋電壓與輸入電壓相位相同，以保證正反饋。作為一個(gè)穩(wěn)態(tài)振蕩電路，相位平衡條件和振幅平衡條件必須同時(shí)得到滿足。利用振幅平衡條件可以確定振蕩電路的輸出信號(hào)幅度；利用相位條件可以確定振蕩信號(hào)的

6、頻率。 2）振蕩的起蕩條件為使振蕩電路在接通直流電源后能夠自動(dòng)起振，則在相位上要求反饋電壓與輸入電壓同相，在幅度上要求VfVi，因此振蕩的起振條件也包括相位條件和振幅條件兩個(gè)方面，即起振振幅條件 | |1 起振相位條件 2n （n0，1，2）綜上所述，要使振蕩電路能夠起振，在開始振蕩時(shí)，必須滿足| |1，起振后，振蕩幅度迅速增大，使放大器工作到非線性區(qū)，以至放大倍數(shù) 下降，直到| |1，振蕩幅度不再增大，振蕩進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。這里需指出，式中的對(duì)于同一振蕩電路其值是不同的，起振時(shí)由于信號(hào)比較小，振蕩電路處于小信號(hào)狀態(tài)，故電路的放大倍數(shù)比較大，可采用小信號(hào)等效電路進(jìn)行計(jì)算；而在平衡狀態(tài)，振蕩電路處于

7、大信號(hào)工作狀態(tài)，電路的放大倍數(shù)不能用小信號(hào)等效電路計(jì)算，其值比較小。8.1.2RC振蕩電路采用RC選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的振蕩電路稱為RC振蕩電路，它適用于低頻振蕩，一般用于產(chǎn)生1Hz1MHz的低頻信號(hào)。因?yàn)閷?duì)于RC振蕩電路來說，增大電阻R即可降低振蕩頻率，而增大電阻是無須增加成本的。常用的RC振蕩電路有RC橋式振蕩電路和RC移相式振蕩電路。1、RC橋式振蕩電路（1）RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)由相同的RC組成的串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)如圖 8.1.2 所示，Z1為RC串聯(lián)電路，Z2為RC并聯(lián)電路。由圖8.1.2可得RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為式中可得到RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性分別為 ， 對(duì)應(yīng)的幅頻特性和相

8、頻特性曲線如圖8.1.3 所示。由圖可見，當(dāng)0時(shí)，| |達(dá)到最大值并等于1/3，相位移 為0，輸出電壓與輸入電壓同相，所以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有選頻作用。 （2）RC橋式振蕩電路由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的RC橋式振蕩電路如圖8.1.4（a）所示。圖中RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)接在運(yùn)算放大器的輸出端和同相輸入端之間，構(gòu)成正反饋，Rf 、R1接在運(yùn)算放大器的輸出端和反相輸入端之間，構(gòu)成負(fù)反饋。正反饋電路與負(fù)反饋電路構(gòu)成一文氏電橋電路，如圖8.1.4（b）所示，運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端分別接在電路的對(duì)角線上，所以把這種振蕩電路稱為RC橋式振蕩電路。起振條件 R f 2R1由圖8.1.4（a）可見，振蕩信號(hào)由同相輸

9、入端輸入，故構(gòu)成同相放大器，輸出電壓 和輸入電壓 同相，其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)等于 。而RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)在01/RC時(shí)，| |1/3， 0，所以，只要| |（1Rf/R1）3，即Rf2R1，振蕩電路就能滿足自激振蕩的振幅和相位起振條件，產(chǎn)生自激振蕩。振蕩頻率fo 采用雙聯(lián)可調(diào)電位器或雙聯(lián)可調(diào)電容器即可方便地調(diào)節(jié)振蕩頻率。在常用的RC振蕩電路中，一般采用切換高穩(wěn)定度的電容來進(jìn)行頻段的轉(zhuǎn)換（頻率粗調(diào)），再采用雙聯(lián)可變電位器進(jìn)行頻率的細(xì)調(diào)。圖8.1.4（a）所示電路中Rf采用了具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，用以改善振蕩波形、穩(wěn)定振蕩幅度。若Rf用固定電阻時(shí)，放大器的增益Av為常數(shù)，為了保證起振，則要求|

10、|必須大于3，這樣隨著振蕩幅度的不斷增大，只有當(dāng)運(yùn)算放大器進(jìn)入非線性工作區(qū)才能使增益下降，然后達(dá)到| |1的振蕩平衡條件，這樣振蕩波形會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重失真。由于RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻作用差，當(dāng)放大器的增益較大時(shí)，振蕩電路輸出波形將變?yōu)榉讲āＨ鬜f采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，起振時(shí)，由于 0，流過Rf的電流 0，熱敏電阻Rf處于冷態(tài)，且阻值比較大，放大器的負(fù)反饋較弱，| |很高，振蕩很快建立。隨著振蕩幅度的增大，流過Rf的電流 也增大，使Rf的溫度升高，其阻值減小，負(fù)反饋加深，| |自動(dòng)下降，在運(yùn)算放大器還未進(jìn)入非線性工作區(qū)時(shí)，振蕩電路即達(dá)到平衡條件| |1， 停止增長，因此這時(shí)振蕩波形為一失真很小的正

11、弦波。同理，當(dāng)振蕩建立后，由于某種原因使輸出電壓幅度發(fā)生變化，可通過Rf電阻的變化，自動(dòng)穩(wěn)定輸出電壓幅度。如某種原因使 減小，流過Rf電流 減小，Rf增大，負(fù)反饋減弱， 升高，迫使 恢復(fù)原來的大小，反之亦然。由以上分析可見，負(fù)反饋支路中采用熱敏電阻后不但使RC橋式振蕩電路的起振容易，振蕩波形改善，同時(shí)還具有很好的穩(wěn)幅特性，所以，實(shí)用RC橋式振蕩電路中熱敏電阻的選擇是很重要的。【例8.1.1】圖8.1.5所示為實(shí)用RC橋式振蕩電路。（1）求振蕩頻率fo等于多少？（2）說明二極管D1、D2的作用；（3）說明RP如何調(diào)節(jié)？ 解：（1）由式 可求得振蕩頻率為（2）圖中二極管D1、D2用以改善輸出電壓波

12、形，穩(wěn)定輸出幅度。起振時(shí)，由于VO很小，D1、D2接近于開路，R3、D1、D2并聯(lián)電路的等效電阻近似等于R3，此時(shí) 3，電路產(chǎn)生振蕩。隨著VO的 增大，D1、D2導(dǎo)通，D1、D2、R3并聯(lián)電路的等效電阻減小，| |隨之下降，使| |3，VO幅度趨于穩(wěn)定。（3）RP可用來調(diào)節(jié)輸出電壓的波形和幅度。為了保證起振，由（R2R3）2R1，可得R2的值必須滿足R2（2R1R3）。也就是說，R2過小，電路有可能停振。調(diào)節(jié)RP使R2略大于（2R1R3），起振后的振蕩幅度較小，但輸出波形比較好。調(diào)節(jié)RP使R2增大，輸出電壓的幅度增大，但輸出電壓波形失真也增大，當(dāng)R2增大到R22R1時(shí)，使得無論二極管D1、D2

13、、導(dǎo)通與否，電路均滿足| |3，D1、D2、失去了自動(dòng)穩(wěn)幅作用，此時(shí)振蕩將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的限幅失真，所以為了使輸出電壓波形不產(chǎn)生嚴(yán)重失真，要求R2值必須小于2R1。由此可見，為了使電路容易起振，又不產(chǎn)生嚴(yán)重的波形失真，應(yīng)調(diào)節(jié)RP使R2滿足：2R1R2（2R1R3）。2、RC移相式振蕩電路RC移相式振蕩電路如圖8.1.6所示，圖中反饋網(wǎng)絡(luò)由三節(jié)RC移相電路構(gòu)成。由于集成運(yùn)算放大器的相移為180，為滿足振蕩的相位平衡條件，要求反饋網(wǎng)絡(luò)對(duì)某一頻率的信號(hào)再移相180，圖8.1.6中RC構(gòu)成超前相移網(wǎng)絡(luò)。由于一節(jié)RC電路的最大相移為90，不能滿足振蕩的相位條件；二節(jié)RC電路的最大相移可以達(dá)到180，但當(dāng)相移

14、等于180時(shí)，輸出電壓已接近于零，故不能滿足起振的幅度條件。所以，這里采用三節(jié)RC超前相移網(wǎng)絡(luò)，三節(jié)相移網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同頻率的信號(hào)所產(chǎn)生的相移是不同的，但其中總有某一個(gè)頻率的信號(hào)，通過此網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的相移剛好為180，滿足相位平衡條件而產(chǎn)生振蕩，該頻率即為振蕩頻率fo。根據(jù)相位平衡條件，可求得移相式振蕩電路的振蕩頻率為 RC移相式振蕩電路具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是選頻性能較差，頻率調(diào)節(jié)不方便，由于輸出幅度不夠穩(wěn)定，輸出波形較差，一般只用于振蕩頻率固定，穩(wěn)定性要求不高的場合。8.1.3LC振蕩電路采用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路稱為LC振蕩電路，它主要用來產(chǎn)生高頻正弦振蕩信號(hào)，一般在1M

15、Hz以上。根據(jù)反饋形式的不同，LC振蕩電路可分為變壓器反饋式和三點(diǎn)式振蕩電路。1、變壓器反饋式LC振蕩電路（1）LC并聯(lián)諧振回路LC并聯(lián)諧振回路如圖8.1.7（a）所示，圖中r表示線圈L的等效損耗電阻，由于電容的損耗很小而略去。由圖可得并聯(lián)諧振回路的等效電抗為 一般情況下有 r，所以其中0為并聯(lián)諧振頻率，Q為并聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，用來評(píng)價(jià)回路損耗的大小，一般在幾十到幾百范圍。其并聯(lián)諧振回路的阻抗幅頻特性和相頻特性分別為 根據(jù)上式可以作出幅頻特性和相頻特性曲線如圖8.1.7（b）、（c）所示。由圖可見，當(dāng) 時(shí)，回路產(chǎn)生諧振， 和 同相， 0，回路阻抗ZZ0L/Cr為最大，且為純電阻，故將Z0稱

16、為諧振電阻。若維持電流源 幅度不變，在諧振頻率附近改變其頻率，則輸出電壓 的變化規(guī)律與回路的阻抗特性相似，顯然并聯(lián)諧振回路具有很好的選頻作用。（2） 變壓器反饋式振蕩電路變壓器反饋式LC振蕩電路原理圖如圖 8.1.8所示。圖中L、Lf組成變壓器，其中L為一次側(cè)線圈電感，Lf為反饋線圈電感，用來構(gòu)成正反 饋。L、C組成并聯(lián)諧振電路，作為放大器的負(fù)載，構(gòu)成選頻放大器。Rb1、Rb2和Re為放大器的直流偏置電阻，Cb為耦合電容，Ce為發(fā)射極旁路電容，對(duì)振蕩頻率而言，Cb、Ce的容抗很小可看成短路。由 的頻率與L、C諧振回路諧振頻率相同時(shí)，LC回路的等效阻抗為一純電阻，且為最大，可見， 與 反相。如變

17、壓器同名端如圖 8.1.8所示，則 與 同相，滿足了振蕩的相位條件。由于LC回路的選頻作用，電路中只有等于諧振頻率的信號(hào)得到足夠的放大，只要變壓器一、二次間有足夠的耦合度，就能滿足振蕩的幅度條件而產(chǎn)生正弦波振蕩，其振蕩頻率決定于LC并聯(lián)諧振回路的諧振頻率，即2、三點(diǎn)式LC振蕩電路三點(diǎn)式振蕩電路是另一種常用的LC振蕩電路，其特點(diǎn)是電路中LC并聯(lián)諧振回路的三個(gè)端子分別與放大器的三個(gè)端子相連，故稱為三點(diǎn)式振蕩電路。（1）電感三點(diǎn)式振蕩電路電感三點(diǎn)式振蕩電路又稱為哈特來振蕩器，其原理電路如圖8.1.9所示，其中三極管T構(gòu)成共發(fā)射極放大電路，電感L1、L2和電容C構(gòu)成正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)。諧振回路的三個(gè)端點(diǎn)1

18、、2、3，分別與晶體管的三個(gè)電極相接，反饋信號(hào) 取自電感線圈L2兩端電壓，故稱為三點(diǎn)式振蕩電路，也稱為電感反饋式振蕩電路。 由圖 8.1.9可見，當(dāng)回路諧振時(shí)，相對(duì)于參考點(diǎn)地電位，輸出電壓 與輸入電壓 反相，而 與 反相，所以 與 同相，電路在回路諧振頻率上構(gòu)成正反饋，從而滿足了振蕩的相位平衡條件。由此可得到振蕩頻率為（8.1.20） 式中，M為兩部分線圈之間的互感系數(shù)。電感三點(diǎn)式振蕩電路的優(yōu)點(diǎn)是容易起振，這是因?yàn)長1與L2之間耦合很緊，正反饋較強(qiáng)的緣故。此外，改變振蕩回路的電容，就可很方便的調(diào)節(jié)振蕩信號(hào)的頻率。但由于反饋信號(hào)取自電感L2兩端，而L2對(duì)高次諧波呈現(xiàn)高阻抗，故不能抑制高次諧波的反

19、饋，因此振蕩電路輸出信號(hào)中的高次諧波成份較多，信號(hào)波形較差。圖8.1.9 電感三點(diǎn)式振蕩電路（2）電容三點(diǎn)式振蕩電路電容三點(diǎn)式振蕩電路也稱為考皮茲振蕩器，其原理如圖8.1.10所示，由圖可見其電路構(gòu)成與電感三點(diǎn)振蕩電路基本相同，不過正反 饋選頻網(wǎng)絡(luò)由電容C1、C2和電感L組成，反饋信號(hào) 取自電容C2兩端，故稱為電容三點(diǎn)式振蕩電路，也稱為電容反饋式振蕩電路。由圖8.1.10不難判斷在回路諧振頻率上，反饋信號(hào) 與輸入電壓 同相，滿足振蕩的相位平衡條件。電路的振蕩頻率近似等于諧振回路的諧振頻率，即 電容三點(diǎn)式振蕩電路的反饋信號(hào)取自電容C2兩端，因?yàn)镃2對(duì)高次諧波呈現(xiàn)較小的容或C2來調(diào)節(jié)振蕩頻率時(shí)，同

20、進(jìn)會(huì)改變正反饋量的大小，因而會(huì)使輸出信號(hào)幅度發(fā)生變化，甚至可能會(huì)使振蕩電路停振。所以調(diào)節(jié)這種振蕩電路振蕩頻率很不方便。為了提高頻率的穩(wěn)定度，常采用圖8.1.11所示的改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路，該電路又稱為克拉潑電路。它與圖8.1.10相比較，僅在電感支路中串入了一個(gè)容量很小的微調(diào)電容C3，由圖可知，諧振回路中的總電容為當(dāng)C3C1、C3C2時(shí)，CC3。所以，這種電路的振蕩頻率為這說明，在克拉波振蕩電路中，當(dāng)C3比C1、C2小得多時(shí)，振蕩頻率僅由C3和L決定，與C1、C2基本無關(guān)，C1、C2僅構(gòu)成正反饋，它們的容量相對(duì)來說可以取得較大，從而減小與之相并聯(lián)的晶體管的輸入電容、輸出電容的影響，提高了頻

21、率的穩(wěn)定度。 圖8.1.10 電容三點(diǎn)式振蕩電路圖8.1.11 改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路（3）石英晶體振蕩電路實(shí)際應(yīng)用中，要求振蕩電路產(chǎn)生的輸出信號(hào)應(yīng)具有一定的頻率穩(wěn)定度。頻率穩(wěn)定度一般用頻率的相對(duì)變化量f / fo來表示，f f fo為頻率偏移，f為實(shí)際振蕩頻率，fo為標(biāo)稱振蕩頻率。頻率穩(wěn)定度有時(shí)附有時(shí)間條件，例如一小時(shí)或一日內(nèi)的頻率相對(duì)變化量。RC振蕩電路振蕩頻率穩(wěn)定度比較差，LC振蕩電路的頻率穩(wěn)定度比RC振蕩電路好得多，但通常只能達(dá)到103數(shù)量級(jí)。為了提高振蕩電路的頻率的穩(wěn)定度，可采用石英晶體振蕩電路，其頻率穩(wěn)定度一般可達(dá)到106108數(shù)量級(jí)，有的可高達(dá)1091011。 1）石英晶體諧振

22、器的阻抗特性石英是一種結(jié)晶體，其化學(xué)成分為二氧化硅，從一塊晶體上按一定的方位角切下的薄片稱為晶片，其形狀可以是正方形、矩形或圓形等，然后在晶片的兩個(gè)面上鍍上銀層作為電極，再用金屬或玻璃外殼封裝并引出電極，就成了石英晶體諧振器，通常簡稱為石英晶體。 石英晶體之所以能做成諧振器，是因?yàn)樗哂袎弘娦?yīng)。所謂壓電效應(yīng)，即當(dāng)機(jī)械力作用于石英晶體使其發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，晶片的對(duì)應(yīng)面上會(huì)產(chǎn)生正、負(fù)電荷，形成電場；反之，在晶片對(duì)應(yīng)面上加一電場時(shí)，石英晶片會(huì)發(fā)生機(jī)械變形。當(dāng)給石英晶片外加交變電壓時(shí)，石英晶片將按交變電壓的頻率發(fā)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)機(jī)械振動(dòng)又會(huì)在兩個(gè)電極上產(chǎn)生交變電荷，結(jié)果在外電路中形成交變電流。當(dāng)外加交

23、變電壓頻率等于石英晶片的固有機(jī)械振動(dòng)頻率時(shí)，晶片發(fā)生共振，此時(shí)機(jī)械振動(dòng)幅度最大。晶片兩面的電荷量和電路中的交變電流也最大，產(chǎn)生了類似于回路的諧振現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。晶片的固有機(jī)械振動(dòng)頻率為諧振頻率，它只與晶片的幾何尺寸有關(guān)，具有很高的穩(wěn)定性，而且可以作得很精確，所以用石英晶體可以構(gòu)成十分理想的諧振系統(tǒng)。 石英晶體的電路符號(hào)如圖8.1.12（a）所示，其等效電路則如圖8.1.12（b）所示，圖中C0稱為靜態(tài)電容，它的大小與晶片的幾何尺寸和電極面積有關(guān)，一般在幾個(gè)皮法到幾十個(gè)皮法之間，Lq、Cq分別為晶片振動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)電感和動(dòng)態(tài)電容，rq為晶片振動(dòng)時(shí)的等效摩擦損耗電阻。由于石英晶體的動(dòng)態(tài)電感

24、非常大，而動(dòng)態(tài)電容非常小，所以它具有很高的品質(zhì)因數(shù)，可以高達(dá)105，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般元件所能達(dá)到的數(shù)值。又由于石英晶體的機(jī)械懷能十分穩(wěn)定，所以用石英晶體諧振器代替一般的回路構(gòu)成振蕩器，可以具有很高的頻率穩(wěn)定度。假如忽略石英晶體等效電路中的損耗電阻rq的影響，就可以很方便地定性畫出石英晶體的電抗頻率特性曲線如圖8.1.12（c）所示。當(dāng)信號(hào)頻率很低時(shí)，由動(dòng)態(tài)電容Cq起主要作用，晶體呈容性；隨著頻率逐漸升高，Cq的容抗逐漸減小，而Lq感抗逐漸增大，當(dāng)信號(hào)頻率f fs時(shí)，Cq和Lq發(fā)生串聯(lián)諧振，此時(shí)晶體的電抗為零；隨著頻率進(jìn)一步升高，由動(dòng)態(tài)電感Lq起主要作用，晶體呈現(xiàn)感性，等效為一個(gè)很大的電感；當(dāng)頻率升

25、高到f fp時(shí)，等效電感和C0發(fā)生并聯(lián)諧振，電抗為無窮大；當(dāng)f fp時(shí)，由C0起主要作用，此時(shí)電抗再次呈現(xiàn)容性。由此可見，石英晶體諧振器具有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是Cq、Lq、rq支路的串聯(lián)諧振頻率fs，另一個(gè)是由Cq、Lq、C0構(gòu)成的并聯(lián)回路的并聯(lián)諧振頻率fp，它們分別為 因?yàn)镃0遠(yuǎn)大于Cq，所以石英晶體諧振的串聯(lián)諧振頻率fs和并聯(lián)諧振頻率fp相差很小。由圖8.1.12（c）可見，石英晶體在fp 與fs之間等效電感的電抗曲線非常陡峭，實(shí)用中，石英晶體就工作在這一頻率范圍內(nèi)，因?yàn)橹挥羞@一區(qū)域，晶體才等效一個(gè)很大的電感，具有很高Q值，從而具有很強(qiáng)的穩(wěn)頻作用。石英晶體使用時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)： 石英晶體

26、按規(guī)定要接一定的負(fù)載電容CL，用來補(bǔ)償生產(chǎn)過程中晶片的頻率誤差，以達(dá)到標(biāo)稱頻率。使用時(shí)應(yīng)按產(chǎn)品說明書上的規(guī)定選定負(fù)載電容CL。為了便于調(diào)整，CL通常采用微調(diào)電容。 石英晶體工作時(shí)，必須要有合適的激勵(lì)電平。假如激勵(lì)電平過大，頻率穩(wěn)定度會(huì)顯著變壞，甚至可能將晶片振壞；假如激勵(lì)電平過小，則噪聲影響大，振蕩輸出幅度減小，甚至可能停振。2）石英晶體振蕩電路用石英晶體構(gòu)成的正弦波振蕩電路的基本電路有兩類。一類是石英晶體作為一個(gè)高Q值的電感元件，和回路中的其他元件形成并聯(lián)諧振，稱為并聯(lián)型晶體振蕩電路；另一類是石英晶體作為一個(gè)正反饋通路元件，工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)，稱為串聯(lián)型晶體振蕩電路。 圖8.1.13 所示為

27、并聯(lián)型晶體振蕩電路的原理電路，由圖可見，石英晶體工作在fp 與fs之間并接近于并聯(lián)諧振狀態(tài)，在電路中起電感作用，從而構(gòu)成改進(jìn)型電容三點(diǎn)式LC振蕩電路，由于C3 C1、C3 C2，所以振蕩頻率由石英晶體與C3決定。8.2非正弦波信號(hào)產(chǎn)生電路8.2.1電壓比較器電壓比較器的基本功能是對(duì)兩個(gè)輸入電壓進(jìn)行比較，并根據(jù)結(jié)果輸出高電平或低電平電壓。1、單限電壓比較器最簡單的電壓比較器如圖8.2.1（a）所示，圖中vI為待比較的輸入電壓，這時(shí)同相端電壓為零，即參考電壓VREF0，由于集成運(yùn)算放大器工作在開關(guān)狀態(tài)，具有很高的開環(huán)電壓增益，所以，當(dāng)vI0時(shí)，運(yùn)算放大器輸出為負(fù)的最大值，即低電平電壓VOLVoma

28、x， 當(dāng)vI0時(shí)，運(yùn)算放大器輸出為正的最大值，即高電平電壓VOHVomax，其傳輸特性如圖8.2.1（b）所示。由于運(yùn)算放大器的狀態(tài)在vI0時(shí)翻轉(zhuǎn)，因此，圖8.2.1（a）所示電路稱為過零電壓比較器。 如果將參考電壓VREF接在運(yùn)算放大器的反相端，待比較的輸入電壓vI接到同相端，如圖8.2.2（a）所示，即構(gòu)成同相輸入單限電壓比較器，圖中輸出端所接穩(wěn)壓管用以限定輸出高低電平幅度，R為穩(wěn)壓管限流電阻。當(dāng)vIVREF時(shí)，輸出為高電平VOHVZ，當(dāng)vIVREF時(shí)，輸出為低電平VOLVZ，其傳輸特性如圖8.2.2（b）所示。由于vI從同相端輸入且只有一個(gè)門限，故稱同相輸入單限電壓比較器；反之，當(dāng)vI由

29、反相端輸入，VREF改接到同相端，則稱為反相輸入單限電壓比較器。 2、 遲滯比較器反相型（或下行）遲滯比較器，也稱為反相型（或下行）施密特觸發(fā)器，如圖8.2.3（a）所示。當(dāng)vI足夠小時(shí)，比較器輸出高電平VOHVZ，此時(shí)同相端電壓用VT表示，利用疊加定理可求得隨著vI的不斷增大，當(dāng)vIVT時(shí)，比較器輸出由高電平變?yōu)榈碗娖絍OLVZ，此時(shí)的同相端電壓用VT表示，其大小變?yōu)?顯然VTVT，因此，當(dāng)vI再增大時(shí)，比較器將維持輸出低電平VOL。反之當(dāng)vI由大變小時(shí)，比較器先輸出低電平VOL，運(yùn)放同相端電壓為VT，只有當(dāng)vI減小到vIVT時(shí)，比較器的輸出將由低電平VOL又跳變到高電平VOH，此時(shí)運(yùn)放同相

30、端電壓又變?yōu)閂T，vI繼續(xù)減小，比較器維持輸出高電平VOH。所以，可得遲滯比較器的傳輸特性如圖8.2.3（b）所示。可見，它有兩個(gè)門限電壓VT和VT，分別稱為上門限電壓和下門限電壓，兩者的差稱為門限寬度或回差電壓調(diào)節(jié)R1和R2，可改變V。V越大，比較器抗干擾的能力越強(qiáng)，但分辨度越差。同相型（上行）施密特觸發(fā)器，其電路及傳輸特性如圖8.2.3（c）所示，其兩個(gè)門限電壓為回差電壓為在圖8.2.3（c）所示電路中，VOLVZ，VOHVZ 。8.2.2方波產(chǎn)生電路由遲滯比較器構(gòu)成的方波發(fā)生電路如圖8.2.4所示。圖中，R和C為定時(shí)元件。由圖可知比較器的兩個(gè)門限電壓分別為： 當(dāng)電路的振蕩達(dá)到穩(wěn)定后，電容

31、C就交替充電和放電。當(dāng)vOVOHVZ時(shí)，電容C充電，電流流向如圖8.2.4（a）所示，電容兩端電壓vc不斷上升，而此時(shí)同相端電壓為上門限電壓VT，當(dāng)vcVT時(shí)，輸出電壓變?yōu)榈碗娖絭OVOLVZ，使同相端電壓變?yōu)橄麻T限電壓VT，隨后電容C開始放電，電流流向如圖8.2.4（b）所示，電容上的電壓不斷降低，當(dāng)vcVT時(shí)，輸出電壓又變?yōu)楦唠娖絍OH，電容又開始充電，重復(fù)上述過程，由此可得一方波電壓輸出，如圖8.2.4（c）所示，圖中也畫出了電容兩端電壓波形。可以證明，振蕩周期和頻率分別為； 圖8.2.4所示電路用來產(chǎn)生固定的低頻頻率的方波信號(hào)，是一種較好的振蕩電路，但是輸出方波的前后沿陡度取決于集成運(yùn)

32、放的轉(zhuǎn)換速率SR，所以當(dāng)振蕩頻率較高時(shí)，為了獲得前后沿較陡的方波，必須選用SR較大的集成運(yùn)放。 8.2.3集成函數(shù)發(fā)生器8038簡介8038集成函數(shù)發(fā)生器是一種多用途的波形發(fā)生器，可以用來產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波，其振蕩頻率可通過外加的直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以是壓控集成信號(hào)產(chǎn)生器。其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖8.2.5所示。由圖可見它與555定時(shí)器結(jié)構(gòu)類似，但8038電路中，外接電容C的充、放電電流由兩個(gè)電流源控制。所以電容C兩端電壓vc的變化與時(shí)間成線性關(guān)系，從而可以獲得理想的三角波輸出。其次由于8038電路中含有正弦波變換器，故可以直接將三角波變成正弦波輸出。由圖8.2.5可見，電壓比較器A1

33、和A2的門限電壓分別為電源電壓（VCCVEE）的2/3和1/3。電流源I01與I02的大小可通過外接電阻調(diào)節(jié)，但I(xiàn)02必須大于I01。當(dāng)觸發(fā)器輸出Q為低電平時(shí)，它控制開關(guān)S使電流源I02斷開，電流源I01給電容C充電，C兩端電壓vc隨時(shí)間線性上升。當(dāng)vc達(dá)到電源電壓的2/3時(shí)，電壓比較器A1輸出電壓發(fā)生跳變，由低電平變?yōu)楦唠娖剑褂|發(fā)器輸出Q由低電平變?yōu)楦唠娖剑刂崎_關(guān)S接通電流源I02。由于I02I01，所以電容C放電，vc隨時(shí)間線性下降，當(dāng)vc下降到電源電壓的1/3時(shí)，電壓比較器A2的輸出電壓發(fā)生跳變，由低電平變?yōu)楦唠娖剑褂|發(fā)器輸出Q由高電平變?yōu)榈碗娖剑娏髟碔02又被切斷，I01再給充

34、電，vc又隨時(shí)間線性上升，如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩。 在I022I01的條件下，觸發(fā)器的輸出為方波，經(jīng)反相器由腳9輸出；電容C兩端的電壓vC上升與下降時(shí)間相等，為三角波，經(jīng)電壓跟隨器后由管腳3輸出。同時(shí)通過三角波變正弦波電路得到正弦波，從管腳2輸出。I01I022 I01時(shí)，vC上升與下降時(shí)間不相等，管腳3輸出鋸齒波。8038為塑封雙列直插式集成電路，其管腳功能如圖8.2.6所示。圖8.2.6中，8腳為頻率調(diào)節(jié)（簡稱調(diào)頻）電壓輸入端。振蕩頻率與調(diào)頻電壓的高低成正比，其線性度為0.5%，調(diào)頻電壓的值為管腳6與管腳8之間的電壓，它的值應(yīng)不超過（VCCVEE）/3。利用8038構(gòu)成的函數(shù)發(fā)生器的實(shí)例如圖8.2.7所示。其振蕩頻率決定于電位器RP1滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置、C的容量及RA、RB的阻值，調(diào)節(jié)RP1即可改變輸出信號(hào)的頻率。圖中C1為高頻旁路電容，用以消除8腳的寄生交流電壓，RP2為方波占空比和正弦波失真度調(diào)節(jié)電位器，當(dāng)RARB時(shí)，產(chǎn)生占空比為50%的方波，對(duì)稱的三角波和正弦波。RP3、RP4是雙聯(lián)電位器，其作用是進(jìn)一步調(diào)節(jié)正弦波的失真度。 本章小結(jié)