學(xué)習(xí)情景3

函數(shù)信號發(fā)生器的制作與測試學(xué)習(xí)情景3

函數(shù)信號發(fā)生器的制作與測試【學(xué)習(xí)目標(biāo)】技能目標(biāo):①掌握方波、三角波發(fā)生器的制作與測試方法；②掌握正弦波振蕩器的制作與測試方法；③掌握函數(shù)信號發(fā)生器的制作與調(diào)試方法。知識目標(biāo):①了解集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、電路組成、主要性能指標(biāo)、種類等；②了解正弦波振蕩器、方波、三角波發(fā)生器電路的組成及工作原理；③掌握函數(shù)信號發(fā)生器的電路制作與調(diào)試任務(wù)3.1集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用【任務(wù)描述】

集成電路是將二極管、三極管、電阻、電容等元器件以及它們之間的連線同時(shí)制造在一小塊半導(dǎo)體基片上，構(gòu)成具有特定功能的電子電路。具有體積小、功耗低、性能好等優(yōu)點(diǎn)。是發(fā)展最快、用途最廣的集成電路。它可以通過外接反饋元件后組成各種函數(shù)運(yùn)算電路，還可以組成各種放大器、比較器、波形發(fā)生器等。掌握集成運(yùn)算放大電路的組成和分析方法、性能指標(biāo)、參數(shù)、特點(diǎn)及主要應(yīng)用是電子工程技術(shù)人員的主要技能。【任務(wù)分析】掌握集成運(yùn)放的的基本結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)；掌握集成運(yùn)放在信號運(yùn)算、信號處理、信號放大及波形產(chǎn)生方面的應(yīng)用；學(xué)會對集成運(yùn)放的指標(biāo)進(jìn)行測試；學(xué)會對集成運(yùn)算進(jìn)行模擬運(yùn)算；會用集成運(yùn)放構(gòu)成方波、三角波發(fā)生器；學(xué)習(xí)波形發(fā)生器的調(diào)整和主要性能指標(biāo)的測試方法。

【知識準(zhǔn)備】1.集成運(yùn)算放大器的組成集成運(yùn)算放大器簡稱集成運(yùn)放，是應(yīng)用最廣泛的集成放大器。集成運(yùn)放具有可靠性高、使用方便、放大性能好等特點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用于自動控制、精密測量、通信、信號處理及電源等電子技術(shù)應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域。集成運(yùn)放是一種高低壓放大倍數(shù)（通常大于104）的多級直接耦合放大器，內(nèi)部電路通常由輸入極、中間極、輸出極和偏置電路4個(gè)部分組成，如圖3-1（a）所示。輸入極是提高集成運(yùn)放質(zhì)量的關(guān)鍵部分，通常由具有恒流源的雙段輸入、單段輸出的差動放大電路構(gòu)成，其目的是為了減少放大電路的零點(diǎn)漂移、提高輸入阻抗。中間極主要用于電壓放大，為獲得較高的電壓放大倍數(shù)，中間極通常由帶有源負(fù)載（即以恒流源代替集電極負(fù)載電阻）的共發(fā)射極放大電路構(gòu)成。輸出極通常由互補(bǔ)對稱射極輸出電路，其目的是為了減小損壞。偏置電路的作用是為上述各級電路提供穩(wěn)定、合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點(diǎn)，一般由各種恒流源電路構(gòu)成。集成運(yùn)放的電路符號如圖3-1（b）所示。它有兩個(gè)輸入端，標(biāo)“+”的輸入端稱為同相輸入端，輸入信號由此端輸入時(shí)，輸出信號與輸入信號相位相同；標(biāo)“—”的輸入端稱為反相輸入端，輸入信號由此端輸入時(shí)，輸出信號與輸入信號相位相反。圖3-1集成運(yùn)算放大器的組成框圖和電路符號組成框圖電路符號

2．集成運(yùn)放的主要參數(shù)及種類集成運(yùn)放的性能可以用各種參數(shù)反映，主要參數(shù)如下：

①差模開環(huán)電壓放大倍數(shù)Ado.開環(huán)電壓放大倍數(shù)是指運(yùn)算放大器在沒有外接反饋電路時(shí)的差模電壓放大倍數(shù)。Ado越大，運(yùn)算精度越高。Ado一般為104～107.

②

共模開環(huán)電壓放大倍數(shù)ACO是指集成運(yùn)放本身的共模開環(huán)電壓放大倍數(shù)，它反映集成運(yùn)放的抗溫漂、抗共模干擾的能力，優(yōu)質(zhì)的集成運(yùn)放ACO應(yīng)接近于零。

③最大輸出電壓UOPP

最大輸出電壓是運(yùn)算放大器在不失真情況下輸出的最大電壓。④輸入失調(diào)電壓UiO

輸入失調(diào)電壓是指輸入電壓為零時(shí)，在輸入極所加的補(bǔ)償電壓值。它反映動放大部分參數(shù)的不對稱程度，顯然越小越好。一般為（1～10）mv。

⑤輸入失調(diào)電流Iio

輸入失調(diào)電流是指輸入信號為零時(shí)，兩個(gè)輸入端的靜態(tài)基極電流之差，一般為（1nA～0.1μA)。

⑥輸入偏置電流IIB

輸入偏置電流是指輸入信號為零時(shí)，兩個(gè)輸入端的靜態(tài)基極電流平均值，一般為（10nA～1μA)。

⑦最大差模輸入電壓Uidmax

差模輸入電壓超過這個(gè)電壓值，將造成運(yùn)算放大器內(nèi)部部分三極管損壞。

⑧最大共模輸入電壓Uicmax

共模輸入電壓超過這個(gè)電壓值,其共模抑制能力將明顯下降，甚至造成運(yùn)算放大器的損壞。

⑨差模輸入電阻rid和輸出電阻ro

差模輸入電阻反映運(yùn)算放大器輸入端向信號源取用電流的大小，其值越大越好。輸出電阻反映運(yùn)算放大器帶負(fù)載的能力，其值越小越好。

⑩共模抑制比KCMRR

用來綜合衡量集成運(yùn)放的放大能力和抗溫漂、抗共模干擾的能力，一般應(yīng)大于80dB.

此外，還有帶寬、轉(zhuǎn)換速率、功耗等。3.理想集成運(yùn)算放大器在分析計(jì)算集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用電路時(shí)，為了簡化分析過程，通?？蓪⑦\(yùn)放看作一個(gè)理想運(yùn)算放大器，即將運(yùn)放的各項(xiàng)參數(shù)都理想化，認(rèn)為其開環(huán)電壓放大倍數(shù)為無窮大，輸入電阻為無限高，輸出電阻為零，共模抑制比為無窮大等。由于集成運(yùn)放的實(shí)際參數(shù)與理想運(yùn)放十分接近，在分析計(jì)算時(shí)用理想運(yùn)放代替實(shí)際運(yùn)放所引起的誤差并不嚴(yán)重，在工程上是允許的，但這樣的處理使計(jì)算過程大為簡化。理想運(yùn)放的電路符號如圖3-2(a)所示，圖中∞表示開環(huán)電壓放大倍數(shù)為無窮大的理想化條件。圖3-2（b）所示為集成運(yùn)放的電壓傳輸特性，它描述了輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系。該傳輸特性分為線性區(qū)和非線性區(qū)（飽和區(qū)）。當(dāng)運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，輸出電壓u0和輸入電壓ui=（u+﹣u-）是一種線性關(guān)系，即：

u0=Adoui=Ado(u+﹣u-)圖3-2理想運(yùn)放的電路符號和電壓傳輸特性

電路符號電壓傳輸特性這時(shí)集成運(yùn)放是一個(gè)線性放大元件。但由于集成運(yùn)放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)極高，只有輸入電壓ui

=u+﹣u-極?。ń茷榱悖r(shí)，輸出電壓u0和輸入電壓ui之間才具有線性關(guān)系。當(dāng)輸入電壓稍大一點(diǎn)時(shí)，運(yùn)放便進(jìn)入非線性區(qū)。運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)，輸出電壓為正或負(fù)飽和電壓（±UOM）,與輸入電壓ui=u+﹣u-的大小無關(guān)。即可近似認(rèn)為：

當(dāng)ui＞0,即u+

＞u-時(shí)，uo=+UOM

當(dāng)ui＜0,即u+

＜u-時(shí)，uo=+UOM

為了使運(yùn)放能在線性區(qū)穩(wěn)定工作，通常把外部元器件如電阻、電容等跨接在運(yùn)放的輸出端與輸入端之間構(gòu)成閉環(huán)工作狀態(tài)，引入深度電壓負(fù)反饋，以限制其電壓放大倍數(shù)。工作在線性區(qū)的理想運(yùn)放，利用上述理想?yún)?shù)可以得出兩條重要結(jié)論：①因rid=∞,故有i+=i_=0,即理想運(yùn)放兩個(gè)輸入端的輸入電流為零。由于兩個(gè)輸入端并非開路而電流為零，故稱為“虛斷”。②Ado=∞,故有u+=u-，即理想運(yùn)放兩個(gè)輸入端的點(diǎn)位相等。由于兩個(gè)輸入端點(diǎn)位相等，但又不是短路，故稱為“虛短”。如果信號從反相輸入端輸入，而同相輸入端接地，即u+=0,這時(shí)必有u-=0,即反相輸入端的電位為“地”，通常稱為“虛地”。上述兩條重要結(jié)論是分析理想運(yùn)放線性運(yùn)用時(shí)的基本依據(jù)。

4.模擬運(yùn)算電路

集成運(yùn)算放大器引入適當(dāng)?shù)呢?fù)反饋，可以使輸入和輸出之間具有某種特點(diǎn)的函數(shù)關(guān)系，即實(shí)現(xiàn)特定的模擬運(yùn)算，如比例、加法、減法、積分、微分等。

(1)比例運(yùn)算電路

①反相輸入比例運(yùn)算電路

反相輸入比例運(yùn)算電路如圖3-3所示，輸入信號ui經(jīng)電阻Ri從反相輸入端輸入，同相輸入端經(jīng)電阻RP接地，反饋電阻RF跨接在反相輸入端與輸出端之間。根據(jù)工作在線性區(qū)的兩條分析依據(jù)可知：

i1=iF,u+=u-=0

由圖3-3可得：

i1=

iF=

u0=-式中的負(fù)號表示輸出電壓與輸入電壓的相位相反。上式表明輸出電壓與輸入電壓時(shí)一種比例運(yùn)算關(guān)系，比例系數(shù)只取決于RF與R1的比值，而與集成運(yùn)放本身的參數(shù)無關(guān)。只要RF與R1的精度和穩(wěn)定性很高，電路的運(yùn)算精度和穩(wěn)定性就很高。閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：

Auf=

當(dāng)RF=R1時(shí)，u0=-ui,即Auf=-1,該電路就成了反相器。②同相輸入比例運(yùn)算電路同相輸入比例運(yùn)算電路如圖3-4所示，輸入信號ui經(jīng)電阻RP從同相輸入端輸入，反相輸入端經(jīng)電阻R1接地，反饋電阻RF跨接在反相輸入端與輸出端之間。根據(jù)運(yùn)放工作在線性區(qū)的兩條分析依據(jù)可知：

i1=iF,u-=u+=ui圖3-3反相輸入比例運(yùn)算電路圖3-4同相輸入比例運(yùn)算電路由圖3-4可得：

i1=

iF=由此可得：

u0=〔1+〕ui

輸出電壓與輸入電壓的相位相同。上式表明輸出電壓與輸入電壓也是一種比例運(yùn)算關(guān)系，比例系數(shù)也只取決于RF與R1的比值，而與集成運(yùn)放本身的參數(shù)無關(guān)。同反相輸入比例運(yùn)算電路一樣，為了提高差動電路的對稱性。平衡電阻Rp=R1∥RF。

輸出電壓與輸入電壓的相位相同。上式表明輸出電壓與輸入電壓也是一種比例運(yùn)算關(guān)系，比例系數(shù)也只取決于RF與R1的比值，而與集成運(yùn)放本身的參數(shù)無關(guān)。同反相輸入比例運(yùn)算電路一樣，為了提高差動電路的對稱性。平衡電阻Rp=R1∥RF。閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：Auf=

同相比例運(yùn)算電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)必定大于或等于1，當(dāng)RF=0或R1=∞時(shí)，u0=ui，即Auf=1時(shí)，這時(shí)輸出電壓跟隨輸入電壓作相同的變化稱為電壓跟隨器。例3-1在圖3-3中，R1=1K,RF=10K,運(yùn)放組件的最大輸出電壓為10V。（1）當(dāng)Ui=0.8V時(shí)，求U0和Auf；（2）當(dāng)Ui=1.2V時(shí)，求U-。

解：（1）當(dāng)Ui=0.8V時(shí)，則

Auf=（2）當(dāng)Ui=1.2V時(shí)，若Auf仍為-10V,則U0=-12V,但已知運(yùn)放組件的最大輸出電壓為10V，故此時(shí)不可能輸出-12V的電壓，而只能輸出-10V的電壓。因此，運(yùn)放已不能工作在線性區(qū)，故“虛短”的概念不能應(yīng)用，即U+U-。通常運(yùn)放組件的差模輸入電阻Rid非常大，故仍可認(rèn)為i-=i+=0。于是

U-=0.182V

(2)

加法和減法運(yùn)算電路①加法運(yùn)算電路圖3-5所示為反相輸入加法運(yùn)算電路。格局運(yùn)放工作在線性區(qū)的兩條分析依據(jù)可知：

iF=i1+i2

i1=,i2=,iF=-

由此可得：u0=-()

若R1=R2=RF,則：

u0=-(ui1+ui2)

可見，輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓之間是一種反相輸入加法運(yùn)算關(guān)系。這一運(yùn)算關(guān)系可推廣到有更多個(gè)信號輸入的情況。平衡電阻Rp=R1∥R2∥RF②減法運(yùn)算電路減法運(yùn)算電路如圖3-6所示，由疊加定理可以得到輸出與輸入關(guān)系。

圖3-5加法運(yùn)算電路圖3-6減法運(yùn)算電路ui1單獨(dú)作用時(shí)為反相輸入比例運(yùn)算電路，其輸出電壓為：

=-ui2單獨(dú)作用時(shí)同相輸入比例運(yùn)算，其輸出電壓為：

ui1和ui2共同作用時(shí)，輸出電壓為：

u0==-若R3=∞(斷開)，則：

u0=-若R1=R2,且R3=RF,則：

u0=若R1=R2=R3=RF，則

u0=ui2-ui1由此可見，輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓之差成之比，實(shí)現(xiàn)了減法運(yùn)算。該電路又稱為差動輸入運(yùn)算電路或差動放大電路。

(3)積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路①積分運(yùn)算電路將反相輸入比例運(yùn)算電路的反饋電阻RF用電容C替換，則稱為積分運(yùn)算電路，如圖3-7，由于反相輸入端虛地，且i+=i-,由圖可得：

iR=iCiR=

iC=C

由此可得：

u0=-輸出電壓u0與輸入電壓ui對時(shí)間的積分成正比。負(fù)號表示u0與ui的極性相反。RC為積分時(shí)間常數(shù)。若ui為恒定電壓U,則輸出電壓u0為：

u0=-

輸出電壓u0與時(shí)間t成正比，設(shè)t=0時(shí)的輸出電壓為零，則波形圖如圖3-8所示。圖3-7積分運(yùn)算電路圖3-8ui恒定電壓時(shí)積分電路u0的波形

②微分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路是積分運(yùn)算電路的逆運(yùn)算，只要將積分運(yùn)算電路的R、C位置對調(diào)即為微分運(yùn)算電路，如圖3-9所示，由于運(yùn)放的反相輸入端虛地，且i+=i-，由圖可得：

iR=ic

iR=-，iC=C由此可得：

u0=-RC

即輸出電壓u0與輸入電壓ui對時(shí)間的微分成正比。若ui為恒定電壓U，則在ui作用與電路的瞬間，微分電路輸出一個(gè)尖脈沖電壓，波形如圖3-10所示。

圖3-9微分運(yùn)算電路圖3-10ui恒定電壓時(shí)微分電路u0

5.信號處理電路本小結(jié)主要討論集成運(yùn)放在信號處理方面的應(yīng)用。重點(diǎn)討論用集成運(yùn)放構(gòu)成的電壓比較器，電壓比較器可以完成模擬信號之間的電壓比較。

(1)電壓比較器電壓比較器是一種模擬信號的處理電路，它的基本功能是比較兩個(gè)或多個(gè)模擬輸入量的大小，并由輸出的高、低電平來表示比較結(jié)果。在多數(shù)情況下，比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，其中的一個(gè)輸入端通常接固定不變的電壓，稱為參考電壓，用UR表示，而另一個(gè)輸入端接變化的信號電壓。比較器的輸出端只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平。通常工作在非線性區(qū)，往往處于開環(huán)工作狀態(tài)。有些比較器電路中引入了正反饋。電壓比較器的主要用途是進(jìn)行電平檢測，它廣泛地應(yīng)用于自動控制與自動檢測等技術(shù)領(lǐng)域，以及用于實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，組成數(shù)字儀表及組成各非正弦波信號的產(chǎn)生和變換電路等等。從比較器的功能來劃分，常用的比較器有：過零比較器、單限比較器、遲滯比較器和雙限比較器等。

(2)比較器的特點(diǎn)與分析方法在電壓比較器中，集成運(yùn)放一般處于開環(huán)或正反饋方式，運(yùn)放工作在非線性區(qū)。由于集成運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)很高，所以運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電壓略有差異，輸出電壓不是最高值就是最低值。在分析電壓比較器，應(yīng)注意：①由于集成運(yùn)放開環(huán)或正反饋方式，因此運(yùn)放的同相輸入端與反相輸入端不再是“虛短路”，輸出電壓也不隨輸入電壓連續(xù)變化。②由于運(yùn)放工作在非線性區(qū)，所以集成電路內(nèi)部的管子大多工作于截止區(qū)或飽和區(qū)。運(yùn)放的輸出也只有兩種輸出狀態(tài)，即輸出高電平與輸出低電平。

3.過零比較器圖3-11（a）、（b）所示均為過零比較器。從圖中可以看出運(yùn)放工作開環(huán)狀態(tài)，其開環(huán)電壓放大倍數(shù)接近∞。輸入信號ui加在運(yùn)放的同相端（或反相端），其反相端（或同相端）接地，即參考電壓UR=0。電路的輸入輸出特性如圖3-11（c）、（d）所示。（a）同相輸入過零比較器；（b）反相輸入過零比較器（c）圖是（a）圖的傳輸特性；（d）圖是（b）的傳輸特性圖3-11過零比較器

在圖3-11（a）中，當(dāng)輸入信號電壓ui<0時(shí)，差動輸入電壓uid=uP-uN<0,由于運(yùn)放開環(huán)放大倍數(shù)接近∞，所以運(yùn)放處于負(fù)飽和狀態(tài)，則u0=UOL；當(dāng)ui＞0時(shí)，uid＞0,運(yùn)放處于正飽和狀態(tài)，則u0=UOH。同理可以分析圖3-11（b）所示電路。以上分析可知，當(dāng)輸入信號ui每次過零時(shí)，輸出電壓就要發(fā)生變化，從一個(gè)電平翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)電平。通常我們把比較器的輸出電壓從一個(gè)電平值翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)電平值的輸入電壓稱為閾值電壓或門限電壓，用符號UTH表示。對于過零比較器來說，其UTH=0。

例3-1-1已知電路如圖3-12（a）所示，輸入信號ui為如圖3-12（b）所示的正弦波，試畫出輸出電壓u0的波形。畫出u0的波形如圖3-12（a）所示，Uo的波形為具有正負(fù)極性且占空比相等的方波。解圖3-12(a)所示電路為同相輸入過零電壓比較器。在輸入正弦波的正半周時(shí)，ui＞0，則Up＞Un，uid＞0，運(yùn)放輸出最大電壓值，即高電平；在ui負(fù)半軸時(shí)，ui<0，uid<0，運(yùn)放輸出最低電壓值，即低電平。畫出u0的波形如圖3-12（a）所示，uo的波形為具有正負(fù)極性且占空比相等的方波。圖3-12例3-2的圖(4)單限比較器

圖3-13（a）所示電路為基本單限比較器，圖3-13（b）為其電壓傳輸特性。圖3-13中，輸入信號ui加在運(yùn)放的反相輸入端，在同相端接一個(gè)參考電壓UR。當(dāng)輸入電壓ui<UR時(shí)，uN<uP，uid＞0,輸出為最大電壓值，若輸入電壓ui＞UR，uid<0時(shí)，輸出為最低電壓值。其門限電壓UTH=UR。（a）電路；（b）傳輸特性圖3-13單限比較器例3-3

已知一單限比較器如圖3-14（a）所示。輸入電壓ui=10sin(V)（V），E=5V,試畫出輸出電壓u0的波形。

解：從圖3-14（a）中可以看出，單限比較器的待比較電壓ui接于運(yùn)的同相端，其反相輸入端接直流電源E，即參考電壓UR=E=5V。當(dāng)ui＞5V時(shí)，uid＞0,輸出高電平UOH；當(dāng)ui<5V時(shí)，uid<0，輸出低電平UOL。其門限電壓UTH=UR=5V。畫出其輸入與輸出對應(yīng)波形如圖3-14（b）、（c）所示。由圖可見，其輸出電壓uo的波形為矩形波，而且進(jìn)一步分析可知，改變門限電壓UTH的值可改變矩形波的占空比圖3-14例3-3題圖

(5)遲滯比較器單相比較器當(dāng)輸入信號達(dá)到某一給定參考電壓時(shí)就立即翻轉(zhuǎn)，因而它具有較高的靈敏度，但是，單限比較器易受零點(diǎn)漂移、噪聲及干擾的影響，造成錯(cuò)誤動作。例如：當(dāng)零點(diǎn)漂移存在時(shí)，uo將不斷地從一個(gè)極限值轉(zhuǎn)換到另一個(gè)極限值，這在控制系統(tǒng)中，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)將是不利的，在實(shí)際運(yùn)用中也是不允許的。為此我們在電路中引入正反饋，從而使其比較器的輸出特性具有滯回特性。人們將這種比較器稱為遲滯比較器。如圖3-15所示，由圖可見，輸入電壓ui從反相輸入端加入運(yùn)放，所以uN=ui；該電路同相端的電壓up由uo和UR共同決定，根據(jù)疊加定理可得：up=

由于運(yùn)放工作在非線性區(qū)，輸出只有高低兩種電壓，即UOH和UOL。當(dāng)輸出電壓為UOH時(shí)，同相端電壓up的上限值為

UPH=（a）電路圖；（b）、（c）、（d）電壓傳輸特性電路圖電壓傳輸特性電壓傳輸特性電壓傳輸特性圖3-15遲滯比較器要使比較器從UOH轉(zhuǎn)換到UOL，反相端電壓uN(即ui)必須增大到UPH才行。這時(shí)的輸入-輸出特性如圖3-15（b）所示。同理，輸出電壓為UOL時(shí)，同相端電壓up的下限值為

UPL=

要使比較器從UOL轉(zhuǎn)換到UOH,反相端的電壓uN(即ui)必須下降到UPL才行，此時(shí)輸入-輸出特性如圖3-15（c）所示。由以上分析可得，遲滯比較器在兩種輸出狀態(tài)之間互相翻轉(zhuǎn)時(shí)有兩個(gè)門限電壓。合成起來的輸入-輸出特性如圖3-15(d)所示。從圖中可以看出，滯遲比較器有兩個(gè)門限電壓，值大的門限電壓叫高門限電壓，用UTH表示，UTH=UPH；值小的門限電壓叫低門限電壓，用UTL表示，UTL=UPL。高門限電壓和低門限電壓之差叫遲滯寬度或遲滯回差電壓，用表示，即

=UTH-UTL

6.非正弦波信號產(chǎn)生電路在許多電子儀器和設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、雷達(dá)、示波器等）中，還需要應(yīng)用方波、三角波等非正弦波信號。這里僅介紹由集成運(yùn)放構(gòu)成的方波、三角波發(fā)生器。

1.方波發(fā)生器

①電路組成方波發(fā)生器的電路圖如圖3-16所示。電路由兩個(gè)部分組成：由運(yùn)放構(gòu)成的滯遲電壓比較器和由RC充放電回路構(gòu)成的積分器。滯遲電壓比較器使運(yùn)放形成正反饋，決定了輸出電壓的波形為方波；RC充放電回路決定了方波的周期。輸出端的穩(wěn)壓管VZ起限幅作用，電阻R3為VZ的限流電阻。②工作原理在方波發(fā)生器接通電源的瞬間，輸出電壓是正向飽和電壓還是負(fù)向飽和電壓，是由偶然因素決定的。設(shè)在計(jì)時(shí)起點(diǎn)t=0時(shí)，輸出電壓為正向飽和電壓，由于雙向穩(wěn)壓管的限幅，有u0=UZ,電容電壓uc=-FUZ，其中，F(xiàn)為滯遲比較器的正反饋系數(shù)，即

F=

電路圖工作波形圖3-16方波發(fā)生器及其工作波形圖在以上初始條件下，運(yùn)放同相輸入所加電壓為

u+=u0=FUZ由于電容電壓即是運(yùn)放反相輸入端電壓，有uc=u-<u0=UZ，且uc不能突變，所以u0通過反饋電阻R向電容C充電，使uc按指數(shù)規(guī)律不斷上升，充電時(shí)間常數(shù)充=RC,充電電流方向如圖3-16（a）中i充所示。由于正反饋的作用，比較器在其輸入u-=u+的條件下，輸出電壓u0迅速從一個(gè)飽和值翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)飽和值，所以當(dāng)電容電壓放電至uc=u-u+=FUZ時(shí)，比較器輸出電壓u0=-UZ,同相輸入端電壓隨之變?yōu)?/p>

u+=-FUZ

由于uc＞u0=-UZ，所以電容C通過電阻R向運(yùn)放輸出端放電，使uc按指數(shù)電壓放電至uc=u-u+=-FUZ時(shí)，輸出電壓再次翻轉(zhuǎn)成u0=UZ，恢復(fù)到初始狀態(tài)，開始下一周期的振蕩。因?yàn)殡娙莩潆姺烹姙橥煌?，?/p>

充=放=RC故輸出電壓u0的波形為方波。電容電壓uc和輸出電壓u0的波形如圖3-16（b）所示。③主要參數(shù)

a.

幅度由雙向限幅穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值來確定

Uom=UZ若更換不同穩(wěn)壓值的穩(wěn)壓管，即可改變輸出電壓的幅值。b.

周期方波的周期可通過電容充、放電的過渡過程求得。

Uc過渡過程在T/2范圍內(nèi)的初始值、穩(wěn)態(tài)值和時(shí)間常數(shù)為uc(0)=-FUZ,uc(∞)=UZ，=RC，所以電容電壓隨時(shí)間的變化規(guī)律為

uc(t)=UZ

當(dāng)t=T/2時(shí)，uc(T/2)=FUZ,將此值代入上式，得uc()=UZ=FUZ對T求解，有

T=2RCln將F=代入上式，可得

T=2RCln若適當(dāng)選取R1和R2的阻值，可使F=0.46,則振蕩周期可簡化為

T=2RC

方波發(fā)生器的振蕩頻率

f=1/T若要調(diào)節(jié)方波發(fā)生器的周期，根據(jù)表達(dá)式T=2RCln可得，只需改變R、C、R1和R2這四個(gè)參數(shù)中的一個(gè)或幾個(gè)即可。

(2)三角波發(fā)生器①電路組成從數(shù)學(xué)分析可知，方波經(jīng)過積分可得三角波。因此在積分運(yùn)算電路的輸入端加入方波信號，在其輸出端就能獲得三角波電壓。如圖3-17（a）所示為三角波發(fā)生電路，其中運(yùn)放N1為同相輸入的過零滯遲比較器，起開關(guān)器件的作用。運(yùn)放N2為反相積分電路，起延遲作用。兩個(gè)運(yùn)放之間由電阻R1構(gòu)成正反饋，形成自激振蕩。②工作原理比較器N1的輸出u01為方波，其幅度由穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ來決定，即UO1m=UZ。N1的同相輸入端電位u+1取決于N1和N2輸出電壓uo1和uo共同作用的結(jié)果。設(shè)t=0時(shí)，N1輸出的初始值u01=-UZ,電容的初始電壓值為uc(0)=0。積分電路N2同相輸入端接地，反相輸入端為“虛地”，在u01為恒定的情況下，反相積分器N2的反饋電容C被恒流充電，u0由零正向線性上升，且線性很好。當(dāng)u0上升到某一定值，使N1的輸入電壓達(dá)到其上門限電平（即u+1=u-1=0）時(shí)，比較器N1的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)成u01=UZ。此時(shí)，電容C開始向輸出端恒流放電，u0負(fù)向線性下降。當(dāng)u0下降到使N1的輸入達(dá)到下門限電平時(shí)，比較器N2再次翻轉(zhuǎn)，回到初始狀態(tài)。因此在N1輸出端形成方波，在N2輸出端形成三角波，其波形圖如圖3-17（b）所示。圖3-1-17三角波發(fā)生器及其波形圖電路圖波形圖

③三角波的幅值和周期

a.

幅值利用疊加原理可求得比較器同相電壓u+1為

u+1=代入u01=和u+1=u-1=0的翻轉(zhuǎn)條件，即可求得比較器N1的門限電平Ur，即積分電路N2的輸出電壓Uom為

Uom=Uom=上式表明，當(dāng)改變電阻R1或R2的數(shù)值，也就改變了電路的正反饋量的大小，從而改變了三角波的幅度。

b.

周期由圖3-17（b）的波形圖不難看出，輸出三角波從零上升到Uom=所需時(shí)間為T/4。由反相積分器N2的輸入輸出關(guān)系，有

u0(t)=-在t=0時(shí)，u0(0)=0,在t=T/4時(shí)，u0()=Uom=,在t=0~T/4期間，u01=-UZ,代入上式得

u0()=-整理，得三角波的周期T為

T=4RC由三角波的對稱性，有T=2T1，得

T1=2RC三角波的頻率

f=

由以上分析可得出如下結(jié)論：

a.圖3-17（a）所示電路可以同時(shí)輸出方波和三角信號波，且波形對稱;b.調(diào)節(jié)積分電阻R和電容C，可改變?nèi)遣ê头讲ǖ念l率（周期）;C.改變R1／R2的比例，會同時(shí)影響三角波的幅值和頻率；

d.更換不同穩(wěn)壓值Uz的穩(wěn)壓管，即可同時(shí)改變方波和三角波的幅值?！救蝿?wù)實(shí)施】

實(shí)施地點(diǎn)：電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)訓(xùn)所需器材：①信號源②示波器③交流毫伏表④數(shù)字直流電壓表⑤集成運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)板⑥數(shù)字頻率計(jì)實(shí)施內(nèi)容與步驟：①學(xué)員分組：4人左右一組，指定組長，工作始終各組人員盡量固定。②教師布置工作任務(wù)，學(xué)生了解工作內(nèi)容，明確工作目標(biāo)，制定實(shí)施方案。1.集成運(yùn)算放大器的指標(biāo)測試

(1)電路原理集成運(yùn)算放大器是一種線性集成電路，和其他半導(dǎo)體器件一樣，用一些性能指標(biāo)來衡量其質(zhì)量的優(yōu)劣。(2)測試運(yùn)放組件的幾種指標(biāo)本測試采用的集成運(yùn)算放大組件的型號為UA741（或F007）。實(shí)際測試參數(shù)電路的引腳排列如圖3-1-18所示。它是八角雙列直插式組件，

腳和

腳為反相和同相輸入端，

腳為輸出端，

腳和

腳為正、負(fù)電源端，

腳和

腳間可接入一只幾十千伏的電位器并將滑動頭接到負(fù)電源端。

腳為空腳。管腳要正確地插入管座，并查UA741典型指數(shù)。3.實(shí)際測試集成運(yùn)算放大電路參數(shù)的電路圖如圖3-1-19所（1）測試輸入失調(diào)電壓Uio：理想運(yùn)放輸入信號為零時(shí)，其輸出直流電壓也為零。但實(shí)際上，若無外界調(diào)零的措施，由于運(yùn)放內(nèi)部差動輸入級參數(shù)的不完全對稱，輸出電壓往往不為零。這種零輸入時(shí)輸出不為零的現(xiàn)象稱為集成運(yùn)放的失調(diào)。輸入失調(diào)電壓Uio是指輸入信號為零時(shí)，輸出端出現(xiàn)的電壓折算到同相輸入端的數(shù)值。圖圖3-18集成運(yùn)算放大電路的引腳排列圖失調(diào)電壓測試電路如圖3-19（a）所示。去掉外接調(diào)零電位器。接通電源后用示波器觀察輸出電壓波形有無振蕩。若有則更換消振電容(可用幾十到幾百皮法電容由小到大調(diào)試)，直到完全消振為止。測量此時(shí)的輸出電壓U01,并計(jì)算輸出失調(diào)電壓Uio，即

Uio=將Uio的大小填入表3-1中。測量輸入失調(diào)電壓Uio測量輸入失調(diào)電流Iio測量開環(huán)差模放大倍數(shù)Ado測量差模電壓放大倍數(shù)測量共模電壓放大倍數(shù)圖3-19集成運(yùn)算放大電路參數(shù)測試的電路圖實(shí)際測出的U01可能是正，也可能是負(fù)。測試中應(yīng)注意：a.

將運(yùn)放零端開路；b.

要求電阻R1.R2的參數(shù)嚴(yán)格對稱。②測試輸入失調(diào)電流Iio：輸入失調(diào)電流Iio是指輸入信號為零時(shí)，運(yùn)放的兩端輸入端的靜態(tài)基極電流之差。測量電路如圖3-19（b）所示。按圖3-19（b）接線，接通電源后，觀察輸出電壓波形有無振蕩，若振蕩，則消振。測量分兩部進(jìn)行：（放大電路中不能接入調(diào)零電位器）

a.閉合開關(guān)S及S，在低輸入電阻下，測出輸出電壓U01(這是由輸入失調(diào)電壓Uio引起的輸出電壓,即測失調(diào)電壓時(shí)的輸出電壓U01)。

b.斷開S及S，接入兩個(gè)輸入電阻R,由于R阻值較大，流經(jīng)它們的輸入電流的差異，將變成輸入電壓的差異，因此，也會影響輸出電壓的大小，可見，測出兩個(gè)電阻接入時(shí)的輸出電壓U02,若扣除輸入失調(diào)電壓Uio的影響，則輸入失調(diào)電流Iio為：

Iio=

=

計(jì)算結(jié)果填入表3-1中。③測試開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Ado

集成運(yùn)放在沒有外部反饋時(shí)的直流差模放大倍數(shù)稱為開環(huán)差模放大倍數(shù)，用Ado表示。大小為：

Ado=Uid為差分輸入端之間所加電壓，Ui為電路輸入端加入在組件說明書指定頻率下的電壓。測試電路如圖3-19（c）所示。按圖3-19（c）接線，電路輸入端接地后接通電源，觀察輸出電壓波形有無振蕩，若振蕩，則消振。微調(diào)調(diào)零電位器，使輸出電壓為零。測量出Ui和U0,并把測量結(jié)果填入表3-1中。計(jì)算出開環(huán)電壓放大倍數(shù)Ado。=表3-1Uio、Iio及Ado的測量

測

量值

U01

U02

Ui

U0

計(jì)算值

Ui0Ii0

Ad0

典型值

Ui0

Ii0

Ad0

④測量共模抑制比KCMR

集成運(yùn)放的差模電壓放大倍數(shù)Ad0與共模電壓放大倍數(shù)Ac0之比稱為共模抑制比，用KCMR表示。則有

KCMR=

共模抑制比在應(yīng)用中是一個(gè)很重要的參數(shù)，理想運(yùn)放對輸入的共模信號其輸出為零，但在實(shí)際的集成運(yùn)放中，其輸出不可能沒有共模信號的成分，輸出端共模信號越小，說明電路對稱性越好，即運(yùn)放對共模干擾信號的抑制能力越強(qiáng)，KCMR越大。測試電路如圖3-19（d）、（e）所示。接通電源且輸入端接地，用示波器觀察輸出電壓波形有無振蕩，若振蕩，則消振。調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使輸出電壓為零。輸入端加入指定頻率下的電壓Uicm,用毫伏表測量Uicm與U0,并計(jì)算共模抑制比。按圖3-19（d）接線，先測量差模放大倍Ad0,由于R1=R3=51,R2=R4=5.1K,所以可得

Ad0-按圖3-19（e）接線，測量共模放大倍數(shù)AC0=于是KCMR==把數(shù)據(jù)紀(jì)錄在表3-2中。Uicm頻率f=

測量值

Uicm

U0計(jì)

算

值A(chǔ)d0

AC0

KCMR

2.集成運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用（模擬運(yùn)算電路）集成運(yùn)算放大器是一種具有高電壓放大倍數(shù)的直接耦合多級放大電路。當(dāng)外部接入不同的線性或非線性元器件組成輸入和負(fù)反饋電路時(shí)，可以使輸出和輸入之間具有某種特定的函數(shù)關(guān)系。在線性應(yīng)用方面，可組成比例、加法、減法、積分、微分等模擬運(yùn)算電路。實(shí)際進(jìn)行測試模擬運(yùn)算電路

1)電路原理集成運(yùn)算放大電路組成的模擬運(yùn)算電路如圖3-20所示。

2)測試模擬運(yùn)算電路①同相比例運(yùn)算電路圖3-20（a）是同相比例運(yùn)算電路，它的輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為：

U0=且Auf=1+平衡電阻R2的大小為R2=R1//RF

按圖3-20（a）組裝并接線，接通電源，輸入端對地短路，進(jìn)行調(diào)零和消振。輸入f=100HZ,Ui=0.5V的正弦交流信號，測量相應(yīng)的U0,并用示波器觀察U0和Ui的相位關(guān)系，將結(jié)果計(jì)入表3-3中。

Ui=0.5V,f=100HZ

表3-3同相比例運(yùn)算電路項(xiàng)

目UiU0

Au波

形

圖

測

量

值

(V)測量值計(jì)算值

Ui的波形

U0的波形

積分運(yùn)算比例運(yùn)算加法運(yùn)算減法運(yùn)算圖3-20集成運(yùn)算放大電路組成的模擬運(yùn)算電路

Ui1(V)

Ui2(V)

U0(V)

②加法運(yùn)算電路如果在反相輸入端增加多個(gè)輸入電路，則可以構(gòu)成反相加法運(yùn)算電路。按圖3-1-20（b）所示電路組裝并接線，調(diào)零和消振。當(dāng)輸入A、B同時(shí)加入信號電壓Ui1.Ui2時(shí)，則有

U0=-

兩個(gè)輸入電壓之間互有影響，要反復(fù)調(diào)節(jié)，避免進(jìn)入運(yùn)放的飽和區(qū)。所以必須適當(dāng)調(diào)節(jié)信號幅度和極性，以確保集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，用數(shù)字電壓表測量相對應(yīng)的輸入電壓Ui1.Ui2及輸出電壓U0，把數(shù)據(jù)計(jì)錄在表3-4中。表3-4加法運(yùn)算電路

Ui1(V)

Ui2(V)

U0(V)③減法運(yùn)算電路如果在運(yùn)放的兩個(gè)輸入端加上輸入信號，即可構(gòu)成減法運(yùn)算電路。按圖3-20（c）所示電路組裝并接線，接通電源，進(jìn)行調(diào)零和消振。當(dāng)輸入端A、B同時(shí)輸入信號電壓Ui1.Ui2時(shí)，由于R1=R2,Rf=R3,則有

U0=

測量要求與加法運(yùn)算電路相同，把測量結(jié)果填入表3-5中。

表3-5減法運(yùn)算電路T（s）

5

10

15

20

25

…

…

U0(V)

④積分運(yùn)算電路將反相輸入比例運(yùn)算電路的反饋電阻Rf用電容替換，則可以構(gòu)成積分運(yùn)算電路。按圖3-20（d）組裝并接線，輸入預(yù)先調(diào)好的-0.5V電壓，操作開關(guān)S0合向“1”，此時(shí)運(yùn)算放大器輸入為零。電容短接，為保證其上無電荷，U0=0。切換開關(guān)S0，并開始計(jì)時(shí)。每隔5s讀取一次輸出電壓值U0,計(jì)入表3-6中，直到輸出電壓U0無明顯增大為止。表3-6積分運(yùn)算電路

3.集成運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用(波形運(yùn)算電路)1.方波發(fā)生器在反相輸入端遲滯比較器電路中，增加一條由RfCf積分電路組成的負(fù)反饋支路，構(gòu)成一個(gè)簡單的方波發(fā)生器。如圖3-21（a）所示。其振蕩頻率為

f0=

電路的限流電阻R3和穩(wěn)壓管VS1和VS2組成雙向限幅電路。（a）方波發(fā)生器圖3-21集成運(yùn)算放大電路組成的波形運(yùn)算電路（b）三角波發(fā)生器

項(xiàng)

目U0的波形

R1/R2/幅值（V）頻率（HZ）RP的位置

中心最上端最下端

按圖3-21（a）接線，將電位器RP調(diào)至中心位置，用雙蹤示波器觀察并描繪方波U0的波形，測量其頻率及幅值，測量R1.R2的值。計(jì)入表3-7中。改變RP動點(diǎn)的位置，觀察U0的幅值及頻率變化情況。再把動點(diǎn)調(diào)至最上端和最下端，測出頻率范圍，計(jì)入表3-7中。表3-7方波發(fā)生器

(2)三角波發(fā)生器如果把遲滯比較器首尾相接，組成如圖3-21（b）所示的正反饋電路，形成自激振蕩。比較器輸出方波，積分器輸出三角波。方波發(fā)生器由三角波觸發(fā)，積分器對方波發(fā)生器的輸出積分，形成一個(gè)閉環(huán)電路。其振蕩頻率為：

f0=在Rf上串聯(lián)一個(gè)電位器RP,調(diào)節(jié)RP，則可以調(diào)節(jié)電路的振蕩頻率。按圖3-21接線，接通電源。將電位器RP調(diào)至中心位置，用雙蹤示波器觀察并描繪波形，估算振蕩頻率，測量其幅值及頻率，測量RP的值。再改變RP，觀察振蕩波形、幅值及頻率變化情況。最后把RP的動點(diǎn)調(diào)至最上端和最下端，測出頻率范圍。把數(shù)據(jù)紀(jì)錄在自擬的表格中。

【學(xué)習(xí)小結(jié)】(1)集成運(yùn)算放大器是一種輸入電阻高、輸出電阻低、電壓放大倍數(shù)高的直接耦合放大電路，其內(nèi)部由差動式輸入級、中間級、互補(bǔ)對稱式輸出級及偏置電路組成。

(2)運(yùn)放的模擬運(yùn)算電路包括反相輸入比例運(yùn)算電路、同相輸入比例運(yùn)算電路、加法和減法運(yùn)算電路、積分和微分運(yùn)算電路等。

(3)信號處理電路包括有源濾波器、電壓比較器等。有源濾波器由無源濾波網(wǎng)絡(luò)和帶有深度負(fù)反饋的放大器組成，具有高輸入阻抗和良好的濾波特性等特點(diǎn)。電壓比較器是一種差動輸入的開環(huán)運(yùn)算放大器，對兩個(gè)輸入電壓進(jìn)行比較，輸出規(guī)定的高低電平。

(4)常用比較器類型：過零比較器、單限比較器、遲滯比較器等。

(5)非正弦波振蕩電路最常見的有：方波、三角波等發(fā)生電路。這些振蕩電路由三個(gè)部分組成：開關(guān)器件、反饋網(wǎng)絡(luò)、延遲環(huán)節(jié)。分析這類電路是否產(chǎn)生震蕩，通常的方法是先檢查電路組成，再分析工作過程，如假定比較器（其他開關(guān)器件）的輸出狀態(tài)，若經(jīng)過反饋和延遲環(huán)節(jié)后，能使比較器輸出電壓躍變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，則電路能夠振蕩?！咀晕以u估】1.簡述集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、電路組成、主要性能指標(biāo)、參數(shù)、種類及應(yīng)用。

2.簡述非正弦波發(fā)生器電路的組成與工作原理。

3.簡述電壓比較器電壓傳輸特性及工作原理。

4.判斷題：（1）運(yùn)算電路中一般均引入負(fù)反饋。（）（2）在運(yùn)算電路中，集成運(yùn)放的反相輸入端均接地。（）（3）凡是運(yùn)算電路都可利用“虛短”和“虛斷”的概念求解運(yùn)算關(guān)系（）（4）各種運(yùn)算電路的放大倍數(shù)均大于1。（）

5.分別選擇“反相”和“同相”填入下列空格中。（1）_比例運(yùn)算電路中集成運(yùn)放反相輸入端為虛地，而

比例運(yùn)算電路中集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電位等于輸入電壓。（2）_比例運(yùn)算電路的輸入電阻大，而

比例運(yùn)算電路的輸入電阻小。（3）

比例運(yùn)算電路的輸入電流等于零，而

比例運(yùn)算電路的輸入電流等于反饋電阻中的電流。（4）

比例運(yùn)算電路的比例系數(shù)大于1，而

比例運(yùn)算電路的比例系數(shù)小于零。任務(wù)3.2正弦波振蕩器的制作與測試【任務(wù)描述】

正弦波振蕩器是一種不需要外加輸入信號即能產(chǎn)生一定頻率和幅度的信號波形電路。在計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制、儀器儀表和通信等許多領(lǐng)域中，常常需要使用各種不同類型的振蕩器。掌握正弦波振蕩器的工作原理是電子工程技術(shù)人員的主要技能?！救蝿?wù)分析】①了解產(chǎn)生自激震蕩的條件；②了解正弦波振蕩器的組成和分類；③掌握RC正弦波振蕩器的工作原理與測試方法；④掌握LC正弦波振蕩器的工作原理與測試方法。【知識準(zhǔn)備】

波形發(fā)生電路包括正弦波振蕩電路和非正弦波振蕩電路。它們不需要外加輸入信號，能自己產(chǎn)生各種形狀的周期變化的波形，例如正弦波、矩形波、三角波等，這些電路廣泛應(yīng)用于廣播、通信、控制和測量等領(lǐng)域中。1.產(chǎn)生正弦波振蕩的條件在電子電路中，電路自己能產(chǎn)生一定幅度、一定頻率的正弦波的現(xiàn)象稱為自激振蕩。當(dāng)放大電路引入負(fù)反饋并滿足一定條件時(shí)，電路就會發(fā)生自激振蕩。正弦波振蕩電路的基本結(jié)構(gòu)如圖3-22所示，當(dāng)開關(guān)S合在位置“1”時(shí)，構(gòu)成無反饋放大器，凈輸入信號為ud=ui，在放大器有了一定的輸出以后，再將S合到位置“2”，并使uf=ui=ud，則電路形成正反饋，即用反饋信號代替輸入信號，使放大器在沒有輸入信號的情況下有了輸出信號，從而產(chǎn)生了振蕩。由于分析中個(gè)量均為正弦量，故用相量表示。根據(jù)放大電路的放大倍數(shù)則有：

A=

反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)為

由以上分析可知，放大電路產(chǎn)生自激振蕩的條件是，即

設(shè)可以得到振蕩電路的振蕩條件：(1)振幅平衡條件反饋電壓與凈輸入電壓大小相等：Uf=Ud,即(2)相位平衡條件反饋電壓與凈輸入電壓同相位，形成正反饋。用相位表示為：圖3-22正反饋產(chǎn)生自激振蕩2.RC正弦波振蕩電路常見的RC正弦波振蕩電路有橋式振蕩電路，該振蕩電路又稱文氏電橋正弦波振蕩電路，電路如圖3-23（a）所示，從圖中可以得到輸出電壓與輸入電壓之比若將RC串并聯(lián)電路作為振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)，則反饋系數(shù)為令

,有電路的幅頻特性F=電路圖幅頻特性相頻特性圖3-23RC串并聯(lián)電路網(wǎng)絡(luò)及其頻率特性電路的相頻特性arctg

對應(yīng)電路圖如同3-23(b)、（c）所示。當(dāng)或f=f0=時(shí)，F(xiàn)=1/3,達(dá)到幅頻特性曲線的最大值；相移為零，電路呈電阻性，輸出電壓與輸入電壓同相位。利用RC串并聯(lián)電路的選頻特性，可構(gòu)成RC振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)。3.LC振蕩電路常用的LC振蕩電路有變壓器反饋式、電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式。（1）變壓器反饋式振蕩電路如圖3-24所示為變壓器反饋式振蕩電路。振蕩電路的放大環(huán)節(jié)為三極管V，選頻網(wǎng)絡(luò)為接于放大管集電極回路中的LC并聯(lián)諧振回路，反饋是通過電感L1和L2之間的變壓器耦合來實(shí)現(xiàn)的。LC振蕩器是靠變壓器原、副線圈同名端的正確連接來滿足自激振蕩的相位條件的。只要相位條件滿足，很容易滿足振幅條件，即可產(chǎn)生震蕩。振蕩頻率為：

f0=

若電路在接通電源后沒有起振，應(yīng)檢查變壓器同名端連接是否正確。在相位條件滿足的情況下，若仍不起振，可將三極管換成較大的管子，或增大副線圈的匝數(shù)，還可以增加原、副線圈的耦合程度，都能解決不起振的問題。圖3-24變壓器反饋式LC正弦波振蕩器

（2）電感三點(diǎn)式振蕩電路如圖3-25示為電感三點(diǎn)式振蕩電路。由于振蕩頻率較高，對C1.C2及CE對交流信號可視作短路，從圖上可以看出，電感三點(diǎn)式振蕩器的三個(gè)組成部分為：電感L1.L2和電容C組成的LC并聯(lián)回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)。三極管V及其偏置電路作為放大環(huán)節(jié)；反饋電壓取自電感L2，則L2構(gòu)成正反饋環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)振蕩。振蕩頻率為：f0=

圖3-25電感三點(diǎn)式振蕩電路圖3-26電容三點(diǎn)式振蕩電路式中M為L1和L2之間的互感?？梢酝ㄟ^C來調(diào)節(jié)振蕩排頻率的大小。由于反饋電壓取自L2,而L2的電感對高次諧波非常敏感，引起輸出波形中有較大的諧波分量，輸出波形較差。（2）電容三點(diǎn)式振蕩電路如圖3-26所示為電容三點(diǎn)式振蕩電路。其中C1.C2及CE對交流信號可視作短路。電容C1.C2和電感L組成并聯(lián)諧振回路，起選頻作用，反饋電壓取自C2兩端。則C2構(gòu)成正反饋環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)振蕩。振蕩頻率為：

f0=

由于反饋電壓取自C2，諧波次數(shù)越高，C2對應(yīng)的容抗越小，輸出波形中諧波分量含量越低，輸出的波形較好。調(diào)節(jié)諧振頻率時(shí)，由于同時(shí)調(diào)節(jié)C1.C2不方便，通常在電感支路中串接電容C，通過調(diào)節(jié)電容C來調(diào)整工作頻率?！救蝿?wù)實(shí)施】實(shí)施地點(diǎn)：電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)訓(xùn)所需材料：①示波器②交流毫伏表③直流電壓表④頻率計(jì)⑤集成運(yùn)算放大器電路板⑥二極管⑦晶體三極管實(shí)施內(nèi)容與步驟（1）學(xué)員分組：4人左右一組，指定組長，工作始終各組人員盡量固定。（2）教師布置工作任務(wù)，學(xué)生了解工作內(nèi)容，明確工作目標(biāo)，制定實(shí)施方案。實(shí)際進(jìn)行正弦波振蕩器的組裝與測試。1.RC正弦波振蕩器的制作與測試(1)電路原理實(shí)際測試電路如圖3-27所示。圖3-27RC橋式電路電路由放大電路、反饋電路、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)組成。其中串聯(lián)的R和C、并聯(lián)的R和C各為一臂，故稱橋式。它們在RC正弦波振蕩器中即是反饋網(wǎng)絡(luò)又是選頻網(wǎng)絡(luò)。

R1.R2.RP及二極管等元件構(gòu)成負(fù)反饋和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)電位器RP可以改變負(fù)反饋深度，以滿足振蕩的振幅條件和改善波形，利用兩個(gè)反向二極管VD1.VD2正向電阻的非線性特性來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。電路的振蕩頻率為：

f0=

起振的幅值條件為

RF＞R1

式中RF=RP+R2+（R3//RD）,RD為二極管正向?qū)щ婋娮琛?/p>

(2)調(diào)整RC振蕩器調(diào)整反饋電阻RF（其實(shí)調(diào)整RP）,使電路起振，如不起振，則說明負(fù)反饋太強(qiáng)，應(yīng)適當(dāng)加大RF；若波形失真嚴(yán)重，則適當(dāng)減少RF,而要改變選頻網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)C或R，即可調(diào)節(jié)振蕩頻率。（改變C作頻率量程切換，R為量程內(nèi)的頻率細(xì)調(diào)）

(3)測試RC振蕩器的性能指標(biāo)按圖3-27連接電路，接通電源，輸出端接輸出波形。

①調(diào)節(jié)電位器RP,使輸出波形從無到有，從產(chǎn)生正弦波到出現(xiàn)失真。描繪輸出電壓U0的波形，紀(jì)錄臨界起振、正弦波輸出及失真情況下的RP的值，分析負(fù)反饋強(qiáng)弱對起振條件及輸出波形的影響。②調(diào)節(jié)電位器RP，使輸出波形最大且不失真，用交流毫伏表測量輸出電壓U0、反饋電壓U+和U-,分析研究振蕩的幅值條件。③用示波器測量振蕩頻率f0,然后在選頻網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)電阻上并聯(lián)同一阻值的電阻，觀察紀(jì)錄振蕩頻率的變化情況，并與理論值進(jìn)行比較。

2.LC正弦波振蕩器的制作與測試

LC正弦波振蕩電路與RC橋式正弦波振蕩電路的組成原則在本質(zhì)上是相同的，只是選頻網(wǎng)絡(luò)采用LC電路。在LC振蕩電路中，當(dāng)f=f0時(shí)，放大電路的放大倍數(shù)數(shù)值最大，而其余頻率的信號均被衰減到零；引入正反饋后，使反饋電壓作為放大電路的輸入電壓，以維持輸出電壓，從而形成正弦波振蕩。根據(jù)LC調(diào)諧回路的不同連接方式,LC正弦波振蕩器可分為變壓器反饋式、電感三點(diǎn)式、電容三點(diǎn)式三種。

1.電路原理實(shí)際測試電路如圖3-28所示。按圖3-28組裝和連接電路。電位器RP放值最大位置，振蕩電路的輸出端接示波器。圖3-28變壓器反饋式LC正弦波振蕩器

(2)實(shí)際進(jìn)行對LC正弦波振蕩器的調(diào)整和測試①靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)整

a.接通電源，調(diào)節(jié)電位器RP,使輸出端得到不失真的正弦波形，如不起振，改變L2的首末端位置，使之起振。測量此時(shí)的UE、UB及IC并測量正弦波的有效值U0計(jì)入表3-9中。

b.

調(diào)小RP，觀察輸出波形的變化。并測出UE、UB及IC的值，計(jì)入表3-9中。

c.調(diào)大RP使之振蕩波形剛剛消失，測量UE、UB及IC的值，計(jì)入表3-9中。根據(jù)以上三組數(shù)據(jù)，分析靜態(tài)工作點(diǎn)對電路起振、輸出波形幅度和失真的影響。②驗(yàn)證相位條件改變線圈L2的首、末端位置，觀察停振現(xiàn)象；恢復(fù)L2的正反饋接法，改變L1首、末端位置，觀察停振現(xiàn)象。③測量振蕩頻率調(diào)節(jié)RP使電路正常起振，同時(shí)用示波器和頻率計(jì)以下兩種情況的振蕩頻率f0,計(jì)入表3-10中。諧振回路電容：C=1000PFC=100PF④觀察諧振回路Q值對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響諧振回路兩端并入R=5.1K的電阻，觀察R并入電阻前后波形的變化情況。UB(V)UE(V)

IC(mA)UO(V)

UO的波形

RW居中

RW居小

RW居大

C(PF)

1000

100

f(KHZ)表3-9靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)整表3-10測量振蕩頻率【知識拓展】

石英晶體振蕩器簡介石英晶體振蕩器是用石英晶體諧振器來控制振蕩頻率的一種振蕩器，其頻率穩(wěn)定度隨采用的石英晶體諧振器、電路形式以及穩(wěn)頻措施的不同而不同。石英晶體諧振器，簡稱石英晶體，具有非常穩(wěn)定的固有頻率。對于振蕩頻率的穩(wěn)定性要求高的電路，應(yīng)選用石英晶體作選頻網(wǎng)絡(luò)。

1.石英晶體的特點(diǎn)石英晶體的化學(xué)成分是二氧化硅（SiO2），外形呈六角形晶體。將把二氧化硅（SiO2）結(jié)晶體按一定的方向切割成很薄的晶片，再將晶片兩個(gè)對應(yīng)的表面拋光和涂敷銀層，并作為兩個(gè)極引出管腳，加以封裝，就構(gòu)成石英晶體諧振器。其結(jié)構(gòu)示意圖和符號如圖3-29所示。結(jié)構(gòu)示意圖符號圖3-29石英晶體諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖及符號

1.壓電效應(yīng)和壓電振蕩在石英晶體兩個(gè)管腳加交變電場時(shí)，它將會產(chǎn)生一定頻率的機(jī)械變形，而這種機(jī)械變形引起的振動又會產(chǎn)生交變電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。一般情況下，無論是機(jī)械振動的振幅，還是交變電場的振幅都非常小。但是，當(dāng)交變電場的頻率為某一特定值時(shí)，振幅驟然增大，測試共振，稱為壓電振蕩。這一特定頻率就是石英晶體的故有頻率，也稱諧振頻率。

(2)石英晶體的等效電路和振蕩頻率

①等效電路石英晶體的等效電路如圖3-30（a）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，其值決定于晶片的幾何尺寸和電極面積。當(dāng)石英晶體發(fā)生諧振時(shí)，在外電路上可以產(chǎn)生很大的電流，這種情況與電路的諧振情況非常相似，因此，可以采用一組電路參數(shù)來模擬這種現(xiàn)象，其等效電路如圖3-30所示。一般石英晶體的參數(shù)范圍：R=10~150,L=0.01~10H,C1=0.005~0.1PF,C0=2~5PF。等效電路頻率特性圖3-30石英晶體的等效電路及其頻率特性②諧振頻率石英晶體有兩個(gè)諧振頻率fs和fp,一是當(dāng)?shù)刃щ娐分械腖、C、R支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振時(shí)，該支路呈電阻性，等效電阻為R，諧振頻率為：

fs=

二是石英晶體和靜態(tài)電容C0組成的并聯(lián)電路所決定的并聯(lián)諧振頻率fp。在諧振頻率下整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電抗等于R并聯(lián)C0的容抗，由于R?,故可以近似地認(rèn)為石英晶體也呈電阻性，等效電阻為R。當(dāng)f<fs時(shí)，C0和C電抗較大，石英晶體呈容性。當(dāng)f＞fs時(shí)，L、R、C支路呈感性，將與C0產(chǎn)生諧振，石英晶體又呈純電阻性，諧振頻率為：

fp==fs

由于C?C0,所以fsfp。（3）品質(zhì)因數(shù)根據(jù)品質(zhì)因數(shù)的表達(dá)式

Q

其Q值很高，可達(dá)104~106，這時(shí)普通的LC電路無法相比的。④石英晶體的電抗性石英晶體的頻率特性曲線如圖3-30（b）所示，由圖可知，當(dāng)f＞fp時(shí)，石英晶體呈容性；當(dāng)fs<f<fp時(shí)，石英晶體呈感性；并且C