信號(hào)發(fā)生電路模塊五217課題一RC橋式振蕩電路的仿真、安裝與檢測(cè)課題二電容三點(diǎn)式振蕩電路的安裝與檢測(cè)課題三石英晶體振蕩電路的安裝與檢測(cè)課題四占空比可調(diào)矩形波發(fā)生電路的仿真分析218課題一RC橋式振蕩電路的仿真、安裝與檢測(cè)219學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握正弦波振蕩電路的基本組成和產(chǎn)生自激振蕩的條件。2.掌握RC橋式振蕩電路的組成和工作原理，能正確判斷電路能否產(chǎn)生振蕩。3.能完成RC橋式振蕩電路的安裝與檢測(cè)。4.能使用雙蹤示波器觀(guān)測(cè)振蕩波形，使用數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量振蕩頻率。220任務(wù)引入RC橋式振蕩電路是由于電路中采用了電橋的連接方式而得名的。許多低頻信號(hào)發(fā)生器都是采用的RC橋式振蕩電路。本任務(wù)的內(nèi)容就是完成RC橋式振蕩電路的仿真、安裝與檢測(cè)。221一、正弦波振蕩電路的基本組成能產(chǎn)生正弦波信號(hào)的振蕩電路稱(chēng)為正弦波振蕩電路。如圖所示為正弦波振蕩電路的組成框圖。222

正弦波振蕩電路的組成框圖相關(guān)知識(shí)當(dāng)開(kāi)關(guān)S接

“1”

時(shí)，輸入信號(hào)

ui

經(jīng)基本放大電路放大，在輸出端得到一個(gè)較大的輸出信號(hào)

uo

。這時(shí)如果將開(kāi)關(guān)S瞬間接

“2”，從輸出端引入正反饋信號(hào)

uf，并使

uf

與原輸入信號(hào)

ui

大小相等、相位相同，則整個(gè)電路在去掉輸入信號(hào)

ui

的情況下，仍然可以依靠反饋信號(hào)

uf

而持續(xù)輸出穩(wěn)定的信號(hào)。由圖可以看出，正弦波振蕩電路由一個(gè)基本放大電路和一個(gè)正反饋電路（或稱(chēng)正反饋網(wǎng)絡(luò)）組成。但要產(chǎn)生單一頻率的正弦波，還必須有選頻電路（或稱(chēng)選頻網(wǎng)絡(luò)）。此外，還要有穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，以保證輸出信號(hào)的穩(wěn)定。對(duì)于分立元件組成的振蕩電路，常常依靠晶體管的非線(xiàn)性特性和引入負(fù)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅作用。223二、自激振蕩的條件1.幅度平衡條件根據(jù)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)大小相等的要求，設(shè)基本放大電路電壓放大倍數(shù)為

A，反饋系數(shù)為

F，則有

uf=AFui=ui，可得AF=1實(shí)際使用時(shí)，為了便于電路起振，一般取

AF≥1。2242.相位平衡條件根據(jù)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相位相同的要求，基本放大電路與反饋網(wǎng)絡(luò)的總相移必須等于2π的整數(shù)倍，即φA+φF=2nπ（n

為整數(shù)）這樣引入的反饋才是正反饋。振蕩電路只有同時(shí)滿(mǎn)足幅度平衡條件和相位平衡條件才有可能起振。225三、分立元件組成的RC橋式振蕩電路分立元件組成的RC橋式振蕩電路如圖所示，其中VT1和VT2組成兩級(jí)共射極放大電路，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)既是正反饋網(wǎng)絡(luò)又是選頻網(wǎng)絡(luò)，RP、Rf

、R5引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，起穩(wěn)幅作用。226分立元件組成的RC橋式振蕩電路1.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻作用在RC橋式振蕩電路中，一個(gè)正反饋支路和一個(gè)負(fù)反饋支路恰好形成電橋的4個(gè)橋臂，如圖所示，RC橋式振蕩電路的名稱(chēng)即由此而來(lái)。227RC橋式振蕩電路RC橋式振蕩電路中的RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的選頻網(wǎng)絡(luò)，其等效電路如圖所示。228RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的等效電路如圖所示為RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率偏低或偏高時(shí)，輸出信號(hào)的幅度都要減小，輸出電壓的相移向接近+90°變化或向接近-90°變化。由于該頻率特性曲線(xiàn)是連續(xù)的，顯然，在中間必然存在某一頻率點(diǎn)

f0，在該頻率點(diǎn)上，輸出電壓幅度最大（uf/uo=1/3），相移為零。229RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性a）幅頻特性b）相頻特性2.電路工作原理電路輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)R1、C1和R2、C2組成的串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)反饋到輸入端，相移為零，形成正反饋，滿(mǎn)足相位平衡條件；同時(shí)，兩級(jí)放大電路也很容易滿(mǎn)足幅度平衡條件，所以電路很容易起振。電路的振蕩頻率取決于選頻網(wǎng)絡(luò)中R1、C1和R2、C2的數(shù)值。當(dāng)R1=R2=R、C1=C2=C

時(shí)，電路的振蕩頻率為2303.穩(wěn)幅環(huán)節(jié)電路中RP、Rf

、R5構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋，不僅可以降低放大電路的放大倍數(shù)，提高放大電路的穩(wěn)定性，還能提高輸入電阻，降低輸出電阻，并起到穩(wěn)幅的作用。但必須注意，若負(fù)反饋量過(guò)大，會(huì)使電路停振；反之，若負(fù)反饋量過(guò)小，輸出信號(hào)幅度過(guò)大，則容易引起波形失真。231課題二電容三點(diǎn)式振蕩電路的安裝與檢測(cè)232學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解LC并聯(lián)電路的選頻特性。2.掌握LC正弦波振蕩電路的組成和工作原理，能判斷電路能否產(chǎn)生振蕩。3.能完成電容三點(diǎn)式振蕩電路的安裝和檢測(cè)。4.能使用雙蹤示波器觀(guān)測(cè)振蕩波形，使用數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量振蕩頻率。233任務(wù)引入RC橋式振蕩電路適用于產(chǎn)生幾百赫茲以下的正弦波信號(hào)，如果需要更高的振蕩頻率，可采用LC正弦波振蕩電路。常用的LC正弦波振蕩電路有變壓器反饋式、電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式三種，它們的共同特點(diǎn)是都用LC并聯(lián)電路作為選頻網(wǎng)絡(luò)。本次任務(wù)將完成電容三點(diǎn)式振蕩電路的安裝與檢測(cè)，了解LC正弦波振蕩電路的組成和工作原理。234一、LC并聯(lián)電路的選頻特性L(fǎng)C并聯(lián)電路如圖所示，其中R是電感線(xiàn)圈L的等效損耗電阻。如圖a、如圖b所示分別為L(zhǎng)C并聯(lián)電路的阻抗頻率特性曲線(xiàn)和相位頻率特性曲線(xiàn)。235相關(guān)知識(shí)LC并聯(lián)電路LC并聯(lián)電路的選頻特性a）阻抗頻率特性曲線(xiàn)b）相位頻率特性曲線(xiàn)當(dāng)信號(hào)頻率

時(shí)，電路發(fā)生諧振，LC并聯(lián)電路呈純阻性，等效阻抗值達(dá)到最大，附加相移

φ0=0。當(dāng)

f<f0

時(shí)，φ>0，電路呈電感性；當(dāng)

f>f0

時(shí)，φ<0，電路呈電容性。而且這兩種情況下，LC并聯(lián)電路的等效阻抗值都將減小。由于LC并聯(lián)電路具有選頻特性，因此，可以利用LC并聯(lián)電路作為選頻網(wǎng)絡(luò)組成正弦波振蕩電路。236二、變壓器反饋式LC振蕩電路LC正弦波振蕩電路與RC正弦波振蕩電路的組成原則在本質(zhì)上是一致的，只不過(guò)選頻網(wǎng)絡(luò)采用的是LC并聯(lián)電路。如果利用一個(gè)變壓器與LC選頻網(wǎng)絡(luò)耦合，將反饋信號(hào)送到放大電路的輸入端，這樣組成的振蕩電路稱(chēng)為變壓器反饋式LC振蕩電路。2371.共射極變壓器反饋式LC振蕩電路電路如圖所示。238共射極變壓器反饋式LC振蕩電路假設(shè)三極管輸入信號(hào)瞬時(shí)極性為“”，由于LC回路諧振時(shí)為純阻性，因此，三極管集電極瞬時(shí)極性為“”，反饋線(xiàn)圈L1的同名端瞬時(shí)極性為“”，反饋信號(hào)送到輸入端，與輸入信號(hào)極性相同，滿(mǎn)足相位平衡條件。只要三極管的電流放大系數(shù)β

合適，L1與L的匝數(shù)比合適，即可滿(mǎn)足幅度平衡條件。該電路的振蕩頻率為共射極變壓器反饋式LC振蕩電路功率增益高，容易起振，但由于共射電流放大系數(shù)隨工作頻率的增高而急劇降低，所以當(dāng)改變頻率時(shí)振蕩幅度將隨之變化，因此該類(lèi)振蕩電路常用于固定頻率的振蕩器。2392.共基極變壓器反饋式LC振蕩電路電路如圖所示。240共基極變壓器反饋式LC振蕩電路仍用瞬時(shí)極性法判斷電路能否起振，但應(yīng)注意，對(duì)于共基極電路，反饋信號(hào)是加在發(fā)射極。假設(shè)發(fā)射極輸入信號(hào)瞬時(shí)極性為“”，則三極管集電極瞬時(shí)極性為“”，反饋線(xiàn)圈L的同名端瞬時(shí)極性為“”，引入正反饋，滿(mǎn)足相位平衡條件。正反饋量的大小可通過(guò)調(diào)節(jié)L的匝數(shù)或L與L′兩個(gè)線(xiàn)圈之間的距離來(lái)改變。共基極變壓器反饋式LC振蕩電路輸出波形較好，振蕩頻率調(diào)節(jié)方便，一般采用固定電感與可變電容配合調(diào)節(jié)。241三、三點(diǎn)式LC振蕩電路在變壓器反饋式LC振蕩電路中，由于反饋信號(hào)與輸出信號(hào)靠磁路耦合，因而損耗較大。為了克服這一缺點(diǎn)，加強(qiáng)諧振效果，可采用直接從LC選頻網(wǎng)絡(luò)引出反饋信號(hào)的三點(diǎn)式振蕩電路。三點(diǎn)式LC振蕩電路分電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式兩種。它們的共同點(diǎn)是，在交流通路中LC諧振回路的三個(gè)引出端分別與三極管的三個(gè)極相連。其與發(fā)射極相連的為兩個(gè)相同性質(zhì)電抗，與基極相連的為兩個(gè)相反性質(zhì)電抗。這一接法俗稱(chēng)“射同基反”，凡是按這一法則連接的三點(diǎn)式振蕩電路，必定滿(mǎn)足相位平衡條件，否則不可能起振。2421.電感三點(diǎn)式振蕩電路如圖所示為電感三點(diǎn)式振蕩電路。由圖可見(jiàn)，電路接法符合“射同基反”法則。243電感三點(diǎn)式振蕩電路a）分立元件組成的電路b）交流等效電路LC諧振回路接在三極管的基極和集電極之間，諧振時(shí)LC回路呈純阻性。設(shè)基極瞬時(shí)極性為“”，則集電極瞬時(shí)極性為“”，反饋信號(hào)瞬時(shí)極性為“”，形成正反饋，滿(mǎn)足相位平衡條件。改變線(xiàn)圈抽頭位置，可調(diào)節(jié)正反饋量的大小，從而可調(diào)節(jié)輸出幅度。該電路振蕩頻率為

式中，M為L(zhǎng)1和L2之間的互感系數(shù)。由于L1和L2之間耦合很緊，故電路容易起振，輸出幅度較大。諧振電容通常采用可變電容器，以便于調(diào)節(jié)振蕩頻率，工作頻率可達(dá)幾十兆赫茲。但因反饋電壓取自電感，輸出信號(hào)中含有較多高次諧波，波形較差，常用于對(duì)波形要求不高的振蕩器中。2442.電容三點(diǎn)式振蕩電路如圖所示為電容三點(diǎn)式振蕩電路。其工作原理分析與電感三點(diǎn)式振蕩電路相似，振蕩頻率為245

電容三點(diǎn)式振蕩電路a）分立元件組成的電路b）交流等效電路c）集成運(yùn)放組成的電路由于C1和C2的電容量可以取得較小，所以振蕩頻率可以很高，一般在100MHz以上。又由于反饋信號(hào)取自電容器，所以反饋信號(hào)中含高次諧波少，輸出波形較好。其缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)頻率不便，因?yàn)殡娙萘康拇笮〖扔绊懻袷庮l率，又影響反饋量，即影響起振條件，調(diào)節(jié)電容量有可能造成停振。此外，當(dāng)振蕩頻率較高時(shí)，三極管的極間電容將成為C1、C2的一部分。由于三極管的極間電容會(huì)隨著溫度等因素變化，所以影響了振蕩頻率的穩(wěn)定性。2463.改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路為了減小三極管極間電容的影響，提高電容三點(diǎn)式振蕩電路的頻率穩(wěn)定性，常采用如圖所示的改進(jìn)電路。247

改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路a）原理電路b）交流等效電路該電路的振蕩頻率為由于

C3

遠(yuǎn)小于

C1

和

C2，因此上式可寫(xiě)成這時(shí)振蕩頻率僅由電容器C3決定，與三極管的極間電容無(wú)關(guān)，頻率穩(wěn)定性提高，缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)C3時(shí)，輸出信號(hào)幅度會(huì)隨著頻率的增大而降低。248課題三石英晶體振蕩電路的安裝與檢測(cè)249學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解石英晶體的諧振特性。2.掌握石英晶體振蕩電路的組成和工作原理，能判斷電路能否起振。3.能完成石英晶體振蕩電路的安裝和檢測(cè)。4.能使用雙蹤示波器觀(guān)測(cè)振蕩波形，使用數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量振蕩頻率。250任務(wù)引入振蕩電路的振蕩頻率穩(wěn)定度是由選頻網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)決定的。由于環(huán)境溫度變化、電源電壓波動(dòng)或元器件老化等因素的影響，會(huì)導(dǎo)致選頻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)發(fā)生變化，造成頻率穩(wěn)定度下降。采用石英晶體諧振器組成的振蕩電路可以產(chǎn)生高精度和高穩(wěn)定度的正弦波信號(hào)，常用于標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器、脈沖計(jì)數(shù)器、計(jì)算機(jī)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器等。本任務(wù)的內(nèi)容就是完成一個(gè)由石英晶體諧振器組成的振蕩電路的安裝與檢測(cè)。251一、石英晶體諧振器的特性石英晶體諧振器簡(jiǎn)稱(chēng)晶振。它是將天然的石英晶體按一定方向切割成很薄的晶片，再將晶片的兩個(gè)相對(duì)表面拋光、鍍銀，并引出兩個(gè)電極，封裝而成。其結(jié)構(gòu)、圖形符號(hào)與外形如圖所示。252

石英晶體諧振器a）結(jié)構(gòu)b）圖形符號(hào)c）外形相關(guān)知識(shí)1.壓電效應(yīng)和壓電諧振當(dāng)在石英晶體諧振器兩極間加上交變電場(chǎng)時(shí)，晶片將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)頻率的機(jī)械變形；反之，當(dāng)施加機(jī)械力使晶片產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)時(shí)，石英晶體諧振器兩極間也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的交變電場(chǎng)，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。一般情況下，無(wú)論是機(jī)械振動(dòng)還是交變電場(chǎng)，其振幅都很小。但是當(dāng)外加交變電場(chǎng)的頻率與石英晶體的固有頻率相等時(shí)，振幅會(huì)驟然增大，這就是石英晶體的壓電諧振。產(chǎn)生壓電諧振時(shí)的頻率稱(chēng)為石英晶體的諧振頻率。2532.等效電路和振蕩頻振石英晶體諧振器的等效電路如圖a所示。254石英晶體諧振器的等效電路和頻率特性a）石英晶體諧振器等效電路b）石英晶體諧振器頻率特性分析石英晶體諧振器的等效電路可知，它有兩個(gè)諧振頻率。（1）當(dāng)RLC支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，等效為純電阻R，阻抗最小，串聯(lián)諧振頻率為（2）當(dāng)外加信號(hào)頻率高于

fs

時(shí)，RLC支路呈電感性，與C0

支路發(fā)生并聯(lián)諧振，并聯(lián)諧振頻率為由于

C?C0，因此，fs

和

fp

非常接近。石英晶體諧振器的頻率特性如上圖b所示。石英晶體諧振器在頻率為

fs

時(shí)呈純阻性，在

fs和fp

之間呈電感性，在此區(qū)域之外均呈電容性。255二、石英晶體振蕩電路1.并聯(lián)型石英晶體振蕩電路如果用石英晶體諧振器取代電容三點(diǎn)式振蕩電路中的電感，就得到并聯(lián)型石英晶體振蕩電路，如圖a所示。如圖b所示為它的交流等效電路。256并聯(lián)型石英晶體振蕩電路a）原理電路b）交流等效電路2.串聯(lián)型石英晶體振蕩電路如圖所示為串聯(lián)型石英晶體振蕩電路。257串聯(lián)型石英晶體振蕩電路石英晶體諧振器接在由三極管構(gòu)成的兩個(gè)放大電路之間，構(gòu)成正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)。只有在石英晶體諧振器呈純阻性，即發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，電路才滿(mǎn)足相位平衡條件。所以，電路的諧振頻率即石英晶體諧振器的串聯(lián)諧振頻率。適當(dāng)調(diào)節(jié)RP可控制反饋量的大小，使電路既滿(mǎn)足幅度平衡條件，又不致因反饋過(guò)強(qiáng)而使輸出波形失真。258課題四占空比可調(diào)矩形波發(fā)生電路的仿真分析259學(xué)習(xí)目標(biāo)1.熟悉方波發(fā)生電路、三角波發(fā)生電路的組成和工作原理。2.了解鋸齒波發(fā)生電路的組成和工作原理。3.能使用Multisim軟件分析占空比可調(diào)矩形波發(fā)生電路。260任務(wù)引入除了正弦波外，非正弦波的應(yīng)用也很廣泛。例如，計(jì)算機(jī)中使用的方波信號(hào)、電視機(jī)偏轉(zhuǎn)線(xiàn)圈中的鋸齒波信號(hào)、晶體管特性圖示儀中的階梯信號(hào)等。矩形波發(fā)生電路是其他非正弦波發(fā)生電路的基礎(chǔ)，本次任務(wù)主要采用仿真實(shí)驗(yàn)，觀(guān)察矩形波發(fā)生電路的波形特點(diǎn)。261一、方波發(fā)生電路方波發(fā)生電路如圖所示。電路由遲滯比較器和RC充放電回路兩部分組成，雙向穩(wěn)壓二極管對(duì)輸出電壓起穩(wěn)幅作用。262方波發(fā)生電路a）輸出端對(duì)電容器充電b）電容器向輸出端放電相關(guān)知識(shí)263方波發(fā)生電路c）電容器電壓

uC

波形及輸出電壓

uo

波形1.工作原理假設(shè)開(kāi)始時(shí)

uN=uC

=0，且

uo=UZ，則門(mén)限電壓為此時(shí)，uN<UP1，確保輸出電壓

uo=UZ

。uo

經(jīng)電阻Rf

對(duì)電容器C充電，使

uC

由零逐漸上升，當(dāng)

uC>UP1

時(shí)，輸出電壓

uo

發(fā)生翻轉(zhuǎn)，由

UZ

跳變?yōu)?/p>

-UZ，門(mén)限電壓隨之變?yōu)榇撕箅娐返妮敵鲭妷?/p>

uo=-UZ，對(duì)電容器C反向充電