模拟电子技术基础第6章 信号产生电路
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2
(2) RC串并联选频网络的相频特性为
fo 1 f arctg ( ) 3 fo f
6.2.3 RC桥式正弦波振荡电路分析 当串并联选频网络在f=f0时，Uf最大，相移φ=0o，因此， 采用同相放大器，就能满足相位平衡条件。 一、振荡频率计算
当R1=R2=R，C1=C2=C时，RC串并联 正弦波振荡电路 的振荡频率为
(2) 相位起振条件：反馈电压与输入电压同相，即
a f 2n
（n=0,1,2,3……）
2．起振稳幅过程 当振荡电路接通电源时，电路中就会产生微小的不规则 的噪声和电源刚接通时的冲击信号，它们包含从低频到甚高 频的各种频率的谐波成分，其中必有一种频率信号f0能满足相 位平衡条件。 若又满足∣A F∣ 1 的条件，则振荡电路起振。 起振后,振荡幅度迅速增大,放大器会进入非线性区,使信 号波形失真，为了保证产生不失真的正弦信号，电路中应设 置使放大倍数自动下降的环节，使放大倍数 ∣A∣下降，直 到∣ ∣＝1 ,振荡(幅度)进入稳定状态。 AF
6.3 LC正弦波振荡电路
要满足起振条件，则Rf＞2R3，故Rf ＞2×10kΩ=20kΩ，Rf 取大于20kΩ电阻。
图6.2.1所示RC文氏桥式振荡器正反馈网络起什么作用？ 由哪元器件组成？
稳幅措施 1.负温度系数热敏电阻稳幅 图6.2.1所示电路中的负反馈网路的反馈电阻Rf，应选用具 有负温度系数的热敏电阻。在起振瞬间，流过的Rf电流为零， 热敏电阻处于冷态，阻值较大，放大电路放大倍数Auf=1+Rf/R3 大，使振荡很快建立起来。随着输出电压幅度增大，流过的Rf 电流也增大，使Rf的温度升高，Rf阻值下降，Auf自动下降，最 终达到振幅平衡条件，使输出电压保持稳定。
3. 场效应管稳幅 电路如图6.2.5所示。图中1中的 R3 ，负反馈网络由 RP3 、 RDS 、 R3 组
成。 输出电压经二极管 VD1 整流和 R4 、 C4 滤波后，通过 R5 和
RP4 为场效应管提供与振荡振幅成比例的负栅压 UGS ，调整
稳幅措施 2. 二极管稳幅 如图 6.2.4 所示电路是利用二极管的非线性自动完成稳幅的。 在负反馈电路中，二极管VD1、VD2与R4并联，只要有信号输 出总有一个二极管导通，放大倍数为：
Af 1
(rd // R4 ) R f R3
式中，rd为二极管VD1、VD2导通时的动态电阻。
图6.2.4
RP4，使场效应管工作在变阻区，它的RDS成为受UGS控制的可 变电阻。
当振荡电路输出幅值增大，|UGS|也随之增大（即UGS变
负），管子的RDS增大，负反馈增强，放大倍数Au减小。
图6.2.5
利用场效应稳幅文氏振荡电路
RC串并联正弦波振荡电路具有电路简单，易于起振的优点， 适用于f0＜1MHz的场合。缺点是频率调节不方便，振荡频率不 高。
图6.0.1所示是一支普通的调频无线话筒，取出其内部的 电路板，如图6.0.2所示。
图6.0.1 无线话筒实物照片
图6.0.2 话筒内部电路板
6.1
正弦波振荡电路
正弦波振荡器（Sinusoidal oscillator）是一种不需外加激 励信号就能将直流能源转换成具有一定频率、一定幅度的正 弦波信号的电路。它在测量、通信、无线电技术、自动控制 和热加工、音频、视频设备等领域有着广泛的应用。
图6.2.1 RC文氏桥式振荡器 （a）电原理图 （b）等效电路
6.2.2 RC串并联网络的频率特性
1．频率特性分析 为了便于分析，将图6.2.1中的选频网络单独画在图6.2.2上。 图中R1=R2=R，C1=C2=C。 RC串联电路的阻抗为
1 1 jRC Z1 R1 jc1 jC
6.2.4 RC文氏桥式正弦波振荡电路应用示例 附录B中图B.2所示可燃气体报警器中的音频振荡器，是 由A3、RP2、R16、R15、C6、R14、C7、R13组成的RC桥式振荡器。 把数据代入（6.2.5）式可估算出该电路的振荡频率
1 1 f0 ＝ 3 9 Hz≈724Hz 2 3 . 14 10 10 22 10 2R14 C 6
RC并联电路的阻抗为
1 R2 jc 2 R Z2 1 1 jRC R2 jC 2
图6.2.2 RC串联联网络
图6.2.3 RC串并联网络的频率特性 (a)幅频特性 (b)相频特性
当输入端输入正弦波电压时，电路的输出电压为，电路的传 输函数（即振荡电路中的反馈系数）为
R Uf Z2 1 jRC F 1 jRc R Z Z 1 2 U0 jc 1 jRC
4．稳幅电路(Amblitude stability circuit) 使幅度稳定并改善 输出波形。常用的有两种稳幅措施，一种是利用振荡管特性的 非线性（截止或饱和）实现稳幅，称为内稳幅；另一种是利用 外加稳幅电路实现稳幅，称为外稳幅，这时，振荡管工作在线 性放大区。
二、振荡电路的分析方法 对于一个振荡电路，首先要判断它能否产生振荡。对于 能振荡的电路，其振荡频率可根据选频网络的参数进行计算。 为保证振荡电路的起振，必须根据起振条件来确定电路元器件 的参数。
振荡电路中为什么要引入正反馈？
6.1.2
振荡电路的起振与稳幅
1．起振条件
振荡的平衡条件是指振荡电路已进入振荡的稳定状态而 言的，为使电路接通直流电源后能自动起振，必须满足振幅 起振条件和相位起振条件：
U f U id ， (1)振幅起振条件：幅度上 即 ∣ A F∣ 1
在电路调试过程中，要注意电路起振条件。若电位器RP1 调整后的阻值为RP1，根据式(6.2.6)可知，当(RP1+R16)>2R12时， 即RP1>15kΩ时，电路才能起振。
1. 图6.2.1所示RC文氏桥式振荡电路要使振荡频率符合设计要 求，应调整什么元器件？ 2. RC文氏桥式振荡电路装接正确，不能起振，会是什么原因 引起的？要使电路起振应调整什么元器件？ 3.要使RC文氏桥式振荡电路稳定输出幅度并减小波形失真， 一般采取哪些措施？
1 fo 2RC
可见，改变R、C的参数值，就可调节振荡频率。为了同 时改变图6.2.1中的R1、R2值或C1、C2值，一般采用双联电位器 或双联电容器来实现。
二、 起振条件 当 f=f0、 F =| F |=1/3,根据起振条件|
A F |＞1，要求
图6.2.1所示Rf、R3构成电压串联负反馈电路的电压放大倍数
1 1 3 j (RC ) RC
令 0
1 RC
,ω
0
是电路的谐振角频率。则上式可改
写为
1 F f0 0 f 3 j( ) 3 j( ) 0 f0 f
1
(1) RC串并联选频网络的幅频特性
F F
Uf U0
1 f0 2 f 3 ( ) f0 f
6.1
正弦波振荡电路的基本概念
6.2
6.3
RC正弦波振荡电路
LC正弦波振荡电路
6.4
6.5
石英晶体振荡器
非正弦波发生器
1.掌握自激振荡电路的组成，振幅平衡条件、相位平衡条件， 会用起振条件判断电路能否起振。 2.了解RC串并联选频网络频率特性，理解文氏桥式正弦波振 荡电路组成、特点及其起振条件，会估算振荡频率。 3.了解LC并联回路的频率特性，理解变压器反馈式、电感三 点式、电容点式振荡电路组成、特点及其起振条件，会估算 振荡频率。 4.了解石英晶体结构和晶体压电效应原理，熟悉石英谐振器 电路符号和晶体振荡电路组成。 5.选学方波、矩形波、三角波、锯齿波发生器。
6.1.1
产生正弦波振荡的条件 其中A是放大 电路，F是反馈网 络。由图可知，产 生振荡的基本条件 是反馈信号与输入 信号大小相等、相 位相同。
U f FU 0
U 0 AU id
1．原理框图 正弦波振荡电路框图如图6.1.1所示。
图6.1.1 正弦波振荡电路的框图
当 U
f
Af=1+Rf/R3＞3。即Rf＞2R3就能顺利起振。
[例] 图6.2.1所示电路中，若R1=R2=100Ω，C1=C2=0.22µ F， R3=10kΩ，求振荡频率以及满足振荡条件的Rf的值。 解：由求振荡频率公式可得：
1 1 fo H Z 7.23 KH Z 6 2RC 2 3.14 100 0.22 10
1．电路组成
RC串并联正弦波振荡电路如图6.2.1 a所示。图中集成运放 A构成同相比例放大电路，反馈网络由RC串并联网络组成，因 它与Rf、R3构成电桥形式，如图6.2.1 b所示，故称文氏桥式RC 振荡电路(Wien bridge RC oscillator)。
2．振荡判断
由瞬时极性法可知，RC串并联网络构成正反馈电路，满足 相位平衡条件。Rf、R3将运放接成同相比例放大电路，即电压 串联负反馈电路，满足振幅平衡条件。
振荡电路的起振条件和平衡条件有什么不同？各适用 于电路的什么状态？
6.1.3 振荡电路的组成与分析方法 一、振荡电路的组成
正弦波振荡电路具有能自行起振且输出稳定的振荡信号的 特点，一般必须由以下几部分组成。 1．放大电路 具有信号放大作用，将电源的直流电能转换 成交变的振荡能量。 2．反馈网络 形成正反馈以满足振荡平衡条件。 3．选频网络(Frequency-selective nework) 选择某一频率f0的 信号满足振荡条件，形成单一频率的振荡。
利用二极管稳幅RC振荡电路
振荡电路刚起振时，输出电压较小，二极管正向偏置电压 小，二极管正向交流电阻较大，负反馈较弱，使| A F |大于3， 满足起振条件。当输出电压增大时，通过二极管的电流相应增 大，导致二极管动态电阻rd减小，负反馈增强，使| | 减小， A F 从而达到自动稳定输出幅度的目的。
U id 时，必有
AF 1
2．振荡平衡条件
F F f 则得 A F A a F f 1 设 A A a ，
得到振荡的两个条件：
(1) 振幅平衡条件（ Amplitude equilibrium condition） ∣A F∣=1称为振荡电路产生振荡时的振幅平衡条件，即放 大倍数与反馈系数乘积的模为1。它表示反馈信号与原输 入信号 的幅度相等。 (2) 相位平衡条件（Phase equilibrium condition） a f 2n (n=0,1,2,3…)称为振荡电路产生振荡时的 相位平衡条件，即放大电路的相移与反馈网络的相移之和 为2nπ，引入的反馈为正反馈，反馈端信号与输入端信号同 相。
判断电路能否产生振荡的步骤如下： (1) 检查电路的基本环节，一般振荡电路应具有放大电路、 反馈网络、选频网络和稳幅电路等环节，缺一不可。 (2)检查放大电路的静态工作是否合适。 (3) 检查电路是否引入正反馈，即是否满足相位平衡条件， 如不能满足，肯定不能产生振荡。 (4) 判断电路是否满足振幅起振条件,具体方法是：分别求解 电路 A 和 F ，然后判断∣ A F∣是否大于1。
信号产生电路是一种不需外加激励信号就能将直流能源 转换成具有一定频率、一定幅度的正弦波、非正弦波信号输 出的电路。它在测量、通信、无线电技术、自动控制和热加 工、音频、视频设备等领域有着广泛的应用。 调频无线话筒就是由LC振荡电路和调频电路组成的。调 频无线话筒可以将声音信号转换成高频率的无线电波发射出 去，距离可达数十米。它省去了电缆线，提高了使用灵活性， 广泛应用于会场、舞台、家庭等场合。
三、振荡电路主要性能指标 振荡电路主要性能指标有两方面：①输出信号幅度；② 输出信号频率。此外要求波形失真越小越好。
1.信号产生电路的作用是什么？
2.振荡电路主要由哪几部分组成？各起什么作用？
3.对振荡电路主要有哪些要求？
6.2 RC桥式正弦波振荡电路
6.2.1 文氏桥式RC正弦波振荡电路组成
(2) RC串并联选频网络的相频特性为
fo 1 f arctg ( ) 3 fo f
6.2.3 RC桥式正弦波振荡电路分析 当串并联选频网络在f=f0时，Uf最大，相移φ=0o，因此， 采用同相放大器，就能满足相位平衡条件。 一、振荡频率计算
当R1=R2=R，C1=C2=C时，RC串并联 正弦波振荡电路 的振荡频率为
(2) 相位起振条件：反馈电压与输入电压同相，即
a f 2n
（n=0,1,2,3……）
2．起振稳幅过程 当振荡电路接通电源时，电路中就会产生微小的不规则 的噪声和电源刚接通时的冲击信号，它们包含从低频到甚高 频的各种频率的谐波成分，其中必有一种频率信号f0能满足相 位平衡条件。 若又满足∣A F∣ 1 的条件，则振荡电路起振。 起振后,振荡幅度迅速增大,放大器会进入非线性区,使信 号波形失真，为了保证产生不失真的正弦信号，电路中应设 置使放大倍数自动下降的环节，使放大倍数 ∣A∣下降，直 到∣ ∣＝1 ,振荡(幅度)进入稳定状态。 AF
6.3 LC正弦波振荡电路
要满足起振条件，则Rf＞2R3，故Rf ＞2×10kΩ=20kΩ，Rf 取大于20kΩ电阻。
图6.2.1所示RC文氏桥式振荡器正反馈网络起什么作用？ 由哪元器件组成？
稳幅措施 1.负温度系数热敏电阻稳幅 图6.2.1所示电路中的负反馈网路的反馈电阻Rf，应选用具 有负温度系数的热敏电阻。在起振瞬间，流过的Rf电流为零， 热敏电阻处于冷态，阻值较大，放大电路放大倍数Auf=1+Rf/R3 大，使振荡很快建立起来。随着输出电压幅度增大，流过的Rf 电流也增大，使Rf的温度升高，Rf阻值下降，Auf自动下降，最 终达到振幅平衡条件，使输出电压保持稳定。
3. 场效应管稳幅 电路如图6.2.5所示。图中1中的 R3 ，负反馈网络由 RP3 、 RDS 、 R3 组
成。 输出电压经二极管 VD1 整流和 R4 、 C4 滤波后，通过 R5 和
RP4 为场效应管提供与振荡振幅成比例的负栅压 UGS ，调整
稳幅措施 2. 二极管稳幅 如图 6.2.4 所示电路是利用二极管的非线性自动完成稳幅的。 在负反馈电路中，二极管VD1、VD2与R4并联，只要有信号输 出总有一个二极管导通，放大倍数为：
Af 1
(rd // R4 ) R f R3
式中，rd为二极管VD1、VD2导通时的动态电阻。
图6.2.4
RP4，使场效应管工作在变阻区，它的RDS成为受UGS控制的可 变电阻。
当振荡电路输出幅值增大，|UGS|也随之增大（即UGS变
负），管子的RDS增大，负反馈增强，放大倍数Au减小。
图6.2.5
利用场效应稳幅文氏振荡电路
RC串并联正弦波振荡电路具有电路简单，易于起振的优点， 适用于f0＜1MHz的场合。缺点是频率调节不方便，振荡频率不 高。
图6.0.1所示是一支普通的调频无线话筒，取出其内部的 电路板，如图6.0.2所示。
图6.0.1 无线话筒实物照片
图6.0.2 话筒内部电路板
6.1
正弦波振荡电路
正弦波振荡器（Sinusoidal oscillator）是一种不需外加激 励信号就能将直流能源转换成具有一定频率、一定幅度的正 弦波信号的电路。它在测量、通信、无线电技术、自动控制 和热加工、音频、视频设备等领域有着广泛的应用。
图6.2.1 RC文氏桥式振荡器 （a）电原理图 （b）等效电路
6.2.2 RC串并联网络的频率特性
1．频率特性分析 为了便于分析，将图6.2.1中的选频网络单独画在图6.2.2上。 图中R1=R2=R，C1=C2=C。 RC串联电路的阻抗为
1 1 jRC Z1 R1 jc1 jC
6.2.4 RC文氏桥式正弦波振荡电路应用示例 附录B中图B.2所示可燃气体报警器中的音频振荡器，是 由A3、RP2、R16、R15、C6、R14、C7、R13组成的RC桥式振荡器。 把数据代入（6.2.5）式可估算出该电路的振荡频率
1 1 f0 ＝ 3 9 Hz≈724Hz 2 3 . 14 10 10 22 10 2R14 C 6
RC并联电路的阻抗为
1 R2 jc 2 R Z2 1 1 jRC R2 jC 2
图6.2.2 RC串联联网络
图6.2.3 RC串并联网络的频率特性 (a)幅频特性 (b)相频特性
当输入端输入正弦波电压时，电路的输出电压为，电路的传 输函数（即振荡电路中的反馈系数）为
R Uf Z2 1 jRC F 1 jRc R Z Z 1 2 U0 jc 1 jRC
4．稳幅电路(Amblitude stability circuit) 使幅度稳定并改善 输出波形。常用的有两种稳幅措施，一种是利用振荡管特性的 非线性（截止或饱和）实现稳幅，称为内稳幅；另一种是利用 外加稳幅电路实现稳幅，称为外稳幅，这时，振荡管工作在线 性放大区。
二、振荡电路的分析方法 对于一个振荡电路，首先要判断它能否产生振荡。对于 能振荡的电路，其振荡频率可根据选频网络的参数进行计算。 为保证振荡电路的起振，必须根据起振条件来确定电路元器件 的参数。
振荡电路中为什么要引入正反馈？
6.1.2
振荡电路的起振与稳幅
1．起振条件
振荡的平衡条件是指振荡电路已进入振荡的稳定状态而 言的，为使电路接通直流电源后能自动起振，必须满足振幅 起振条件和相位起振条件：
U f U id ， (1)振幅起振条件：幅度上 即 ∣ A F∣ 1
在电路调试过程中，要注意电路起振条件。若电位器RP1 调整后的阻值为RP1，根据式(6.2.6)可知，当(RP1+R16)>2R12时， 即RP1>15kΩ时，电路才能起振。
1. 图6.2.1所示RC文氏桥式振荡电路要使振荡频率符合设计要 求，应调整什么元器件？ 2. RC文氏桥式振荡电路装接正确，不能起振，会是什么原因 引起的？要使电路起振应调整什么元器件？ 3.要使RC文氏桥式振荡电路稳定输出幅度并减小波形失真， 一般采取哪些措施？
1 fo 2RC
可见，改变R、C的参数值，就可调节振荡频率。为了同 时改变图6.2.1中的R1、R2值或C1、C2值，一般采用双联电位器 或双联电容器来实现。
二、 起振条件 当 f=f0、 F =| F |=1/3,根据起振条件|
A F |＞1，要求
图6.2.1所示Rf、R3构成电压串联负反馈电路的电压放大倍数
1 1 3 j (RC ) RC
令 0
1 RC
,ω
0
是电路的谐振角频率。则上式可改
写为
1 F f0 0 f 3 j( ) 3 j( ) 0 f0 f
1
(1) RC串并联选频网络的幅频特性
F F
Uf U0
1 f0 2 f 3 ( ) f0 f
6.1
正弦波振荡电路的基本概念
6.2
6.3
RC正弦波振荡电路
LC正弦波振荡电路
6.4
6.5
石英晶体振荡器
非正弦波发生器
1.掌握自激振荡电路的组成，振幅平衡条件、相位平衡条件， 会用起振条件判断电路能否起振。 2.了解RC串并联选频网络频率特性，理解文氏桥式正弦波振 荡电路组成、特点及其起振条件，会估算振荡频率。 3.了解LC并联回路的频率特性，理解变压器反馈式、电感三 点式、电容点式振荡电路组成、特点及其起振条件，会估算 振荡频率。 4.了解石英晶体结构和晶体压电效应原理，熟悉石英谐振器 电路符号和晶体振荡电路组成。 5.选学方波、矩形波、三角波、锯齿波发生器。
6.1.1
产生正弦波振荡的条件 其中A是放大 电路，F是反馈网 络。由图可知，产 生振荡的基本条件 是反馈信号与输入 信号大小相等、相 位相同。
U f FU 0
U 0 AU id
1．原理框图 正弦波振荡电路框图如图6.1.1所示。
图6.1.1 正弦波振荡电路的框图
当 U
f
Af=1+Rf/R3＞3。即Rf＞2R3就能顺利起振。
[例] 图6.2.1所示电路中，若R1=R2=100Ω，C1=C2=0.22µ F， R3=10kΩ，求振荡频率以及满足振荡条件的Rf的值。 解：由求振荡频率公式可得：
1 1 fo H Z 7.23 KH Z 6 2RC 2 3.14 100 0.22 10
1．电路组成
RC串并联正弦波振荡电路如图6.2.1 a所示。图中集成运放 A构成同相比例放大电路，反馈网络由RC串并联网络组成，因 它与Rf、R3构成电桥形式，如图6.2.1 b所示，故称文氏桥式RC 振荡电路(Wien bridge RC oscillator)。
2．振荡判断
由瞬时极性法可知，RC串并联网络构成正反馈电路，满足 相位平衡条件。Rf、R3将运放接成同相比例放大电路，即电压 串联负反馈电路，满足振幅平衡条件。
振荡电路的起振条件和平衡条件有什么不同？各适用 于电路的什么状态？
6.1.3 振荡电路的组成与分析方法 一、振荡电路的组成
正弦波振荡电路具有能自行起振且输出稳定的振荡信号的 特点，一般必须由以下几部分组成。 1．放大电路 具有信号放大作用，将电源的直流电能转换 成交变的振荡能量。 2．反馈网络 形成正反馈以满足振荡平衡条件。 3．选频网络(Frequency-selective nework) 选择某一频率f0的 信号满足振荡条件，形成单一频率的振荡。
利用二极管稳幅RC振荡电路
振荡电路刚起振时，输出电压较小，二极管正向偏置电压 小，二极管正向交流电阻较大，负反馈较弱，使| A F |大于3， 满足起振条件。当输出电压增大时，通过二极管的电流相应增 大，导致二极管动态电阻rd减小，负反馈增强，使| | 减小， A F 从而达到自动稳定输出幅度的目的。
U id 时，必有
AF 1
2．振荡平衡条件
F F f 则得 A F A a F f 1 设 A A a ，
得到振荡的两个条件：
(1) 振幅平衡条件（ Amplitude equilibrium condition） ∣A F∣=1称为振荡电路产生振荡时的振幅平衡条件，即放 大倍数与反馈系数乘积的模为1。它表示反馈信号与原输 入信号 的幅度相等。 (2) 相位平衡条件（Phase equilibrium condition） a f 2n (n=0,1,2,3…)称为振荡电路产生振荡时的 相位平衡条件，即放大电路的相移与反馈网络的相移之和 为2nπ，引入的反馈为正反馈，反馈端信号与输入端信号同 相。
判断电路能否产生振荡的步骤如下： (1) 检查电路的基本环节，一般振荡电路应具有放大电路、 反馈网络、选频网络和稳幅电路等环节，缺一不可。 (2)检查放大电路的静态工作是否合适。 (3) 检查电路是否引入正反馈，即是否满足相位平衡条件， 如不能满足，肯定不能产生振荡。 (4) 判断电路是否满足振幅起振条件,具体方法是：分别求解 电路 A 和 F ，然后判断∣ A F∣是否大于1。
信号产生电路是一种不需外加激励信号就能将直流能源 转换成具有一定频率、一定幅度的正弦波、非正弦波信号输 出的电路。它在测量、通信、无线电技术、自动控制和热加 工、音频、视频设备等领域有着广泛的应用。 调频无线话筒就是由LC振荡电路和调频电路组成的。调 频无线话筒可以将声音信号转换成高频率的无线电波发射出 去，距离可达数十米。它省去了电缆线，提高了使用灵活性， 广泛应用于会场、舞台、家庭等场合。
三、振荡电路主要性能指标 振荡电路主要性能指标有两方面：①输出信号幅度；② 输出信号频率。此外要求波形失真越小越好。
1.信号产生电路的作用是什么？
2.振荡电路主要由哪几部分组成？各起什么作用？
3.对振荡电路主要有哪些要求？
6.2 RC桥式正弦波振荡电路
6.2.1 文氏桥式RC正弦波振荡电路组成