第八章 信号发生器

第八章信号发生器知识点教学要求学时掌握理解了解正弦波信号发生器正弦波自激振荡的基本原理√正弦波信号发生器的分析方法√RC 型正弦波信号发生器√LC型正弦波信号发生器√石英晶体振荡器√非正弦波信号发生器非正弦波信号发生器的分析方法√方波、三角波和锯齿波发生器√压控振荡器√二、重点和难点本章的重点是：正弦波自激振荡的基本原理，正弦波信号发生器的组成、起振、稳幅原理及振荡频率的计算，非正弦波信号发生器的组成及分析方法。

本章的难点是：正弦波自激振荡的基本原理，压控振荡电路的工作原理。

三、教学内容8.1 正弦波自激振荡的基本原理在放大电路中，为了改善电路性能，通常引入负反馈（中频区）。

当电路附加相移（高频区或低频区）改变了反馈信号的极性时，电路中的负反馈就会变成正反馈。

此时，若反馈环路增益满足一定条件，电路就会产生自激振荡。

这是有害的，应当消除。

在振荡电路中，人为地引入正反馈，并使反馈环路增益满足一定的条件，那么，电路在没有外部激励的情况下会产生输出信号，即产生自激振荡。

无论在放大电路还是在振荡电路中，自激振荡的本质是相同的。

即振荡时电路中的反馈一定是正反馈，并且反馈环路增益必须满足一定的条件。

1．产生正弦波自激振荡的条件产生正弦波自激振荡的平衡条件为：实质上，只要电路中的反馈是正反馈，相位平衡条件就一定满足，这是由电路结构决定的，而幅度平衡条件则由电路参数决定，当环路增益AF＝1时，电路产生等幅振荡；AF<1时电路产生减幅振荡；AF>1时，电路产生增幅振荡。

所以自激振荡的起振条件为：2．选频特性在振荡电路中，当放大电路或正反馈网络具有选频特性时，电路才能输出所需频率的正弦信号。

也就是说，在电路的选频特性作用下，只有频率为的正弦信号才能满足振荡条件。

3．稳幅措施如果振荡电路满足起振条件，在接通直流电源后，它的输出信号将随时间的推移逐渐增大。

当输出信号幅值达到一定程度后，放大环节的非线性器件接近甚至进入饱和或截止区，这时放大电路的增益A将会逐渐下降，直到满足幅度平衡条件AF＝1，输出信号将不会再增大，从而形成等幅振荡。

这就是利用放大电路中的非线性器件稳幅的原理。

由于放大电路进入非线性区后，信号幅度才能稳定，所以输出信号必然会产生非线性失真（削波）。

为了改善输出信号的非线性失真，常常在放大电路中设置非线性负反馈网络（如，热敏电阻、半导体二极管、钨丝灯泡等），使放大电路未进入非线性区时，电路满足幅度平衡条件（），维持等幅振荡输出。

这是一种比较好的稳幅措施。

4．正弦波信号发生器的电路组成正弦波信号发生器一般由放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅环节组成。

其中选频网络既可以包含在放大电路内，也可以包含在正反馈网络之中。

稳幅环节一般由放大电路中的非线性元件或增加非线性负反馈网络实现。

8.2 正弦波信号发生器正弦波信号发生器按照选频网络所用的元件可分为RC和LC型两种。

由RC串－并联选频网络构成的文氏电桥振荡器是正弦波信号发生器中常用的电路。

此外，还有RC移相式振荡电路和双T网络振荡电路。

LC型正弦波信号发生器常用LC谐振电路作选频网络。

变压器反馈式、电感三点式和电容三点式振荡电路是几种常用的LC型正弦波信号发生电路。

石英晶体振荡器的频率稳定度（数量级）比LC型振荡器的频率稳定度（数量级）高几个数量级。

实际应用中，如果对频率稳定性要求较高，可采用石英晶体振荡器。

石英晶体的选频特性类似与LC谐振电路。

1．正弦波信号发生器的分类根据选频网络的形式进行分类，分类见表8.1表8.1 正弦波信号发生器中常用的几种选频网络名称选频网络分类估算特点RC振荡电路RC网络RC串并联几赫兹~几百千赫兹RC移相式双T选频网络LC振荡电路LC网络变压器反馈式几十千赫兹以上电容三点式电感三点式石英晶体振荡电路石英晶体串联谐振时并联谐振时几十千赫兹以上，频率稳定度高2．正弦波信号发生器的分析方法（1）检查电路的组成检查电路是否同时具备放大、反馈、选频和稳幅环节。

（2）分析放大电路能否正常工作对分立元件电路，首先估计放大电路静态工作点是否合适，其次分析交流通路是否能正常传递信号。

对集成运放检查输入端是否有直流通路。

（3）分析电路自激振荡的条件对电路自激振荡条件的分析，首先使判断相位条件，其次使判断幅度条件。

（a）相位条件的判别相位条件的判别就是判别电路中的反馈是否是正反馈。

具体方法是从振荡电路的输出寻找反馈网络，在反馈网络的输出与基本放大电路的输入端处断开反馈环，在断开处给放大电路施加一假想的信号，用瞬时极性法判别反馈极性。

若反馈为正反馈，电路满足相位条件，有可能产生振荡，否则不会产生振荡。

判别相位条件时应注意一下两点。

①如果原电路比较复杂，可画出原电路的交流通路，在交流通路中用瞬时极性法判别反馈极性比较方便。

②判定选频网络的输出与输入相位关系时，应以时的相位关系为准。

例如，RC串并联选频网络在时的相移为零；LC选频网络谐振（）时，谐振回路呈阻性；并联型石英晶体振荡电路中，石英晶体呈感性，而串联型中石英晶体对的信号呈低阻（串联谐振）。

（b）幅度条件的判别幅度条件的判别的是计算环路增益AF的大小。

若AF<1不能振荡；AF ＝1能产生等幅振荡；AF>1产生增幅振荡（起振条件）。

环路增益AF的具体计算方法是在振荡频率时，根据电路的微变等效电路分别计算A和F的值。

对文氏电桥振荡器的AF计算要熟练掌握，而LC振荡器因AF计算相对比较复杂，本课程不作要求。

3．估算振荡频率振荡器的大小取决于选频网络的参数。

正弦波信号发生器中常用的几种选频网络及的估算如表8.1所列。

8.3 非正弦信号发生器1．非正弦信号发生器的组成非正弦信号发生器通常由电压比较电路、反馈网络、延迟环节或积分环节等组成。

2．几种常用的非正弦信号发生器常用的非正弦波信号发生器有方波、三角波和锯齿波。

在方波发生器中，当RC积分电路充电和放电时常数不相等时，高电平和低电平持续时间不相等，电路输出信号为矩形波。

在三角波发生器中，当积分电路充电和放电时间常数不等时，电路输出为锯齿波。

输出信号的频率受外加控制电压控制的振荡器称为压控振荡器。

3．非正弦信号发生器的分析方法（1）检查电路组成（2）分析振荡条件与正弦信号发生器相比，非正弦信号发生器的振荡条件比较简单，只要反馈信号能使比较电路状态发生变化，即能产生周期性的振荡。

具体分析方法如下：假定电路输出为高电平，看它经过正反馈和积分延时环节之后能否使比较电路输出跳变为高电平。

再假定电路输出为低电平，看它经过相同的环节之后能否使比较电路的输出又跳变为低电平。

如果两种情况都能出现，电路就能产生非正弦波振荡。

（3）估算振荡频率非正弦信号发生器的振荡频率取决于比较电路和RC积分电路（有源或无源）的参数，一般方法是通过找出比较电路翻转所需的时间来估算振荡周期或频率。

（4）估算输出幅值方波或矩形波的幅值取决于比较电路输出电压，当比较电路输出有稳压管时，输出电压幅值等于稳压管的稳定电压；否则输出电压幅值等于运算放大器的饱和值。

三角波或锯齿波输出电压的幅值取决于比较器的阀值电压。

方波、三角波发生器的主要指标如表8.2表8.2 方波、三角波发生器的主要振荡频率名称电路振荡频率幅值方波发生器方波、三角波发生器压控振荡器四、典型例题1正弦波振荡器例8-1 例8-2 例8-3 例8-42非正弦波振荡器例8-5 例8-6 例8-7 例8-83压控振荡器例8-94波形变换例8-10 例8-11 例8-12【例8-1】图(a)所示电路是没有画完整的正弦波振荡器。

（1）完成各节点的连接；（2）选择电阻的阻值；（3）计算电路的振荡频率；（4）若用热敏电阻（的特性如图(b)所示）代替反馈电阻，当（有效值）多大时该电路出现稳定的正弦波振荡？此时输出电压有多大？图(a)图(b)【相关知识】RC正弦波振荡器。

【解题思路】根据RC正弦波振荡器的组成和工作原理对题目分析、求解。

【解题过程】（1）在本题图中，当时，RC串—并联选频网络的相移为零，为了满足相位条件，放大器的相移也应为零，所以结点应与相连接；为了减少非线性失真，放大电路引入负反馈，结点应与相连接。

（2）为了满足电路自行起振的条件，由于正反馈网络（选频网络）的反馈系数等于1/3（时），所以电路放大倍数应大于等于3，即。

故应选则大于的电阻。

（3）电路的振荡频率（4）由图(b)可知，当，即当电路出现稳定的正弦波振荡时，，此时输出电压的有效值【例8-2】图(a)所示电路为RC移相式正弦波信号发生器，。

设集成运放的均具有理想的特性。

(1) 试分析电路的工作原理；图(a)（2）试求电路的振荡频率和起振条件。

【相关知识】反相比例器、电压跟随器、RC移相网络。

【解题思路】(1) 从相位和幅度条件分析电路的工作原理。

(2) 根据环路增益求电路的振荡频率和起振条件。

【解题过程】（1）图(a)所示RC移相式正弦波信号发生器由反相输入比例放大器（A1）、电压跟随器（A2）和三节RC移相网络组成。

放大电路（中频区）的相移，利用电压跟随器的阻抗变换作用减小放大电路输入电阻R1对RC移相网络的影响。

为了要满足相位平衡条件，要求反馈网络的相移。

由RC电路的频率响应可知，一节RC电路的最大相移不超过，两节RC电路的最大相移也不超过，当相移接近时，RC低通电路的频率会很高，而RC高通电路的频率也很低，此时输出电压已接近于零，又不能满足振荡电路的幅度平衡条件。

对于三节RC电路，其最大相移可接近，有可能在某一特定频率下使其相移为，即则有满足相位平衡条件，合理选取元器件参数，满足起振条件和幅度平衡条件，电路就会产生振荡。

(2) 由图(a)不难写出电路的放大倍数画出反馈网络，如图(b)所示。

图(b)由图可得由以上各式，得电路的反馈系数为令的虚部为零，得电路的振荡频率为或此时电路的反馈系数根据电路的起振条件知，当时，电路产生振荡。

【例8-3】试判断图(a)所示电路是否有可能产生振荡。

若不可能产生振荡，请指出电路中的错误，画出一种正确的电路，写出电路振荡频率表达式。

图(a) 图(b)【相关知识】LC型正弦波振荡器。

【解题思路】(1) 从相位平衡条件分析电路能否产生振荡。

(2) LC电路的振荡频率，L、C分别为谐振电路的等效电感和电容。

【解题过程】图（a）电路中的选频网络由电容C和电感L（变压器的等效电感）组成；晶体管T及其直流偏置电路构成基本放大电路；变压器副边电压反馈到晶体管的基极，构成闭环系统统；本电路利用晶体管的非线性特性稳幅。

静态时，电容开路、电感短路，从电路结构来看，本电路可使晶体管工作在放大状态，若参数选择合理，可使本电路有合适的静态工作点。

动态时，射极旁路电容和基极耦合电容短路，集电极的LC并联网络谐振，其等效阻抗呈阻性，构成共射极放大电路。