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。