第7章 信号的产生和波形变换

RC串并联选频网络
7.1 正弦波振荡电路
7.1.2 RC正弦波振荡电路
当信号的频率较高时，在RC串 联回路中，容抗远小于R1，所以C1的 容抗可以忽略不计；在RC并联回路 中，C2的容抗也远小于R2，所以R2的 阻抗可以忽略不计，这样可得到图所 示的高频等效电路。
RC串并联高频等效电路
7.1 正弦波振荡电路
uo2

R1 R1 R2
当uo2达到某值正好使up由负值升到稍大于零时，过零电压比较器A1输出翻转，
使uo1迅速跳变到+UZ。此时up的值可由下式求出：
up

U Z

R2 R1 R2
uo2
R1 R1 R2
0
7.2 非正弦波信号发生电路
7.2.2 三角波信号发生器
电压比较器再次翻转到-UZ时的up值为：
7.1 正弦波振荡电路
7.1.4 石英晶体振荡器
2. 石英晶体振荡器电路 石英晶体振荡器电路的基本形式有串联型和并联型两种。
并联型石英晶体振荡电路
串联型石英晶体振荡器电路
7.1 正弦波振荡电路
7.1.4 石英晶体振荡器
可以根据需要加以选择。一种实用的石英晶振电路如图所示，调节可以微调输 出频率，使振荡器的信号频率更为准确。
7.1 正弦波振荡电路
7.1.3 LC正弦波振荡电路
(1) 电路组成
放大电路采用分压式偏置的共发射极电路。
(2)相位平衡条件
可用瞬时极性法判断出：uf 与 ui 同相，即电路为正反馈，满足相位平衡条件。 (3)振荡频率
振荡频率由LC回路的谐振频率确定，振荡频率为：
fo 2
1 L(C1 C2 )
式子可分解为两部分：
(1) 幅度平衡条件：

F A 1
(2)相位平衡条件
a f 2n (n 0,1,2,)
相位平衡条件要求放大器对信号的相移与反馈网络对信号的相移之和为2nπ，即电
路必须引入正反馈。
7.1 正弦波振荡电路
7.1.1 正弦波振荡器的基本概念
2. 振荡器的起振与稳幅 当振荡电路刚接通电源时，随着电路中的电流从零开始突然增大，电路中就 产生了电冲击，它包含了从低频到高频的各种频率成分，其中必有一种频率的信 号满足振荡器的相位平衡条件，产生正反馈。 随着电路输出信号的增大，晶体管的工作范围进入了截止区和饱和区，电路 的放大倍数自动地逐渐减小，限制了振荡幅度的无限增大，最后电路就有稳定的 信号输出。
7.1 正弦波振荡电路
7.1.3 LC正弦波振荡电路
(4)电路特点 由于电路的反馈电压取自电容两端，而电容对高次谐波的容抗较小，所以电路 对高次谐波的正反馈比基波弱，使得输出信号波形中的高次谐波成分少，波形较好。 电路的振荡频率比较高，可达100MHz以上，在电视机等高频设备中得到广泛的应用。 但电容三点式振荡器电路的频率调节不太方便，常用切换电感的方法来改变频率， 不能实现频率的连续调节。若要实现频率的连续调节，可在电感两端并联一个可变 电容器，在小范围内进行频率调节。
7.1 正弦波振荡电路
7.1.3 LC正弦波振荡电路
彩电电调谐高频头的本振电路
7.1 正弦波振荡电路
7.1.4 石英晶体振荡器
1．石英晶体的特性 (1)石英晶体谐振器的结构 石英晶体谐振器是从一块石英晶体上按一定的方位 角切下的薄片（称为晶体）。其外形、结构和符号如图所示。
彩电电调谐高频头的本振电路
表示电感和电容的等效损耗电阻。因为一
般选频网络都接在三极管放大电路的输出
端，所以用恒流源 Io 近似等效三极管的恒 流作用。
f0

2
1 LC
LC并联选频网络
7.1 正弦波振荡电路
7.1.3 LC正弦波振荡电路
用文氏桥组成的正弦波音频信号发生器
7.1 正弦波振荡电路
7.1.3 LC正弦波振荡电路
7.1 正弦波振荡电路
7.1.3 LC正弦波振荡电路
3. 电感三点式振荡电路 电感三点振荡电路又称为哈特莱振荡电路，电路如图所示。
电感三点式 LC 振荡电路
7.1 正弦波振荡电路
7.1.3 LC正弦波振荡电路
(1)电路组成
①放大电路;②选频网络;③反馈网络。
(2)相位平衡条件
用瞬时极性法可判断出电路中的反馈为
石英晶振的等效电路
7.1 正弦波振荡电路
7.1.4 石英晶体振荡器
(4) 石英晶振的谐振频率和谐振曲线 如图所示，是石英晶体谐振器的电抗一 频率特性曲线，它个有两个谐振频率 fs 和 fp， 这两个频率非常接近，当 fs<f<fp 时，石英晶 体呈感性，在其它的频率范围内，石英晶体 均呈容性。
石英晶振的谐振频率和谐振曲线
7.1 正弦波振荡电路
7.1.4 石英晶体振荡器
(2) 石英晶体的压电效应
机械振动和交变电场的幅度是极其微小的，只有在外
加交变电压的频率等于石英晶片的固有振动频率时，振幅
才会急剧增大，这种现象称为压电谐振。
(3)石英晶振的等效电路
wk.baidu.com
石英晶片的压电谐振等效电路和LC谐振回路十分相
似，其等效电路如图所示。
2. 变压器反馈式正弦波振荡器 图所示电路是采用高频变压器构成 的LC正弦波振荡电路。 (1) 电路组成 ① 放大电路 ② 选频网络 ③ 反馈网络
变压器反馈式LC正弦波振荡器
7.1 正弦波振荡电路
7.1.3 LC正弦波振荡电路
(2) 起振条件和平衡条件 为了使振荡电路起振，必须正确连接反馈绕组 L2 的极性，使之符合正反馈 的要求，满足相位平衡条件。 反馈信号 uf 的大小由匝数比 N2/N1 决定，当三极管的放大倍数和绕组的匝 数比合适时，满足幅度平衡条件和电路的起振条件。 (3) 电路特点 变压器反馈式 LC 振荡器容易起振，若用可变电容器代替固定电容 C，则可 以方便的调节频率，其缺点是振荡频率不太高，通常为几兆赫～十几兆赫。
实用的石英晶振电路（皮尔斯电路）
7.2 非正弦波信号发生电路
7.2.1 方波信号发生器
1．电路组成 如图所示，为方波信号发生器的基本电路。
方波信号发生器的基本电路
7.2 非正弦波信号发生电路
7.2.1 方波信号发生器
2．电路工作原理 同相输入端的比较电压为：
同相端的比较电压也随之变为：
方波信号的周期为：
7.1.2 RC正弦波振荡电路
RC串并联选频网络的幅频特性和相频特性
7.1 正弦波振荡电路
7.1.2 RC正弦波振荡电路
2. 文氏桥正弦波振荡电路 (1) 放大器必须是一个同相放大器 由于 RC 串并联选频网络在 f = f0 时，输出信号 Uf 最大，相移 φ=0，这就要 求放大电路的相移φa=±2nπ，即放大器必须是一个同相放大器。在图中放大电 路采用同相输入式，这样就满足了振荡的相位平衡条件。
up

UZ

R2 R1 R2

uo2

R1
R1 R2
0
由此式可求出：
uo2


R2 R1
Uz
经分析计算，可得方波和三角波信号的周期为：
T 4R2 RC R1
7.2 非正弦波信号发生电路
7.2.3 锯齿波信号发生器
锯齿波信号发生器
7.3 用专用集成电路构成的信号发生器
7.3.1 集成时基电路555
电路需要满足什么条件才能产生正弦波？如何判断电路能否振荡？这是本 章首先要研究的内容。产生正弦波的电路有哪些？每个电路又有什么特点？分 别适合用于什么场合？本章要着重讨论这些问题。随着电子技术的发展，锁相 环电路的应用越来越广，本章也简单介绍了锁相环电路的组成．工作原理及其 在信号转换电路中的应用
7.1 正弦波振荡电路
RC桥式振荡器
7.1 正弦波振荡电路
7.1.2 RC正弦波振荡电路
1. RC 串并联网络的频率特性 在文氏桥正弦波振荡电路中，RC 串 并联网络担任选频和正反馈的双重任务。 RC 串并联网络如图所示。设输入信号 为幅度恒定、频率可变的电压UO，分析UO 与输出信号Uf之间相位差 φ 的变化。
RC串并联选频网络
2. 文氏桥正弦波振荡电路 (4) 常用的稳幅措施 如图所示是两种具有稳幅环节的文氏桥振荡器。
具有稳幅环节的文氏桥振荡器
7.1 正弦波振荡电路
7.1.2 RC正弦波振荡电路
用文氏桥组成的正弦波音频信号发生器
7.1 正弦波振荡电路
7.1.3 LC正弦波振荡电路
1. LC 并联网络的选频特性
LC 并联选频网络如图所示。在图中R
7.1 正弦波振荡电路
7.1.1 正弦波振荡器的基本概念
3.振荡电路的组成 根据振荡电路对起振．稳幅和振荡频率的要求，振荡器由以下几部分组成： (1)放大电路 它具有放大信号的作用，并将电源的直流电能转换成振荡信号 的交流能量。 (2)反馈网络 它形成正反馈，满足振荡器的相位平衡条件。 (3)选频网络 在正弦波振荡电路中，它的作用是选择某一频率 f0 ，使之满足 振荡条件，形成单一频率的振荡。 (4)稳幅电路 用于稳定振荡器输出信号的振幅，改善波形。
（基础篇） （第三版）
新世纪高职高专教材编审委员会 组编 主 编 王成安 孟晓明
第7章 信号的产生和波形变换
7.1 正弦波振荡电路 7.2 非正弦波信号发生电路 7.3 用专用集成电路构成的信号发生器 7.4 锁相环技术及其应用
第7章 信号的产生和波形变换
章首导言
电子电路除了能对信号进行放大和处理外，还有一个重要的功能就是产生 信号。能自己产生信号的电路叫做振荡器。振荡器产生的信号有各种波形，最 常用的是正弦波。电子琴、音乐合成器等电子乐器能发出各种美妙的声音，尤 其是近年来面世的手机发出的和弦声令人回味无穷。这些声音都是由正弦波振 荡电路产生的。无线通讯的基础就是建立在正弦波振荡电路上的。
集成时基电路555是一种数字电路和模拟电路混合型的中规模集成电路，其 应用十分广泛。可以组成多种波形发生器、定时延时电路、双稳触发电路、报警 电路、检测电路和频率变换电路等。
正反馈，满足振荡器的相位平衡条件。用
“射同基反”的口诀来加以判断更为准确和
快捷。
电感三点式LC振荡电路的交流通路
“射同基反”的含义是：对于三点式振荡器的交流通路，如图所示。
7.1 正弦波振荡电路
7.1.3 LC正弦波振荡电路
(3)振荡频率
电感三点式振荡电路的振荡频率由LC 并联网络的谐振频率确定，即：
7.2 非正弦波信号发生电路
7.2.2 三角波信号发生器
1．电路组成 如图所示，为一方波和三角波信号发生器的电路图。
方波和三角波信号发生器
7.2 非正弦波信号发生电路
7.2.2 三角波信号发生器
2．工作原理
集成运放A1的同相输入端电压up可由电位叠加原理可求出：
up

uo1
R2 R1 R2
f
1
2 (L1 L2 2M )C
(4)电路特点 电感三点式振荡器电路简单，容易起振，调频方便，只要将电容C 换成可 变电容器，就可以方便的进行频率的连续调节。
7.1 正弦波振荡电路
7.1.3 LC正弦波振荡电路
4.电容三点式振荡器 电容三点式振荡器又称为考毕兹电路，电路如图所示。
电容三点式LC振荡器
7.1 正弦波振荡电路
7.1.2 RC正弦波振荡电路
2. 文氏桥正弦波振荡电路
(2) 文氏桥振荡器的振荡频率
可以证明，RC串并联正弦波振荡电路的振荡频率为：
f
0

1
2RC
(3) 文氏桥振荡器的起振条件
电压串联负反馈放大电路的电压放大倍数：
Af
1
Rf R3
3
7.1 正弦波振荡电路
7.1.2 RC正弦波振荡电路
7.1.1 正弦波振荡器的基本概念
1. 正弦波振荡器的振荡条件
由方框图可知，电路产生振荡的基
本条件是反馈信号与原输入信号大小相
等、相位相同。因为反馈电压为：



U f F U O F AU id
当

Uf

Uid
时，有：

F A1
正弦波振荡器方框图
7.1 正弦波振荡电路
7.1.1 正弦波振荡器的基本概念
7.1 正弦波振荡电路
7.1.2 RC正弦波振荡电路
当 信 号 的 频 率 较 低 时 ， 在 RC 串 联回路中，C1的容抗远大于R1，故R1 的 大 小 可 忽 略 不 计 ； 在 RC 并 联 回 路 中，C2的容抗远大于R2，所以C2的容 抗也可以忽略不计，这样可得到图所 示的低频等效电路。
7.1 正弦波振荡电路
7.1.1 正弦波振荡器的基本概念
5．振荡电路的分类 为了保证振荡电路产生单一频率的正弦波，电路中必须包含选频网络，根据 选频网络组成的元件不同，可将振荡器分为RC振荡器、LC振荡器和石英晶体正弦 波振荡器。
7.1 正弦波振荡电路
7.1.2 RC正弦波振荡电路
1. RC 串并联网络的频率特性 如图所示，为RC正弦波振荡器 的一种，又称为文氏桥振荡器。它 一般用来产生从零点几赫兹到数百 千赫兹的低频信号，目前常用的低 频信号源大多采用这种形式的振荡 电路。