正弦波發(fā)生電路能產(chǎn)生正弦波輸出，它是在放大電路的基礎(chǔ)上加上正反饋而形成的，它是各類波形發(fā)生器和信號源的核心電路。

正弦波發(fā)生電路_正弦波發(fā)生電路 -簡介

不需要外加激勵信號,電路就能產(chǎn)生輸出信號的電路稱為信號發(fā)生電路或波形振蕩器.其中能產(chǎn)生正弦波輸出信號的電路稱為正弦波發(fā)生電路或正弦振蕩器

正弦波發(fā)生電路_正弦波發(fā)生電路 -正弦波發(fā)生電路圖

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正弦波發(fā)生電路_正弦波發(fā)生電路 -正弦波產(chǎn)生條件

1.正弦波振蕩電路

為了產(chǎn)生正弦波，必須在放大電路里加入正反饋，因此放大電路和正反饋網(wǎng)絡(luò)是振蕩電路的最主要部分。但是，這樣兩部分構(gòu)成的振蕩器一般得不到正弦波，這是由于很難控制正反饋的量。

如果正反饋量大，則增幅，輸出幅度越來越大，最后由三極管的非線性限幅，這必然產(chǎn)生非線性失真。反之，如果正反饋量不足，則減幅，可能停振，為此振蕩電路要有一個穩(wěn)幅電路。

為了獲得單一頻率的正弦波輸出，應(yīng)該有選頻網(wǎng)絡(luò)，選頻網(wǎng)絡(luò)往往和正反饋網(wǎng)絡(luò)或放大電路合而為一。選頻網(wǎng)絡(luò)由R、C和L、C等電抗性元件組成。正弦波振蕩器的名稱一般由選頻網(wǎng)絡(luò)來命名。

因此,正弦波振蕩電路由放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)幅電路組成。

2.振蕩平衡條件

產(chǎn)生正弦波的條件與負(fù)反饋放大電路產(chǎn)生自激的條件十分類似。只不過負(fù)反饋放大電路中是由于信號頻率達(dá)到了通頻帶的兩端，產(chǎn)生了足夠的附加相移，從而使負(fù)反饋變成了正反饋。在振蕩電路中加的就是正反饋，振蕩建立后只是一種頻率的信號，無所謂附加相移。

圖1 負(fù)反饋放大電路和正反饋振蕩電路框圖比較

正反饋一般表達(dá)式：

振蕩條件為：

包括振幅平衡條件：
，

相位平衡條件：JAF=jA+jF=±2np

3.起振條件和穩(wěn)幅原理

振蕩器在剛剛起振時，為了克服電路中的損耗，需要正反饋強(qiáng)一些，即要求
。

既然
，起振后就要產(chǎn)生增幅振蕩，需要靠三極管大信號運用時的非線性特性去限制幅度的增加，這樣電路必然產(chǎn)生失真。這就要靠選頻網(wǎng)絡(luò)的作用，選出失真波形的基波分量作為輸出信號，以獲得正弦波輸出。

也可以在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)放大電路的增益，從而達(dá)到穩(wěn)幅的目的。

正弦波發(fā)生電路_正弦波發(fā)生電路 -自激振蕩原理

信號發(fā)生電路能產(chǎn)生各種波形的輸出信號,都是基于自激振蕩原理.自激振蕩原理的方框圖如圖1所示:
基本放大器
A
反饋網(wǎng)絡(luò)
F
+
它是由基本放大器A和正反饋網(wǎng)絡(luò)F組成的閉合正反饋環(huán)路.
圖1(X為電量:電壓或電流)
A和F分別為基本放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)的正向傳輸函數(shù),即:
+
圖1中的為相加器,
因此圖1的輸出:
(1)
(2)
(3)
由于自激振蕩是一種沒有輸入(),仍有一定大小輸出(非零值)的電路,因此,由式(3)必須有:
或
(4)
即:
1,自激振蕩器是由放大器A和反饋網(wǎng)絡(luò)F組成的閉合環(huán)路,其能形成自激振蕩須滿足:
稱為自激振蕩條件.
由于A,F為復(fù)數(shù)形式,故自激振蕩條件又可以表示為:
及n=0,1,2…Z為整數(shù)
上式中第一項為自激振蕩的幅度條件,第二項為自激振蕩的相位條件.
相位條件是產(chǎn)生自激振蕩的必要條件,即反饋信號必須與放大器A的輸入信號同相(正反饋),幅度條件則是自激產(chǎn)生的充分條件,兩者缺一不可.
2,環(huán)路增益函數(shù)T
由A和F組成的閉合環(huán)路,若在環(huán)路中的某一處斷開,分別作為環(huán)路的輸入和輸出,它們的比值就是環(huán)路增益函數(shù),即:
圖2
由于是閉合環(huán)路,原則上在哪處斷開都可以.
對于圖1所示的方框圖,由于,
若取相加處為環(huán)路的起始和終點,則有:
(6)
所以自激振蕩條件又可用環(huán)路增益函數(shù)表示:
或
(7)
式(6)(7)說明:當(dāng)反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出從相位和幅度大小上完全等同于放大器輸入時,自激振蕩形成,電路有輸出.
3,正弦波發(fā)生電路的輸出是單一頻率的正弦波,因此由圖1電路實現(xiàn)正弦振蕩的條件是滿足式(5)或式(7)的頻率應(yīng)該是唯一的所以閉合環(huán)路中的反饋網(wǎng)絡(luò)F通常為具有選頻特性的.選頻特性的Q值越高,則電路產(chǎn)生的正弦波越純,越好.
利用式(5)或式(7),我們可以分析求解出正弦波發(fā)生電路的振蕩頻率和起振條件.
二,自激振蕩的建立和形成
1,由閉合環(huán)路組成的自激振蕩器,其振蕩產(chǎn)生的起始信號來自于電路中的各種起伏和外來擾動,例如電路接通電源瞬間的電沖擊,電子器件的噪聲電壓等等,這些電信號中含豐富的頻率成分,經(jīng)選頻網(wǎng)絡(luò)
選出某頻率的信號輸送至放大器A放大后,經(jīng)F網(wǎng)絡(luò)反饋后再放大,……,反復(fù)循環(huán)直至電路的輸出Xo由小至大.最后建立和形成穩(wěn)定的波形輸出.
2,為使振蕩器的輸出穩(wěn)定在一定的幅度,放大器A必須為具有非線形傳輸特性的,如圖3(a)所示.一般,反饋網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性為線形的,如圖3(b).
圖3(a)
圖3(b)
由于自激振蕩器是閉合環(huán)路,F網(wǎng)絡(luò)的輸入Xo就是A放大器的輸出,F網(wǎng)絡(luò)的輸出Xd就是A的輸入,因此,可以將圖3(a)和(b)合并畫在同一個圖上,如圖(4),這樣便于分析閉合環(huán)路中放大,反饋,放大……的反復(fù)循環(huán)過程.
圖(4)
由圖4可以看到,放大器輸入Xd1,經(jīng)A放大得Xo1,Xo1經(jīng)F網(wǎng)絡(luò)得到Xf1=Xd2,Xd2經(jīng)F網(wǎng)絡(luò)得到Xf2=Xd3……,最后到達(dá)|A|和1/|F|的交點_B,振蕩形成.稱B點為振蕩形成的平衡點,B點對應(yīng)的輸出XoB為振蕩形成的輸出大小.
上述分析表明:
①,對圖4中,B點以下的部分有
即|AF|>1,這時電路中的任何擾動都會經(jīng)過閉合環(huán)路的多次循環(huán)放大,變得越來越大.
②在B點有,即|AF|=1,滿足自激振蕩的幅度條件.
③B點以上的部分,有,即|AF|0為電感
若X0,以及電阻
因此式(9)中須有.即X1和X3必須是同類電抗.
而為滿足(8)式,可知X2必須為和X1,X3的相反類電抗.例如X1,X3為電感時X2必須為電容.
②通常分析時,由式(8)解得三點式振蕩器的振蕩頻率,由式(9)求得電路的起振條件.
4,電容三點式振蕩器
X1和X3取電容,X2取電容,如圖9所示.
圖9
由式(8)得
振蕩頻率
由式(9)得電路的起振條件
5,電感三點式振蕩器
X1和X3取電容,X2取電感,如圖10所示.
圖10
振蕩頻率
由式(9)得電路的起振條件
6,由雙極型晶體管(BJT)構(gòu)成的三點式振蕩器分析
圖11(a)
圖11(a)為交流電路,圖11(b)為晶體管用低頻等效電路替代的交流等效電路,其中設(shè)
采用圖11(b)進(jìn)行分析的時,若能忽略hie的分流作用,即
則圖11(b)電路分析與圖8電路完全相同,其結(jié)論完全適用圖11.所以通常由BJT構(gòu)成的三點式振蕩器時,大多要求滿足
圖11(b)
五,石英晶體振蕩器
1,石英晶體諧振器的阻抗特性
利用石英晶體的壓電效應(yīng)制作的具有高Q值諧振特性的器件,其符號及等效電路如圖12(a)所示,其中
圖12(a)
圖12(b)
C0――靜態(tài)等效電容,幾pF～幾十pF
C1――彈性慣性的等效電容
10-2～10-4pF
L――機(jī)械振動慣性等效電感
幾十mH～幾百H
R――振動時摩擦等效電阻,其值很小,幾十歐姆以下,常可忽略.
從圖12(b)可求出石英晶體的端口等效阻抗:
即:
通常定義兩種諧振頻率:
①串聯(lián)諧振頻率
②并聯(lián)諧振頻率
由于C0>>C1,可以有:
即ωp略大于ωs,但兩者十分接近.
將ωp,ωs代入Z(jω)式中:
式(10)
由式(10)畫得X(ω)～ω曲線:
從圖13有:
①當(dāng)ω<ωs<ωp時,X(ω)<0
石英晶體呈容性阻抗
②當(dāng)ω=ωs時,X(ω)=0
③當(dāng)ωs<ω0
石英晶體呈感性阻抗
④當(dāng)ω>ωp時,X(ω)<0
石英晶體呈容性阻抗
從上述阻抗特性說明:
圖13
①當(dāng)ω=ωs時,石英晶體阻抗為零(忽略R時,若計及R的影響,則為很小的電阻值).
②當(dāng)ωs<ω<ωp時,石英晶體相當(dāng)于一個高Q值電感.
利用上述的兩個特性,可以組成兩類石英晶體正弦振蕩器.
2,石英晶體振蕩器
①利用Z(jω)呈高Q值電感特性,替代LC三點式振蕩器中的電感,組成振蕩頻率為石英晶體并聯(lián)諧振頻率ωp的正弦振蕩器.如圖14(a)和(b).
圖14(a)
圖14(b)
②利用Z(jω)=0的阻抗特性,使石英晶體成為選頻反饋網(wǎng)絡(luò)中的一個反饋元件,用以控制反饋量|Vf|的大小,使ω=ωs時才滿足振蕩要求的幅度條件,形成正弦振蕩.故ω0=ωs.
圖15為在電容三點式電路中加入了由Re與石英晶體組成的正反饋支路,使原來由C1和C2比值決定的起振幅值條件中又加入了Re與Z(jω)的分壓比:
圖15
并設(shè)計Re的大小,使只有ω=ωs時,該分壓比近似為1,使之滿足起振幅度條件,而在ω≠ωs時,則不滿足.
圖15特性的晶體振蕩中,三點式的三個電抗器件的設(shè)計必須按三點式要求設(shè)計,其
在ωs附近,才能獲得高穩(wěn)定的正弦振蕩頻率.

正弦波發(fā)生電路_正弦波發(fā)生電路 -應(yīng)用-數(shù)字正弦波發(fā)生器

數(shù)字正弦波發(fā)生器電路圖

如圖所示為數(shù)字正弦波發(fā)生器。它由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(4018B)和一個固定濾波器(MAX29X)構(gòu)成。時鐘脈沖輸入CP的一部分驅(qū)動MAX29X濾波器，另一部分被第一個10位計數(shù)器(4018B)分頻，再由第二個l0位計數(shù)器分頻，輸出的階梯波經(jīng)R5和Cl的作用使其轉(zhuǎn)變?yōu)槠交恼也?，再?jīng)濾波器濾波后輸出。電路的輸出頻率隨時鐘輸入而變，其關(guān)系為fout=fin/l00。

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