波形发生与波形变换

1、正弦波振荡电路

正弦波振荡电路是在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡产生正弦波输出电压的电路，在正弦波振荡电路中，为了产生正弦信号，电路必须引入正反馈和外加选频网络，选频网络用于确定振荡频率，正反馈则是为了产生自激振荡。

正弦波振荡电路必须由以下四部分组成：

放大电路 ：保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，使电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制；

选频网络 ：确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡；

正反馈网络 ：引入正反馈，使放大电路的输入信号等于反馈信号；

稳幅环节 ：即非线性环节，为了使输出信号幅值稳定而设计的电路。

（1）RC振荡电路

RC振荡电路的振荡频率较低，一般在1MHz以下，实用的RC正弦波振荡电路有很多，最典型的是RC桥式振荡电路，又称为文氏振荡电路，如下图所示：

从理论上讲，任何满足放大倍数要求的放大电路与RC选频网络都可以组成正弦波振荡电路，但是，为了增大电路的输入电阻，减小电路的输出电阻以减小放大电路对选频特性的影响，通常选择引入电压串联负反馈放大电路，例如同相比例运算电路。如下图所示：

（2）LC振荡电路

LC振荡电路的振荡频率通常在1MHz以上，LC正弦波振荡电路与RC桥式正弦波振荡电路的组成原则在本质上是相同的，只不过是选频网络采用了LC电路，由于LC正弦波振荡电路的振荡频率较高，所以放大电路多采用分立元件电路，必要时还应采用共基电路。常见的LC正弦波振荡电路如下图所示：

根据LC正弦波振荡电路，又可以细分为变压器反馈式，电感反馈式和电容反馈式三种结构，所采用的的电路既可以是共射电路，也可以是共基电路。三种电路结构如下图所示：

原理分析不做详述，有兴趣的读者可以自行分析研究。

变压器反馈式振荡电路 ：这种电路结构易于产生振荡，波形教好，应用范围广，但是由于输出电压与反馈电压靠磁路耦合，因而耦合并不紧密，损耗较大，并且振荡频率的稳定性不高。

电感反馈式振荡电路 ：这种电路结构又称为电感三点式电路，这种结构可以获得调节范围较宽的振荡频率，最大振荡频率可达几十兆赫，这种结构常用于对波形要求不高的设备之中。

电容反馈式振荡电路 ：这种电路又称为电容三点式电路，但是由于电路本身的结构，导致经常用于固定频率的场合。

（3）石英晶体振荡电路

石英晶体振荡器一般可以等效为LC振荡电路，其优点是振荡频率非常稳定。石英晶体谐振器，简称石英晶体，具有非常稳定的固有频率，对于振荡频率稳定性要求高的电路，应选用石英晶体做选频网络。

压电效应和压电振荡 ：在石英晶体两个管脚加交变电场时，它将产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，这种物理现象称为压电效应，一般情况下，机械振动和交变电场的振幅都非常小，但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅会骤然增大，产生共振，称之为压电振荡，这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。

2、电压比较器

电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路。电压比较器中，集成运放工作在非线性区。如下图所示：

（1）单限比较器

单限比较器一般可以分为过零比较器和一般单门限比较器。两种电路结构如下图所示：

（2）滞回比较器

例题分析：设计一个电压比较器，使其传输特性入下图所示，要求所用阻值在20~100KΩ之间。

（3）窗口比较器

3、非正弦信号振荡电路

在实用电路中除了常见的正弦波之外，还有矩形波，三角波，锯齿波，尖顶波和阶梯波，如下图所示：

（1）矩形波发生电路：矩形波发生电路由于只有两个状态，即高低电平，故其核心电路是比较器。

（2）三角波发生电路：常见的三角波发生电路是积分电路，，首先将正弦信号通过电压比较器变为矩形波，而后矩形波经过积分电路产生了三角波。

（3）锯齿波发生电路：锯齿波与三角波类似，只需要利用二极管的单向导电性使正向积分与反向积分的时间不同即可得到。

4、集成函数发生器芯片

常见的集成函数发生器芯片是ICL8038，该芯片的内部结构如下图所示：

6、常用信号转换电路

（1）电压—电流转换电路

之前曾介绍过豪兰德电流源电路，这次介绍另一种电压—电流转换电路，电路结构如下图所示：

（2）电压—频率转换电路