第八章信号产生电路

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1、第八章第八章 信号产生电路信号产生电路8.1 8.1 正弦波振荡器的振荡条件正弦波振荡器的振荡条件8.2 8.2 RC RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路8.3 8.3 LC LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路8.4 8.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路8.5 8.5 方波发生器方波发生器8.6 8.6 三角波及锯齿波发生器三角波及锯齿波发生器8.1 8.1 正弦波振荡器的振荡条件正弦波振荡器的振荡条件一、振荡器的定义一、振荡器的定义： 实质上是无需外加激励信号，而直接将直流实质上是无需外加激励信号，而直接将直流转变为交流电能的正反馈电路转变为交流电能的正反馈电路二、振荡器的组成二、振荡器

2、的组成： 由基本放大器、反馈网络、选频网络组成，由基本放大器、反馈网络、选频网络组成，通常反馈网络兼有选频的作用通常反馈网络兼有选频的作用三、三、 产生振荡的条件产生振荡的条件fidXXX+=Xi +f基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FX+doXX如果：如果：,dfXX=则去掉则去掉,iX仍有信号输出。仍有信号输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号。反馈信号代替了放大电路的输入信号。Xdof基本放大器基本放大器A A反馈网络反馈网络F FXX所以，自激振荡条件也可以写成：所以，自激振荡条件也可以写成：（1 1）振幅条件：）振幅条件：1|=AF（2 2）相位条件）相位条件：pjjnFA2=

3、+n是整数是整数1.=FAAAAj=|因为：因为：FFFj=|.由由 可得：可得： fdXX=8.2 8.2 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路一、文氏电桥一、文氏电桥RCRC振荡器振荡器1.1.电路结构电路结构uRf1RRRCCufA+o 运放构成的同相比例运放构成的同相比例放大器作为基本放大器放大器作为基本放大器 RC RC串、并联电路作为串、并联电路作为选频网络选频网络 RC RC串、并联电路和负串、并联电路和负反馈回路中的反馈回路中的R1R1和和RfRf构构成电桥成电桥R1C1 串联阻抗：串联阻抗：212ofZZZUUF+=)j/1 (111CRZ+=222222j1 )j/1/(C

4、RRCRZ+=R2C2 并联阻抗：并联阻抗：+Ru+-o-fu+12RC12C2. RC 2. RC 串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性)1j()1(1j1j1j11221211222211222CRCRRRCCCRRCRCRRF + + + += =+ + + + += = 通常，取通常，取R1R2R，C1C2C，则有：，则有：)j(3100 + += = F式中：式中：RC10= = 幅频特性幅频特性22)(31ooF+=相频特性相频特性3)(joofarctg=o |F|1/3 Fo +90RC10= = 当当 时，时， F= Fmax=1/30F=jRC10=o |F|1/3 F

5、o +90-90AF=1，而，而31=F只需只需：A3起振条件：起振条件：3.3.振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件11f+=RR A1f2RR =因为：因为：所以：所以：必须使必须使 ,0=Fj0=Aj因为：因为：要满足相位条件：要满足相位条件：0=+FAjj振荡频率由相位平衡条件确定振荡频率由相位平衡条件确定在在f f= =f f0 0处，处，,0=Fj振荡频率：振荡频率：RCfp p210= =4.4.振荡的建立与幅度的稳定振荡的建立与幅度的稳定（1 1）振荡的建立）振荡的建立电扰动电扰动选选 频频放放 大大（2 2）稳幅的措施）稳幅的措施u0.1u10k0.1u+Afu10k10k3

6、9k100kotR 采用负温度系数采用负温度系数的半导体热敏电阻的半导体热敏电阻来稳幅来稳幅 起振时起振时R Rt t较大较大 使使A A 3,3,易起振。易起振。u0.1u10k0.1u+Afu10k10k39k100kotR 当当u uo o增大时，增大时， R Rt t减小，使负反馈增强，减小，使负反馈增强，放大器的增益下降。放大器的增益下降。 当当u uo o减小时，减小时， R Rt t增大，使负反馈减弱，增大，使负反馈减弱，放大器的增益增大放大器的增益增大。 因此因此u uo o幅度自动幅度自动稳定于某一幅值。稳定于某一幅值。二、移相式二、移相式RCRC振荡器振荡器1. RC1.

7、RC移相电路移相电路 +uofuRCRCRC超前移相电路超前移相电路 A+90RCRC滞后移相电路滞后移相电路 +uofuRC A 0-90u+A+/ /= = /oR2R1R0RRCCCufRR R01R2. 2. RCRC移相式振荡电路移相式振荡电路 180=Aj在在 f0 处处,180=Fj满足相位条件：满足相位条件：0=+FAjjRCf3210p= 8.3 LC8.3 LC正弦波振荡器正弦波振荡器1. 1. LCLC并联谐振回路的选频特性并联谐振回路的选频特性-+LCRiCiLiuLjRCjY+=1)()(2222LRLCjLRRY+=经整理得经整理得22)(LRLCooo+=LCLR

8、oo1)(112+=令令RLQo=LCQo11112+=一般情况下一般情况下1QLCo1LCfop21谐振时的输入阻抗谐振时的输入阻抗LQCQRLRZoooo=+=22)(LCLC并联谐振回路的幅频特性曲线并联谐振回路的幅频特性曲线o |Z|Q小小Q大大 Q Q为谐振回路的品为谐振回路的品质因数，质因数，Q Q值越大，值越大，曲线越陡越窄，选曲线越陡越窄，选频特性越好。频特性越好。互感线圈的极性判别互感线圈的极性判别1234初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈同名端同名端1234+ 在在LCLC振荡器中，反馈信号通过振荡器中，反馈信号通过互感线圈引出互感线圈引出-+uiLCfu同名端：同名端：二二

9、. . 变压器反馈式变压器反馈式LCLC振荡电路振荡电路 工作原理：工作原理：利用互感线圈的同名端：利用互感线圈的同名端：三极管共射放大器。三极管共射放大器。180=Aj180=Fj360=+FAjj 满足相位条件。满足相位条件。振荡频率振荡频率:LCfp210+ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU判断是否是满足相位条件判断是否是满足相位条件瞬时极性法：瞬时极性法：+ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU 断开反馈到放大断开反馈到放大器的输入端点，假设器的输入端点，假设在输入端加入一正极在输入端加入一正极性的信号，用瞬时极性的信号，用瞬时极性法判定反馈信号的性法判定反馈信号的极性

10、。若反馈信号与极性。若反馈信号与输入信号同相，则满输入信号同相，则满足相位条件；否则不足相位条件；否则不满足。满足。(+) LCLC正弦波振荡器举例正弦波振荡器举例（+）（+）（）（+）（）VRReb1ccLCCeC2RcC1Rb2三、三点式三、三点式LC LC 振荡电路振荡电路工作原理：仍然由工作原理：仍然由LCLC并联谐振电路构成选频网络并联谐振电路构成选频网络电感三点式：电感三点式：uf与与uo反相反相uuCLL12fouuo1LC2Lfuf与与uo同相同相电容三点式：电容三点式：uuf2o1CCLuf与与uo反相反相uuLCoC12fuf与与uo同相同相 1.1.电感三点式电感三点式L

11、CLC振荡电路振荡电路振荡频率：振荡频率：CMLLLCf)2(2121210+ + += = =p pp pVRccCbcRb1Rb2eLe2CRC1L（ +）（ +）（ -）VCbRLb2b1ccL1eR2CeCR（ +）（ +）（ +）2. 2. 电容三点式电容三点式LCLC振荡电路振荡电路振荡频率：振荡频率：212102121CCCCLLCf+ + = = =p pp pV2eRRRb1CCcceb2c1RbCCL（ +）（ +）（ -）VRRReb21eCcc2CLbb1CC（ +）（ +）（ +）例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平

12、衡条件。位平衡条件。V21CCL+A+RRuo1Rf（ +）（ +）（ -）Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。值越高，选频特性越好，频率越稳定。8.4 8.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路频率稳定度一般由频率稳定度一般由 来衡量来衡量0ff 频率偏移量。频率偏移量。f 0f振荡频率。振荡频率。LC振荡电路振荡电路 : 不超过不超过 ， Q 数百数百石英晶体振荡电路：石英晶体振荡电路： Q 10000 500000off /510一一. . 石英晶体的基本特性及等效电路石英晶体的基本特性及等效电路1. 石英晶体的基本特性石英晶体的基本特性-压电效应压电效应极板间加电场极板间加电场极板间加机

13、械压力极板间加机械压力晶体机械变形晶体机械变形晶体产生电场晶体产生电场 当外加交变电压频率等于晶体的固有频率时，振当外加交变电压频率等于晶体的固有频率时，振幅最大，将这一现象称为压电谐振幅最大，将这一现象称为压电谐振 晶体振动的固有频率与晶片尺寸、切割方式、晶体振动的固有频率与晶片尺寸、切割方式、几何形状等有关。几何形状等有关。2. 2. 石英晶体的等效电路石英晶体的等效电路uu石英晶体的符号石英晶体的符号石英晶体的等效电路石英晶体的等效电路uuLCCoR3. 3. 石英晶体的谐振频率石英晶体的谐振频率（1 1）串联谐振）串联谐振LCfp21s= 谐振时晶体等效为纯阻且阻值近似为零谐振时晶体等

14、效为纯阻且阻值近似为零0p121CCLCf+ += =p p（2 2）并联谐振）并联谐振通常通常0CC 0s1CCf+ += =所以所以很很接接近近与与 psfffX感性感性0fsfp容性容性串联谐振频率串联谐振频率并联谐振频率并联谐振频率容性容性二二. .石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路1. 1. 并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在石英晶体工作在f fs s与与f fp p之间，相当一个大电感，与之间，相当一个大电感，与C C1 1、C C2 2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q Q值很高，可达到几值很高，可达到几千以上，所以电路

15、可以获得很高的振荡频率稳定性。千以上，所以电路可以获得很高的振荡频率稳定性。+A+CC12Cs石英晶体fX感性感性0fsfp容容性性 石英晶体工作在石英晶体工作在f fs s处，呈电阻性，而且阻抗最小，正反处，呈电阻性，而且阻抗最小，正反馈最强，相移为零馈最强，相移为零, ,满足振荡的相位平衡条件。满足振荡的相位平衡条件。 对于对于f fs s以外的频率，石英晶体阻抗增大以外的频率，石英晶体阻抗增大, ,且相移不为零，不且相移不为零，不满足振荡条件，电路不振荡。满足振荡条件，电路不振荡。 U+VRRRRebbe122C(+)(+)石英晶体.oCC1(+)RRb1c(+)fX感性感性0fsfp容

16、容性性2. 2. 串联型石英晶体振荡器串联型石英晶体振荡器VbecRccReb1Rb2CCRCC石英晶体12例：例：分析下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振分析下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振荡荡, ,石英晶体处于何种状态？石英晶体处于何种状态？ 8.5 8.5 方波发生器方波发生器一一. .电压比较器电压比较器 电压比较器是集成运放的应用电路之一，它电压比较器是集成运放的应用电路之一，它是将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输是将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一定的高低电平。出一定的高低电平。 运放组成的电路处于非线性状态，输出与运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系

17、输入的关系uo=f(ui)是非线性关系。是非线性关系。1. 过零比较器过零比较器: （门限电平（门限电平=0）uoui0+UOM-UOMuuu-+ui+OA+uu-u+iOu+Auoui0+UOM-UOMtuituo+Uom-Uom例：利用电压比较器将正弦例：利用电压比较器将正弦波变为方波。波变为方波。uuu-+ui+OA+uoui0+UZ-UZ用稳压管稳定输出电压的过零比较器用稳压管稳定输出电压的过零比较器忽略了忽略了UDuuZ+O+-AuZ+DuRi当当ui 0时时 , uo = +UZ当当ui 0时时 , uo = -UZ当当ui 0时时 , uo = +UZ 2. 2. 迟滞比较器迟滞

18、比较器特点特点:电路中使用正反馈电路中使用正反馈,使之存在两个参考电压使之存在两个参考电压uuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2（1）当）当uo =+UZ时，时，ZREFURRRURRRU2f22ff+=+（2）当）当uo =-UZ时时ZREFURRRURRRUf22f2f+= + 称上门限电压称上门限电压 称下门限电称下门限电 称为回差电压称为回差电压+ U+U+ UUuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2迟滞比较器的电压传输特性：迟滞比较器的电压传输特性：uuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2uoui0+UZ-UZ+U+ U负时，输出由正+Uui正时，输

19、出由负 +Uui时，输出保持原状态+ UuUi例：例：R Rf f=10k=10k ，R R2 2=10k =10k ，U UZ Z=6V=6V， U UREFREF=10V=10V。当。当输入输入u ui i为如图所示的波形时，画出输出为如图所示的波形时，画出输出u uo o的波形。的波形。V82ff2f2=+=+RZURRRURRRUV22ff2f2=+= +RZURRRURRRUuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R23V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V2V电压传输特性电压传输特性+6V-6V输入输出波形图输入输出波形图1.1.电路结构电路结构由滞回比较电路和由滞回比较电

20、路和RCRC定时电路构成定时电路构成ZURRRUf11+=+ZURRRUf11+= +u+A+-u+u1RfRZRZDORCuC二二. .方波发生器方波发生器2.2.工作原理工作原理( 1 ) 设设 uo = + UZ +=Uu 此时此时 , ,设设u uC C初始值为初始值为0, 0, u uO O给给C C 充电充电, , u uc c , ,在在 时，时， u- u+ , uo 立即由立即由UZ变成变成UZ 。+UuC( 2 ) 设设 uo = - UZ + =Uu 此时此时 , ,C C 放电放电, , u uc c减小减小, ,在在 时，时， u- u+ , , uo保持保持-UZ不

21、变不变,+ UuC一旦一旦 就有就有 u- u+ , uo 立即由立即由-UZ变成变成+UZ 。+ UuC0uct +UZuo0t - UZTu+A+-u+u1RfRZRZDORCuC+ U+U振荡周期为振荡周期为:)21ln(2f1RRRCT+ += =3 3、占空比可调的方波发生器、占空比可调的方波发生器UZuo0t- UZ 改变电位器改变电位器 R RW W 的滑动端，就改变了冲放电的时的滑动端，就改变了冲放电的时间，从而使方波的占空比可调。间，从而使方波的占空比可调。u+A+-u+u1RfRZRZD1D2DORWRCuC8.6 8.6 三角波及锯齿波信号发生器三角波及锯齿波信号发生器(

22、1)(1)电路结构：迟滞比较器电路结构：迟滞比较器+ +反相积分器反相积分器一一. . 三角波发生器三角波发生器u+R+A1+RZ-2ZDu4Ro2+R1R35RCuuo1A2(2)(2)工作原理：工作原理：若若uo1=+UZ， uo2， u+ 。2o2121o211uRRRuRRRu+ + + += =+ + 当当u+ 0时，时， uo1翻转为翻转为-UZ。若若uo1=-UZ， uo2， u+ 。 当当u+ 0时，时， uo1翻转为翻转为+UZ。dt101o42o=tuCRuuR-+Z+uRR+12A1u4R+CA2RZD5+uo1o2(3)(3)输出波形图输出波形图(4)(4)振荡周期：振荡周期：0UT+uo2tUT-+UZuo10t - UZT2414RCRRT = = 二二. .锯齿波发生器锯齿波发生器uZo1Ro23Zu+RR5+Du4uRA1-R+1A2+2C+RD6R改变积分器的正反向充电时间常数改变积分器的正反向充电时间常数u uo1o1=+=+U UZ Z，D D截止，充电时间常数：截止，充电时间常数：R R4 4C C。u uo1o1=-=-U UZ Z，D D导通，充电时间常数：导通，充电时间常数：( (R R6 6RR4 4) )C C。