模拟电子技术基础简明教程(第三版)杨素行_PPT课件_第八章

1、第八章第八章波形发生器波形发生器 8.1正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法 8.2RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 8.3LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 8.4石英晶体振荡器石英晶体振荡器 8.5非正弦波发生电路非正弦波发生电路 8.1正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法 8.1.1产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件 i U 放大电路放大电路 A io UAU 反馈网络反馈网络 F tUU sin2 ii Of UFU 如果反馈电压如果反馈电压 uf 与原输入信号与原输入信号 ui 完全相等，则即使完全相等，则即使 无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦

2、波信号无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号 自激振荡自激振荡。 图图 8.1.1反馈放大电路产生自激振荡的条件反馈放大电路产生自激振荡的条件 由此知放大电路产生自激振荡的条件是：由此知放大电路产生自激振荡的条件是： if UU 即：即： iiof UUAFUFU 所以产生正弦波振荡的条件是：所以产生正弦波振荡的条件是： 1 FA 1 FA 幅度平衡条件幅度平衡条件 2arg FA nFA 相位平衡条件相位平衡条件 , 2 , 1 , 0 n 8.1.2正弦波振荡电路的组成和分析步骤正弦波振荡电路的组成和分析步骤 组成组成：放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。：放大电路、反馈网络、

3、选频网络和稳幅环节。 分析步骤分析步骤： 一、判断能否产生正弦波振荡一、判断能否产生正弦波振荡 1. 检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分；检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分； 2. 检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正 常工作；常工作； 3. 分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件和振幅分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件和振幅 平衡条件。平衡条件。 判断相位平衡条件的方法是：判断相位平衡条件的方法是：瞬时极性法瞬时极性法。 二、估算振荡频率和起振条件二、估算振荡频率和起振条件 8.2RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 8.2.1RC

4、串并联网络振荡电路串并联网络振荡电路 电路组成：电路组成： 放大电路放大电路 集成运放集成运放 A ； 选频与正反馈网络选频与正反馈网络 R、C 串并联电路；串并联电路； 稳幅环节稳幅环节 RF 与与 R 组成的负反馈电路。组成的负反馈电路。 图图 8.2.1 图图 8.2.2 一、一、RC 串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性 Z1 Z2 ) 1 )1( 1 11 1 12 21 1 2 2 1 221 1 22 2 21 2 CR CR C C R R CRC R CR R U U F j( j1j j f 取取 R1 = R2 = R ， C1 = C2 = C ，令，令 RC 1

5、0 则：则： )j(3 1 0 0 F 得得 RC 串并联电路的幅串并联电路的幅 频特性为：频特性为： 20 0 2 )(3 1 F 3 arctg 0 0 F 相频特性为：相频特性为： 时，时，当当 RC 1 0 3 1 F 最大，最大， F = 0。 0 0 F 0 F 0 1/3 +90 - -90 图图 8.2.3 二、振荡频率与起振条件二、振荡频率与起振条件 1. 振荡频率振荡频率 RC f 2 1 0 2. 起振条件起振条件 1 FA f = f0 时，时， 3 1 F 由振荡条件知：由振荡条件知： 所以起振条件为：所以起振条件为： 3 A 同相比例运放的电压放大倍数为同相比例运放

6、的电压放大倍数为 R R Au F f 1 即要求：即要求： RR 2 F 三、振荡电路中的负反馈三、振荡电路中的负反馈 引入电压串联负反馈，可以提高放大倍数的稳定性，引入电压串联负反馈，可以提高放大倍数的稳定性， 改善振荡电路的输出波形，提高带负载能力。改善振荡电路的输出波形，提高带负载能力。 反馈系数反馈系数 RR R F F 改变改变 RF，可改变反馈深度。，可改变反馈深度。 增加负反馈深度，并且满足增加负反馈深度，并且满足 3 A 则电路可以起振，并产生比较稳定而失真较小的正则电路可以起振，并产生比较稳定而失真较小的正 弦波信号。弦波信号。 采用具有负温度系数的热敏电阻采用具有负温度系

7、数的热敏电阻 RT 代替反馈电阻代替反馈电阻 RF ，可实现自动稳幅。，可实现自动稳幅。 RT 图图 8.2.4 8.2.2其他形式的其他形式的 RC 振荡电路振荡电路 一、移相式振荡电路一、移相式振荡电路 集成运放产生的相位移集成运放产生的相位移 A = 180，如果反馈网络再相移，如果反馈网络再相移 180，即可满足产生正弦波振，即可满足产生正弦波振 荡的相位平衡条件。荡的相位平衡条件。 振荡频率为：振荡频率为： RC f 32 1 0 0 f f 0 270 180 90 当当 f = f0 时，相移时，相移 180， 满足正弦波振荡的相位条件。满足正弦波振荡的相位条件。 起振条件：起振

8、条件：RF 12 R 图图 8.2.6 二、双二、双 T 选频网络振荡电路选频网络振荡电路 振荡频率约为：振荡频率约为： RC f 5 1 0 当当 f = f0 时，双时，双 T 网络的相移为网络的相移为 F = 180；反相比反相比 例运放的相移例运放的相移 A = 180，因此满足产生正弦波振荡的相，因此满足产生正弦波振荡的相 位平衡条件。位平衡条件。 如果放大电路的放大倍数足够大，同时满足振幅平如果放大电路的放大倍数足够大，同时满足振幅平 衡条件，即可产生正弦波振荡。衡条件，即可产生正弦波振荡。 图图 8.2.8 表表 8 - 1三种三种 RC 振荡电路的比较振荡电路的比较 名称名称

9、RC 串并联网络振荡电路串并联网络振荡电路移相式振荡电路移相式振荡电路双双 T 网络选频振荡电路网络选频振荡电路 电路电路 形式形式 振荡振荡 频率频率 起振起振 条件条件 电路特电路特 点及应点及应 用场合用场合 可方便地连续调节振荡可方便地连续调节振荡 频率，便于加负反馈稳幅电频率，便于加负反馈稳幅电 路，容易得到良好的振荡波路，容易得到良好的振荡波 形。形。 电路简单，经济电路简单，经济 方便，适用于波形要方便，适用于波形要 求不高的轻便测试设求不高的轻便测试设 备中。备中。 选选频特性好，适用于频特性好，适用于 产生单一频率的振荡波形。产生单一频率的振荡波形。 RC f 2 1 0 3

10、 A RC f 32 1 0 RC f 5 1 0 1 2 3 FA R R ，RR12 F 8.3LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 8.3.1LC 并联电路的特性并联电路的特性 当频率变化时，并联电路阻抗当频率变化时，并联电路阻抗 的大小和性质都发生变化。的大小和性质都发生变化。 并联电路的导纳：并联电路的导纳： 当当 电路发生电路发生并联谐振并联谐振。 2222 )( j )( j 1 j LR L C LR R LR CY 0 )( 2 0 2 0 0 LR L C 图图 8.3.1 并联谐振角频率并联谐振角频率 LC L R 1 1)( 1 2 0 0 令：令： R L Q 0 谐振

11、回路的品质因数谐振回路的品质因数 当当 Q 1 时时 LC 1 0 LC f 2 1 0 谐振频率：谐振频率： ) 1 1(j1 ) 1 j( j) 1 j( j 1 j )j( 1 j 2 LCR L CR L C LR L C LR C LR C Z 回路回路等效阻抗等效阻抗： RC L Y Z 0 0 1 LC 并联回路的阻抗：并联回路的阻抗：发生并联谐振时，发生并联谐振时， LC 1 0 在谐振频率附近，在谐振频率附近， )1(j1 2 2 0 0 Q Z Z 可见，可见，Q 值不同，回路的阻抗不同。值不同，回路的阻抗不同。 Z 0 不同不同 Q 值时，值时，LC 并联并联 电路的幅频

12、特性：电路的幅频特性： Z01 Z02 Q1 Q2 Q 1Q 2 相频特性：相频特性： 0 F +90 - -90 Q 1 Q 2 Q1 Q2 感性感性纯阻纯阻容性容性 结论：结论： 1. 当当 f = f0 时，电路为纯电阻时，电路为纯电阻 性，等效阻抗最大；当性，等效阻抗最大；当 f f0 时，电路为时，电路为 容性。所以容性。所以 LC 并联电路具有选频并联电路具有选频 特性。特性。 2. 电路的品质因数电路的品质因数 Q 愈大，愈大， 选频特性愈好。选频特性愈好。 图图 8.3.2 谐振时谐振时 LC 回路中的电流回路中的电流 U LR L UCI 2 0 2 0 0C )( 电容支路

13、的电流：电容支路的电流： 并联回路的输入电流：并联回路的输入电流：U LR R I 2 0 2 )( 所以：所以：IQI C 当当 Q 1 时，时， II C II LLC II 结论结论：谐振时，电容支路的电流与电感支路的电流大：谐振时，电容支路的电流与电感支路的电流大 小近似相等，而谐振回路的输入电流极小。小近似相等，而谐振回路的输入电流极小。 8.3.2变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路 一、电路组成一、电路组成 用瞬时极性判断为用瞬时极性判断为正反正反 馈馈，所以满足自激振荡的相，所以满足自激振荡的相 位平衡条件。位平衡条件。 - - 二、振荡频率和起振条件二、振荡频率和起振条件

14、 LC f 2 1 0 振荡频率振荡频率 起振条件起振条件 M CRr be 图图 8.3.3变压器反馈式变压器反馈式 振荡电路振荡电路 8.3.3电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路 一、电路组成一、电路组成 用瞬时极性判断用瞬时极性判断 为为正反馈正反馈，所以满足，所以满足 自激振荡的相位平衡自激振荡的相位平衡 条件。条件。 - - - - - - 二、振荡频率和起振条件二、振荡频率和起振条件 CMLLLC f )2(2 1 2 1 21 0 振荡频率振荡频率 起振条件起振条件 R r ML ML be 2 1 图图 8.3.4 8.3.4电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路 一、电路组成

15、一、电路组成 用瞬时极性判断用瞬时极性判断 为为正反馈正反馈，所以满足，所以满足 自激振荡的相位平衡自激振荡的相位平衡 条件。条件。 二、振荡频率和起振条件二、振荡频率和起振条件 21 21 0 2 1 2 1 CC CC L LC f 振荡频率振荡频率 起振条件起振条件 R r C C be 1 2 - - - - - - 图图 8.3.5 8.3.5电容三点式改进型振荡电路电容三点式改进型振荡电路 21 0 111 1 2 1 CCC L f 振荡频率振荡频率 选择选择 C C1， C C2， 则：则： LC f 2 1 0 减小了三极管极间电容对振荡频率的影响，适用于减小了三极管极间电容

16、对振荡频率的影响，适用于 产生高频振荡。产生高频振荡。 图图 8.3.6 名称名称变压器反馈式变压器反馈式电感三点式电感三点式电容三点式电容三点式电容三点式改进型电容三点式改进型 电电 路路 形形 式式 振荡频率振荡频率 起振条件起振条件同左同左 频率调节方频率调节方 法及范围法及范围 频率可调，范围频率可调，范围 较宽。较宽。 同左同左 频率可调，范频率可调，范 围较小。围较小。 同左同左 振荡波形振荡波形一般一般较差较差好好好好 频率稳定度频率稳定度可达可达 10-4同左同左可达可达 10-4 10-5可达可达 10-5 适用频率适用频率 几千赫几千赫 几十兆几十兆 赫赫 同左同左 几兆赫

17、几兆赫 一百一百 兆赫兆赫 同左同左 表表 8 - 2各种各种 LC 振荡电路的比较振荡电路的比较 LC f 2 1 0 CMLL f )2(2 1 21 0 21 21 0 2 1 CC CC L f 21 0 111 1 2 1 CCC L f M CRr be R r ML ML e b 2 1 R r C C e b 1 2 8.4石英晶体振荡器石英晶体振荡器 8.4.1石英晶体的基本特性和等效电路石英晶体的基本特性和等效电路 一、基本特性一、基本特性 压电效应压电效应：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产 生机械变形；若在晶片上施加机械压力，在晶片相

18、应的生机械变形；若在晶片上施加机械压力，在晶片相应的 方向上会产生一定的电场。方向上会产生一定的电场。 压电谐振压电谐振：晶片上外加交变电压的频率为某一特定：晶片上外加交变电压的频率为某一特定 频率时，振幅突然增加。频率时，振幅突然增加。 二、等效电路二、等效电路 符号：符号： 串联谐振频率串联谐振频率 LC f 2 1 s 并联谐振频率并联谐振频率 0 s 0 0 p 1 2 1 C C f CC CC L f 电抗频率特性电抗频率特性 O f X fsfp 容性容性容性容性 感性感性 图图 8.4.1 图图 8.4.2 8.4.2石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 一、并联型石英晶体振荡电路

19、一、并联型石英晶体振荡电路 交流等效电路交流等效电路 振荡频率振荡频率 CCC CCC L f 0 0 0 )( 2 1 21 21 CC CC C 由于由于 CCC 0 s0 2 1 f LC f 图图 8.4.3 二、串联型石英晶体振荡电路二、串联型石英晶体振荡电路 图图 8.4.4串联型石英晶体串联型石英晶体 振荡电路振荡电路 当振荡频率等于当振荡频率等于 fS 时，时， 晶体阻抗最小，且为纯电晶体阻抗最小，且为纯电 阻，此时正反馈最强，相阻，此时正反馈最强，相 移为零，电路满足自激振移为零，电路满足自激振 荡条件。荡条件。 振荡频率振荡频率 s0 ff 调节调节 R 可改变反馈的强弱，

20、以获得良好的正弦波。可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。 8.5非正弦波发生电路非正弦波发生电路 8.5.1矩形波发生电路矩形波发生电路 一、电路组成一、电路组成 RC 充放电充放电 回路回路 滞回滞回 比较器比较器 图图 8.5.1 图图 8.5.2 滞回比较器：集成运放、滞回比较器：集成运放、R1、R2； 充放电回路：充放电回路：R、C； 钳位电路：钳位电路：VDZ、R3。 二、工作原理二、工作原理 设设 t = 0 时，时，uC = = 0，uO = + UZ 则则 Z 21 1 U RR R u t O uC Z 21 1 U RR R Z 21 1 U RR R O uO Z U

21、Z U t u+ u 当当 u = uC = u+ 时，时， t1t2 Z 21 1 U RR R u 则则 当当 u = uC = u+ 时，输出又时，输出又 一次跳变，一次跳变， uO = + UZ 输出跳变，输出跳变， uO = UZ 图图 8.5.3 2 T 2 T 三、振荡周期三、振荡周期 电容的充放电规律：电容的充放电规律： )(e)()0()( C t CCC uuutu 对于放电，对于放电， Z 21 1 )0(U RR R uC Z )(UuC RC 解得：解得： ) 2 1ln(2 2 1 R R RCT 结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电 阻，即可改变振荡周期。阻，即可改变振荡周期。 t1t2 2 T 2 T t O uC Z 21 1 U RR R Z 21 1 U RR R O uO Z U Z U t t3 图图 8.5.3 四、占空比可调的矩形波发生电路四、占空比可调的矩形波发生电路 图图 8.5.4 使电容的