模拟电子技术基础第11章信号产生电路的课件

1、第第11章章 信号产生电路信号产生电路 11.1 正弦波振荡器正弦波振荡器 11.2 非正弦波振荡器非正弦波振荡器 11.3 单片集成函数发生器单片集成函数发生器 11.4 Multisim 仿真仿真LC谐振放大器的特性谐振放大器的特性 第第11章章 信号产生电路信号产生电路 学习本章后，读者可以了解：学习本章后，读者可以了解： 正弦波振荡器的原理、组成和振荡过程，正弦波振荡器的分正弦波振荡器的原理、组成和振荡过程，正弦波振荡器的分 析方法；析方法； RC串并联电路的选频特性，串并联电路的选频特性，RC串并联正弦波振荡器的组成、串并联正弦波振荡器的组成、 工作原理和特性参数的计算；工作原理和特

2、性参数的计算； LC并联谐振电路的特性，并联谐振电路的特性，LC选频放大电路；选频放大电路； 变压器反馈式、电感反馈式和电容反馈式变压器反馈式、电感反馈式和电容反馈式LC振荡电路的组成、振荡电路的组成、 工作原理和特性参数的计算；工作原理和特性参数的计算； 石英晶体谐振器的结构和选频特性，石英晶体正弦波振荡器；石英晶体谐振器的结构和选频特性，石英晶体正弦波振荡器； 单片集成函数发生器单片集成函数发生器ICL8038、压控振荡器和三角波、压控振荡器和三角波-正弦波正弦波 变换器的工作原理，变换器的工作原理，ICL8038的应用电路。的应用电路。 第第11章章 信号产生电路信号产生电路 图图(a)

3、正弦波正弦波 (b) 矩形波矩形波 图图 1 在没有输入信号的情况下产生周期性振荡输出信号的在没有输入信号的情况下产生周期性振荡输出信号的 电子电路称为信号产生电路，简称为振荡器。电子电路称为信号产生电路，简称为振荡器。 根据所产生的波形可以分为正弦波振荡器和非正弦波（矩根据所产生的波形可以分为正弦波振荡器和非正弦波（矩 形脉冲、三角波、锯齿波等）振荡器。振荡器既可由分立元件、形脉冲、三角波、锯齿波等）振荡器。振荡器既可由分立元件、 集成运放组成，也可由集成信号发生器组件实现。集成运放组成，也可由集成信号发生器组件实现。 应用应用 正弦波振荡器能产生频率范围宽（正弦波振荡器能产生频率范围宽（1

4、Hz-1GHz）、输）、输 出功率大出功率大(几几mW-几十几十kW)的正弦波信号，广泛应用于通的正弦波信号，广泛应用于通 信、遥控遥感、航空航天、无线电广播、检测技术、生信、遥控遥感、航空航天、无线电广播、检测技术、生 物医学、热处理、电加工等领域。物医学、热处理、电加工等领域。 n 无线电发射机无线电发射机-产生载荷信息的载波信号。产生载荷信息的载波信号。 n 超外差接收机超外差接收机-产生本地振荡信号。产生本地振荡信号。 n 各种电子测量设备和计时仪表各种电子测量设备和计时仪表-产生频率（或时间）产生频率（或时间） 基准信号。基准信号。 n 工业生产部门广泛应用的高频电加热设备等。工业生

5、产部门广泛应用的高频电加热设备等。 电警棍电警棍超声波振荡器超声波振荡器 电脑无线发射器电脑无线发射器 应应 用用 微波炉微波炉 无线发射机无线发射机 11.1正弦波振荡器正弦波振荡器 11.1.1正弦波振荡电路原理正弦波振荡电路原理 11.1.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 11.1.3 LC谐振回路的特性和选频放大器谐振回路的特性和选频放大器 11.1.4 LC正弦波振荡器正弦波振荡器 11.1.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 已知，在负反馈放大电路中，当附加相移达到已知，在负反馈放大电路中，当附加相移达到1800、环路增益、环路增益 大于等于大于等于1时，电路会产生自激振荡。正弦

6、波振荡器正是利用自时，电路会产生自激振荡。正弦波振荡器正是利用自 激振荡原理产生稳定的正弦波输出信号。为了有利于自激振荡，激振荡原理产生稳定的正弦波输出信号。为了有利于自激振荡， 在基本放大电路的增益最大的频段引入正反馈。在基本放大电路的增益最大的频段引入正反馈。 因为因为 ffiid XXXX ，图，图(a)简化为图简化为图(b) 。 在没有外加输入信号的情况下，反馈信号维持了稳定的输出信号。在没有外加输入信号的情况下，反馈信号维持了稳定的输出信号。 11.1.1正弦波振荡电路原理正弦波振荡电路原理 1平衡振荡条件平衡振荡条件 1平衡振荡条件平衡振荡条件 幅值平衡条件 ）是整数相位平衡条件（

7、 1 2 AFFA nn fa 如果环路增益等于如果环路增益等于1，即，即1FA 此即正弦波振荡器的平衡振荡条件，可分解为相位平衡条件此即正弦波振荡器的平衡振荡条件，可分解为相位平衡条件 和幅度平衡条件：和幅度平衡条件： 相位平衡条件表示正反馈。通常，电路结构影响相位平衡条件，相位平衡条件表示正反馈。通常，电路结构影响相位平衡条件， 电路参数影响幅度平衡条件。电路参数影响幅度平衡条件。 为了产生单一频率的正弦波，基本放大电路或者反馈网络应具为了产生单一频率的正弦波，基本放大电路或者反馈网络应具 有选频功能，使电路在特定频率满足平衡振荡条件。否则，输有选频功能，使电路在特定频率满足平衡振荡条件。

8、否则，输 出信号的谐波成分严重。出信号的谐波成分严重。 起振条件起振条件 2. 起振和稳幅起振和稳幅 电路器件内部噪声以及电源接通扰动。电路器件内部噪声以及电源接通扰动。 当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增 加，否则波形将出现失真。加，否则波形将出现失真。 噪声中，满足相位平衡条件的某一频率噪声中，满足相位平衡条件的某一频率 0 0的噪声信号被的噪声信号被 放大，成为振荡电路的输出信号。放大，成为振荡电路的输出信号。 稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时， 使振幅平衡条件从使

9、振幅平衡条件从 回到回到1 AF。 1 AF 幅值条件 ）是整数相位平衡条件（ 1 2 AFFA nn fa 起振条件起振条件 2. 起振和稳幅起振和稳幅 幅值条件 ）是整数相位平衡条件（ 1 2 AFFA nn fa 振荡电路产生稳定的输出信号必须经历起振和稳幅两个过程。振荡电路产生稳定的输出信号必须经历起振和稳幅两个过程。 稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时， 使振幅平衡条件从使振幅平衡条件从 回到回到1 AF。 1 AF 4放大电路（包括负反馈放大电路） 放大电路（包括负反馈放大电路） 振荡电路基本组成部分振荡电路基本组成部分

10、4反馈网络（构成正反馈） 反馈网络（构成正反馈） 4选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。通常与反馈 选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。通常与反馈 网络合二为一。）网络合二为一。） 4稳幅环节 稳幅环节 判断电路能否产生正弦振荡的一般方法是：判断电路能否产生正弦振荡的一般方法是： （1）电路是否具有放大、反馈、选频和稳幅功能。）电路是否具有放大、反馈、选频和稳幅功能。 （2）是否满足相位平衡条件。一般用瞬时极性法判断，若是）是否满足相位平衡条件。一般用瞬时极性法判断，若是 正反馈则满足相位平衡条件。正反馈则满足相位平衡条件。 （3）是否满足幅度平衡条件。）是否满足幅度平衡条件。 3

11、分析方法分析方法 RC振荡器有振荡器有RC串并联型，串并联型，RC移相型和移相型和RC双双T型等电路。型等电路。 它们的共同特点是反馈网络兼作选频网络（合二为一）。它们的共同特点是反馈网络兼作选频网络（合二为一）。 11.1.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器 1RC串并联电路的选频特性串并联电路的选频特性 低频低频 高频高频 ) 1 (1 1 1 / 1 1 / 12 21 1 2 2 1 2 2 1 1 2 2 CR CRj C C R R Cj R Cj R Cj R V V F o f 1RC串并联电路的选频特性串并联电路的选频特性 令分母的虚部为零，得令分母的虚部为零，得 2121 0

12、 2121 0 2 1 , 1 CCRR f CCRR )(1 1 1 0 012 21 1 2 2 1 CR CR j C C R R F 当当R1=R2=R、C1=C2=C时，时， CR f CR 2 1 , 1 00 )(3 1 )(3 1 1 0 01 0 0 f f f f jj F 2 1 0 0 )(9 1 f f f f FF （11.1.8） )( 3 1 arctan 1 0 0 f 1RC串并联电路的选频特性串并联电路的选频特性 当当f=fo时，相移时，相移f0，幅值达到最大值，幅值达到最大值F=1/3。 当当f0时，时，f90, F=0； 当当f时，时，f-90, F=

13、0。 反馈网络反馈网络 兼做选频网络兼做选频网络 RC串并联振荡电路串并联振荡电路 D1D2 R2 R3 RC串并联电路作选频和正反馈；串并联电路作选频和正反馈；R2、R3、D1和和D2组成非线组成非线 性电阻性电阻Rf，是稳幅电路；，是稳幅电路；Rf、R1和运放和运放A组成同相比例放大电组成同相比例放大电 路。由于路。由于RC串并联电路、串并联电路、Rf和和R1正好形成一个四臂电桥，称为正好形成一个四臂电桥，称为 文氏电桥，故又称为文氏电桥振荡器。文氏电桥，故又称为文氏电桥振荡器。 2RC串并联振荡电路串并联振荡电路 RC串并联振荡电路串并联振荡电路 D1D2 R2 R3 0 1 0)1 (

14、 R R V V A f i o （2）相位平衡条件）相位平衡条件 当当f=fo时，时，RC串并联电路的串并联电路的f0，F=1/3，满足相位平衡，满足相位平衡 条件：条件：a+f0。其它频率则不满足。其它频率则不满足。 2RC串并联振荡电路串并联振荡电路 （1）放大电路增益）放大电路增益 同相比例放大电路的增益为同相比例放大电路的增益为 （3）起振）起振 起振时，输出信号小，起振时，输出信号小，D1和和D2截止。截止。 3 1 1 1 32 R RR A 则则AF1，满足起振条件。，满足起振条件。 1 2 1 R R A 选择选择R2=2R1，则，则AF=1，满足幅度平衡条件。，满足幅度平衡

15、条件。 2RC串并联振荡电路串并联振荡电路 （4）幅度平衡条件）幅度平衡条件 当输出信号足够大时，当输出信号足够大时，D1和和 D2导通。忽略二极管的导通电导通。忽略二极管的导通电 阻，同相放大电路的增益为：阻，同相放大电路的增益为： 如果增益如果增益 RC串并联振荡电路串并联振荡电路 D1D2 R2 R3 （5）振荡频率和幅度）振荡频率和幅度 CR f 2 1 0 电路的输出电压幅度为电路的输出电压幅度为 onom V R RRR V 3 321 式中，式中，Von是二极管的导通压降。是二极管的导通压降。 RC串并联振荡电路串并联振荡电路 D1D2 R2 R3 2RC串并联振荡电路串并联振荡

16、电路 电路的振荡频率为电路的振荡频率为 非线性元件稳幅使输出电压谐波大。在每个信号周期内，非线性元件稳幅使输出电压谐波大。在每个信号周期内， 输出电压在负峰值与正峰值之间变化。当输出电压绝对值小时输出电压在负峰值与正峰值之间变化。当输出电压绝对值小时 二极管截止，放大电路的增益大；电压绝对值大时二极管导通，二极管截止，放大电路的增益大；电压绝对值大时二极管导通， 放大电路的增益小，导致输出谐波大。放大电路的增益小，导致输出谐波大。 稳幅电路可以采用非线性元件、热敏线性电阻和压控线性电稳幅电路可以采用非线性元件、热敏线性电阻和压控线性电 阻实现增益自动调节。阻实现增益自动调节。 3稳幅电路稳幅电

17、路 正温度系数的热敏电阻稳幅正温度系数的热敏电阻稳幅 t oC R1是具有正温度系数的热是具有正温度系数的热 敏线性电阻。敏线性电阻。 起振时，起振时，31 1 f R R A V 即即1 VV FA 热敏电阻的作用热敏电阻的作用 o V o I 功耗 1 R温度 1 R阻值 1 R 3 V A1 VV FA稳幅稳幅 V A 采用非线性元件采用非线性元件 4场效应管（ 场效应管（JFET） 31 DS3 p3 RR R A V 稳幅原理稳幅原理 o V )( GS 负负值值V DS R 1 VV FA稳幅稳幅 V A 34 CRD、整流滤波整流滤波 T 压控电阻压控电阻 vDS iD vGS=

18、0V -1V -2V -3V 3 V A 可变电阻区，可变电阻区， 斜率随斜率随vGS不不 同而变化同而变化 3稳幅电路稳幅电路 频段开关频段开关S稳稳 幅幅 电电 路路 频率调节电路频率调节电路 补充：补充：RC移相式振荡电路移相式振荡电路 1. RC移相电路移相电路 + + uo f uRR R CC C + uouf + RRR CCC （1 ）RC超前移相电路超前移相电路 （2）RC滞后移相电路滞后移相电路 F o +90 +180 +270 0 选择单级移相选择单级移相60o, 0 0 60 1 RCtg F o -90 -180 -270 0 u + + A + / / = =/

19、o R2 R1 R0RR CCC uf R RR0 1 R 2. RC移相式振荡电路移相式振荡电路 o A 180 在在 f0 处处 o F 180 满足相位条件：满足相位条件：0 FA LR C LR C Z j j 1 )j( j 1 等效损耗电阻等效损耗电阻 ) 1 j( C LR C L Z 一般有一般有LR 则则 C Q LQ RC L Z 0 00 当当 时，时， LC 1 0 电路谐振。电路谐振。 LC 1 0 为谐振频率为谐振频率 谐振时谐振时阻抗最大，且为纯阻性阻抗最大，且为纯阻性 其中其中 C L RRCR L Q 11 0 0 为品质因数为品质因数 同时有同时有 sc I

20、QI 即即 sLc III 1LC并联回路的选频特性并联回路的选频特性 11.1.3 LC谐振回路的特性和选频放大器谐振回路的特性和选频放大器 （3）谐振时，）谐振时， SS IZV 0 电容的电流为电容的电流为 SSSSC IIjQICZjVCjI 000 所以所以 CCSL IIII 即谐振时，电感电流和电容电流形成回路电流，称为槽路电流，即谐振时，电感电流和电容电流形成回路电流，称为槽路电流， 槽路电流远远大于槽路电流远远大于LC并联电路的外部电流。并联电路的外部电流。 说明说明:当电感释放能量（磁场能）时电容吸收能量，而电容释当电感释放能量（磁场能）时电容吸收能量，而电容释 放能量（电

21、场能）时电感吸收能量。放能量（电场能）时电感吸收能量。 谐振时，电场能和磁场能的相互转换正是谐振的实质。谐振时，电场能和磁场能的相互转换正是谐振的实质。 1LC并联回路的选频特性并联回路的选频特性 11.1.3 LC谐振回路的特性和选频放大器谐振回路的特性和选频放大器 （a）幅频特性（）幅频特性（b）相频特性）相频特性 11.1.3 LC谐振回路的特性和选频放大器谐振回路的特性和选频放大器 （4）阻抗频率特性：）阻抗频率特性： )(1)(1 0 0 0 0 0 0 f f f f jQ Z jQ Z Z 2 0 0 2 0 )(1 1 f f f f Q Z Z )(arctan 0 0 f

22、f f f Q 分解为：分解为： 幅频特性幅频特性 相频特性相频特性 2. 选频放大电路选频放大电路 以以LC并联谐振回路作为共射电路的集电极负载，则可组并联谐振回路作为共射电路的集电极负载，则可组 成具有选频和放大功能的选频放大电路。成具有选频和放大功能的选频放大电路。 “*”表示变压器表示变压器 的同名端，表明按的同名端，表明按 图示的参考方向，图示的参考方向， 原边电压和付边电原边电压和付边电 压相位相同。压相位相同。 11.1.3 LC谐振回路的特性和选频放大器谐振回路的特性和选频放大器 谐振频率：谐振频率： LC f LC 2 1 , 1 00 2. 选频放大电路选频放大电路 11.

23、1.3 LC谐振回路的特性和选频放大器谐振回路的特性和选频放大器 放大电路的增益为：放大电路的增益为： /1 /1)/( L L be L be L o o i o i o v RZ RZ nr R nr RZ V V V V V V A /1 / L L be L vv RZ RZ nr R AA 幅频响应幅频响应 忽略忽略LC谐振回路的电阻（谐振回路的电阻（Z0），则），则 在谐振频率处，最大增益为在谐振频率处，最大增益为 be L be L v r nR nr R A 0 如果对选频放大器引入正如果对选频放大器引入正 反馈，并用反馈信号取代输入信反馈，并用反馈信号取代输入信 号，则可组成

24、号，则可组成LC正弦波振荡器。正弦波振荡器。 LC振荡器常用于产生振荡器常用于产生 1MHz以上频率的正弦波。由于以上频率的正弦波。由于 普通运放频带较窄，一般由分立普通运放频带较窄，一般由分立 元件放大器或高频集成放大电路元件放大器或高频集成放大电路 组成组成LC振荡器，分为变压器反振荡器，分为变压器反 馈式、电感三点式和电容三点式馈式、电感三点式和电容三点式 振荡器。它们的共同点是用振荡器。它们的共同点是用LC 并联谐振回路作选频电路。并联谐振回路作选频电路。 11.1.4 LC正弦波振荡器正弦波振荡器 虽然波形出现了失真，但由于虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的谐振电路的Q值很高，

25、值很高， 选频特性好，所以仍能选出选频特性好，所以仍能选出 0的正弦波信号。的正弦波信号。 1. 电路结构电路结构 2. 相位平衡条件相位平衡条件 3. 幅值平衡条件幅值平衡条件 4. 稳幅稳幅 5. 选频选频 通过选择高通过选择高增益的场效应管和调增益的场效应管和调 整变压器的匝数比，可以满足整变压器的匝数比，可以满足1 FA 使电路可以起振。使电路可以起振。 BJT进入非线性区，波形出现失真，进入非线性区，波形出现失真， 从而幅值不再增加，达到稳幅目的。从而幅值不再增加，达到稳幅目的。 （定性分析）（定性分析） 11.1.4 LC正弦波振荡器正弦波振荡器 1变压器反馈式变压器反馈式 11.

26、1.4 LC正弦波振荡器正弦波振荡器 放大器的输入电阻既是付边的负放大器的输入电阻既是付边的负 载电阻载电阻RL。 bebebbiL rrRRRR/ 21 0 1 2 180 11 nnN N V V F o f 在谐振频率，放大电路的增益为：在谐振频率，放大电路的增益为： 0 21 22 0 180 )/( be bebb be L be L i o v r rRRn r Rn r R V V A 输入电阻：输入电阻： 反馈系数：反馈系数： 电路的振荡频率是电路的振荡频率是LC 回路的谐振频率，即回路的谐振频率，即 LC f LC 2 1 , 1 00 1变压器反馈式变压器反馈式 11.1.

27、4 LC正弦波振荡器正弦波振荡器 特点：变压器反馈式正弦波振荡电路易于产生振荡（调整变特点：变压器反馈式正弦波振荡电路易于产生振荡（调整变 比），波形较好。比），波形较好。 但是，磁耦合反馈的损耗较大，振荡频率的稳定度不够高。但是，磁耦合反馈的损耗较大，振荡频率的稳定度不够高。 起振条件是：起振条件是： 1 1)/( 21 2 0 n nr rRRn FA be bebb v 2电感反馈式正弦波振荡器电感反馈式正弦波振荡器 11.1.4 LC正弦波振荡器正弦波振荡器 LC谐振回路中的总电感为谐振回路中的总电感为L L1+L2+2M，M为互感为互感 CMLL)2( 1 21 0 谐振角频率为：谐

28、振角频率为： 谐振频率对应的反馈系数：谐振频率对应的反馈系数： 0 2 1 2 1 020 010 180 )( ML ML ML ML IMjILj IMjILj V V F o f 输入电阻：输入电阻： bebei rrRRR/ 21 2电感反馈式正弦波振荡器电感反馈式正弦波振荡器 11.1.4 LC正弦波振荡器正弦波振荡器 谐振时，谐振时，Ri等效到电感线圈的等效到电感线圈的 2端和端和3端的电阻：端的电阻： bebe be r ML ML rRR ML ML F rRR R 2 1 2 21 2 1 2 2 21 32 )(/)( / 忽略忽略LC谐振回路的损耗，谐谐振回路的损耗，谐

29、振时放大电路的增益：振时放大电路的增益： 02 1 232 0 180)( ML ML r R r R V V A bebe L i o v 可见，唯有在谐振频率处，满足相位平衡条件：可见，唯有在谐振频率处，满足相位平衡条件： a+f1800+1800=3600。 采用瞬时极性法定性分析相位平衡条件，如图示。采用瞬时极性法定性分析相位平衡条件，如图示。 11.1.4 LC正弦波振荡器正弦波振荡器 起振条件：起振条件： 1 1 2 0 ML ML FAv CMLL f )2(2 1 21 0 电路的振荡频率是电路的振荡频率是LC回路的谐振回路的谐振 频率，即：频率，即： 特点：由于反馈电压取自电

30、感，感抗随频率升高而增大，增特点：由于反馈电压取自电感，感抗随频率升高而增大，增 强反馈电压中的高次谐波，使输出波形不理想。强反馈电压中的高次谐波，使输出波形不理想。 在要求输出更纯的正弦波时，可采电容反馈式振荡电路。在要求输出更纯的正弦波时，可采电容反馈式振荡电路。 用可变电容替换固定电容用可变电容替换固定电容C可实现频率可实现频率 调节，调节范围较宽。通常振荡频率在几百调节，调节范围较宽。通常振荡频率在几百 kHz到几十到几十MHz之间。之间。 3电容反馈式正弦波振荡器电容反馈式正弦波振荡器 11.1.4 LC正弦波振荡器正弦波振荡器 电容电容C1和和C2串联，与电感串联，与电感L组成组成

31、LC谐振回路。谐振回路。 谐振角频率：谐振角频率： 21 21 0 1 CC CC L 谐振频率对应的反馈系数：谐振频率对应的反馈系数： 0 1 2 1 2 20 10 180 1 1 C C C C I Cj I Cj V V F o f 晶体管晶体管T构成共射极放大电路，构成共射极放大电路， 输入电阻为：输入电阻为： bebei rrRRR/ 21 3电容反馈式正弦波振荡器电容反馈式正弦波振荡器 11.1.4 LC正弦波振荡器正弦波振荡器 谐振时，谐振时，Ri等效到谐振回路的等效到谐振回路的2端和端和3端的电阻为：端的电阻为： bebe be r C C rRR C C F rRR R 2

32、 2 1 21 2 2 1 2 21 32 )(/)( / 忽略忽略LC谐振回路的损耗，谐振回路的损耗， 谐振时放大电路的增益为谐振时放大电路的增益为 02 2 132 0 180)( C C r R r R V V A bebe L i o v 唯有在谐振频率处，满足相位平衡条件：唯有在谐振频率处，满足相位平衡条件：a+f1800+1800=3600。 采用瞬时极性法定性分析相位平衡条件，如图示。采用瞬时极性法定性分析相位平衡条件，如图示。 起振条件：起振条件：1 2 1 0 C C FAv 电路的振荡频率是电路的振荡频率是LC回路的谐振回路的谐振 频率，即：频率，即： 21 21 0 2

33、1 CC CC L f 由于反馈电压取自电容，容抗随频率升高而减小，抑制反馈由于反馈电压取自电容，容抗随频率升高而减小，抑制反馈 电压中的高次谐波，因而输出波形是较纯的正弦波。电压中的高次谐波，因而输出波形是较纯的正弦波。 适当选择适当选择C1/C2或选择合适的晶或选择合适的晶 体管体管，可满足上述起振条件。，可满足上述起振条件。 3电容反馈式正弦波振荡器电容反馈式正弦波振荡器 11.1.4 LC正弦波振荡器正弦波振荡器 注意：注意：C1和和C2必须同步调整，以保证起振条件，故频率调整不方便。必须同步调整，以保证起振条件，故频率调整不方便。 3电容反馈式正弦波振荡器电容反馈式正弦波振荡器 11

34、.1.4 LC正弦波振荡器正弦波振荡器 )(2 1 3 21 21 0 C CC CC L f 振荡频率：振荡频率： 输入电容输入电容Ci：主要是晶体管的发射结电容：主要是晶体管的发射结电容 寄生电容：寄生电容： 输出电容输出电容Co：主要是晶体管的集电结电容：主要是晶体管的集电结电容 晶体管极间电容是温度的函数，晶体管极间电容是温度的函数，C1和和C2必须远必须远 大于大于Ci和和Co ，振荡频率才不受，振荡频率才不受Ci和和Co的影响，提高的影响，提高 振荡频率稳定性。振荡频率稳定性。 3电容反馈式正弦波振荡器电容反馈式正弦波振荡器 11.1.4 LC正弦波振荡器正弦波振荡器 选择选择C1

35、和和C2远大于远大于Ci、Co和和C3，消除了，消除了Ci和和Co对振荡对振荡 频率的影响。频率的影响。 3321 11111 CCCCC 振荡频率：振荡频率： 3 0 2 1 2 1 LCLC f 在在LC振荡回路中，振荡回路中，C1、C2 和和C3串联，回路总电容：串联，回路总电容： 频率稳定度定义：各种因素引起的振荡频率变化量频率稳定度定义：各种因素引起的振荡频率变化量f0与振与振 荡频率荡频率f0之比（之比（f0/f0）。）。 改进的电容反馈式正弦波振荡器的频率稳定度改进的电容反馈式正弦波振荡器的频率稳定度f0/f0可可 小于小于0.01，频率稳定度较高。，频率稳定度较高。 11.1.

36、5石英晶体振荡器石英晶体振荡器 频率稳定问题频率稳定问题 如果对振荡频率的稳定性要求更高，可在振荡电路中用石英如果对振荡频率的稳定性要求更高，可在振荡电路中用石英 晶体谐振器取代晶体谐振器取代LC选频电路，构成石英晶体振荡器。选频电路，构成石英晶体振荡器。 石英晶体振荡器的频率稳定度高达石英晶体振荡器的频率稳定度高达10-910-11。 结构结构 极板间加电场极板间加电场 极板间加机械力极板间加机械力 晶体机械变形晶体机械变形 晶体产生电场晶体产生电场 压电效应压电效应 交变电压交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压 机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高机械振动的固有频率与晶片尺寸有关

37、，稳定性高 当交变电压频率当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大。固有频率时，振幅最大。 压电谐振压电谐振 11.1.5石英晶体振荡器石英晶体振荡器 1石英晶体谐振器的电特性石英晶体谐振器的电特性 等效电路等效电路: LC f 2 1 s (1) 串联谐振串联谐振 电特性电特性: 晶 体 等 效 阻晶 体 等 效 阻 抗为纯阻性。抗为纯阻性。 0 p 1 2 1 C C LC f (2) 并联谐振并联谐振 通常通常 0 CC 0 s 1 C C f 所以所以很很接接近近与与 ps ff （a）符号）符号 （b）电路模型）电路模型 （c）电抗）电抗-频率响应特性频率响应特性 11.1.5石英晶

38、体振荡器石英晶体振荡器 1石英晶体谐振器的电特性石英晶体谐振器的电特性 11.1.5石英晶体振荡器石英晶体振荡器 1石英晶体谐振器的电特性石英晶体谐振器的电特性 （3）电抗频率特性）电抗频率特性 忽略电阻忽略电阻R，回路的等效阻抗，回路的等效阻抗: jX CC j Cj Lj Cj Cj Lj Cj Z p s )1)( 1 11 ) 1 ( 1 2 2 0 2 2 0 0 )1)(2 1 )1)( 1 2 2 0 2 2 2 2 0 2 2 p s p s f f CCf f f CC X Z近似为纯电抗近似为纯电抗X。当。当ffs时，时，X0，呈容性；呈容性； 当当fsf0，呈感性；呈感性

39、；当当ffp时，时，X0，呈容性。呈容性。 实际使用时外接一小电容实际使用时外接一小电容Cs 则新的谐振频率为则新的谐振频率为 s0 s 1 2 1 CC C LC f 由于由于 s0 CCC s0 s 1 CC C f 由此看出由此看出 )(2 1 s0 ss CC C ff ；时，时， 0 pss ffC sss ffC 时，时， 调整调整之之间间变变化化和和在在可可使使 psss fffC 1石英晶体谐振器的电特性石英晶体谐振器的电特性 （4）石英晶体并联谐振电路）石英晶体并联谐振电路 (a)串联型串联型 f f0 0 =f fs s （b）并联型）并联型 f fs s f f0 0 V

40、T+ , 就有就有 v- v+ ,vo 立即由立即由VZ变成变成VZ 。 在在 vc VT+ 时，时， v- v+ , 设设uC初始值初始值uC(0+)= 0 vo保持保持+VZ不变不变 +VZ 11.2.1矩形波振荡器矩形波振荡器 A 此时，此时，C向向v vO O放电放电, ,再反向充电再反向充电 (2) 当当vo = -VZ 时，时， v+=VT- vc达到达到V VT-时，时，v vo上跳。上跳。 VT+ vc t VT- 当当vo 重新回到重新回到VZ 后，电路又进入另一个周期性的变化。后，电路又进入另一个周期性的变化。 -VZ 0 VT+ vc t VT- +VZ vo 0 t -

41、 VZ T 完整的波形：完整的波形： 计算振荡周期计算振荡周期T。 A 3.周期与频率的计算：周期与频率的计算： 0 VT+ vc t VT- +VZ -VZ T1T2 T T= T1 + T2 =2 T2 vc(t)=vC ( )+ vC (0+) -vC ( ) e , =RC - t T2阶段阶段vc(t)的过渡过程方程为的过渡过程方程为: ) 2 1ln(2ln2 f 1 R R RC VV VV RCT ZT ZT 可推出可推出: 因为电容充电和放电的时间常数、电压变化幅度等相因为电容充电和放电的时间常数、电压变化幅度等相 同，所以输出高电平、低电平持续时间相等的方波。同，所以输出高

42、电平、低电平持续时间相等的方波。 A 4.4.占空比可调的方波发生器占空比可调的方波发生器 UZ uo 0 t - UZ D2 D1 RW 充电充电 放电放电 充电时间：充电时间： ) 2 1ln()( 2 1 11 R R CRRT W 放电时间：放电时间： ) 2 1ln()( 2 1 22 R R CRRT W 周期周期T： ) 2 1ln()2( 2 1 21 R R CRRTTT W （11.2.4） RR RR T T W W 2 11 占空比占空比： 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 工作原理工作原理： 若若vo1=+VZ， vo2， u+ 。 )(

43、0dt 1 2o 0 1o2o vv RC v t 2o 21 2 1o 21 1 v RR R v RR R v 当当v+ 0时，时， vo1翻转为翻转为-VZ。 若若vo1=-VZ， vo2， u+ 。 当当v+ 0时，时， vo1翻转为翻转为+VZ。 vO1 vI (b) 同相迟滞比较器的传输特性同相迟滞比较器的传输特性 VOH=VZ VOL =-VZ o VT-VT+ (a) 电路电路 11.2.2 三角波振荡器三角波振荡器 波形图波形图 振荡周期：振荡周期： 0 VT+ uo2 t VT- +UZ uo1 0 t - VZ T 2 1 4 R RCR T 0, 21 0201 201

44、 v RR vv Rvv 三角波输出电压峰峰值三角波输出电压峰峰值Vopp: ZTTopp V R R VVV 2 1 2 因此，调节因此，调节R或或C值只改变振荡周期而不影响振荡幅度。值只改变振荡周期而不影响振荡幅度。 11.2.3 锯齿波振荡器锯齿波振荡器 三角波的上升斜率和下降斜率的绝对值相等，而锯齿波三角波的上升斜率和下降斜率的绝对值相等，而锯齿波 的上升斜率和下降斜率的绝对值不相等，改变三角波电路中的上升斜率和下降斜率的绝对值不相等，改变三角波电路中 反相积分器的正反向充电时间常数即可。反相积分器的正反向充电时间常数即可。 锯齿波振荡电路锯齿波振荡电路 锯齿波振荡器输出电压波形锯齿波

45、振荡器输出电压波形 斜率斜率-VZ/(R+RW1)C 斜率斜率VZ/ (R+RW2)C 11.2.3 锯齿波振荡器 锯齿波振荡电路锯齿波振荡电路 锯齿波振荡器输出电压波形锯齿波振荡器输出电压波形 斜率斜率-VZ/(R+RW1)C 斜率斜率VZ/ (R+RW2)C 输出电压的上升时间：输出电压的上升时间： CRR R R CRR V V R R V R R T W W Z ZZ )(2 )( )( 2 2 1 2 2 1 2 1 2 输出电压的下降时间：输出电压的下降时间： CRR R R CRR V V R R V R R T W W Z ZZ )(2 )( 1 2 1 1 2 1 2 1 1 振荡周期：振荡周期： CRR R R TTT W )2(2 2 1 21 锯齿波输出电压峰峰值锯齿波输出电压峰峰值Vopp： ZTTopp V R R VVV 2 1 2 11.3 单片集成函数发生器单片集成函数发生器 单片集成函数发生器是一种可以同时产生三角波、方波和正单片集成函数发生器是一种可以同时产生三角波、方波和正 弦波的专用集成电路。通过调节外部电路参数，还可以获得锯齿弦波的专用集成电路。通过调节外部电路参数，还可以获得锯齿 波和矩形波。电路核心是一个压控振荡器，产生三角波和方波，波和矩形波。电路核心是一个压控振荡器，产生三角波和方波，