第九章波形发生电路

1、模拟电子技术模拟电子技术第九章波形发生电路第九章波形发生电路第九章第九章波形发生电路波形发生电路9.1正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法9.2RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.3LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.4石英晶体振荡器石英晶体振荡器9.5非正弦波发生电路非正弦波发生电路9.1正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法一、产生正弦波振荡的条件一、产生正弦波振荡的条件iU放大电路放大电路AioUAU 反馈网络反馈网络FtUU sin2ii OfUFU 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，则即使无外输完全相等，则即使无外输入

2、信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号自激振荡自激振荡。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：ifUU 即：即：iiofUUAFUFU 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 FA1 FA幅度平衡条件幅度平衡条件2argFAnFA 相位平衡条件相位平衡条件, 2 , 1 , 0 n二、正弦波振荡电路的组成和分析步骤二、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、选频网络和稳幅环节。分析

3、步骤分析步骤：1. 判断能否产生正弦波振荡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常工）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；作；3）分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件和振幅平衡）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。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。2. 估算振荡频率和起振条件估算振荡频率和起振条件9.2RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路一、一、RC 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

4、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。1)1)定性分析：定性分析：（1）当信号的频率很低时）当信号的频率很低时R111CR221C其频率特性为：其频率特性为：当当=0时，时，uf=0，F=0 =+90F当当时，时，uf=，F F+fo-+R21u-uC+0 |F|0 F90Z1Z2OU1. 1. RC RC 串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性（2）当信号的频率很高时）当信号的频率很高时R111CR221C其高频等效电路为：其高频等效电路为：其频率

5、特性为：其频率特性为：当当=时，时，uf=0，F=0 =-90F当当时，时，uf=，F F+ou-f-u+2C+1R0 |F|0 F-900=？ Fmax=？由以上分析知：一定有一个频率由以上分析知：一定有一个频率0存在，存在，当当=0时，时，F最大，且最大，且 =0F0 |F|0 F900 |F|0 F-902) 定量分析定量分析)1j()1 (1j11j1j1122112212211222212fCRCRCCRRCRCRCRRUUFO取取 R1 = R2 = R ， C1 = C2 = C ，令，令 RC10 则：则： )j(3100 FZ1Z2OU得得 RC 串并联电路的幅频串并联电路的

6、幅频特性为：特性为：2002)(31 F3arctg00F 相频特性为：相频特性为：时时，当当RC10 31 F最大，最大， F = 0。 0 0 F0 F 01/3+90- -902. 振荡频率与起振条件振荡频率与起振条件1）振荡频率）振荡频率RCf 2102）起振条件）起振条件1 FAf = f0 时，时，31 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的电压放大倍数为RRAu Ff1即要求：即要求：RR 2F3. 振荡电路中的反馈振荡电路中的反馈引入负反馈，可以提高放大倍数的稳定性，改善振荡电路的引入负反馈，可以提高放大倍

7、数的稳定性，改善振荡电路的输出波形，提高带负载能力。输出波形，提高带负载能力。反馈系数反馈系数RRRF 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弦波则电路可以起振，并产生比较稳定而失真较小的正弦波信号。信号。采用具有负温度系数的热敏电阻采用具有负温度系数的热敏电阻 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例例: :图示电路。图示电路。 （1 1）连接图中）连接图中A A、B B、C C、D D四点，四点，使之成为正弦波振荡电路；使之成为正弦波振荡电路

8、； （2 2）根据给定参数估算振荡频率；）根据给定参数估算振荡频率； （3 3）求振荡时电路中）求振荡时电路中R2为多大。为多大。1. A AD D；B BC C HZRCf10621002. 0105 . 72121630KKRR20102212二、其他形式的二、其他形式的 RC 振荡电路振荡电路1. 移相式振荡电路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荡的相位即可满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。平衡条件。振荡频率为：振荡频率为：RCf 32100ff0 27018090当当 f = f0

9、 时，相移时，相移 180，满足，满足正弦波振荡的相位条件。正弦波振荡的相位条件。起振条件：起振条件：RF 12 R2. 双双 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：RCf510 当当 f = f0 时，双时，双 T 网络的相移为网络的相移为 F = 180；反相比例运放；反相比例运放的相移的相移 A = 180，因此满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。，因此满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。如果放大电路的放大倍数足够大，同时满足振幅平衡条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。件，即可产生正弦波振荡。三种三种 RC 振荡电路的比较振荡电

10、路的比较名称RC 串并联网络振荡电路移相式振荡电路双 T 网络选频振荡电路电路形式振荡频率起振条件电路特点及应用场合可方便地连续调节振荡频率，便于加负反馈稳幅电路，容易得到良好的振荡波形。电路简单，经济方便，适用于波形要求不高的轻便测试设备中。选频特性好，适用于产生单一频率的振荡波形。RCf 2103 ARCf 3210RCf510 1 23 FARR，RR12F 9.3LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 一、一、LC 并联电路的特性并联电路的特性当频率变化时，并联电路阻抗的当频率变化时，并联电路阻抗的大小和性质都发生变化。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

11、发生并联谐振并联谐振。 2222)(j)(j1jLRLCLRRLRCY 0)(20200 LRLC 并联谐振角频率并联谐振角频率LCLR11)(1200 令：令：RLQ0 谐振回路的品质因数谐振回路的品质因数当当 Q 1 时时LC10 LCf 210谐振频率：谐振频率：220)(LRRYRCLQRLRLRYZ2202020011)(1)11(j1)1j(j)1j(j1j)j(1j2LCRLCRLCLRLCLRCLRCZ 回路回路等效阻抗等效阻抗：RCLYZ 001LC 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，LC10 在谐振频率附近，在谐振频率附近，)1(j12200

12、QZZ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 并联电并联电路的幅频特性：路的幅频特性：Z01Z02Q1 Q2Q1Q2相频特性：相频特性： 0 F+90- -90Q1Q2Q1 Q2感性感性纯阻纯阻容性容性结论：结论：1. 当当 f = f0 时，电路为纯电阻性，时，电路为纯电阻性，等效阻抗最大；当等效阻抗最大；当 f f0 时，电路为容性。所时，电路为容性。所以以 LC 并联电路具有选频特性。并联电路具有选频特性。2. 电路的品质因数电路的品质因数 Q 愈大，选频愈大，选频特性愈好。特性愈好。谐振时谐振时 LC 回路中的电流回路中的

13、电流ULRLUCI20200C)( 电容支路的电流：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：ULRRI202)( 所以：所以：IQI C当当 Q 1 时，时，II CII LLCII 结论结论：谐振时，电容支路的电流与电感支路的电流大小近：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。似相等，而谐振回路的输入电流极小。二、变压器反馈式振荡电路二、变压器反馈式振荡电路1. 电路组成电路组成用瞬时极性判断为用瞬时极性判断为正反馈正反馈，所以满足自激振荡的相位平衡条所以满足自激振荡的相位平衡条件。件。 - - 2. 振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件

14、LCf 210振荡频率振荡频率起振条件起振条件MCRr be 三、电感三点式振荡电路三、电感三点式振荡电路1. 电路组成电路组成用瞬时极性判断为用瞬时极性判断为正反馈正反馈，所以满足自激，所以满足自激振荡的相位平衡条件。振荡的相位平衡条件。- - - - -2. 振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件CMLLLCf)2(2121210 振荡频率振荡频率起振条件起振条件RrMLML be21 特点：特点：u优点：优点：由于由于L1L1和和L2L2之间耦合很紧，故比较容易起振；之间耦合很紧，故比较容易起振；可利用可变电容调节振荡频率，调节方便，调频范围可利用可变电容调节振荡频率，调节方便，调频范围广

15、。广。u缺点：缺点：因反馈电压就是因反馈电压就是L2L2上的电压，而电感对高次谐上的电压，而电感对高次谐波的阻抗很大，不能将高次谐波滤掉，故输出信号中波的阻抗很大，不能将高次谐波滤掉，故输出信号中含有较多高次谐波，波形较差。含有较多高次谐波，波形较差。 振荡频率不高于几十兆赫。振荡频率不高于几十兆赫。四、电容三点式振荡电路四、电容三点式振荡电路1. 电路组成电路组成用瞬时极性判断为用瞬时极性判断为正反馈正反馈，所以满足自激，所以满足自激振荡的相位平衡条件。振荡的相位平衡条件。2. 振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件212102121CCCCLLCf 振荡频率振荡频率起振条件起振条件RrCC

16、be12 - - - - - - 特点：特点：u优点：优点：反馈电压取自电容反馈电压取自电容C2C2，而电容对高次谐波的阻，而电容对高次谐波的阻抗小，故输出信号中高次谐波少，输出波形较好；抗小，故输出信号中高次谐波少，输出波形较好；u缺点：缺点：调节振荡频率不方便，如调节电容调节振荡频率不方便，如调节电容C1C1、C2C2来调来调节频率，将影响起振条件。调频范围较窄。节频率，将影响起振条件。调频范围较窄。 当频率很高时，要求当频率很高时，要求C1C1、C2C2很小，在交流通路中，很小，在交流通路中，C1C1、C2C2分别接在三极管的分别接在三极管的cece、bebe之间，如果之间，如果C1C1

17、、C2C2的容值的容值达到极间电容的数量级，由于三极管极间电容将随温达到极间电容的数量级，由于三极管极间电容将随温度变化，从而导致振荡频率不稳定。度变化，从而导致振荡频率不稳定。五、电容三点式改进型振荡电路五、电容三点式改进型振荡电路210111121CCCLf 振荡频率振荡频率选择选择 C C1， C C2，则：则：LCf 210减小了三极管极间电容对振荡频率的影响，适用于产生减小了三极管极间电容对振荡频率的影响，适用于产生高频振荡。高频振荡。名称变压器反馈式电感三点式电容三点式电容三点式改进型电路形式振荡频率起振条件同左频率调节方法及范围频率可调，范围较宽。同左频率可调，范围较小。同左振荡

18、波形一般较差好好频率稳定度可达 10-4同左可达 10-4 10-5可达 10-5适用频率几千赫 几十兆赫同左几兆赫 一百兆赫同左各种各种 LC 振荡电路的比较振荡电路的比较LCf 210CMLLf)2(21210 2121021CCCCLf 210111121CCCLf MCRr be RrMLML eb21 RrCC eb12 9.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 一、石英晶体的基本特性和等效电路一、石英晶体的基本特性和等效电路1. 基本特性基本特性压电效应压电效应：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产生机：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，在晶片相应的方

19、向上会械变形；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。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频率：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。时，振幅突然增加。2. 等效电路等效电路符号：符号：C C0 0 静电电容，等效于晶体不谐振时的平板电容，几皮法静电电容，等效于晶体不谐振时的平板电容，几皮法- -几十几十皮法；皮法；L L 晶体振动时机械振动的惯性，晶体振动时机械振动的惯性，1010-3-3-10-102 2H;H;CC等效晶体的弹性，等效晶体的弹性， 1010-2-2-10-10-1-1pFpFR R 晶体振动时摩擦产生的

20、损耗，一般为晶体振动时摩擦产生的损耗，一般为10102 2 各参数与晶体切割方式，以及芯片和电极的尺寸、形状等有关。各参数与晶体切割方式，以及芯片和电极的尺寸、形状等有关。符号：符号：串联谐振频率串联谐振频率LCf 21s并联谐振频率并联谐振频率0s00p121CCfCCCCLf 电抗频率特性电抗频率特性OfXfsfp容性容性容性容性感性感性二、石英晶体振荡电路二、石英晶体振荡电路1. 并联型石英晶体振荡电路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CCCCCCLf 000)(212121CCCCC 由于由于CCC 0s021fLCf 2. 串联型石英晶体振荡电路串联型石英

21、晶体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，且为纯电阻，晶体阻抗最小，且为纯电阻，此时正反馈最强，相移为零，此时正反馈最强，相移为零，电路满足自激振荡条件。电路满足自激振荡条件。振荡频率振荡频率s0ff 调节调节 R 可改变反馈的强弱，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。例：判断是否满足例：判断是否满足相位平衡条件相位平衡条件+ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU 断开反馈到放大器断开反馈到放大器的输入端点，假设在输的输入端点，假设在输入端加入一正极性的信入端加入一正极性的信号，用瞬时极性法判定号，用瞬时极性法判定反馈信号的极性。若反反馈

22、信号的极性。若反馈信号与输入信号同相，馈信号与输入信号同相，则满足相位条件；否则则满足相位条件；否则不满足。不满足。(+)(-)(+)(+)(+)(+)(+)满足相位平衡条件满足相位平衡条件Vb221eLCeccCbb1RRRLC（+）（+）（）（+）振荡频率振荡频率:（）LCf210满足相位平衡条件满足相位平衡条件VRReb1ccLCCeC2RcC1Rb29.5非正弦波发生电路非正弦波发生电路 一、矩形波发生电路一、矩形波发生电路1. 电路组成电路组成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

23、：钳位电路：VDZ、R3。2. 工作原理工作原理设设 t = 0 时，时，uC = = 0，uO = + UZ则则Z211URRRu tOuCZ211URRR Z211URRR OuOZU ZU tu+u 当当 u = uC = u+ 时，时，t1t2Z211URRRu 则则当当 u = uC = u+ 时，输出又一时，输出又一次跳变，次跳变， uO = + UZ输出跳变，输出跳变， uO = UZ2T2T3. 振荡周期振荡周期电容的充放电规律：电容的充放电规律： )(e)()0()( CtCCCuuutu 对于放电，对于放电，Z211)0(URRRuC Z)(UuC RC 解得：解得：)21

24、ln(221RRRCT 结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电阻，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。即可改变振荡周期。t1t22T2TtOuCZ211URRR Z211URRR OuOZU ZU tt34. 占空比可调的矩形波发生电路占空比可调的矩形波发生电路使电容的充、放电时间常数不同使电容的充、放电时间常数不同且可调，即可使矩形波发生器的占空且可调，即可使矩形波发生器的占空比可调。比可调。tOuCuOtOT1T2T充电时间充电时间 T1放电时间放电时间 T2)21ln()(21W1RRCRRT )21ln()(21W2RRCRRT占空比占空比 DW

25、W12RRRRTTD 1. 电路组成电路组成二、三角波发生电路二、三角波发生电路2. 工作原理工作原理OuO1ZU ZU tOuOomU omU t当当 u+ = u = 0 时，滞回比较时，滞回比较器的输出发生跳变。器的输出发生跳变。o2121o211uRRRuRRRu3. 输出幅度和振荡周期输出幅度和振荡周期Z21omURRU 解得三角波的解得三角波的输出幅度输出幅度当当 u+ = u = 0 时，时，uO1 跳变为跳变为 - -UZ， uO 达到最大值达到最大值 Uom 。振荡周期振荡周期241Zom444RCRRUCURT 三、锯齿波发生电路三、锯齿波发生电路1. 电路组成电路组成Ou

26、O1ZU ZU tOuOomU omU tT1T2T2. 输出幅度和振荡周输出幅度和振荡周期期Z21omURRU 2W112RCRRT 2W122RCRRT 2W1212RCRRTTT 例例: :图示电路，设集成运放和二极管均为理想器件，图示电路，设集成运放和二极管均为理想器件，R R10K10K、R1R112K12K、R2R215K15K、R3R32K2K，电位器，电位器R RW W100K100K，电容，电容C C0.01F0.01F，U UZ Z6V6V，电位器的滑动端调在中间位置，电位器的滑动端调在中间位置（1 1）画出输出电压和电容电压的波形；）画出输出电压和电容电压的波形；（2 2）估算输出电压的振荡周期）估算输出电压的振荡周期T T；（3 3）分别估算输出电压和电容上）分别估算输出电压和电容上电压的峰值电压的峰值Uom和和Ucm；（4 4）当电位器滑动端分别调至最上端）当电位器滑动端分别调至最上端和最下端时，电容的充电时间和最下端时，电容的充电时间T1T1、放、放电时间电时间T2T2、输出波形的振荡周期、输出波形的振荡周期T T以以及占空比各等于多少？及占空比各等于多少？t1t22T2TtOuCZ211URRR Z211URRR OuOZU ZU tt3 例例1 1： 图示电路图示电路（1 1）判断电路是