模拟电子技术简明教程-(第三版)第九章-波形发生电路

1、第第9章章波形发生器波形发生器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第一节第一节 正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法第一节第一节 正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法第一节第一节 正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法一一 、 产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件tUuiisin2)sin(2tUuiftUtUuiifsin2)sin(2第一节第一节 正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路

2、的分析方法一一 、 产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件fiUU foiiUFUFAUU tUuuiifsin2第一节第一节 正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法1 FA振幅平衡条件振幅平衡条件 n2FA 相位平衡条件相位平衡条件所以，自激振荡条件也可以写成：所以，自激振荡条件也可以写成：n是整数是整数相位条件相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；意味着振荡电路必须是正反馈；振幅条件振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。可以通过调整放大电路的放大倍数达到。自激振荡的条件：自激振荡的条件：1. FAAAA |因为：因为：FFF |.Xdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网

3、络FXX第一节第一节 正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法二、起振条件和稳幅原理二、起振条件和稳幅原理起振条件：起振条件：结果：产生增幅振荡结果：产生增幅振荡1|FA（略大于）（略大于）1 1、被动稳幅：、被动稳幅：器件非线性器件非线性2 2、主动稳幅：、主动稳幅：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以用以调节调节放大电路的放大电路的增益。增益。稳幅过程：稳幅过程：起振时，起振时，1|FA稳定振荡时，稳定振荡时，1|FA稳幅措施：稳幅措施：起振过程起振过程Xdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXX第一节第一节 正弦波振荡电路的分析方法正弦波振

4、荡电路的分析方法三、正弦波振荡电路的组成三、正弦波振荡电路的组成 放大电路放大电路：能量控制，保证输出有一定的幅度；：能量控制，保证输出有一定的幅度； 选频网络选频网络：确定输出信号为单一频率的正弦波；：确定输出信号为单一频率的正弦波； 反馈网络反馈网络：引入正反馈；：引入正反馈； 稳幅环节稳幅环节：使输出信号幅值稳定。：使输出信号幅值稳定。其中选频网络往往与反馈网络合二为一其中选频网络往往与反馈网络合二为一, 稳幅稳幅环节用非线性元件实现环节用非线性元件实现. oXdXfX放大电路 反馈与 选频网络 第一节第一节 正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法根据选频网络所用元件分类。根据

5、选频网络所用元件分类。1) RC正弦波振荡电路：几百千赫以下正弦波振荡电路：几百千赫以下2) LC正弦波振荡电路：几百千赫几百兆赫正弦波振荡电路：几百千赫几百兆赫3) 石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定四、正弦波振荡器的分类四、正弦波振荡器的分类 oXdXfX放大电路 反馈与 选频网络 第一节第一节 正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法五、五、 正弦波振荡电路分析步骤正弦波振荡电路分析步骤瞬时极性法瞬时极性法。AF2 n oXdXfX放 大 电 路 反 馈 与 选 频 网 络 第一节第一节 正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法9.1

6、正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法小结小结1. 条件条件Xdof基本放大基本放大器器A反馈与反馈与选频网选频网络络FXX1 FA振幅平衡条件振幅平衡条件n2FA相位平衡条件相位平衡条件1 FA起振时需要起振时需要3.分类分类RC， LC， 石英晶体石英晶体5.与负反馈区别与负反馈区别2. 组成组成 1) 放大电路：放大作用放大电路：放大作用2) 正反馈网络：满足相位条件正反馈网络：满足相位条件3) 选频网络：让选频网络：让f0通过通过,衰减其它频率衰减其它频率4) 非线性环节：稳幅非线性环节：稳幅Xi f基本放大基本放大器器A反馈网络反馈网络FX+doXX1FA)12(FAnfi

7、dXXX4.分析步骤分析步骤第二节第二节 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路第二节第二节 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路一一. RC 串并联选频网络串并联选频网络R1C1 串联阻抗：串联阻抗：212ofZZZUUF)j/1 (111CRZ222222j1 )j/1/(CRRCRZR2C2 并联阻抗：并联阻抗：选频特性：选频特性：+Ru+-o-fu+12RC12C第二节第二节 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路+Ru+-o-fu+12RC12C1.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。R111C R221C 其低频等效电路为：其低频等效电路为：其频率特性为：其

8、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 F90第二节第二节 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路+Ru+-o-fu+12RC12C（2）当信号的频率很高时。）当信号的频率很高时。R111C R221C 其高频等效电路为：其高频等效电路为：其频率特性为：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-90第二节第二节 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路0=？ 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

9、=0时，时，F最大，且最大，且 =0F0 |F|0 F900 |F|0 F-90频率很低频率很低频率很高频率很高第二节第二节 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路2. 定量分析定量分析)j/1(111CRZ 222222j1 )j/1/(CRRCRZ R1C1 串联阻抗：串联阻抗：R2C2 并联阻抗：并联阻抗：212ofZZZUUF +Ru+-o-fu+12RC12C)1j()1(1j1j1j11221211222211222CRCRRRCCCRRCRCRRF 第二节第二节 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路)1j()1(1j1j1j11221211222211222CRCRRRCCCRRC

10、RCRRF 通常，取通常，取R1R2R，C1C2C，则有：，则有：)j(3100 F式中：式中：RC10 可见：当可见：当 时，时， F最大，且最大，且 =0RC10F Fmax=1/3第二节第二节 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路RC串并联网络完整的频率特性曲线：串并联网络完整的频率特性曲线：RC10 当当 时，时， F= Fmax=1/30FRC10RCf 210 Fo +90o |F|1/3RCf 210 Fo +90o |F|1/3第二节第二节 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路二、二、 RC 串并联网络振荡电路串并联网络振荡电路 满足相位平衡条件处正反馈00F0Af；，振荡电路

11、的工作原理动画RC振荡电路的几种工作状态动画第二节第二节 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路+ RC 串并联网络振荡电路第二节第二节 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路+ RC 串并联网络振荡电路热敏电阻(负温度系数）t为何有上述作用？为何有上述作用？第二节第二节 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路第二节第二节 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路RC 串并联网络振荡电路第二节第二节 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 小结小结RC 串并联选频网络串并联选频网络+Ru+-o-fu+12RC12CRC10 RCf 210 Fo +90o |F|1/

12、3第二节第二节 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路uRf1RRRCCufA+oRC桥式振荡器桥式振荡器31F11fRRA9.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 小结（续）小结（续）第二节第二节 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 第三节第三节 LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路第三节第三节 LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路一、一、 LC 并联电路的选频特性并联电路的选频特性 LC 并联电路第三节第三节 LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 LC 并联电路 第三节第三节 LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路第三节第三节 LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路二、二、 变压器反馈式振荡电

13、路变压器反馈式振荡电路特点：特点： 易振，波形较好；耦合不紧易振，波形较好；耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。密，损耗大，频率稳定性不高。 为使为使N1、N2耦合紧密，将它们耦合紧密，将它们合二为一，组成电感反馈式电路。合二为一，组成电感反馈式电路。第三节第三节 LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路电感三点式振荡电路三、三、 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路fiUU与相位相同第三节第三节 LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路式中式中 为回路的总电感，即为回路的总电感，即其中其中为为与与之间的互感。之间的互感。式中式中为折合到管子集电极和发射极间的等效并联总为折合到管子集电极和发射极间的等

14、效并联总损耗电阻。损耗电阻。第三节第三节 LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路第三节第三节 LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路第三节第三节 LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路电容三点式振荡电路四、四、 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路第三节第三节 LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路式中式中为折合到管子集电极和发射极间的等效并联总为折合到管子集电极和发射极间的等效并联总损耗电阻。损耗电阻。第三节第三节 LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路第三节第三节 LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路第三节第三节 LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路五、五、 电容三点式改进电路电容三点式改进电路03

15、12fLC第四节第四节 石英晶体振荡器石英晶体振荡器第四节第四节 石英晶体振荡器石英晶体振荡器处理器处理器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。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 一般一般LC选频网络的选频网络的Q为几百，石英晶体的为几百，石英晶体的Q可可达达104106；前者；前者f/f为为105，后者可达，后者可达10101011。01LLQRRC晶体第四节第四节 石英晶体振荡器石英晶体振荡器1.石英晶体结构与压电效应石英晶体结构与压电效应VV晶片晶片敷银层敷银层符号符号VV极板间加交变电场极板间加交变电场极板间机械振动极板间机

16、械振动晶体产生机械变形晶体产生机械变形晶体产生电场晶体产生电场交变电压交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压压电效应压电效应通常振幅较小，但当交变电压频率为某一特定频率通常振幅较小，但当交变电压频率为某一特定频率时，振幅最大时，振幅最大,称为称为压电谐振压电谐振。上述特定频率称为晶体的上述特定频率称为晶体的固有频率固有频率或或谐振频率谐振频率第四节第四节 石英晶体振荡器石英晶体振荡器2. 石英晶体的等效电路与频率特性石英晶体的等效电路与频率特性等效电路：等效电路：uu石英晶体uuLCCoR静电电容（平静电电容（平行板电容）约行板电容）约几几几十皮法几十皮法模拟晶体机模拟晶体机械振动惯性械振动

17、惯性1010-3 -31010-2 -2H H晶体弹性电容晶体弹性电容1010-4 -41010-1 -1pFpF模拟机械振动摩模拟机械振动摩擦损耗，很小擦损耗，很小又因加工精度很高，所以能获得很高的频率稳定度。又因加工精度很高，所以能获得很高的频率稳定度。因因L L大，大，C C、R R小，则小，则 很很大大CLRQ1 第四节第四节 石英晶体振荡器石英晶体振荡器石英晶体的频率特性石英晶体的频率特性CLjCjZ/1110CL1时时当当LC21fS即即串联谐振频率（阻抗最小）串联谐振频率（阻抗最小）CLC110时时当当00PCCCCL21f即即并联谐振频率（阻抗最大）并联谐振频率（阻抗最大）uu

18、LCCoR第四节第四节 石英晶体振荡器石英晶体振荡器LCf 21s （1）串联谐振）串联谐振频率特性：频率特性： 晶体等效纯阻且阻值晶体等效纯阻且阻值00p121CCLCf （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 psffuuLCCoRfZ感性感性0fsfp容性容性容性容性一个晶体有两个谐振频率。一个晶体有两个谐振频率。第四节第四节 石英晶体振荡器石英晶体振荡器二、石英晶体振荡电路二、石英晶体振荡电路oU晶体晶体并联型石英晶体振荡并联型石英晶体振荡电路利用石英晶体作电路利用石英晶体作为一个电感来组成选为一个电感来组成选频网络，晶体工作在频网络，晶体工作在f 和和f 之间。之间。电路的电路的振荡频率振荡频率s001CffCC 1212C CCCC 第四节第四节 石英晶体振荡器石英晶体振荡器oU晶体晶体调节电阻调节电阻的大小可的大小可以改变正反馈的强弱，以改变正反馈的强弱，以便获得良好的正弦以便获得良好的正弦波输出。波输出。串联型石英晶体振荡电路利用石英晶体串联谐振时阻串联型石英晶体振荡电路利用石英晶体串联谐振时阻抗最小的特性组成振荡电路，晶体工作在抗最小的特性组成振荡电路，晶体工作在 f 处。处。第五节第五节 非正弦波发生电路非正弦波发生电路第五节第五节 非正弦波发生电路非正弦