模拟电子技术基础8振荡器及波

1、1/2/2022 7:42:03 AM第8章 振荡器及波形产生电路1/2/2022 7:42:03 AM基本要求基本要求 1)掌握正弦波振荡器的振荡条件、电路组成、工作原理及分析方法；RC正弦波振荡器、LC反馈式正弦波振荡器、LC三点式正弦波振荡器以及石英晶体振荡器的电路组成、选频特性、振荡频率及特点等； 了解非正弦波振荡器的电路组成及工作原理。 1/2/2022 7:42:03 AM信号发生器按产生的波形特点可分为信号发生器按产生的波形特点可分为正弦波信号发生器正弦波信号发生器非正弦波信号发生器非正弦波信号发生器信号发生器常称为振荡器信号发生器常称为振荡器正弦波信号发生器是按照自激振荡原理构

2、成的。正弦波信号发生器是按照自激振荡原理构成的。1/2/2022 7:42:03 AM8.1 正弦波振荡器的振荡条件正弦波振荡器的振荡条件 8.1.1 振荡器的平衡振荡条件振荡器的平衡振荡条件 1产生正弦波自激振荡的平衡条件产生正弦波自激振荡的平衡条件.正正反馈网络反馈网络放大环节放大环节.XoAF.XidXf图8-1 正弦波振荡器的方框图ofXFXidoXAXiiidofXXFAXFAXFX若则可以产生自激振荡则可以产生自激振荡1/2/2022 7:42:04 AM输入输入Xid.反馈反馈Xf=FXo. .输出输出Xo= AXid. .放大环节放大环节 A正正反馈网络反馈网络 F若满足若满足

3、Xf=Xid.可在输出端继续维持原有的输出信号可在输出端继续维持原有的输出信号则为正反馈则为正反馈1/2/2022 7:42:04 AM振荡器的平衡振荡条件振荡器的平衡振荡条件 知电路产生自激振荡的平衡条件为知电路产生自激振荡的平衡条件为 由由.idofAFXFXX及及idfXX 1 AF幅值平衡条件幅值平衡条件： 1FA（8-2） 相位平衡条件相位平衡条件： n2FA2 , 1 , 0n（8-3） 1/2/2022 7:42:04 AM8.1.2 振荡器的起振条件和稳幅振荡器的起振条件和稳幅 当振荡器稳定工作时，当振荡器稳定工作时， fiidXXX若若 , ,则电路减幅振荡，最后停止振荡则电

4、路减幅振荡，最后停止振荡。1 AF振荡器的起振条件为：振荡器的起振条件为： 1FA幅值条件幅值条件： 1FA（8-5） 相位条件相位条件： 2FAn2 , 1 , 0n（8-6） 1/2/2022 7:42:04 AM振荡的建立与稳定振荡的建立与稳定A反馈特性反馈特性幅度特性幅度特性F太小太小自激振荡电路的建立过程（自激振荡电路的建立过程（线性反馈）线性反馈）omU0fidUUid0Uid3Uid2Uid1Uod0Uod1Uod2Uod3U1/2/2022 7:42:04 AM幅度特性幅度特性B幅度特性幅度特性非线性反馈非线性反馈非线性反馈非线性反馈omU0fidUU1/2/2022 7:42

5、:04 AM8.1.3 振荡器的组成、分析和分类振荡器的组成、分析和分类 1振荡器的基本组成振荡器的基本组成 放大环节放大环节正反馈网络正反馈网络选频网络选频网络稳幅环节稳幅环节组成组成1/2/2022 7:42:04 AM2. 振荡器的分析振荡器的分析 一般步骤为： （1）检查振荡器是否具有振荡器的几个基本环节，即是否有放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅环节（选频网络常和正反馈网络合而为一，有些振荡器没有单独的稳幅部分）。 （2）检查放大电路是否具有合适的静态工作点。 （3）判断振荡器是否满足正反馈自激振荡的相位平衡条件。 （4）判断振荡器是否满足幅值的起振条件和平衡条件，并由此确定相关的

6、放大电路和反馈网络的参数。 1/2/2022 7:42:04 AM3.正弦波正弦波振荡器的分类振荡器的分类 根据选频网络所用元件分为根据选频网络所用元件分为RC型振荡器型振荡器LC型振荡器型振荡器晶体振荡器晶体振荡器文氏电桥振荡电路文氏电桥振荡电路移相式振荡电路移相式振荡电路主要类型主要类型双双T网络式振荡电路网络式振荡电路8.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器 1/2/2022 7:42:04 AM8.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器 RC串并联网络的频率特性串并联网络的频率特性 oUfU1R2R1C2C图8-3 RC串并联网络Z1Z2C1R1Zw wj11 C2R2Zw wj

7、1/2 1/2/2022 7:42:04 AMoUfU1R2R1C2C图8-3 RC串并联网络Z1Z2当角频率较低时当角频率较低时 111RCw221RCwoUfU2R1CFo900wwF1/2/2022 7:42:04 AM当角频率较高时当角频率较高时 111RCw221RCwoUfU1R2R1C2C图8-3 RC串并联网络Z1Z2oUfU2C1RFo90wwF001/2/2022 7:42:04 AM由图由图8-3有：有： 221122212ofj1/jj1/CRCRCRZZZUUFwww)1( j)1 (112211221CRCRCCRRww为了方便调节振荡频率，一般取 RRR21CCC

8、21令 RC10w则有则有 )( j31)1( j3100wwwwwwRCRCF（8-7） 1/2/2022 7:42:04 AM其幅频特性和相频特性分别为：其幅频特性和相频特性分别为： 2002)(31wwwwF（8-8） )(31 arctan00Fwwww（8-9） FFo9011o90图8-6 RC串并联网络的频率特性3/ 10.1100.110（a) 幅频特性（b) 相频特性0ww0ww(a)(b)RC10ww时时 31maxFFoF0时时 0wwoF90幅频幅频特性特性曲线曲线相频相频特性特性曲线曲线1/2/2022 7:42:04 AM RC串并联正弦波振荡器串并联

9、正弦波振荡器 选频网络选频网络反馈网络反馈网络放大电路放大电路+-AoUfUR1RCtRRCAF图8-7 RC串并联正弦波振荡器1. .电路组成电路组成 1/2/2022 7:42:04 AM2. 工作原理工作原理 的幅值最大的幅值最大Uf=/3UoUf与与同相位同相位UoUf(1) 当当f = 时时0f(2) 当当 3 时，满足振荡条件。时，满足振荡条件。221RRRA (3) 振荡频率振荡频率RCf210 1/2/2022 7:42:04 AM稳幅措施稳幅措施+-AoUfUR3RC4RRC1D2D5R图8-8 利用二极管稳幅的文式桥振荡器选频网络选频网络反馈网络反馈网络限幅网络限幅网络图图

10、8-8是利用二极管的是利用二极管的非线性自动实现稳幅的非线性自动实现稳幅的电路。电路。 1/2/2022 7:42:04 AM8.2.2 移相式移相式RC振荡器振荡器 1/2/2022 7:42:04 AM+-AoUfU1R2R1C2CR3CfR图8-9 RC移相式正弦波振荡器 在图8-9中，第三级RC网络的电阻是放大器的输入电阻。 321RRR通常取 321CCC由相位平衡条件和幅值平衡条件推得： RCf3210振荡频率振荡频率 振幅条件振幅条件 RR12f1/2/2022 7:42:04 AM8.2.3 双双T选频网络选频网络RC振荡器振荡器 图8-10 双T网络正弦波振荡器+-AoUfU

11、R3RCC2RfRRC 双T选频网络RC振荡器电路原理图如图8-10所示。 RCf510当0ff 时，双 T 网络的相位移oF180，而反相比例放大电路的相移oA180， 因此可以满足振荡的相位条件。 1/2/2022 7:42:04 AM8.3 LC正弦波振荡器正弦波振荡器 8.3.1 LC并联网络的频率特性并联网络的频率特性 CLrUIZ图8-11 LC并联电路 如图8-11所示是一个LC并联电路，其中r是电感和电路中其他损耗的总等效电阻。并联LC电路的等效阻抗表达式为： LrCLrCLrCIUZwwwwwwjj1)j(j1)j/(j11/2/2022 7:42:04 AM通常rL w，上

12、式可写成： )1( j)1( jjj1CLrCLCLrLCZwwwwww（8-13） 当CLww1时， 阻抗Z为实数， 即纯电阻性。 电压U和电流源I同相， 发生了并联谐振。 谐振时的角频率为： LC10wLCf2101/2/2022 7:42:04 AM谐振时的阻抗为 CrLZ0定义谐振时的品质因素 CLrCrrLQ1100ww阻抗一般表达式可写为 )(j1)(j1000000ffffQZQZZwwww1/2/2022 7:42:04 AM其幅频特性和相频特性分别为 20020)(1ffffQZZ)(arctan00ffffQZ10ffQ大Q小o9010ffo90Q大Q小1/2/2022 7

13、:42:04 AM8.3.2 变压器反馈式振荡器变压器反馈式振荡器 如图8-13所示为变压器反馈式正弦波振荡器。 1/2/2022 7:42:05 AMa. a. 用用LCLC并联谐振回路作为选频网络并联谐振回路作为选频网络b. b. 主要用来产生主要用来产生1 MHz1 MHz以上的高频信号以上的高频信号主要特点主要特点c. c. 频率稳定性较好频率稳定性较好1/2/2022 7:42:05 AMiUfU2RbC1RCeRTeCLR1NL2N3NCCU图8-13 变压器反馈式LC振荡器CDBA首先判断电路是否满足振荡的相位平衡条件。 LCf210断开反馈回路断开反馈回路AF2FA满足相位平衡

14、条件满足相位平衡条件1/2/2022 7:42:05 AM(a)(b)V/CEut图3-14 振荡的建立、稳定与稳幅00mA/CiV/BEu1Q2Q0V/BEutmA/Ci0tmA/Ci0CEUCICCUV/CEu1/2/2022 7:42:05 AM8.3.3 电感三点式振荡器电感三点式振荡器 iUfU2RbC1RCeRTeCLR1L2L3N132CCU图8-15 电感三点式振荡器A1/2/2022 7:42:05 AM振荡电路的交流通路振荡电路的交流通路TL2R1/R2L1CC+T+N1N2ERL2L11RbC2ReCCCU 1/2/2022 7:42:05 AM忽略忽略R1/R2简化的交

15、流通路简化的交流通路 线圈的三个端子分别与线圈的三个端子分别与T的三个电极的三个电极B、C、E相连接，故称之为电感三点式振荡电路。相连接，故称之为电感三点式振荡电路。TL2L1CTL2R1/R2L1C1/2/2022 7:42:05 AM1/2/2022 7:42:05 AM振荡频率取决于LC并联谐振回路的谐振频率 CMLLLCf)2(2121210（8-22） 振荡电路的起振条件 )()(21beMLRMLr（8-23） 电路特点电路特点 a. 电感电感L1与与L2之间耦合很紧，容易起振。之间耦合很紧，容易起振。b. 输出波形中含有高次谐波，波形较差。输出波形中含有高次谐波，波形较差。1/2

16、/2022 7:42:05 AM8.3.4 电容三点式振荡器电容三点式振荡器 L2RbC1ReRTeC1CcR2CCCU图8-16 电容三点式振荡器iUAfU321电容三点式振荡器如图8-16所示。 电容器的电容器的三个端子分别三个端子分别与与T的三个电的三个电极相连接，故极相连接，故称之为电容三称之为电容三点式振荡电路。点式振荡电路。1/2/2022 7:42:05 AM交流通路交流通路21b/RRR L2C1CCRTbRL2C1CT简化的交流通路简化的交流通路1/2/2022 7:42:05 AM振荡频率振荡频率 021011112121CCCLLCf（8-26） 电路特点：电路特点：a.

17、 容易起振；容易起振；c. 输出波形中高次谐波少，波形好；输出波形中高次谐波少，波形好；d. 改变电容时，容易停振。改变电容时，容易停振。b. 振荡频率高；振荡频率高；1/2/2022 7:42:05 AM8.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 1. 石英晶体的基本特性石英晶体的基本特性(a) 各向异性各向异性(b) 具有具有压电效应压电效应(1) 压电效应压电效应a. 石英晶体的基本特性石英晶体的基本特性晶片涂银层引线图8-18 石英晶体的结构和符号（a) 结构（b) 电路符号1/2/2022 7:42:05 AM压电效应压电效应在晶片的两侧施加压力，又会产生电场。在晶片的两侧施加压力，又会产

18、生电场。在晶片的两面之间加电场，就会产生机械变形。在晶片的两面之间加电场，就会产生机械变形。当交变电压的频率等于晶片的固有机械振动频率当交变电压的频率等于晶片的固有机械振动频率时，振幅急剧增加，这种现象称为压电谐振。时，振幅急剧增加，这种现象称为压电谐振。当在晶片的两电极之间加交变电压时，晶片就会当在晶片的两电极之间加交变电压时，晶片就会产生机械变形振动。产生机械变形振动。压电谐振压电谐振1/2/2022 7:42:05 AM2. 石英晶体的等效电路石英晶体的等效电路 r 等效晶片振动时内部的摩擦损耗等效晶片振动时内部的摩擦损耗等效电路等效电路C0 两金属电极间形成的静电电容两金属电极间形成的

19、静电电容L 等效晶片振动时的惯性等效晶片振动时的惯性C 等效晶片振动时的弹性等效晶片振动时的弹性LrC0C(a)符号符号1/2/2022 7:42:05 AM电路特点：电路特点：a. L很大，很大，C和和r很小；很小；b . Q很高，达很高，达104106；c. 频率稳定度（频率稳定度（f /f0）很高。）很高。 三种振荡电路的频率稳定度三种振荡电路的频率稳定度RC振荡器振荡器 102LC振荡振荡 103 104石英晶体振荡石英晶体振荡 10910111/2/2022 7:42:05 AM忽略r的影响，图8-19b所示可得石英晶体的等效阻抗。 )(1j1jj1j)1jj (1j020200CL

20、CCCLCCLCCLCZwwwwwwwww当当f fs时，时，X fs时，时，X 0，电路呈感性。电路呈感性。a. 当当 1w w2LC = =0 时时，X=0电路发生串联谐振电路发生串联谐振串联谐振频率串联谐振频率 LCf21s 1/2/2022 7:42:05 AM并联谐振频率并联谐振频率X = b. b. 当当jw w (C0+Cw w2LCC0 ) = = 0 0时时电路发生并联谐振电路发生并联谐振CCCCLf 00p21 )(j10202LCCCCLCXw ww ww w sfpffX0感性容性容性1/2/2022 7:42:06 AM8.4.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 8.4

21、.3.1 并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器 2RbC1ReRTeC1CcR2C123CCU图8-20 并联型石英晶体振荡器X谐振频率谐振频率CCCCCCLf000)(21p0sfff 由于由于)(0CCC 0时时电容电容C充电充电 uo=+UZtuo, uCuouC0 UZ UZ FUZ FUZ+-A2RC1R3RZDRoucu图8-22 矩形波发生器uiC1/2/2022 7:42:06 AM0tuo, uC UZ UZuo、uC波波形图形图b. 当当uCFUZ 时时U+= FUZ uo= UZuOuC FUZ FUZ+-A2RC1R3RZDRoucu图8-22 矩形波发生器uiC1

22、/2/2022 7:42:06 AMtuo, uCc. 当当uo= UZ时时U+= FUZuC按指数规律下降按指数规律下降电容电容C放电放电+-A2RC1R3RZDRoucu图8-22 矩形波发生器uiCuouC0 UZ UZ FUZ FUZuC充电充电uC放电放电1/2/2022 7:42:06 AMc. 当当uo= UZ时时U+= FUZuouC0tuo, uC UZ UZ FUZ FUZuC按指数规律下降按指数规律下降电容电容C放电放电+-A2RC1R3RZDRoucu图8-22 矩形波发生器uiCuC充电充电uC放电放电1/2/2022 7:42:06 AMd. 当当uC FUZ 时时

23、U+=FUZ uo=UZuouC0tuo, uC UZ UZ FUZ FUZ+-A2RC1R3RZDRoucu图8-22 矩形波发生器uiCuC充电充电uC放电放电1/2/2022 7:42:06 AMe. 当当uo=+UZ时时U+=FUZuC又按指数规律上升又按指数规律上升电容电容C又充电又充电0tuO, uC UZ UZ FUZ FUZuouC+-A2RC1R3RZDRoucu图8-22 矩形波发生器uiCuC充电充电uC放电放电1/2/2022 7:42:06 AMuouC0tuo, uC UZ UZ FUZ FUZuo为方波为方波1/2/2022 7:42:06 AM 振

24、荡周期和频率振荡周期和频率 电容充电、放电过程可以用方程表示为 tuuutue)()0()()(cccc充放电时间 )()()0()(lncccctuuuut矩形波的周期矩形波的周期 )21ln(221LHRRRCTTT矩形波的频率矩形波的频率 Tf1占空比占空比 %50HTTq1/2/2022 7:42:06 AM 占空比可调的矩形波发生器占空比可调的矩形波发生器 TUTUZUZU00outt图8-25 占空比可调的矩形波发生器波形LTHT1t2t3t+-A2RC1R3RZDRoucu图8-24 占空比可调的矩形波发生器1wR2wRwR1D2D1/2/2022 7:42:06

25、AM8.5.2 三角波发生器三角波发生器 1. 电路组成电路组成2R3RZD1ouC1R4Rou5R图8-26 三角波发生器+-A1+-A2cuu迟滞比较器迟滞比较器积分器积分器1/2/2022 7:42:06 AM2. 工作原理工作原理 0t时 0couu由叠加定理可得滞回比较器的同相端的电压为 o2121o211uRRRuRRRu（8-44） O212Z211)U(uRRRRRR1/2/2022 7:42:06 AM输出电压输出电压电容电容 C充电充电uo随时间线性下降随时间线性下降设设uC(0)=0tuRCutttd11OO D D tRCUD D Z(1) 当当 时时ZO1Uu 2R3RZD1ouC1R4Rou5R图8-26 三角波发生器+-A1+-A2cuutuo , uo10uouo1UZ1/2/2022 7:42:06 AM得得uo1翻转时的输出电压翻转时的输出电压(2) 当当 时时0B uZo1Uu 令令0O212Z211+ uRRRURRRuZ21oURRu 2R3RZD1ouC1R4Rou5R图8-26 三角波发生器+-A1+-A2cuutu