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；工作原理和特性参数的计算；L

2、C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)正弦波正弦波(b) 矩形波矩形

3、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（1Hz-1GHz）、输）、输出功率大出功率大

4、(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

5、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

6、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ffiidXXXX，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（1 2AFFAnnfa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，

7、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。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

8、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 2AFFAnnfa起振条件起振条件2. 起振和稳幅起振和稳

9、幅幅值条件）是整数相位平衡条件（1 2AFFAnnfa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 AF4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

10、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（

11、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(111/11/12211221221122CRCRjCCRRCjRCjRCjRVVFof1RC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212102121021,1CCRRfCCRR)(1110012211221CRCRjCCRRF当当R1=R2=R、C1=C2=C时，时，CRfCR21,100)(31)(31100100ffffjjF2100)(91ffffFF（11.1.8）)(31arctan100f 1RC串并联电路的选频

12、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=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D1D2R2R3RC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

13、。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D1D2R2R3010)1 (RRVVAfio（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。311132RRRA则则AF1，满足起振条件。，满足起振条件。121RRA

14、选择选择R2=2R1，则，则AF=1，满足幅度平衡条件。，满足幅度平衡条件。 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D1D2R2R3（5）振荡频率和幅度）振荡频率和幅度CRf210电路的输出电压幅度为电路的输出电压幅度为onomVRRRRV3321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D1D2R2R32RC串并联振荡电

15、路串并联振荡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

16、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 oCR1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，311f RRAV即即1 VVFA热敏电阻的作用热敏电阻的作用 oV oI功耗 1R温度 1R阻值 1R3 VA1 VVFA稳幅稳幅 VA采用非线性元件采用非线性元件4场效应管（场效应管（JFET）31DS3p3 RRRAV稳幅原理稳幅原理 oV )(GS负负值值V DSR1 VVFA稳幅稳幅 VA34 CRD、整流滤波整流滤波T 压控电阻压控电阻 vDS iD vGS=0V -1V -2V -3V 3 VA可变电阻区，可变电阻区，斜率随斜率随vGS不不

17、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 +uofuRRRCCC+uouf+RRRCCC（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 Fo +90+180+2700选择单级移相选择单级移相60o,00601RCtg Fo -90-180-2700u+A+/ /= =/oR2R1R0RRCCCufRRR01R2. RC移相式振荡电路移相式振荡电路 oA180在在 f0 处处oF180满足相位条件：满足相位条件：0FALRCLRCZ jj1)j(j

18、1 等效损耗电阻等效损耗电阻)1j(CLRCLZ 一般有一般有LR 则则CQLQRCLZ000 当当 时，时，LC10 电路谐振。电路谐振。LC10 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CLRRCRLQ1100 为品质因数为品质因数同时有同时有scIQI 即即sLcIII 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，SSIZV0电容的电流为电容的电流为SSSSCIIjQICZjVCjI000所以所以CCSLIIII 即谐振时，电感电流和电容电流形成回路电流，称

19、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

20、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)(1000000ffffjQZjQZZ20020)(11ffffQZZ)(arctan00ffffQ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 L

21、C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：LCfLC21,1002. 选频放大电路选频放大电路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放大电路的增益为：放大电路的增益为：/1/1)/(LLbeLbeLooioiovRZRZnrRnrRZVVVVVVA/1/LLbeLvvRZRZnrRAA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beLbeLvrnRnrRA0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

22、输入信号，则可组成号，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，

23、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 11.1.4 LC正弦波振荡器

24、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。bebebbiLrrRRRR/2101218011nnNNVVFof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：021220180)/(bebebbbeLbeLiovrrRRnrRnrRVVA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LCfLC21,1001变压器反馈式变压器反馈式 11.1.4 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

25、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：11)/(2120nnrrRRnFAbebebbv2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LL1+L2+2M，M为互感为互感CMLL)2(1210谐振角频率为：谐振角频率为：谐振频率对应的反馈系数：谐振频率对应的反馈系数：02121020010180)(MLMLMLMLIMjILjIMjILjVVFof输入电阻：输入电阻：bebeirrRRR

26、/212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：bebeberMLMLrRRMLMLFrRRR2122121222132)(/)(/忽略忽略LC谐振回路的损耗，谐谐振回路的损耗，谐振时放大电路的增益：振时放大电路的增益：0212320180)(MLMLrRrRVVAbebeLiov 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

27、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：1120MLMLFAvCMLLf)2(21210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

28、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LC谐振回路。谐振回路。谐振角频率：谐振角频率： 212101CCCCL谐振频率对应的反馈系数：谐振频率对应的反馈系数：01212201018011CCCCICjICjVVFof 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：bebeirrRRR/213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，

29、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：bebeberCCrRRCCFrRRR2212122122132)(/)(/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0221320180)(CCrRrRVVAbebeLiov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：1210CCFAv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，

30、即：频率，即：2121021CCCCLf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1

31、1.1.4 LC正弦波振荡器正弦波振荡器)(21321210CCCCCLf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和和C2远大于远大于Ci、Co和

32、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。332111111CCCCC振荡频率：振荡频率：302121LCLCf 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。 11.1.5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

33、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，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。

34、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:LCf21s (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。0p121CCLCf (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 psff（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

35、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:jXCCjCjLjCjCjLjCjZps)1)(111)1(12202200)1)(21)1)(12202222022pspsffCCfffCCXZ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；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s0s121CCCLCf 由于由于s0CCC s0s1CCCf 由此看出由此看出 )(21s0ssCCCff；时，时， 0 pssffC sss

36、 ffC 时，时，调整调整之之间间变变化化和和在在可可使使 psssfffC 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 VT+ , 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+)= 0vo保持保持+VZ不变不变+VZ11.2.1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，

37、时， v+=VT-vc达到达到V VT-时，时，v vo上跳。上跳。VT+vctVT-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。-VZ0VT+vctVT-+VZvo0t - VZT完整的波形：完整的波形：计算振荡周期计算振荡周期T。A3.周期与频率的计算：周期与频率的计算：0 VT+vct VT- +VZ -VZT1T2TT= 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:)21ln(2ln2f1RRRCVVVVRCTZ

38、TZT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，所以输出高电平、低电平持续时间相等的方波。 A4.4.占空比可调的方波发生器占空比可调的方波发生器UZuo0t- UZD2D1RW充电充电放电放电充电时间：充电时间： )21ln()(2111RRCRRTW放电时间：放电时间：)21ln()(2122RRCRRTW周期周期T：)21ln()2(2121RRCRRTTTW（11.2.4）RRRRTTWW211 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

39、作原理工作原理：若若vo1=+VZ， vo2， u+ 。)(0dt12o01o2ovvRCvt2o2121o211vRRRvRRRv 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。vO1vI(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=VZVOL =-VZoVT-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：0VT+uo2tVT-+UZuo10t - VZT214RRCRT 0,210201201vRRvvRvv三角波输出电压峰峰值三角波输

40、出电压峰峰值Vopp:ZTToppVRRVVV212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

41、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：CRRRRCRRVVRRVRRTWWZZZ)(2)()(221221212输出电压的下降时间：输出电压的下降时间：CRRRRCRRVVRRVRRTWWZZZ)(2)(121121211振荡周期：振荡周期：CRRRRTTTW)2(22121锯齿波输出电压峰峰值锯齿波输出电压峰峰值Vopp：ZTToppVRRVVV21211.3 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，