第7章信号产生电路

1、17.1 正弦波振荡的基本原理正弦波振荡的基本原理7.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路本章小结本章小结7.4 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路第第7章章 信号产生电路信号产生电路 定义定义 ： 无需外加输入信号，只靠电路本身就能无需外加输入信号，只靠电路本身就能产生并输出一定频率和幅度的正弦交流信号的装置，产生并输出一定频率和幅度的正弦交流信号的装置，称为正弦波振荡器，亦称正弦波发生器。这种现象称为正弦波振荡器，亦称正弦波发生器。这种现象称为自激振荡。输出波形如图称为自激振荡。输出波形如图1 1（a)a)所示。所示。 注意：注意： 在第在第9 9

2、章（触发器与时序逻辑电路）中章（触发器与时序逻辑电路）中我们讲到的多谐振荡器（无稳态电路）亦我们讲到的多谐振荡器（无稳态电路）亦称矩形波发生器，输出波形为矩形波，如称矩形波发生器，输出波形为矩形波，如图图1 1（b)b)所示。所示。图图1(a)正弦波正弦波图图1(b) 矩形波矩形波 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-1Hz-1GHz1GHz）、输出功率大）、输出功率大( (几几mW-mW-几十几十kW)kW)的正弦波信的正弦波信号，广泛应用于通信、遥控遥感、航空航天、无号，广泛应用于通信、遥控遥感、航空航天、无线电广播、检测技术、热处理、电加工等领域

3、。线电广播、检测技术、热处理、电加工等领域。 常用的正弦波振荡器有常用的正弦波振荡器有RC 和和LC两种振荡器。两种振荡器。前者前者输出频率低、输出功率较小输出频率低、输出功率较小；而后者；而后者输出频率输出频率高、输出功率也较大高、输出功率也较大。工业上的高频感应炉、超声。工业上的高频感应炉、超声波发生器、正弦波信号发生器、半导体接近开关等，波发生器、正弦波信号发生器、半导体接近开关等，都是振荡电路的应用。都是振荡电路的应用。一一. 产生自激振荡的条件产生自激振荡的条件改成正反馈改成正反馈负反馈放大器不希望出现自激振荡，因为它会破坏负反馈放大器不希望出现自激振荡，因为它会破坏放大器的正常工作

4、。下面只讨论正反馈放大器产生放大器的正常工作。下面只讨论正反馈放大器产生自激振荡的条件。自激振荡的条件。7.1 正弦波振荡器的基本原理正弦波振荡器的基本原理Xi f基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FX+doXXfidXXX-=+反馈信号代替了放大反馈信号代替了放大电路的输入信号。电路的输入信号。如果：如果：XfXi=则去掉则去掉,Xi仍有信号输出。仍有信号输出。Xi基本放大器基本放大器AX+doXXdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXX +反馈网络反馈网络FXf所以，稳定的自激振荡条件也可以写成：所以，稳定的自激振荡条件也可以写成：（1）幅值条件：）幅值条件：1|=FAFA1

5、00=XXXXFAfdAAA=因为：因为：FFF=Xdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXX则稳定的自激振荡条件是：则稳定的自激振荡条件是：即必须是正反馈即必须是正反馈fdXX=（2）相位条件：）相位条件：n取取0,1,2nFA2=二二.起振条件和稳幅原理起振条件和稳幅原理起振条件：起振条件：以便产生增幅振荡以便产生增幅振荡1|FA（略大于）（略大于）1 1、被动：器件非线性；、被动：器件非线性；2 2、主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以、主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，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，

6、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FXX1.1.一个完善的放大电路一个完善的放大电路2.2.正反馈网络正反馈网络3.3.选频网络选频网络只对一个频率满足振荡条件只对一个频率满足振荡条件，从而获得单一频率的正弦波输出。，从而获得单一频率的正弦波输出。 常用的选频网络有常用的选频网络有RC 选频选频和和LC选频选频4.4.稳幅环节稳幅环节使电路易于起振又能稳定振使电路易于起振又能稳定振荡幅度，波形失真小。荡幅度，波形失真小。三三. .正弦波振荡器的一般组成正弦波振荡器的一般组成9)j/1(111CRZ = =222222j1 )

7、j/1/(CRRCRZ = = =R1C1 串联阻抗：串联阻抗：R2C2 并联阻抗：并联阻抗：频率特性：频率特性：+Ru+-o-fu+12RC12C7 . 2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路一一. RC 串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性212ofZZZUUF=FF=10)1j()1(1j1j1j11221211222211222CRCRRRCCCRRCRCRRF - - = = = = 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 =0RC10=F Fmax=1/31

8、1RC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：当当 时，时， F= Fmax=1/30F=RC10=RCf 210= = Fo +90o |F|1/312二二. RC桥式振荡器的工作原理桥式振荡器的工作原理0=A在在 f0 处处0=F满足相位条件：满足相位条件：因为：因为：AF=131=F11f=RRA1f2RR =只需：只需：A=3输出正弦波频率输出正弦波频率：RCf210=0=FA稳定的振幅条件：稳定的振幅条件：uRf1RRRCCufA+oRf引入负反馈：引入负反馈：选：选：13例题例题: :R=1k=1k ，C=0.1=0.1 F F，R1 1=10k=10k 。Rf

9、 f为多大时才为多大时才能起振？振荡频率能起振？振荡频率f0 0= =？ AF 1，31=F11f RRAA 3Rf 2R1=2 10=20k k RCf210=1592 Hz起振条件：起振条件：uRf1RRRCCufA+o14能自动稳幅的振荡电路能自动稳幅的振荡电路半导体热敏电阻半导体热敏电阻(负温度系数）负温度系数）起振时起振时Rt较大较大 使使A3,易于起振。易于起振。 当当uo幅度自激增幅度自激增长时，长时， Rt减小，减小，A减小。减小。 当当uo幅度达某一幅度达某一值时值时, A=3,稳定。稳定。 受扰动，当受扰动，当uo增增大时，大时， Rt再减小再减小 ,使使A3，反之亦然，反

10、之亦然 因此因此uo幅度自动幅度自动稳定于某一幅值。稳定于某一幅值。u0.1u10k0.1u+Afu10k10k39k100kotR15另一种自动稳幅的振荡电路另一种自动稳幅的振荡电路 起振时起振时D1、D2不导通，不导通，Rf1+Rf2略大于略大于2R1。随着。随着uo的增加，的增加， D1、D2逐渐逐渐导通，导通，Rf2被短接，被短接，A自动自动下降，起到稳幅作用。下降，起到稳幅作用。 将将Rf分为分为Rf1 和和Rf2 ， Rf2并联二极管并联二极管u12ARCo1RR+C.+D1D2Rf1f2R16三三. 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 +uofuRRRC

11、CC+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 +270 Fo -90 -180 -27017u+A+/ /= =/oR2R1R0RRCCCufRRR01R2. RC超前移相式振荡电路超前移相式振荡电路 ）（或180180-=A在在 f0 或或 0处处180=F满足相位条件：满足相位条件：)360(0或=FARCf6210=一一. LC并联谐振回路的选频特性并联谐振回路的选频特性RCLZ=max0(阻性阻性)LC并联谐振并联谐振特点：特点：谐振时，当电压谐振时，当电压u一定的情况一定的情况下，总电流最小，支路电流是总

12、电流的下，总电流最小，支路电流是总电流的Q倍，电倍，电感与电容的无功功率互相补偿，电路呈阻性。感与电容的无功功率互相补偿，电路呈阻性。R为线圈的等效电阻为线圈的等效电阻 7.3 LC正弦波振荡器正弦波振荡器LC10=当当 时，时，并联谐振。并联谐振。-+LCRiCiLiu谐振时，电路呈阻性：谐振时，电路呈阻性： Q Q为谐振回路的品为谐振回路的品质因数，质因数，Q Q值越大，值越大，曲线越陡越窄，选曲线越陡越窄，选频特性越好。频特性越好。CLQCQLQRCLZ=0001LC并联电路发生并联电路发生谐振时相当于一个大电阻。谐振时相当于一个大电阻。LC并联谐振回路的阻抗幅频特性曲线并联谐振回路的阻

13、抗幅频特性曲线o |Z|Q小小Q大大CRRLQ001=LC10=互感线圈的极性判别互感线圈的极性判别1234初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈同名端同名端1234+ 在在LC振荡器中，反馈信号通过互振荡器中，反馈信号通过互感线圈（即磁耦合的线圈）引出。感线圈（即磁耦合的线圈）引出。-+uiLCfu同名（极性）端：同名（极性）端：二二. 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 工作原理：工作原理：三极管共射放大器。三极管共射放大器。利用互感线圈的同利用互感线圈的同名端：名端：180=A180=F360=FA 满足相位条件。满足相位条件。振荡频率振荡频率:LCf210+ccVRb1Rb2eRU

14、fCbo1L2LCU判断是否满足相位条判断是否满足相位条件件瞬时极性法瞬时极性法+ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU 断开反馈到放大断开反馈到放大器的输入端点，假设器的输入端点，假设在输入端加入一正极在输入端加入一正极性的信号，用瞬时极性的信号，用瞬时极性法判断反馈信号的性法判断反馈信号的极性。极性。若反馈信号与若反馈信号与输入信号极性同相输入信号极性同相(正正反馈），则满足相位反馈），则满足相位条件，能够起振。条件，能够起振。+-+(+)LC正弦波振荡器举例正弦波振荡器举例满足相位平衡条件满足相位平衡条件+(+)Vb221eLCeccCbb1RRRLC+(+)+（+） LC正弦波振

15、荡器举例正弦波振荡器举例振荡频率振荡频率:LCf210满足相位平衡条件满足相位平衡条件VRReb1ccLCCeC2RcC1Rb2 1.电感三点式电感三点式LC振荡电路振荡电路振荡频率：振荡频率：CMLLLCf)2(2121210 = = = VRccCbcRb1Rb2eLe2CRC1L+-VCbRLb2b1ccL1eR2CeCR+（ +）三三. 三点式三点式LC振荡电路振荡电路+（ +）2. 电容三点式电容三点式LC振荡电路振荡电路振荡频率：振荡频率：212102121CCCCLLCf = = = V2eRRRb1CCcceb2c1RbCCL+（ +）-VRRReb21eCcc2CLbb1CC

16、+（ +）例例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足振振荡的荡的相位条件。相位条件。V21CCL+A+RRuo1Rf+（ +）-满满 足相足相位条件位条件（ +）287 . 4 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路7.4.1 矩形波产生电路矩形波产生电路 R1RfR3R2DZCu0-+uNuPuR1uCUZ工作原理：工作原理：设通电瞬设通电瞬间，电容初始电压为间，电容初始电压为零；输出电压初值：零；输出电压初值：u0=-UZ，则则ZPURRRu211-=-此时此时uC反向充电，反向充电， uC由零变负。由零变负。当当 后，后， u0从从-UZ跳变跳变到到+

17、UZ。与此同时，。与此同时， uP变为：变为：-PCuuZPURRRu211=电容转而正向充电电容转而正向充电29当当 后，后， u0从从+UZ 跳变到跳变到-UZ，电容转而反，电容转而反向充电。如此循环，产生振荡，输出矩形波形。向充电。如此循环，产生振荡，输出矩形波形。PCuu振荡周期：振荡周期：)21ln(212RRCRTf=uct0Up+Up-u0t0+UZ-UZT2/T占空比：占空比：矩形波高电平矩形波高电平持续时间与振荡周期之持续时间与振荡周期之比称为占空比。方波的比称为占空比。方波的占空比为占空比为50%。若要改。若要改变振荡周期，可调节变振荡周期，可调节Rf改变电容改变电容C的正

18、、反向的正、反向充电时间常数。充电时间常数。307.4.2 锯齿波发生电路锯齿波发生电路 R4R2R3DZ-+A1uN1uP1UZu01R1R7R5-+A2u0R6DCF（波形如下页所示）（波形如下页所示）uiui = u0212011111RRRuRuuiP=011=NPuu翻转条件翻转条件ZTURRu21=门限电压门限电压 ZTiZTiUuuUuu-ZTURRu21-=-31u01t0UZu0t0-UZT2T1ZURR21ZURR21-可以证明：可以证明：若忽略二极若忽略二极管的正向电阻，锯齿波管的正向电阻，锯齿波的振荡周期为的振荡周期为)()2(2652656121RRRRRCRRTTT= 当当R5、D支路断支路断开时（即为三角波产开时（即为三角波产生电路），电容生电路），电容C的的正、反向充电时间常正、反向充电时间常数相等。此时，数相等。此时，u01变变为方波，为方波，u0变为三角变为三角波，其振荡周期为：波，其振荡周期为：2614RCRRT =本章小结本章小结1.正弦波振荡的条件：正弦波振荡的条件： （幅值条件）（幅值条件） （相位条件）（相位条件）n2FA=3正弦波振荡电路主要有正弦波振荡电路主要有RC 振荡电路和振荡电路和LC 振荡振荡电路两种。电路两种。RC