第9章 信号产生电路

1、2022-3-16第9章信号产生电路19信号产生电路信号产生电路引言引言2022-3-16第9章信号产生电路2v在实践中，信号产生电路可分为在实践中，信号产生电路可分为正弦波正弦波和和非正弦波非正弦波两大类。两大类。v在通信、广播、电视系统中，需要高频在通信、广播、电视系统中，需要高频载波高频振荡电路。载波高频振荡电路。v在工、农、生、医等领域需要不同的振在工、农、生、医等领域需要不同的振荡电路。荡电路。2022-3-16第9章信号产生电路39.1正弦振荡电路的振荡条件正弦振荡电路的振荡条件v如图如图9.1.1所示，从结构上来看，正弦所示，从结构上来看，正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带波

2、振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。选频网络的正反馈放大电路。v图图9.1.1所示，表示当开关所示，表示当开关S置于置于1时，时，正弦信号正弦信号 输入到放大电路的输入端输入到放大电路的输入端, ,经放大电路放大后经放大电路放大后, ,输出信号输出信号 再经反再经反馈网络反馈到放大电路的输入端，馈网络反馈到放大电路的输入端，iX oX 转转5F 2022-3-16第9章信号产生电路42022-3-16第9章信号产生电路5v由于由于 ，若适当选取电路参数，若适当选取电路参数，使使 , ,此时，将开关迅速置于此时，将开关迅速置于2 2端，端，以以 代替代替 ，则放大电路仍可维

3、持原来，则放大电路仍可维持原来输出信号输出信号 的大小，显然，此时的放大的大小，显然，此时的放大电路已经不需要外加输入信号的激励而电路已经不需要外加输入信号的激励而仍有输出信号输出，即放大电路已经变仍有输出信号输出，即放大电路已经变成了振荡电路。成了振荡电路。ofXFXifXXiXfXoX 2022-3-16第9章信号产生电路6v图图9.1.1可用图可用图9.1.1(a)表示。图表示。图9.1.1(a)改画改画如图如图9.1.1(b)所示。所示。v图中图中v1.正弦振荡的平衡条件正弦振荡的平衡条件faXX 1 AFXXFXXXFXXAXaoafofao，所以，所以，由于由于转转92022-3-

4、16第9章信号产生电路72022-3-16第9章信号产生电路82022-3-16第9章信号产生电路9v即或：即或：v上式也可以写成：上式也可以写成：v ) 1 . 1 . 9(1FA)3 . 1 . 9(212)2 . 1 . 9(11fafa，即 nnAFAFeFA2022-3-16第9章信号产生电路10v式式(9.1.2)称为称为振幅平衡条件振幅平衡条件，而式，而式(9.1.3)称为称为相位平衡条件相位平衡条件，这是正弦振荡电路，这是正弦振荡电路维持正弦振荡的两个平衡条件维持正弦振荡的两个平衡条件。v振荡电路的振荡频率振荡电路的振荡频率f0是有式是有式(9.1.3)的的相位平衡条件决定的。

5、相位平衡条件决定的。v一个正弦振荡电路只在一个频率下满足一个正弦振荡电路只在一个频率下满足相位平衡条件，这个频率就是相位平衡条件，这个频率就是f0。2022-3-16第9章信号产生电路11v所以，在图所以，在图(9.1.1)的环路中，一定包含的环路中，一定包含有一个具有选频特性的网络，简称为选有一个具有选频特性的网络，简称为选频网络。频网络。v它可设置在放大电路中，也可设置在反它可设置在放大电路中，也可设置在反馈网络中；馈网络中；v它可用它可用R、C元件组成，也可用元件组成，也可用L、C元元件组成。件组成。2022-3-16第9章信号产生电路12v用用R、C元件组成选频网络的振荡电路称元件组成

6、选频网络的振荡电路称为为RC振荡电路振荡电路，一般用来产生，一般用来产生1Hz1 1MHz范围内的低频信号；范围内的低频信号；v用用L、C元件组成选频网络的振荡电路称元件组成选频网络的振荡电路称为为LC振荡电路振荡电路, ,一般用来产生一般用来产生1 1MHz以以上上的高频信号。的高频信号。2022-3-16第9章信号产生电路13v2.起振条件起振条件).() .(31921221911，即即 nnAFAFeFAfafa 2022-3-16第9章信号产生电路149.2RC正弦振荡电路正弦振荡电路vRC正弦振荡电路有桥式振荡电路、双正弦振荡电路有桥式振荡电路、双T网络式和移相式振荡电路等类型，此

7、处网络式和移相式振荡电路等类型，此处重点介绍桥式振荡电路。重点介绍桥式振荡电路。2022-3-16第9章信号产生电路15v1.电路原理电路原理v如图如图9.1.2所示，由于所示，由于Z1、Z2和和R1、Rf正正好构成一个四臂电桥，好构成一个四臂电桥，电桥的对角线顶电桥的对角线顶点接到了放大电路的两个输入端，所以点接到了放大电路的两个输入端，所以这种电路称为桥式振荡电路，又称为这种电路称为桥式振荡电路，又称为文文氏电桥振荡电路氏电桥振荡电路。转转172022-3-16第9章信号产生电路162022-3-16第9章信号产生电路17v2.串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性v如图如图9.

8、1.2所示，反馈网络反馈系数所示，反馈网络反馈系数FV(s)为：为：，则得，则得就实际频率而言，就实际频率而言，RCjCRRCjFjssRCsRCsRCZZZsVsVsFVV 311293122212 )().()()()()(of2022-3-16第9章信号产生电路18v由此可得由此可得RC串并联选频网络的幅频特性串并联选频网络的幅频特性(响应响应)及相频特性及相频特性(响应响应)为为).()(2293110则则上上式式变变为为如如令令 jFRCV 2022-3-16第9章信号产生电路19 由式由式(9.2.3)及及(9.2.4)可知，当可知，当).().()(42933293100200

9、arctgf VF).(52921100或或RCffRC 2022-3-16第9章信号产生电路20 时，幅频特性时，幅频特性( (响应响应) )的幅值最大，即的幅值最大，即v而相频特性而相频特性( (响应响应) )的相位移为零，即的相位移为零，即v也就是说，当也就是说，当1/RC时时，输出输出电压的幅值最大电压的幅值最大(输入电压幅值一定，频率输入电压幅值一定，频率可调时可调时)，且输出电压是输入电压的且输出电压是输入电压的1/3。).(62931 MAXVF).(7290 f 2022-3-16第9章信号产生电路21v同时输出电压与输入电压同相位。同时输出电压与输入电压同相位。v根据式根据式

10、(9.2.3)、(9.2.4)可画出串并联选可画出串并联选频网络的频率特性，如图频网络的频率特性，如图(9.2.2)(9.2.2)所示。所示。v图图(a)(a)为幅频特性；为幅频特性；v图图(b)(b)为相频特性。为相频特性。2022-3-16第9章信号产生电路222022-3-16第9章信号产生电路232022-3-16第9章信号产生电路24v3.振荡的建立与稳定振荡的建立与稳定v(1)(1)振荡的可能由图振荡的可能由图(9.2.1)可知，可知，在在1/ /RC时，经选频网络传输时，经选频网络传输到运放同相端的电压到运放同相端的电压 同相，即同相，即有。这样放大电有。这样放大电路和由路和由Z

11、1、Z2组成的反馈网络刚好形成组成的反馈网络刚好形成正反馈系统，满足式正反馈系统，满足式(9.1.3)的相位平衡的相位平衡条件，因而有可能产生振荡。条件，因而有可能产生振荡。ofVV 与与 nfaf20 和和2022-3-16第9章信号产生电路25v(2)振荡的建立振荡的建立v由于电路存在噪声以及电源接通瞬间的由于电路存在噪声以及电源接通瞬间的扰动扰动(频谱很广频谱很广)，都包含有，都包含有01/RC这一频率成分。这一微弱的信号，这一频率成分。这一微弱的信号，经过放大、正反馈经过放大、正反馈(选频选频)、再放大等过、再放大等过程之后，输出幅度逐渐增大。程之后，输出幅度逐渐增大。2022-3-1

12、6第9章信号产生电路26v(3)振荡的稳定利用电路中非线性元振荡的稳定利用电路中非线性元件的非线性，可以使振荡幅度自动的稳件的非线性，可以使振荡幅度自动的稳定向来。由于振荡幅度的增强，将使晶定向来。由于振荡幅度的增强，将使晶体管工作在非线性区时，放大电路的放体管工作在非线性区时，放大电路的放大倍数将会下降，最终达到大倍数将会下降，最终达到AF1 1，从，从而可得到幅度稳定的正弦振荡。而可得到幅度稳定的正弦振荡。v另外，也可以在振荡电路中加入负反馈另外，也可以在振荡电路中加入负反馈网络来达到稳幅的目的。网络来达到稳幅的目的。2022-3-16第9章信号产生电路27v4.振荡频率与振荡波形振荡频率

13、与振荡波形v由前所述可知，由前所述可知，f1/(2RC)。适当调整适当调整负反馈的强弱，使负反馈的强弱，使AV的值略大于的值略大于3时，时，其输出波形即为正弦波，如其输出波形即为正弦波，如AV的远略大的远略大于于3，由于振幅的增大，致使放大器件，由于振幅的增大，致使放大器件工作在非线性区，输出波形将产生严重工作在非线性区，输出波形将产生严重的非线性失真，即输出波形不为正弦波的非线性失真，即输出波形不为正弦波而可能是矩形波。而可能是矩形波。2022-3-16第9章信号产生电路28v5.稳幅措施稳幅措施v(1)非线性元件的稳幅为了进一步改非线性元件的稳幅为了进一步改善输出电压幅度的稳定，可以在放大

14、电善输出电压幅度的稳定，可以在放大电路的负反馈网络中把路的负反馈网络中把Rf用一负温度系数用一负温度系数的热敏电阻的热敏电阻(温度升高，阻值减小温度升高，阻值减小)来代来代替，其稳幅过程如下：替，其稳幅过程如下： 当当Vo If 负反馈负反馈 AV Vo v输出电压输出电压Vo基本恒定不变。基本恒定不变。2022-3-16第9章信号产生电路29v(2)利用利用JFET的稳幅利用的稳幅利用JFET工作工作在可变电阻区进行稳幅。在可变电阻区进行稳幅。v由第四章的讨论可知，当由第四章的讨论可知，当JFET的的vDS较较小时，它的小时，它的RDS可通过可通过vGS来改变，因此，来改变，因此，可利用可利

15、用JFET进行稳幅，图进行稳幅，图(9.2.3)(下页下页)为为一这样的振荡电路。一这样的振荡电路。2022-3-16第9章信号产生电路302022-3-16第9章信号产生电路31v图中负反馈网络图中负反馈网络Rp3、R3和和JFET的漏源的漏源电阻电阻RDS组成。正常工作时，输出电压组成。正常工作时，输出电压经二极管经二极管D整流和整流和R4、C3滤波后，通过滤波后，通过R5、Rp4为为JFET的栅极提供控制电压。的栅极提供控制电压。当幅值增大时，当幅值增大时，vGS变负，变负，RDS将自动加将自动加大，以加强负反馈，反之亦然。从而达大，以加强负反馈，反之亦然。从而达到了自动稳幅的目的。到了

16、自动稳幅的目的。2022-3-16第9章信号产生电路32v电路调整：调整电路调整：调整Rp3、Rp4可使失真最小，可使失真最小，该电路的振荡频率为该电路的振荡频率为2020kHz，输出，输出电压约为电压约为1V。v例例 9.2.1 ( (自学自学) )。2022-3-16第9章信号产生电路339.3LCLC正弦振荡电路正弦振荡电路vLC振荡电路主要用来产生高频正弦信号，振荡电路主要用来产生高频正弦信号，一般振荡频率在一般振荡频率在1MHz以上，以上，LC和和RC振荡电路的正弦振荡原理基本相同，振荡电路的正弦振荡原理基本相同，主主要区别就是选频网络要区别就是选频网络的不同。的不同。2022-3-

17、16第9章信号产生电路342022-3-16第9章信号产生电路35v9.3.1LC选频放大电路选频放大电路v1.并联谐振回路并联谐振回路v如图如图(9.3.1)所示，所示，LC并联谐振回路的等并联谐振回路的等效阻抗为：效阻抗为：).()(/239CLjRCLZ 2022-3-16第9章信号产生电路36v并联谐振回路的特点：并联谐振回路的特点：v(1)(1)回路的谐振频率为回路的谐振频率为 v(2)(2)谐振时，回路的等效电阻为纯电阻谐振时，回路的等效电阻为纯电阻性质，其值最大，即性质，其值最大，即).(33921100或或LCfLC ).(439000CQLQRCLZ 2022-3-16第9章

18、信号产生电路37v式中式中vQ0L /R1/0RC(1/R) ，称为回，称为回路品质因数，一般在几十几百范围内。路品质因数，一般在几十几百范围内。v(3)输入电流输入电流Is和回路电流和回路电流IL或或IC的关系的关系v谐振时谐振时CL/).(539000sosooQICVICQIZIVc 2022-3-16第9章信号产生电路38v通常通常Q1，所以，所以，ICILIs.可见，谐可见，谐振时，振时，LC并联谐振回路的回路电流并联谐振回路的回路电流IC 或或IL比输入电流比输入电流Is大的多，即大的多，即Is的影响可以的影响可以忽略。此结论对于分析忽略。此结论对于分析LC正弦波振荡电正弦波振荡电

19、路的相位关系十分有用。路的相位关系十分有用。2022-3-16第9章信号产生电路39v(4)回路的频率特性回路的频率特性v根据式根据式(9.3.2)即式即式(9.3.6)、(9.3.7)(推导推导略略)，可得阻抗的模和相角为，可得阻抗的模和相角为v由式由式(9.3.8)、(9.3.9)可绘出可绘出LC并联谐振并联谐振回路的特性曲线如图回路的特性曲线如图(9.3.2)所示。所示。).().()(9392839210200 QQZZ tg arc2022-3-16第9章信号产生电路402022-3-16第9章信号产生电路41v结论：结论：v(1)当外加信号角频率当外加信号角频率(即即2 /0)时，

20、电路产生并联谐振，此时，时，电路产生并联谐振，此时，回路等效阻抗达到最大值回路等效阻抗达到最大值Z0L/RC。当。当角频率角频率偏离偏离时，时，Z 将减小，而频偏将减小，而频偏愈大，愈大， Z 愈小。愈小。2022-3-16第9章信号产生电路42v(2) (2) 当当时时, ,相对失谐相对失谐(2(2/ /) )为正，为正，Z为电容性，为电容性，Z的相角为负值，的相角为负值，即回路输出电压即回路输出电压 滞后于信号电流滞后于信号电流 。反。反之，当之，当时，相对失谐时，相对失谐(2 (2 / /) )为负，为负，Z为电感性，为电感性，Z的相角为正值，的相角为正值，即回路输出电压即回路输出电压

21、超前于信号电流超前于信号电流 。 2022-3-16第9章信号产生电路43v(3)谐振曲线于回路的谐振曲线于回路的Q值有密切的关值有密切的关系，系，Q值愈大，谐振曲线愈尖锐，相角值愈大，谐振曲线愈尖锐，相角变化愈快，在变化愈快，在附近附近 Z 值和值和 值变值变化更为急剧。化更为急剧。 2022-3-16第9章信号产生电路44v2.选频放大电路选频放大电路v如图如图(9.3.3)所示，为一有一个选频回路所示，为一有一个选频回路组成的选频放大电路组成的选频放大电路(称为单调谐放大电称为单调谐放大电路路)，电感，电感L与电源采用部分接入法，主与电源采用部分接入法，主要是为了实现阻抗匹配。该选频放大

22、电要是为了实现阻抗匹配。该选频放大电路的幅频特性与图路的幅频特性与图(9.3.2a)相似。相似。2022-3-16第9章信号产生电路452022-3-16第9章信号产生电路462022-3-16第9章信号产生电路479.3.2变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路v如图如图(9.3.6)所示，为一变压器反馈式所示，为一变压器反馈式LC振荡电路。先分析其是否能产生振荡，振荡电路。先分析其是否能产生振荡，从两方面分析：一是分析该电路能否起从两方面分析：一是分析该电路能否起振，二是分析其振荡频率。振，二是分析其振荡频率。转转492022-3-16第9章信号产生电路482022-3-16第9章信

23、号产生电路49v分析该电路能否起振应从两方面分析：分析该电路能否起振应从两方面分析：一是分析放大电路是否具有放大能力一是分析放大电路是否具有放大能力( (起振的前提条件起振的前提条件) )；v二是分析相位平衡条件。二是分析相位平衡条件。2022-3-16第9章信号产生电路50v1.1.电路能否产生振荡的分析电路能否产生振荡的分析v由图由图9.3.6可知该电路晶体管的可知该电路晶体管的发射结正发射结正偏偏，集电结反偏集电结反偏，所以该电路，所以该电路具有放大具有放大能力能力；另外由图中的瞬时极性法分析可；另外由图中的瞬时极性法分析可知，该电路知，该电路满足相位平衡条件满足相位平衡条件，所以该，所

24、以该电路能产生正弦波振荡。电路能产生正弦波振荡。转转522022-3-16第9章信号产生电路512022-3-16第9章信号产生电路52v2.2.振荡频率的计算振荡频率的计算v变压器振荡电路振荡频率的计算主要是变压器振荡电路振荡频率的计算主要是通过选频网络来进行计算的。一般可通通过选频网络来进行计算的。一般可通过下式计算：过下式计算：v振荡的建立过程可参阅图振荡的建立过程可参阅图(9.3.5)(9.3.5)。LCfLC 210或或 2022-3-16第9章信号产生电路53v9.3.39.3.3三点式三点式LC振荡电路振荡电路v三点式振荡电路可分为电感三点式振荡三点式振荡电路可分为电感三点式振荡

25、电路和电容三点式振荡电路。电路和电容三点式振荡电路。v1.1.三点式振荡电路的组成原则三点式振荡电路的组成原则v如图如图(9.3.7)(9.3.7)所示，为电抗所示，为电抗元件元件( (L或或C) )，电路谐振时，电路谐振时，其等效阻抗其等效阻抗为纯电阻性，即为纯电阻性，即321XXX 、0321 XXX2022-3-16第9章信号产生电路542022-3-16第9章信号产生电路55v由于共由于共e放大电路的反相，即放大电路的反相，即v，为了满足振荡的相位，为了满足振荡的相位平衡条件平衡条件，要求，要求 必须等于必须等于，即反馈网络必，即反馈网络必须有须有180o的相移。设谐振回路谐振时的的相

26、移。设谐振回路谐振时的回路电流为回路电流为 ，则，则ioVV 与与 A nFA2 F I 1212XXIjXIjXVVF of2022-3-16第9章信号产生电路56v显然，只有当显然，只有当X1、X2为同号时，才等为同号时，才等于于，即，即X1、X2 只有电抗性质相同时，只有电抗性质相同时，才能满足相位平衡条件，又因为才能满足相位平衡条件，又因为X1+X2 +X 0，所以，所以X3与与X1、X2 的性质必须的性质必须相反。相反。v综上所述：三点式振荡电路的构成原则综上所述：三点式振荡电路的构成原则是：是：射同基射同基(集集)反反。F 2022-3-16第9章信号产生电路57v2.2.电感三点

27、式振荡电路电感三点式振荡电路( (哈特莱振荡哈特莱振荡电路电路) )v如图如图(9.3.7)所示，为一电感三点式振荡所示，为一电感三点式振荡电路，根据三点式振荡电路的组成原则电路，根据三点式振荡电路的组成原则可知，该电路能产生正弦振荡。用瞬时可知，该电路能产生正弦振荡。用瞬时极性法判断，该电路也能产生正弦振荡极性法判断，该电路也能产生正弦振荡该电路的振荡频率为：该电路的振荡频率为：).()(aLCCMLL1539121210 转转582022-3-16第9章信号产生电路582022-3-16第9章信号产生电路59v上式中，上式中，L=L1L22M，M为电感为电感L1、L2 的互感系数。的互感系

28、数。v电路特点：振荡频率高电路特点：振荡频率高(数百数百kHz数十数十MHz)，频率调节方便；但输出谐波分量大，频率调节方便；但输出谐波分量大，输出波形不理想。输出波形不理想。).()(b153921221210或或LCCMLLf 2022-3-16第9章信号产生电路60v3.电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路( (科皮兹振荡电路科皮兹振荡电路) )v如图如图(9.3.8)所示，该电路满足所示，该电路满足“射同基射同基( (集集) )反的组成原则反的组成原则”，所以能产生正弦振荡。用，所以能产生正弦振荡。用瞬时极性法判断，如图瞬时极性法判断，如图(9.3.8)所示，该电路能所示，该电路能产生

29、正弦波振荡。产生正弦波振荡。v该电路的振荡频率为：该电路的振荡频率为：).().(ba1639211639100或或LCffLC 转转612022-3-16第9章信号产生电路612022-3-16第9章信号产生电路62v式中式中CC1C2 / (C1+C2 )。v电路特点：电路特点：v振荡频率高振荡频率高(数百数百kHz100MHz以上以上)，输出波形好；但频率调节范围窄。输出波形好；但频率调节范围窄。2022-3-16第9章信号产生电路63v9.3.4石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路v1.正弦波振荡电路的频率稳定问题正弦波振荡电路的频率稳定问题v由于由于LC谐振回路的参数谐振回路的参数(L、

30、C、R的值的值)对谐振频率的影响较大，直接影响了振对谐振频率的影响较大，直接影响了振荡频率的稳定，在要求振荡频率稳定度荡频率的稳定，在要求振荡频率稳定度较高的场合，往往采用石英晶体振荡电较高的场合，往往采用石英晶体振荡电路。路。2022-3-16第9章信号产生电路64v2.2.石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效电路v石英晶体的结构如图石英晶体的结构如图9.3.9所示，它是所示，它是由一块石英晶体薄片在对应的两表面上由一块石英晶体薄片在对应的两表面上涂敷上银层并装上一对金属板，再加上涂敷上银层并装上一对金属板，再加上接触电极和引线而构成。接触电极和引线而构成。转转652022-

31、3-16第9章信号产生电路652022-3-16第9章信号产生电路662022-3-16第9章信号产生电路67v石英晶体的电路符号如图石英晶体的电路符号如图(9.3.10a)所示，所示，其等效电路如图其等效电路如图(9.3.10b)所示。其中所示。其中C0表示晶体静态时的等效电容，表示晶体静态时的等效电容，C和和L表示表示晶体振动时的等效电容和等效电感，晶体振动时的等效电容和等效电感，R表示石英晶体的等效损耗电阻。表示石英晶体的等效损耗电阻。转转682022-3-16第9章信号产生电路682022-3-16第9章信号产生电路69v按不同的方向切割晶体得到的晶体，具按不同的方向切割晶体得到的晶体，具有不同的有不同的“压电压电”特性。特性。v由于在石英晶体片两端加上由于在石英晶体片两端加上电场电场，晶片，晶片就会产生机械形变；如果在晶片上施加就会产生机械形变；如果在晶片上施加机械压力，则在晶片相应的方向上就会机械压力，则在晶片相应的方向上就会产生一定的电场，这种物理现象成为产生一定的电场，这种物理现象成为“压电效应压电效应”2022-3-16第9章信号产生电路70v图图(9.3.10)为石英晶体的等效电路与电抗为石英晶体的等效电路与电抗特性，由图可知，石英晶体有两个谐振特性，由图可知，