信号发生器-模电讲义

1、9 信号发生器信号发生器 本章介绍几种信号发生器的组成及工作原理。它们既可用本章介绍几种信号发生器的组成及工作原理。它们既可用分立元件构成，也可用集成电路组成，也有专用信号发生器分立元件构成，也可用集成电路组成，也有专用信号发生器组件。组件。9 .1 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件 输出电压为正弦波的振荡电路，叫做正弦波振荡器，在输出电压为正弦波的振荡电路，叫做正弦波振荡器，在不同的使用场合，对正弦波的频率、功率要求不同。下面首不同的使用场合，对正弦波的频率、功率要求不同。下面首先分析自激振荡原理，然后再介绍典型的振荡电路。先分析自激振荡原理，然后再介绍典型的振荡电路。 不加

2、输入信号而有输出信号的电路，叫做信号发生器。不加输入信号而有输出信号的电路，叫做信号发生器。 1. 振荡条件振荡条件 振荡原理如图振荡原理如图 9.1.1所示，它由放大电路和反馈电路组所示，它由放大电路和反馈电路组成。成。( 维持）自激振荡的条件为维持）自激振荡的条件为： afXFAX afXX 1 FA12 FAnfa幅度平衡条件幅度平衡条件相位平衡条件相位平衡条件 振荡频率由相位平衡条件确定，电路仅在一个频率处满足振荡频率由相位平衡条件确定，电路仅在一个频率处满足相位条件，此频率为输出信号的频率相位条件，此频率为输出信号的频率 fo 。 2. 起振和稳幅起振和稳幅 振荡电路总存在微弱的噪声

3、或干扰信号，它们的频谱很振荡电路总存在微弱的噪声或干扰信号，它们的频谱很宽，利用选频网络把所需频率的信号挑选出来，经过放大宽，利用选频网络把所需频率的信号挑选出来，经过放大电路和正反馈网络，只要电路和正反馈网络，只要 , 输出就会逐渐变大输出就会逐渐变大 1 FA 起振的幅值条件为起振的幅值条件为1 FA 稳幅：稳幅：因因 AF 1 ，起振后，输出信号幅值逐渐增，起振后，输出信号幅值逐渐增大，需采取稳幅措施限幅，使输出波形为正弦波。大，需采取稳幅措施限幅，使输出波形为正弦波。一般可用放大器件的非线性稳幅或专门的稳幅电路一般可用放大器件的非线性稳幅或专门的稳幅电路实现稳幅实现稳幅.3. 分析方法

4、分析方法 判断电路能否产生正弦振荡的一般方法：判断电路能否产生正弦振荡的一般方法： 1）电路是否具有放大电路、反馈网络、选频网络和稳）电路是否具有放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节，这幅环节，这4个基本组成部分。一般选频网络兼作反馈网个基本组成部分。一般选频网络兼作反馈网络，放大器件的非线性自动地起稳幅作用。络，放大器件的非线性自动地起稳幅作用。 2）是否满足相位平衡条件。一般用瞬时极性法判断，）是否满足相位平衡条件。一般用瞬时极性法判断，若是正反馈电路就能振荡，振荡频率由相位条件决定。若是正反馈电路就能振荡，振荡频率由相位条件决定。 3）是否满足幅度平衡条件。振荡电路的幅度条件一般容）是

5、否满足幅度平衡条件。振荡电路的幅度条件一般容易满足，因此，只要相位条件满足就能振荡。起振条件由易满足，因此，只要相位条件满足就能振荡。起振条件由 AF 1 决定。决定。 正弦波振荡器按选频网络所用元件类型的不同，分为正弦波振荡器按选频网络所用元件类型的不同，分为RC振荡器，振荡器，LC振荡器和振荡器和石英晶体石英晶体振荡器。振荡器。 9. 2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器 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，它们的共同型等电路，它们的共同特点是反馈网络兼作选频网络，下面介绍常见的特点是反馈网络兼作选频网络，下面介绍常见的RC串、并联型。串、并联型

6、。1. RC串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性 )1(311/)1(1/RCCRjCjRCjRCjRVVFofV RCjFV1,)(31000 由图由图9.2.2所示频率特性可知所示频率特性可知 , 当当RCff 210。为为最最大大值值； 0,31FVF 2RC振荡电路振荡电路 由由RC串、并联网络的选频特性可知，为了满足振荡电路的串、并联网络的选频特性可知，为了满足振荡电路的自激条件，放大器应有自激条件，放大器应有 AV = 3 , A =0 ，即输出与输入同，即输出与输入同相，为此应选用同相比例运算电路或两级共射放大电路相，为此应选用同相比例运算电路或两级共射放大电路. 振荡电路见

7、图振荡电路见图 9.2.1。由于。由于 Z1、Z2、与、与 R1、Rf 正好形成一正好形成一个四臂电桥，因此又叫做个四臂电桥，因此又叫做文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器。 3. 振荡的建立与稳定振荡的建立与稳定 由起振条件由起振条件 AF 1可可 知，同相比例电路的参数选取应知，同相比例电路的参数选取应满足满足 3/11 RRAfV 为了使输出波形失真小，为了使输出波形失真小，AV 取约大于取约大于 3。4 振荡频率与波形振荡频率与波形RCff210 无无输输出出；, 3/1)11 RRAfV输出正弦波；输出正弦波；约大于约大于 ,3/1)21RRAfV 输出失真的正弦波；输出失真的正弦波；远大于

8、远大于 ,3/1)31RRAfV 5 稳幅措施稳幅措施 在放大电路的反馈回路里采用非线性元件来自动调整在放大电路的反馈回路里采用非线性元件来自动调整负反馈的强弱以维持输出电压恒定。负反馈的强弱以维持输出电压恒定。 1） 将反馈回路中的将反馈回路中的 Rf 用一负温度系数的热敏电阻代替用一负温度系数的热敏电阻代替，当输出电压幅值增大时，电路温度增高，当输出电压幅值增大时，电路温度增高， Rf 将减小，放将减小，放大电路的增益大电路的增益 AV =1+ Rf / R1 减小，输电压幅值减小，从减小，输电压幅值减小，从而稳定输出电压。而稳定输出电压。 2）也可将反馈回路中的）也可将反馈回路中的 R1

9、 用一正温度系数的热敏电阻用一正温度系数的热敏电阻代替，同样可从而稳定输出电压。代替，同样可从而稳定输出电压。 3） 利用二极管或场效应管的可变电阻特性来稳幅。利用二极管或场效应管的可变电阻特性来稳幅。kHzHzf20200 例例 9.2.1 图图 9.2.4 所示为一所示为一RC桥式正弦波振荡电路，已知桥式正弦波振荡电路，已知 A 为运放为运放 741，其，其最大输出电压为最大输出电压为14 V 。（。（1）图中二极管）图中二极管D1 , D2作为自动稳幅元件，试分作为自动稳幅元件，试分析其稳幅原理；（析其稳幅原理；（2）设电路已产生稳幅正弦波振荡，当输出电压达到正弦）设电路已产生稳幅正弦波

10、振荡，当输出电压达到正弦波峰值时，二极管正向压降约为波峰值时，二极管正向压降约为0.6V, 试估算输出电压的峰值试估算输出电压的峰值Vom ; (3)试定试定性说明因不慎性说明因不慎 使使 R2 短路时，输出电压的波形；（短路时，输出电压的波形；（4）定性画出）定性画出R2 不慎开路不慎开路时，输出电压的波形。（并标明振幅时，输出电压的波形。（并标明振幅） 解：解：（1）稳幅原理）稳幅原理 vo 的幅值较小时，的幅值较小时， D1 , D2 截止，放大电路增益截止，放大电路增益 33 . 3/ )(1132 RRRAV有利于起振；当有利于起振；当 vo 的幅值较大时，的幅值较大时， D1 ,

11、D2 导通，并联等效电阻减小，导通，并联等效电阻减小， AV 下降，下降，vo 幅值趋于稳定。幅值趋于稳定。 （2） 估算估算 Vom 由稳幅振荡时，由稳幅振荡时，VVVvFADomoVV6 . 0, 3/13 时时，及及omomVRRRV316 . 0121 VVom35. 8 重重合合的的直直线线。与与时时间间轴轴电电路路停停振振，输输出出为为一一条条，当当3,02 VAR输输出出波波形形如如图图所所示示。，当当 VAR,2并由电路可列出方程并由电路可列出方程 解之可得解之可得（3）（4）9.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 LC振荡器可产生振荡器可产生1MHz以上频率的正弦波，由以上

12、频率的正弦波，由于普通运放频带较窄，一般由分立元件放大器组成，于普通运放频带较窄，一般由分立元件放大器组成，常见的有变压器反馈式，电感三点式和电容三点式。常见的有变压器反馈式，电感三点式和电容三点式。LjRCjLjRCjZ 1)(19. 3. 1 LC 选频放大电路选频放大电路 1LC并联回路的选频特性并联回路的选频特性 通常有通常有 , 所以所以由上式可知，并联谐振回路具有如下特点由上式可知，并联谐振回路具有如下特点： (1) 并联谐振频率为并联谐振频率为 (2) 谐振时，回路等效阻抗为纯电阻性质，其值最大，即谐振时，回路等效阻抗为纯电阻性质，其值最大，即其中其中 Q 为品质因数为品质因数,

13、是用来评价回路损耗大小的指标，其值是用来评价回路损耗大小的指标，其值在几十至几百范围内。在几十至几百范围内。 LC10 LCf 210或或LR )1(/)1(1CLjRCLCLjRLjCjZ CQLQRCLZ000 200220)(1)1(1 RLjRCLRLjRCLZ(4) 频率特性频率特性 0000,/,2,QRL 则上式改写为则上式改写为 021 jQRCLZ200)2(11 QZZ)2(01 Qtg 2 选频放大器选频放大器 图图 9.3.3 为一选频放大电路，该电路仅对为一选频放大电路，该电路仅对 回路的并联谐振回路的并联谐振频率的信号有放大作用，对其它频率的信号均是衰减的。频率的信

14、号有放大作用，对其它频率的信号均是衰减的。 9. 3. 2 变压器反馈式变压器反馈式 LC 振荡电路振荡电路 图图 9. 3. 6中，中，LC并联回路作放并联回路作放大电路中晶体管集电极的负载，大电路中晶体管集电极的负载，起选频作用，变压器副边绕组实起选频作用，变压器副边绕组实现反馈，称为变压器反馈式正弦现反馈，称为变压器反馈式正弦波振荡器。振荡电路中电容波振荡器。振荡电路中电容C1，射极旁路电容射极旁路电容Ce ，通常足够大，通常足够大，视为交流短路，因此视为交流短路，因此LC回路谐振回路谐振时，呈电阻性，放大电路的输出时，呈电阻性，放大电路的输出和输入间相位相反，如果变压器和输入间相位相反

15、，如果变压器绕组的极性合适（图中同名端用绕组的极性合适（图中同名端用*号表示），反馈网络的相位，号表示），反馈网络的相位，则满足振荡的相位平衡条件，则满足振荡的相位平衡条件，180f180A(-)(+)(+) 振荡频率为振荡频率为式中式中 L 为回路的等效电感。为回路的等效电感。 通常采用瞬时极性法分析，通常采用瞬时极性法分析，各处极性见图中标注，可判断各处极性见图中标注，可判断电路为正反馈，满足相位平衡电路为正反馈，满足相位平衡条件。条件。 起振的幅值条件为起振的幅值条件为 ，只要变压器变比恰当，一般都可只要变压器变比恰当，一般都可满足。满足。CLfo 21FA1 9. 3. 3 三点式三点

16、式 LC 弦波振荡器弦波振荡器 电感三点式振荡器电感三点式振荡器(图图 9. 3. 7 )，把，把LC谐振回路中的电感分谐振回路中的电感分成成 L1和和 L2 两个部分，通常为顺接，彼此之间具有互感两个部分，通常为顺接，彼此之间具有互感M，等，等效电感效电感 L= L1+ L2 +2M 由于由于 L 有有3个端点（个端点（1）、（、（2）、（）、（3）被称为）被称为电感三点式电感三点式. 利用瞬时极性法，可利用瞬时极性法，可判断电路为正反馈，振荡判断电路为正反馈，振荡频率为频率为 LCfo 21 电感三点式，用可变电容虽然能在较宽范围内调节振荡频电感三点式，用可变电容虽然能在较宽范围内调节振荡

17、频率，但是，由于反馈电压取自电感率，但是，由于反馈电压取自电感L1，感抗随频率升高而增，感抗随频率升高而增加，反馈电压中高次谐波比重增加，使输出波形变坏。为此加，反馈电压中高次谐波比重增加，使输出波形变坏。为此，用电容三点式振荡电路。，用电容三点式振荡电路。2121CCCCC CLfo 21 9. 3. 4 石英晶体正弦波振荡器石英晶体正弦波振荡器 如果对振荡频率的稳定性要求更高，可采用石英晶体振荡器。石英晶体振如果对振荡频率的稳定性要求更高，可采用石英晶体振荡器。石英晶体振荡器是在振荡电路中用石英晶体取代荡器是在振荡电路中用石英晶体取代LC元件，构成正弦波振荡器。其频率稳元件，构成正弦波振荡

18、器。其频率稳定度可达定度可达10-9甚至到甚至到10-11。 1石英晶体的特性石英晶体的特性 石英晶体是一种各向异性的结晶体（二氧化硅），按一定的石英晶体是一种各向异性的结晶体（二氧化硅），按一定的方位角切下薄片，简称晶片（可以是正方形、矩形或圆形等）方位角切下薄片，简称晶片（可以是正方形、矩形或圆形等）。在两个对应表面上涂敷银层作电极，加上外壳封装，就是石。在两个对应表面上涂敷银层作电极，加上外壳封装，就是石英晶体产品，如图英晶体产品，如图 9.3. 9所示所示。 压电效应压电效应: 在晶片的两个电极间加电场，晶片就会产生机械变形在晶片的两个电极间加电场，晶片就会产生机械变形; 在晶片在晶片

19、两侧施加机械压力两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上产生电场的现象则在晶片相应的方向上产生电场的现象。 压电谐振：压电谐振：晶片两极加上交变电场，晶片就会产生机械振动，此机械振晶片两极加上交变电场，晶片就会产生机械振动，此机械振动又会产生交变电场，不过其振幅非常小，但是当外加交变电压的频率为晶动又会产生交变电场，不过其振幅非常小，但是当外加交变电压的频率为晶片的固有频率时，振幅将急剧增加。片的固有频率时，振幅将急剧增加。 固有频率：固有频率：即谐振频率，和晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，这即谐振频率，和晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，这些可以制作得很精确，因而频率稳定度很高。些可以制

20、作得很精确，因而频率稳定度很高。 Co 为切片与金属板构成的静电电容，一般为几皮法到几十皮为切片与金属板构成的静电电容，一般为几皮法到几十皮法。法。 L 模拟机械振动的惯性，一般为几十毫亨到几百亨。模拟机械振动的惯性，一般为几十毫亨到几百亨。 C 模拟晶片的弹性，一般只有模拟晶片的弹性，一般只有0.00020.1pF。 R 表示晶片振动时摩擦而造成的损耗，一般为。表示晶片振动时摩擦而造成的损耗，一般为。 因为因为 L 很大，很大，R、C很小，回路很小，回路Q值极高，可达值极高，可达104106。由等效。由等效电路可推导出其谐振频率有两个：电路可推导出其谐振频率有两个： 1) 串联谐振频率。此时

21、回路阻抗最小，近似为电阻串联谐振频率。此时回路阻抗最小，近似为电阻R。 2) 并联谐振频率并联谐振频率 LCfs 21000121CCfCCCCLfsp 实际给出的固有频率既不是串联也不是并联谐振频率，在实际给出的固有频率既不是串联也不是并联谐振频率，在两者之间两者之间 pssfff 2石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 1）串联型石英振荡器）串联型石英振荡器 石英晶体接在放大器的反馈网络中起选频作用，可构成正弦石英晶体接在放大器的反馈网络中起选频作用，可构成正弦波振荡器，串联型石英振荡器。当电路的振荡频率为波振荡器，串联型石英振荡器。当电路的振荡频率为 fS 时，石时，石英晶体的电抗最小，呈电

22、阻性，相移为零，满足相位平衡条件，英晶体的电抗最小，呈电阻性，相移为零，满足相位平衡条件，产生振荡，振荡频产生振荡，振荡频 率为率为 fS 。 2）并联型石英振荡器）并联型石英振荡器 石英晶体在此窄小范围内呈感性。石英晶体在此窄小范围内呈感性。 当频率在当频率在 fS 和和 fP 之间时，石英晶体可代替电容之间时，石英晶体可代替电容3点式点式中的电感，构成正弦波荡器，图中的电感，构成正弦波荡器，图 9. 3.12所示。振荡频率由谐所示。振荡频率由谐振回路的参数决定。但因为振回路的参数决定。但因为 C1 、C2 CS, 所以振荡频率主所以振荡频率主要取决于石英晶体与要取决于石英晶体与 CS 的谐

23、振频率。的谐振频率。9. 4 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路 9. 4. 1 比较器比较器 电压比较器电压比较器: 用于模拟输入电压与基准电压间进行比较的用于模拟输入电压与基准电压间进行比较的电路。比较结果在输出端用高电平或低电平表示出来。电路。比较结果在输出端用高电平或低电平表示出来。 电压比较器是集成运放的非线性应用。可以由通用型运放处电压比较器是集成运放的非线性应用。可以由通用型运放处于于开环工作状态开环工作状态或加有或加有正反馈正反馈构成。构成。 输入信号加在运放同相端的称为同相电压比较器；输入信号输入信号加在运放同相端的称为同相电压比较器；输入信号加在运放反相端的称为反相电压比

24、较器。电压比较器也可采加在运放反相端的称为反相电压比较器。电压比较器也可采用专用集成芯片。用专用集成芯片。 1. 单门限电压比较器单门限电压比较器 运算放大器工作在开环状态，基准电压运算放大器工作在开环状态，基准电压VREF 加在运放反相（同加在运放反相（同相）端，输入信号相）端，输入信号v I 加在运放同相加在运放同相(反相）端。反相）端。 比较器输出只可能有比较器输出只可能有两种电平。高电平两种电平。高电平 VoH ，低电平低电平 VoL。 门限电压门限电压Vth ：比较比较器输出电压从一器输出电压从一 个电平个电平跳到另一电平所对应的输跳到另一电平所对应的输入电压。入电压。 Vth= V

25、REF 过零比较器过零比较器 ：Vth= VREF =0 时时， 输入信号电压每次过输入信号电压每次过零，输出都要产生跳变的比较器零，输出都要产生跳变的比较器。 例例 9.4 .1 电路如图电路如图 9.4.2a 所示所示, 当输入信号当输入信号 vI 如图如图 c 所示的所示的正弦波时，定性画出图中正弦波时，定性画出图中vo 、vo、 vL 的波形。的波形。 解解： 2. 迟滞比较器迟滞比较器 简单电压比较器是当输入信号达到某一给定基准电平时，简单电压比较器是当输入信号达到某一给定基准电平时，立即翻转，用来检测未知电压，具有较高的灵敏度。但是它立即翻转，用来检测未知电压，具有较高的灵敏度。但

26、是它易受漂移、噪声及干扰的影响，造成误动作。易受漂移、噪声及干扰的影响，造成误动作。 （1）电路组成）电路组成 具有迟滞回环传输特性的比较器具有迟滞回环传输特性的比较器。 具有两个门限电压：上门限电压和下门限电压。具有两个门限电压：上门限电压和下门限电压。 迟滞电压比较器虽然灵敏度低一些，但抗干扰的能力大大迟滞电压比较器虽然灵敏度低一些，但抗干扰的能力大大 提高。提高。 电路为正反馈电路。电路为正反馈电路。 有反相和同相有反相和同相 两种两种。（2） 门限电压的估算门限电压的估算 ;,;,oHoPIoLoPINVvvvVvvvv INPvvv 输出电压跳变的临界条件输出电压跳变的临界条件这里的

27、这里的 vP 值就是门限电压值就是门限电压 Vth , 假定运放是理想的，由图假定运放是理想的，由图 9.4.4 利用叠加原理有利用叠加原理有oREFthPvRRRVRRRVv122211 oHREFTVRRRVRRRV122211 oLREFTVRRRVRRRV122211 )(122oLoHTTTVVRRRVVV 根据输出电压根据输出电压 vo的不同值（的不同值（ VoH 或或 VoL ) 可求出上门限电压可求出上门限电压 VT+ 和下门限电压和下门限电压 VT- 门限宽度或回差电压门限宽度或回差电压（3）传输特性）传输特性 电路参数如图电路参数如图 9.4.4 所示，所示， 设设 VoH

28、 = - VoL =5V，则，则VT+ =1.04V, VT- =0.94V, VT =0.1V, 传输特性有两条：传输特性有两条： a) vI 由小于由小于VT- 增加增加 b) vI 由大于由大于 VT+ 减小减小 综合两条传输特性的电路的综合两条传输特性的电路的传输特性。传输特性。 例例 9.4 .2 设电路参数如图设电路参数如图 9.4.6a ，输入信号，输入信号 vI 的波形如图的波形如图 9.4.6c 所示。试画出其传输特性和输出电压所示。试画出其传输特性和输出电压 vo 的波形。的波形。 解解： （1）求门限电压）求门限电压 由限幅电路的参数得由限幅电路的参数得 VVRRRVoHT5122 VVRRRVoLT5122 VVVoLoH10 （2）画传输特性）画传输特性（3） 画画 vo 的波形的波形 利用电压比较器和利用电压比