信号产生电路

1、7.17.1正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法7.27.2RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.37.3LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.47.4石英晶体振荡器石英晶体振荡器7.57.5非正弦波发生电路非正弦波发生电路信号发生电路信号发生电路( (振荡器振荡器Oscillators) )分类：分类：正弦波振荡器正弦波振荡器非正弦波振荡器非正弦波振荡器RC 振荡器振荡器( (1 kHz 1MHz) )LC 振荡器振荡器( (1MHz以上以上) )石英晶体振荡器石英晶体振荡器( (频率稳定度高频率稳定度高) )方波、方波、 三角波、三角波、锯齿波等锯齿波等主要性主要性能要求能要求

2、输出信号的输出信号的幅度准确稳定幅度准确稳定输出信号的输出信号的频率准确稳定频率准确稳定本章重点和考点：本章重点和考点：1.重点掌握重点掌握RC正弦波振荡正弦波振荡 工作原理。工作原理。2.重点掌握电压比较器的传输特性。重点掌握电压比较器的传输特性。3.掌握非正弦波发生电路的原理。掌握非正弦波发生电路的原理。7.1 正弦波振荡电路一、正弦波振荡的条件和电路的组成二、RC正弦波振荡电路三、LC正弦波振荡电路四、石英晶体正弦波振荡电路一、正弦波振荡的条件和电路的组成一、正弦波振荡的条件和电路的组成1. 正弦波振荡的条件正弦波振荡的条件 无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。无外加信号，输出一定频

3、率一定幅值的信号。 与负反馈放大电路的振荡的不同之处：在正弦波振荡电与负反馈放大电路的振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。在电扰动下，对于某一特定频率在电扰动下，对于某一特定频率f0的信号形成正反馈：的信号形成正反馈：oioXXX 由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。1. 正弦波振荡的条件正弦波振荡的条件211FAnFAFA 一旦产生稳定的振荡，则一旦产生稳定的振荡，则电路的输出量自维持，即电路的输出量自维

4、持，即ooXFAX幅值平衡条件幅值平衡条件相位平衡条件相位平衡条件1FA起振条件：起振条件： 要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的f0，且在，且在合闸通电时对于合闸通电时对于f= f0信号有从小到大直至稳幅的过程，信号有从小到大直至稳幅的过程，即满足起振条件。即满足起振条件。2、 基本组成部分基本组成部分1) 基本放大电路：放大作用基本放大电路：放大作用2) 正反馈网络：满足相位条件正反馈网络：满足相位条件3) 选频网络：确定选频网络：确定f0，保证电路产生正弦波振荡保证电路产生正弦波振荡4) 稳幅环节：稳幅稳幅环节：稳幅1) 是否存在主要组成部分；是否

5、存在主要组成部分；2) 放大电路能否正常工作，即是否有合适的放大电路能否正常工作，即是否有合适的Q点，信号是点，信号是 否可能正常传递，没有被短路或断路否可能正常传递，没有被短路或断路；3) 是否满足相位条件，即是否存在是否满足相位条件，即是否存在 f0，是否可能振荡，是否可能振荡 ；4) 是否满足幅值条件，即是否一定振荡。是否满足幅值条件，即是否一定振荡。常合二为一常合二为一3 3、分析正弦波振荡电路能否振荡的方法、分析正弦波振荡电路能否振荡的方法相位条件的判断方法：相位条件的判断方法：瞬时极性法瞬时极性法断开反馈，在断开处给放大电路加断开反馈，在断开处给放大电路加 ff0的信号的信号Ui，

6、且规且规定其极性，然后根据定其极性，然后根据 Ui的极性的极性 Uo的极性的极性 Uf的极性的极性若若Uf与与Ui极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不可能产生自激振荡。可能产生自激振荡。 在多数正弦波振荡电路在多数正弦波振荡电路中，输出量、净输入量和中，输出量、净输入量和反馈量均为电压量。反馈量均为电压量。 iU极性？极性？4. 分类分类常用选频网络所用元件分类。常用选频网络所用元件分类。1) RC正弦波振荡电路：几百正弦波振荡电路：几百千赫千赫以下以下2) LC正弦波振荡电路：几百正弦波振荡电路：几百千赫千赫几百几百兆赫兆赫3) 石英晶体正

7、弦波振荡电路：振荡频率稳定石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定CRCRCRUUF j1 j1 j1of ) 1 ( j31RCRCFRC串并联选频网络的频率响应串并联选频网络的频率响应当当 f=f0时，不但时，不但=0，且，且 最大，为最大，为1/3。F)( j31 21000ffffFRCf，则令二、二、RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路2. RC串并联网络正弦波振荡电路串并联网络正弦波振荡电路 RfR1RCCRuo RC串并联网络正弦波振荡电路串并联网络正弦波振荡电路 由由RC串并联网络的选频特性得知串并联网络的选频特性得知,在在=o=1/RC时时, 其相移其相移F=0, 为了使振荡电路满

8、足相位条件为了使振荡电路满足相位条件nFAAF2 为了使电路能振荡为了使电路能振荡, 还应满足起振条件还应满足起振条件, 即要求即要求1FA要求放大器的相移要求放大器的相移A也为也为0(或或360)。 而上图所示的反馈系数就是而上图所示的反馈系数就是RC串并联网络的传输系串并联网络的传输系数数, 即即13fuoooUFUj放大器的放大倍数放大器的放大倍数11fuRAR 当当=o时时, , 因而按起振要求因而按起振要求3/1F113fuRAR 12RRf即即 3. 稳幅方法RfR1RCCRuo 反馈电阻反馈电阻RF 采用负温度系数采用负温度系数的热敏电阻，或的热敏电阻，或R1采用正温度系数采用正

9、温度系数的热敏电阻，均可实现的热敏电阻，均可实现自动稳幅。自动稳幅。稳幅的其它措施稳幅的其它措施 电流增大时，二极管动电流增大时，二极管动态电阻减小。电流减小时，态电阻减小。电流减小时，动态电阻增大，加大非线性动态电阻增大，加大非线性环节，从而使输出电压稳定。环节，从而使输出电压稳定。在在RF回路中串联二个并联的二极管回路中串联二个并联的二极管稳幅的其它措施稳幅的其它措施利用场效应管的非线性特性利用场效应管的非线性特性 1)是否可用共射放大电路？是否可用共射放大电路？2)是否可用共集放大电路？是否可用共集放大电路？3)是否可用共基放大电路？是否可用共基放大电路？4)是否可用两级共射放大电路？是

10、否可用两级共射放大电路？4. 电路组成电路组成 应为应为RC 串并联网络配一个电压放大倍数略大于串并联网络配一个电压放大倍数略大于3、输入电、输入电阻趋于无穷大、输出电阻趋于阻趋于无穷大、输出电阻趋于0的放大电路。的放大电路。不符合相位条件不符合相位条件不符合幅度条件不符合幅度条件输入电阻小、输出输入电阻小、输出电阻大，影响电阻大，影响f0 可引入电压串联负反馈，使可引入电压串联负反馈，使电压放大倍数大于电压放大倍数大于3，且，且Ri大、大、Ro小，对小，对f0影响小影响小讨论一：讨论一：判断图示电路有可能产生正弦波振荡吗？判断图示电路有可能产生正弦波振荡吗？RC 移项式电路移项式电路问问:

11、RC 移相电路有几级才可能产生正弦波振荡？移相电路有几级才可能产生正弦波振荡？三、三、LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 1. LC并联并联网络的选频特性网络的选频特性LCfCLRQ 2110 ， 理想理想LC并联网络在谐振时呈纯阻性，且并联网络在谐振时呈纯阻性，且阻抗无穷大。阻抗无穷大。LCf 210谐振频率为谐振频率为在损耗较小时，品质因数及谐振频率在损耗较小时，品质因数及谐振频率损耗损耗 在在ff0时，电容和电感中电流各约为多少？网络的电时，电容和电感中电流各约为多少？网络的电阻为多少？阻为多少？ 构成正弦波构成正弦波振荡电路最简振荡电路最简单的做法是通单的做法是通过变压器引入过变压器引

12、入反馈。反馈。附加相移附加相移LC选频放大电路选频放大电路正弦波振荡电路正弦波振荡电路 当当f=f0时，时，电压放大倍电压放大倍数的数值最数的数值最大，且附加大，且附加相移为相移为0。放大电路放大电路反馈网络反馈网络Uo2. 变压器反馈式变压器反馈式电路电路)(0iffUfU特点：特点： 易振，波形较好；耦合不紧密，易振，波形较好；耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。损耗大，频率稳定性不高。分析电路是否可能产生正弦分析电路是否可能产生正弦波振荡的步骤：波振荡的步骤：1) 是否存在组成部分是否存在组成部分2) 放大电路是否能正常工作放大电路是否能正常工作3) 是否满足相位条件是否满足相位条件 为

13、使为使N1、N2耦合紧密，将它们合二为一，组成耦合紧密，将它们合二为一，组成三点式三点式电电感反馈式电路。感反馈式电路。必须有合适的同铭端！必须有合适的同铭端！3. 电感反馈式电感反馈式(电感三点式电感三点式)电路电路反馈电压取自哪个线圈？反馈电压取自哪个线圈？反馈电压的极性？反馈电压的极性？)(0iffUfU必要吗？必要吗？ 电感的三个抽头分别接晶电感的三个抽头分别接晶体管的三个极，故称之为电体管的三个极，故称之为电感三点式电路。感三点式电路。3. 电感反馈式电路电感反馈式电路特点：耦合紧密，易振，振特点：耦合紧密，易振，振幅大，幅大，C 用可调电容可获得用可调电容可获得较宽范围的振荡频率。

14、波形较宽范围的振荡频率。波形较差，常含有高次谐波。较差，常含有高次谐波。 由于电感对高频信号呈现由于电感对高频信号呈现较大的电抗，故波形中含高较大的电抗，故波形中含高次谐波，为使振荡波形好，次谐波，为使振荡波形好，采用电容反馈式电路。采用电容反馈式电路。 电感三点式正弦波振荡电路的振荡频率基本上等于电感三点式正弦波振荡电路的振荡频率基本上等于LC并联电路的谐振频率并联电路的谐振频率, 即即CLfo21其中其中L是谐振回路的等效电感是谐振回路的等效电感, 即即MLLL2214. 电容反馈式（电容三点式）电路电容反馈式（电容三点式）电路iUfU)(2121210CCCCLf 若要振荡频率高，则若要

15、振荡频率高，则L、C1、C2的取值就要小。当的取值就要小。当电容电容减减小到一定程度小到一定程度时时，晶体管的极间电容将并联在，晶体管的极间电容将并联在C1和和C2上，影上，影响振荡频率。响振荡频率。LCfCCCC21 021，则且若特点：特点：波形好，振荡频率调整范围小，适于频率固定的场合。波形好，振荡频率调整范围小，适于频率固定的场合。C与放大电路参数无关与放大电路参数无关作用？作用？四、石英晶体正弦波振荡电路四、石英晶体正弦波振荡电路 1. 石英晶体的特点石英晶体的特点SiO2结晶体按一定方向切割的晶片。结晶体按一定方向切割的晶片。压电效应和压电振荡：机械变形和电场的关系压电效应和压电振

16、荡：机械变形和电场的关系固有频率只决定于其几何尺寸，故非常稳定。固有频率只决定于其几何尺寸，故非常稳定。容性容性感性感性阻性阻性LCffCC21 ps0，故因 一般一般LC选频网络的选频网络的Q为几百，石英晶体的为几百，石英晶体的Q可达可达104106；前者；前者f/f为为105，后者可达，后者可达10101011。2. 电路电路 石英晶体工作在哪个区？石英晶体工作在哪个区？ 是哪种典型的正弦波振荡是哪种典型的正弦波振荡电路？电路？ 石英晶体工作在哪个区？石英晶体工作在哪个区？ 两级放大电路分别为哪种两级放大电路分别为哪种基本接法？基本接法？ C1的作用？的作用？（1）并联型电路）并联型电路（

17、2）串联型电路）串联型电路讨论讨论二二同铭端？同铭端？iU能产生正弦能产生正弦波振荡吗？波振荡吗？注意事项：注意事项：1. 放大电路必须能够正常工作，放大电路的基本接法；放大电路必须能够正常工作，放大电路的基本接法；2. 断开反馈，在断开处加断开反馈，在断开处加 f=f0的输入电压；的输入电压；3. 找出在哪个元件上获得反馈电压，是否能取代输入电压。找出在哪个元件上获得反馈电压，是否能取代输入电压。7.2 非正弦波发生电路非正弦波发生电路一、常见的非正弦波二、矩形波发生电路三、三角波发生电路四、锯齿波发生电路五、波形变换电路一、常见的非正弦波一、常见的非正弦波矩形波矩形波三角波三角波锯齿波锯齿

18、波尖顶波尖顶波阶梯波阶梯波矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。二、矩形波发生电路 输出无稳态，有两个暂态；若输出为高电平时输出无稳态，有两个暂态；若输出为高电平时定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。1. 基本组成部分基本组成部分 （1）开关电路：输出只有高电平和低电平两种）开关电路：输出只有高电平和低电平两种情况，称为两种状态；因而采用电压比较器。情况，称为两种状态；因而采用电压比较器。 （2）反馈网络：自控，在输出为某一状态时孕）反馈网络：自控，在输出为某一状态时孕育翻转成另一状态的条件。

19、应引入反馈。育翻转成另一状态的条件。应引入反馈。 （3）延迟环节：使得两个状态均维持一定的时）延迟环节：使得两个状态均维持一定的时间，决定振荡频率。间，决定振荡频率。利用利用RC电路实现。电路实现。2. 电路组成电路组成Z211TURRRU正向充电：正向充电： uO（+UZ）RC地地反向充电：反向充电： 地地C R uO（UZ）RC 回路回路ZU滞回比较器滞回比较器ZU滞回比较器：集成运放、滞回比较器：集成运放、R1、R2；充放电回路：充放电回路：R、C；（延迟环节、反馈网络）（延迟环节、反馈网络）钳位电路：钳位电路：UZ、R3。（稳幅环节）（稳幅环节）设设 t = 0 时，时，uC = =

20、0，uO = + UZ则则Z211URRRu tOuCZ211URRR Z211URRR OuOZU ZU t当当 u = uC = u+ 时，时，t1t2Z211URRRu 则则当当 u = uC = u+ 时，输出又时，输出又一次跳变，一次跳变， uO = + UZ输出跳变，输出跳变， uO = UZ2T2T3. 工作原理：工作原理： 振荡周期振荡周期电容的充放电规律：电容的充放电规律： )(e)()0()( CtCCCuuutu 对于放电，对于放电，Z211) 0(URRRuC Z)(UuC RC 解得：解得：)21ln(221RRRCT 结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电结

21、论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电阻，即可改变振荡周期。阻，即可改变振荡周期。t1t22T2TtOuCZ211URRR Z211URRR OuOZU ZU tt3振荡频率振荡频率 f=1/TZ211)2(URRRTuC求出、稳态值、时间常数，根据三要素，即起始值)21ln(2213RRCRT%50kTT占空比脉冲宽度脉冲宽度4. 波形分析波形分析 正向充电和反向充电时间常数可正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。调，占空比就可调。5. 占空比可调电路占空比可调电路三、三角波发生电路 1. 电路组成电路组成 用积分运算电路可将方波变为三角波。用积分运算电路可将方波变为三角波。代

22、入，求出，将令ZO1- 11O212O121110UuuuuRRRuRRRuZ21TURRU)()(11O12O13OtuttuCRu 设设t=0时时，合闸通电，通常合闸通电，通常C 上电压为上电压为0。 uO1 = +uZ C充电充电 u1+ = 0 uO1 -UZ（翻转）（翻转） C放电放电 uO u1+ = 0 uO1 从从-UZ跃变为跃变为+UZ （翻转）。（翻转）。 重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。 O212O12111uRRRuRRRu电路状态翻转时，电路状态翻转时，u1+=?2. 工作原理工作原理2. 2. 计算计算(1) uo幅值

23、计算。幅值计算。 当当 时时, 对应的对应的uo值为输出三角波的幅值为输出三角波的幅值值Uom, 即即0UUZoomURRuRRU21211当当uo1=+Uz时时 zomURRU21当当uo1=-Uz时时 zomURRU21O212O12111uRRRuRRRu(2) 振荡周期的计算。振荡周期的计算。 由由A2的积分电路可求出振荡周期的积分电路可求出振荡周期, 其输出电压其输出电压uo从从-Uom上升到上升到+Uom所需时间为所需时间为T/2, 所以所以omTzUdtUCR212/03zomUUCRT342314RCRRT 31241RRRTf得得将幅值代入将幅值代入, 可得可得 3. 波形分

24、析波形分析2314RCRRT 如何调整三角波的幅值和频率？如何调整三角波的幅值和频率？为什么为三角波？怎样获得锯齿波？为什么为三角波？怎样获得锯齿波？ “理性地调试理性地调试”：哪：哪些参数与幅值有关？哪些参数与幅值有关？哪些参数与频率有关？先些参数与频率有关？先调哪个参数？调哪个参数？Z21TURRU四、锯齿波发生电路四、锯齿波发生电路1. R3应大些？小些？应大些？小些？2. RW的滑动端在最上的滑动端在最上端和最下端时的波形？端和最下端时的波形？T3. R3短路时的波形？短路时的波形？T2T1T2T1ttOO1ouUz Uzz32URRz32URRUzz32URRz32URR Uz1ou

25、uouo(a) 充放，负向锯齿波形(b) 充放，正向锯齿波形 锯齿波产生电路波形锯齿波产生电路波形 锯齿波的幅度和振荡周期与三角波相似。锯齿波的幅度和振荡周期与三角波相似。 当当 时时, 对应的对应的uo值为输出三角波的幅值为输出三角波的幅值值Uom, 即即0UUZoomURRuRRU21211当当uo1=+Uz时时 zomURRU21当当uo1=-Uz时时 zomURRU21振荡周期为振荡周期为T=T1+T2, 电容充电时间电容充电时间T1为为zomTzWdURRUdtUCRr32022)(111则则 CRrRRTWd)(23211电容放电时间电容放电时间T2为为 zomTzWWdURRUd

26、tUCRRr32022)(122则则CRRrRRTWWd)(23222故振荡周期为故振荡周期为CRrrRRTTTWdd)(2213221式中式中rd1、rd2为二极管为二极管VD1、VD2导通时的电阻。导通时的电阻。 五、波形变换电路五、波形变换电路1. 利用基本电路实现波形变换利用基本电路实现波形变换 正弦波变方波、变矩形波，方波变三角波，正弦波变方波、变矩形波，方波变三角波， 三角波变方波，固定频率的三角波变正弦波三角波变方波，固定频率的三角波变正弦波如何得到？如何得到？利用利用电子电子开关开关改变改变比例比例系数系数2. 三角波变锯齿波：二倍频三角波变锯齿波：二倍频3. 三角波变正弦波三角波变正弦波若输入信号的频率变化不大，则可用滤波法实现。若输入信号的频率变化不大，则可用滤波法实现。范围是什么？范围是什么？若输入信号的频率变化较大，则可用折线法实现若输入信号的频率变化较大，则可用折线法实现。 三角波用傅立叶级数展开，除基波外，还含有三角波用傅立叶级数展开，除基波外，还含有3 3次、次、5 5次次谐波。谐波。讨论讨论:现有频率为现有频率为1kHz的正弦波的正弦波ui，实现下列变换：，实现下列变换：1kHz的正弦波的正弦波ui2kHz的正弦波的正弦波2kHz的方波的方波2kHz的三角波的三角波7.3.5