模拟电子技术课件第九章信号产生电路

1、 第九章 信号产生电路信号产生电路模拟电子技术模拟电子技术第九章 信号产生电路信号产生电路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9.2 RC RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.3 LC LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.4 非正非正弦弦信号产生电路信号产生电路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正弦波发生电路的组成产生正弦波的条件起振条件和稳幅原理正弦波发生电路的组成为了产生正弦波为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正，必须在放大电路里加入正反馈，因此放大电路和正反馈网络是振荡电路反馈，因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分。但是，这样两部分构

2、成的振荡的最主要部分。但是，这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波，这是由于很难控制正反器一般得不到正弦波，这是由于很难控制正反馈的量。馈的量。 如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产生非大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。线性失真。 反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能停反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能停振，为此振荡电路要有一个稳幅电路。振，为此振荡电路要有一个稳幅电路。 为了获得单一频率的正弦波输出，应该有为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络，选频网络往往和正反馈网络或放大选频网络，选频

3、网络往往和正反馈网络或放大电路合二为一。选频网络由电路合二为一。选频网络由R、C和和L、C等电抗等电抗性元件组成。正弦波振荡器的名称一般由选频性元件组成。正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。网络来命名。 正弦波发生电路的组成正弦波发生电路的组成 放大电路放大电路 正反馈网络正反馈网络 选频网络选频网络 稳幅电路稳幅电路产生正弦波的条件 产生正弦波的条件与负反馈放大电产生正弦波的条件与负反馈放大电路产生自激的条件十分类似。只不过负反路产生自激的条件十分类似。只不过负反馈放大电路中是由于信号频率达到了通频馈放大电路中是由于信号频率达到了通频带的两端，产生了足够的附加相移，从而带的两端，产生了足

4、够的附加相移，从而使负反馈变成了正反馈。在振荡电路中加使负反馈变成了正反馈。在振荡电路中加的就是正反馈，振荡建立后只是一种频率的就是正反馈，振荡建立后只是一种频率的信号。的信号。(a)负反馈放大电路负反馈放大电路(b)正反馈振荡电路正反馈振荡电路 比较图比较图 (a) 和和 (b)就可以明显地看出负反馈就可以明显地看出负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区别了。由于振荡放大电路和正反馈振荡电路的区别了。由于振荡电路的输入信号电路的输入信号 ，所以，所以 。0iXfiXX起振条件：起振条件：幅度平衡条件：幅度平衡条件：相位平衡条件相位平衡条件1FA1AF ：引入正反馈。：引入正反馈。1|FA 振荡器

5、在刚刚起振时，要求振荡器在刚刚起振时，要求 ，这称为，这称为起振条件起振条件。起振条件和稳幅原理1.|.|FA 既然既然 ，起振后就要产生增幅振荡，起振后就要产生增幅振荡，这样电路必然产生失真。可以在反馈网络中，这样电路必然产生失真。可以在反馈网络中加入稳幅环节，用以调节放大电路的增益，从加入稳幅环节，用以调节放大电路的增益，从而达到稳幅的目的。同时还要靠选频网络的作而达到稳幅的目的。同时还要靠选频网络的作用，选出期望频率分量作为输出信号，以获得用，选出期望频率分量作为输出信号，以获得正弦波输出。正弦波输出。9.2 RC RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路RCRC网络的频率响应网络的频率响应RC

6、RC文氏桥振荡器文氏桥振荡器RC网络的频率响应 RC串并联网络的电路如图所示。串并联网络的电路如图所示。RC串联臂串联臂的阻抗用的阻抗用Z1表示，表示，RC并联臂的阻抗用并联臂的阻抗用Z2表示。表示。)j / 1 (111CRZ222222j1 )j/1/(CRRCRZ RC串并联网络串并联网络其频率响应如下其频率响应如下: :)j1/(+)Cj/1 ()j1/(22211222212CRRRCRRZZZofVVF)j1()Cj/1 (222112RCRRRR/j+)Cj /1 (2122221112RCCRCRRR1)122C1RCR1j()1 (2121CRCR-谐振频率为谐振频率为:f0

7、=212121CCRRRC10当当R1=R2，C1=C2时，时，谐振角频率和谐振频率谐振角频率和谐振频率分别为分别为:012fRC1)122C1RCR1j()1 (2121CRCR-F幅频特性幅频特性:相频特性相频特性:F20022122121221)(31)1()1 (1-CRCRCCRR 3arctg11arctg0012211221F-CCRRCRCR1)122C1RCR1j()1 (2121CRCR-FRC10 当当 f=f0 时的反馈系数时的反馈系数 , ,此时此时的相角的相角 F=0 。F311)122C1RCR1j()1 (2121CRCR-F012fRCRC串并联网络的频率特性

8、曲线串并联网络的频率特性曲线RC文氏桥振荡电路(1) RC文氏桥振荡电路的构成文氏桥振荡电路的构成 RC文氏桥振荡电路如图所示，文氏桥振荡电路如图所示，RC 串并联网串并联网络是正反馈网络，另外还增加了络是正反馈网络，另外还增加了R3和和R4负反馈网负反馈网络。络。 C1、R1和和C2、R2正反馈支路正反馈支路与与R3、R4负反负反馈支路正好构馈支路正好构成一个桥路，成一个桥路，称为称为文氏桥文氏桥。 RC文氏桥振荡电路文氏桥振荡电路当当C1=C2、R1=R2时时:31ofVVF F=0 RCff2103143fRRA 为满足振荡的幅度条件为满足振荡的幅度条件 1 1，所以，所以A Af f3

9、3。加入。加入R3、R4 4支路，构成串联电压负反馈。支路，构成串联电压负反馈。FA (2)(2) RC文氏桥振荡电路的稳幅过程文氏桥振荡电路的稳幅过程 RC文氏文氏桥振荡电路的桥振荡电路的稳幅作用是靠稳幅作用是靠热敏电阻热敏电阻R4实实现的。现的。R4是正温度系数热敏电是正温度系数热敏电阻，即温度升高，阻，即温度升高，R4的的阻值增加，负反馈增强，阻值增加，负反馈增强，输出幅度下降。反之输输出幅度下降。反之输出幅度增加。若热敏电出幅度增加。若热敏电阻是负温度系数，应放阻是负温度系数，应放置在置在?9.3 LC正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路的构成与正弦波振荡电路的构成与RC正弦波振正弦波振

10、荡电路相似，包括有放大电路、正反馈网络、荡电路相似，包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。这里的选频网络是由选频网络和稳幅电路。这里的选频网络是由LC并联谐振电路构成，正反馈网络因不同类并联谐振电路构成，正反馈网络因不同类型的型的LC正弦波振荡电路而有所不同。正弦波振荡电路而有所不同。LC并联谐振电路的频率响应并联谐振电路的频率响应变压器反馈变压器反馈LC振荡电路振荡电路电感三点式电感三点式LC振荡电路振荡电路电容三点式电容三点式LC振荡电路振荡电路LC并联谐振电路的频率响应并联谐振电路的频率响应 LC并联谐振电路如图并联谐振电路如图（a）所示。显然输所示。显然输出电压是频率的函数：

11、出电压是频率的函数：)()(ioVfV （a）LC并联谐振电路并联谐振电路 LC并联谐振电路与并联谐振曲线并联谐振电路与并联谐振曲线 （b）并联谐振曲线）并联谐振曲线 输入信号频率过高，电容的旁路作用加强，输入信号频率过高，电容的旁路作用加强，输出减小；反之频率太低，电感将短路输出。输出减小；反之频率太低，电感将短路输出。并联谐振曲线如图（并联谐振曲线如图（b）所示。）所示。 （a）LC并联谐振电路并联谐振电路 LC并联谐振电路与并联谐振曲线并联谐振电路与并联谐振曲线 （b）并联谐振曲线）并联谐振曲线谐振时谐振时谐振频率谐振频率0100-CLLCf210谐振时电感支路电流或电容支路电流与谐振时

12、电感支路电流或电容支路电流与总电流之比，称为并联谐振电路的品质因数总电流之比，称为并联谐振电路的品质因数CRRLIIIIQ00CL/ 1/考虑电感支路的损耗，考虑电感支路的损耗，用用R表示，如图所示。表示，如图所示。有损耗的谐振电路有损耗的谐振电路对于如下图所示的谐振曲线，对于如下图所示的谐振曲线，Q值大的值大的曲线较陡较窄，图中曲线较陡较窄，图中Q1Q2。并联谐振电路。并联谐振电路的谐振阻抗的谐振阻抗000LQZQ LRCC谐振时谐振时LC并联谐振电路并联谐振电路相当一个电阻。相当一个电阻。变压器反馈变压器反馈LC振荡电路振荡电路变压器反馈变压器反馈LC振荡电振荡电路路变压器反馈变压器反馈L

13、C振荡电路如图所示。振荡电路如图所示。 LC并联谐并联谐振电路作为三振电路作为三极管的负载，极管的负载，反馈线圈反馈线圈L2与与电感线圈电感线圈相相耦合耦合,将反馈信将反馈信号送入三极管号送入三极管的输入回路。的输入回路。调整反馈线圈调整反馈线圈的匝数可以改的匝数可以改变反馈信号的变反馈信号的强度，以使正强度，以使正反馈的幅度条反馈的幅度条件得以满足。件得以满足。 有关同名端的极性请参阅下图。有关同名端的极性请参阅下图。 同名端的极性同名端的极性 变压器变压器反馈反馈LC振荡电路的振荡频振荡电路的振荡频率与并联率与并联LC谐振电谐振电路相同，路相同，为为LCf210电感三点式LC振荡电路 下图

14、为电感三点式下图为电感三点式LC振荡电路。电感线圈振荡电路。电感线圈L1和和L2是一个线圈，是一个线圈，2点是中间抽头。如果设某点是中间抽头。如果设某个瞬间集电极电流减小，线圈上的瞬时极性如图个瞬间集电极电流减小，线圈上的瞬时极性如图所示。反馈到发射极的极性对地为正，符合正反所示。反馈到发射极的极性对地为正，符合正反馈的相位条件。馈的相位条件。 电感三点式电感三点式LC振荡器（振荡器（CE）下图为另一种电感三点式下图为另一种电感三点式LC振荡电路。振荡电路。 分析三点式分析三点式LC振荡电路常用如下方法，将振荡电路常用如下方法，将谐振回路的阻抗折算到三极管的各个电极之间，谐振回路的阻抗折算到三

15、极管的各个电极之间，有有Zbe、Zce、Zcb,如下图所示。如下图所示。三点式振荡器三点式振荡器对于下图电路对于下图电路Zbe是是L2、Zce是是L1、Zcb是是C。可以证明若满足相位平衡条件，可以证明若满足相位平衡条件，Zbe和和Zce必须同必须同性质，即同为电容或同为电感，且与性质，即同为电容或同为电感，且与Zcb性质相反性质相反。与电感三点式与电感三点式LC振荡电路类似的有电容振荡电路类似的有电容三点式三点式LC振荡电路，见下图所示。振荡电路，见下图所示。（a）CB组态组态（b）CE组态组态电容三点式电容三点式LC振荡电路振荡电路电容三点式LC振荡电路例例1 1：下图电路为一个三点式振荡

16、电路，：下图电路为一个三点式振荡电路，试判断是否满足相位平衡条件。试判断是否满足相位平衡条件。石英晶体LC振荡电路利用石英晶体的高品质因数的特点，构利用石英晶体的高品质因数的特点，构成成LC振荡电路，如下图所示。振荡电路，如下图所示。(a)串联型串联型f f0 0=f fs s （b）并联型）并联型f fs sf f0 0f fp p 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 石英晶体的阻抗频率特性曲线见下图所示石英晶体的阻抗频率特性曲线见下图所示, , 石英晶体的电抗曲线石英晶体的电抗曲线 它有一个串联谐振频率它有一个串联谐振频率f fs s, ,一个并联谐一个并联谐振频率振频率 f fp p，二者

17、十分接近，二者十分接近。 上图电路与电感三点式振荡电路相似。要上图电路与电感三点式振荡电路相似。要使反馈信号能传递到发射极，为此石英晶体应使反馈信号能传递到发射极，为此石英晶体应处于串联谐振点，此时晶体的阻抗接近为零。处于串联谐振点，此时晶体的阻抗接近为零。 对于上图所示电路，满足正反馈的条件，对于上图所示电路，满足正反馈的条件，为此，石英晶体必须呈电感性才能形成为此，石英晶体必须呈电感性才能形成LC并并联谐振联谐振回路，产生振荡。由于石英晶体的回路，产生振荡。由于石英晶体的Q值值很高，可达到几千以上，所示电路可以获得很很高，可达到几千以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。高的振荡频率稳

18、定性。例例2 2：分析如下两个振荡电路能否产生振荡，分析如下两个振荡电路能否产生振荡，若产生振荡若产生振荡, ,石英晶体处于何种状态？石英晶体处于何种状态？ (a) (b)(a) (b) 9.4 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路比较器非正弦波发生电路比较器固定幅度比较器固定幅度比较器滞回比较器滞回比较器窗口比较器窗口比较器比较器的应用比较器的应用比较器是将一个比较器是将一个模拟电压信号与一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电基准电压相比较的电路。路。常用的幅度比较电常用的幅度比较电路有电压幅度比较器路有电压幅度比较器、窗口比较器和具有、窗口比较器和具有滞回特性的比较器。滞回特性的比较器。

19、这些比较器的阈值是这些比较器的阈值是固定的，有的只有一固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值，有的具有两个阈值。个阈值。固定幅度比较器固定幅度比较器(1) (1) 过零比较器和电压幅度比较器过零比较器和电压幅度比较器过零过零电压比较电压比较器是典型器是典型的幅度比的幅度比较电路，较电路，它的电路它的电路图和传输图和传输特性曲线特性曲线如右图所如右图所示。示。(a)(b)过零电压比较器过零电压比较器(a)电路图电路图(b)传输特性曲线传输特性曲线将过零电压比较器的一个输入端从接地改接将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到一个电压值到一个电压值VREF上上,就得到电压幅度比较器，就得到电压幅

20、度比较器，它的电路图和传输特性曲线如下图所示。它的电路图和传输特性曲线如下图所示。固定电压比较器固定电压比较器(a)(b)(2)(2)比较器的基本特点比较器的基本特点工作在开环或正反馈状态。工作在开环或正反馈状态。开关特性，因开环增益很大，开关特性，因开环增益很大，比较器比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。状态。非线性，非线性，因大幅度工作，输出和输入因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。不成线性关系。滞回比较器滞回比较器om21221REF1TVRRRRRVRV-om21221REF1TVRRRRRVRV从输出引一个电阻分压支路到同相输入端可组成从输出

21、引一个电阻分压支路到同相输入端可组成滞回比较器。当输入电压滞回比较器。当输入电压vI从零逐渐增大，且从零逐渐增大，且时，时，称为称为上限阈值上限阈值(触发触发)电平电平。TIVv omOVvTV当输入电压当输入电压时，时，此时触发电，此时触发电平变为平变为，称为称为下下限阈值限阈值(触发触发)电平电平。TIVv-omOVv TV TV滞回比较器电路图滞回比较器电路图当当逐渐减小，且逐渐减小，且以前，以前，始终等始终等于于，因此出现如图所示的滞回特性曲线。，因此出现如图所示的滞回特性曲线。Iv TIVv Ov-omV滞回比较器传输特性滞回比较器传输特性回差电压回差电压：V TTVVV-212om

22、omRVVRR-窗口比较器窗口比较器窗口比较器的电路如图所示。电路由两窗口比较器的电路如图所示。电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成。个幅度比较器和一些二极管与电阻构成。设设R1 =R2，则有：，则有：212()1()22CCDLCCDHLD2=2=VV RVRRVVVVV- 当当vIVH时，时，vO1为为高电平高电平，D3导通导通；vO2为为低电平低电平,D4截止，截止，vO= vO1。当当vI VL时，时，vO2为高电平，为高电平，D4导导通；通；vO1为低电平，为低电平，D3截止，截止，vO= vO2。当当VH vI VL时，时，vO1为为低电平，低电平，vO2为低电平，为低电平，

23、D3、D4截止，截止，vO为低电平为低电平。该比较器有两该比较器有两个阈值，传输特性个阈值，传输特性曲线呈窗口状，故曲线呈窗口状，故称为称为窗口比较器窗口比较器。信号的电位水平信号的电位水平高于某规定值高于某规定值VH的情况，相当的情况，相当比较电路正饱比较电路正饱和输出。和输出。信号的电位水平信号的电位水平低于某规定值低于某规定值VL的情况，相当的情况，相当比较电路负饱比较电路负饱和输出。和输出。当当vIVH时，时，vO1为为高高电平电平，D3导通；导通；vO2为为低电平低电平,D4截止，截止，vO= vO1。当当vI VL时，时，vO2为高为高电平，电平，D4导通；导通；vO1为为低电平，

24、低电平，D3截止，截止，vO= vO2。当当VH vI VL时，时，vO1为低电平，为低电平，vO2为低为低电平，电平，D3、D4截止，截止，vO为低电平为低电平。窗口比较器的传输特性窗口比较器的传输特性该比较器有两个阈值，该比较器有两个阈值，传输特性曲线呈窗口状，传输特性曲线呈窗口状，故称为故称为窗口比较器窗口比较器。比较器的应用比较器的应用比较器主要用来对输入波形进行整形，可以比较器主要用来对输入波形进行整形，可以将不规则的输入波形整形为方波输出。将不规则的输入波形整形为方波输出。(a)正弦波变换为矩形波正弦波变换为矩形波(b)有干扰正弦波变换为方波有干扰正弦波变换为方波方波发生电路三角波

25、发生电路锯齿波发生电路 非正弦波发生电路方波发生电路方波发生电路方波发生电路是由滞回比较电路和方波发生电路是由滞回比较电路和RC定时电定时电路构成的，电路如图所示。路构成的，电路如图所示。(1)(1)工作原理工作原理电源刚接通时电源刚接通时,设设21Z2PZOC, 0RRVRVVvv所以电容电容C充电，充电，升高。升高。Cv21Z2PRRVRV-当当时，时，所以，所以电容电容C放电，放电，下降。下降。PNCVVvZOVv-Cv当当，时，返时，返回初态。回初态。PNCVVvZOVv方波周期方波周期可可用过渡过程公用过渡过程公式求出式求出)21ln(212fRRCRT方波发生器波形图方波发生器波形

26、图(2)(2)占空比可调的矩形波电路占空比可调的矩形波电路为了改变输出方波的占空比，可改变电容为了改变输出方波的占空比，可改变电容器器C的充电和的充电和放电时间常数。放电时间常数。C充 电 时 ，充 电 时 ，充电电流经电位充电电流经电位器的上半部、二器的上半部、二极管极管D1、Rf；C放电时，放放电时，放电电流经电电流经Rf、二、二极管极管D2、电位器、电位器的下半部。的下半部。占空比可调方波发生电路占空比可调方波发生电路 占空比占空比为：为：%100%1002111TTCRrRf1d w1CRrRRf2d ww2- %100%1002111TTCRrRf1d w1其中，其中，是电位器中点是电位器中点到上端到上端的的电阻