第九章信号处理及信号产生电路

1、常熟理工学院常熟理工学院电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院本章知识结构图本章知识结构图本章教学要求本章教学要求 了解有源滤波电路的功能、种类和用途；掌握二阶有源低通了解有源滤波电路的功能、种类和用途；掌握二阶有源低通滤波电路的工作原理及分析计算，了解其他滤波电路的特点以及滤波电路的工作原理及分析计算，了解其他滤波电路的特点以及工作原理；熟练掌握正弦波振荡电路的振荡条件以及工作原理；熟练掌握正弦波振荡电路的振荡条件以及RC桥式正桥式正弦波振荡电路的电路组成、工作原理、振荡频率、起振条件；理弦波振荡电路的电路组成、工作原理、振荡频率、起振条件；理解解RC移相式正弦波振荡电路的工作原理。正确理

2、解变压器反馈移相式正弦波振荡电路的工作原理。正确理解变压器反馈式、电容三点式和电感三点式式、电容三点式和电感三点式LC正弦波振荡电路的电路结构和工正弦波振荡电路的电路结构和工作原理；一般了解石英晶体振荡电路的特点及工作原理；熟练掌作原理；一般了解石英晶体振荡电路的特点及工作原理；熟练掌握单门限电压比较器和迟滞比较器的电路组成、工作原理、阈值握单门限电压比较器和迟滞比较器的电路组成、工作原理、阈值计算、传输特性；了解方波、锯齿波产生电路的构成、工作原理计算、传输特性；了解方波、锯齿波产生电路的构成、工作原理和振荡周期的计算。和振荡周期的计算。本章难点重点本章难点重点1有源滤波电路有源滤波电路 有

3、源滤波电路属于运放的线性应用电路。滤波功能由有源滤波电路属于运放的线性应用电路。滤波功能由RC网络完网络完成，运放构成比例运算电路以提供增益和提高带负载能力。与无成，运放构成比例运算电路以提供增益和提高带负载能力。与无源滤波电路相比有以下优点：源滤波电路相比有以下优点：（1）RC网络和负载之间通过高输入阻抗和低输出阻抗的运放来连网络和负载之间通过高输入阻抗和低输出阻抗的运放来连接，因此滤波性能不受负载的影响；接，因此滤波性能不受负载的影响；（2）电路不仅具有滤波功能，而且能起放大作用。）电路不仅具有滤波功能，而且能起放大作用。2正弦波产生电路正弦波产生电路 正弦波产生电路包括放大、反馈、选频、

4、稳幅等四个基本部分。正弦波产生电路包括放大、反馈、选频、稳幅等四个基本部分。选频、稳幅两个环节的作用在于保证产生单一频率和幅值稳定的选频、稳幅两个环节的作用在于保证产生单一频率和幅值稳定的正弦波。根据选频网络的不同，主要分成正弦波。根据选频网络的不同，主要分成RC正弦波振荡电路和正弦波振荡电路和LC正弦波振荡电路（包括石英晶体振荡器）。正弦波振荡电路（包括石英晶体振荡器）。RC振荡电路能产生频率为几赫至几百千赫的低频信号，其振荡频率振荡电路能产生频率为几赫至几百千赫的低频信号，其振荡频率通常与通常与RC的乘积成反比。的乘积成反比。LC振荡电路能产生频率为一百兆赫以上的高频信号，其振荡频率主振荡

5、电路能产生频率为一百兆赫以上的高频信号，其振荡频率主要取决于要取决于LC并联回路的谐振频率。并联回路的谐振频率。3电压比较器电压比较器 电压比较器中的集成运放一般为开环或正反馈应用，处于非线性工作电压比较器中的集成运放一般为开环或正反馈应用，处于非线性工作状态，输入与输出间不是线性关系，输入量为模拟量，输出量一般为高状态，输入与输出间不是线性关系，输入量为模拟量，输出量一般为高电平和低电平两种稳定状态的电压，因此，比较器可认为是模拟电路和电平和低电平两种稳定状态的电压，因此，比较器可认为是模拟电路和数字电路的接口。数字电路的接口。4非正弦波产生电路非正弦波产生电路 非正弦波产生电路包括方波、锯

6、齿波。方波产生电路由滞回比较器和非正弦波产生电路包括方波、锯齿波。方波产生电路由滞回比较器和RC充放电回路组成。利用比较器输出的高电平或低电平使充放电回路组成。利用比较器输出的高电平或低电平使RC电路充电电路充电或放电，又将电容上的电压作滞回比较器的输入，控制其输出端状态发或放电，又将电容上的电压作滞回比较器的输入，控制其输出端状态发生跳变，从而产生一定周期的矩形波输出电压。矩形波的振荡周期与生跳变，从而产生一定周期的矩形波输出电压。矩形波的振荡周期与RC充放电的时间常数成正比，也与滞回比较器的参数有关。充放电的时间常数成正比，也与滞回比较器的参数有关。第九章第九章 信号处理与信号产生电路信号

7、处理与信号产生电路9.1 滤波电路的基本概念与分类滤波电路的基本概念与分类9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路9.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路9.5 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件9.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路9.1 滤波电路的基本概念与分类滤波电路的基本概念与分类 滤波器是一种能使有用信号通过，滤波器是一种能使有用信号通过，滤除信号中无用频率滤除信号中无用频率，即，即抑制无用信号的电子装置。抑制无用信号的电子装置。一、滤波器的用途一、滤波器的用途 例如，有一个较低频率的

8、信号，其中包含一些较高频率例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。成分的干扰。)()()(iosVsVsA )(Itv)(Otv滤波电路滤波电路滤波电路传递函数定义滤波电路传递函数定义时，有时，有 j s)(je)j ()j ( AA)()j ( A其中其中)j ( A)( 模，幅频响应模，幅频响应 相位角，相频响应相位角，相频响应时延响应为时延响应为)( d)(d)(s 二、无源滤波电路二、无源滤波电路无源滤波电路：无源滤波电路：由无源元件由无源元件R R、L L、C C组成的滤波电路。组成的滤波电路。RuiRLCuouiRLCLuo 有源滤波器由有源器件构成，它在运算放

9、大器的基础上增有源滤波器由有源器件构成，它在运算放大器的基础上增加加R、L、C等无源元件。有源滤波器实际上是一种具有特定频等无源元件。有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。率响应的放大器。 低通滤波器（低通滤波器（LPF） 高通滤波器（高通滤波器（HPF） 带通滤波器（带通滤波器（BPF） 带阻滤波器（带阻滤波器（BEF）三、有源滤波电路三、有源滤波电路低通（低通（LPF）用于工作信号为低频（或直用于工作信号为低频（或直流），并且需要削弱高次谐波或频率较高流），并且需要削弱高次谐波或频率较高的干扰和噪声等场合的干扰和噪声等场合整流后滤波。整流后滤波。 高通（高通（HPF）用于信号处于

10、高频，并且用于信号处于高频，并且需要削弱低频的场合需要削弱低频的场合阻容放大器的阻容放大器的耦合。耦合。 带通（带通（BPF）用于突出有用频段的信号，用于突出有用频段的信号，削弱其它频段的信号或干扰和噪声削弱其它频段的信号或干扰和噪声载波通信。载波通信。 带阻（带阻（BEF）用于抑制干扰。用于抑制干扰。 全通（全通（APF） 由集成运放（工作在线性区）和由集成运放（工作在线性区）和RC网络组成的有源滤波网络组成的有源滤波电路的优点：电路的优点：（1）体积小，重量轻，不需要加磁屏蔽。）体积小，重量轻，不需要加磁屏蔽。（2）电路中的集成运放可以加串联负反馈，使输入电阻高，）电路中的集成运放可以加串

11、联负反馈，使输入电阻高，输出电阻低。输出电阻低。（3）除起有源滤波作用外，还可以放大，而且放大倍数容易）除起有源滤波作用外，还可以放大，而且放大倍数容易调节。调节。 低通滤波器的主要技术指标低通滤波器的主要技术指标（1 1）通带增益）通带增益Avp 通带增益是指滤波器在通频通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数，性能良好带内的电压放大倍数，性能良好的的LPF通带内的幅频特性曲线是平通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。本为零。 （2 2）通带截止频率）通带截止频率fp 其定义与放大电路的上限截其定义与放大电路的上限截止频率相同。通带与阻带之

12、间称止频率相同。通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。波器的选择性越好。 9.2.1 RC9.2.1 RC无源低通滤波电路无源低通滤波电路 缺点：带负载的能力差。缺点：带负载的能力差。 为了提高带负载的能力，可以减小为了提高带负载的能力，可以减小R，提高，提高C，但这不现，但这不现实，此时可以加电压跟随器，以提高带负载的能力。实，此时可以加电压跟随器，以提高带负载的能力。iuu0RCH1其中其中当当RCVVAVj11ioSRC11iVSRCV1109.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路9.2.2 一阶有源低通滤波电路一阶有源低通滤波电路12

13、01RRAAVFRCVVAVj11ioRC+-io.VV 二、二、RCRC低通电路的电压增益低通电路的电压增益 ( (传递函数传递函数) )SRC11iVSRCV110)(11)(sVSRCsViP当当 f = 0时，电容视为开路，通带时，电容视为开路，通带内的增益为内的增益为一、通带增益一、通带增益cVFiSASRCAsVsVsA11100)()()(称特征角频率，)/(RCc1三、传递函数三、传递函数一阶高通电一阶高通电路只需将路只需将R、C互换位置互换位置四、幅频响应四、幅频响应)()()()(cijAjVjVjA100ciSAsVsVsA100)()()(2001)()()()(ciA

14、jVjVjA-3dB截止截止频率频率 一阶有源滤波电路通带衰减速一阶有源滤波电路通带衰减速率慢，与理想情况相差较远。一般率慢，与理想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。用在对滤波要求不高的场合。 9.3.1二阶有源低通滤波电路二阶有源低通滤波电路 为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节效果，再加一节RC低通滤波环节，称为二阶低通滤波环节，称为二阶(压控型压控型)低通有源低通有源滤波电路。它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。其中电容器滤波电路。它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。其中电容器C1由原来的接地改为接到输出

15、端，其改接不影响通带增益。由原来的接地改为接到输出端，其改接不影响通带增益。 二阶二阶LPF二阶二阶LPF的幅频特性曲线的幅频特性曲线9.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路 一、传递函数一、传递函数sCRsVsVsVAsVv11)()()()(N)()(po0)()()()()()(+)NoNNiRsVsVsCsVsVRsVsVN节点的电流节点的电流方程：方程： 2ppio)3(1sCRsCRAAsVsVsAvvv联立求解传递函数联立求解传递函数F0VAA RC1c 令令称为通带增益，称为通带增益，称为特征角频率称为特征角频率则则2cc22c0sQsAsA)()()()(sVsVsAio2F

16、F-(31)()sCRsCRAAVV二、频率响应二、频率响应ppp-j(3vvvvvQAAAAAcc)()() 有源滤波器的等效品质因数有源滤波器的等效品质因数Q值为值为 =c时的电压增时的电压增益的模与通带增益之比益的模与通带增益之比 p-31vAQ 2c22c01120j20)()(lg)(lgQAA归一化的幅频响应归一化的幅频响应相频响应相频响应2cc1arctg)()(Q用用 代入，可得传递函数的频率响应：代入，可得传递函数的频率响应： j s 注意：注意： 当当 时，时，Q1，在，在=c处的电压增益将大于处的电压增益将大于Avp ，幅频特性在此处将抬高。幅频特性在此处将抬高。 当当A

17、vp 3时，时，Q =，有源滤波器自激。由于将，有源滤波器自激。由于将C1接到输出接到输出端，等于在高频端给端，等于在高频端给LPF加了一点正反馈，所以在高频端的放加了一点正反馈，所以在高频端的放大倍数有所抬高，甚至可能引起自激。大倍数有所抬高，甚至可能引起自激。 32pvAp-31vAQ pvvQAAc)( 与理想的二阶波特图相比，在超过与理想的二阶波特图相比，在超过c以后，幅频特性以后，幅频特性以以- -40 dB/dec的速率下降，比一阶的下降快，但幅频特性的速率下降，比一阶的下降快，但幅频特性下降的还不够快。进一步增加滤波电路阶次，幅频特性将下降的还不够快。进一步增加滤波电路阶次，幅频

18、特性将更接近于理想特性。更接近于理想特性。0f解：根据解：根据f 0 ，选取，选取C再求再求R。1. C的容量不易超过的容量不易超过 。 因大容量的电容器体积大，因大容量的电容器体积大， 价格高，应尽量避免使用。价格高，应尽量避免使用。 取取F1, F1 . 0C,M1k1RHz400101 . 0212160RRCf计算出计算出 ，取，取 3979Rk9 . 3R例题：例题： 要求二阶压控型要求二阶压控型LPF的的 Q值为值为0.7，试求电路中的电阻、电容值。试求电路中的电阻、电容值。Hz,4000f2根据根据值求值求 和和 ，因为，因为 时时 ， ，根据，根据 与与 、 的关系，集成运放两

19、输的关系，集成运放两输 入端外接电阻的对称条件入端外接电阻的对称条件1RfR0ff 7 . 031PvAQ57. 1PvAPvA1RfR57. 11P1fvARR 2/f1RRRRRk9 . 3,14. 3,51. 5f1RRRRR解得：k2 .12k9 . 314. 314. 3k5 .21k9 . 351. 551. 5f1RRRR 一、通带增益一、通带增益1fp+1=RRAv二、传递函数二、传递函数 三、频率响应三、频率响应 ,p311vcAQCR， 9.3.2 二阶有源高通滤波电路二阶有源高通滤波电路将低通电路中的电将低通电路中的电容和电阻对换，便容和电阻对换，便成为高通电路。成为高通

20、电路。2cc220sQssAsA )(2c22c01120j20)()(lg)(lgQAA结论：结论： 当当 时，幅频时，幅频特性曲线的斜率为特性曲线的斜率为+40 dB/dec； 当当 3时，电路自时，电路自激。激。0ff pvA 带通滤波器是由低通带通滤波器是由低通RC环节和高通环节和高通RC环节串联组合而成的，环节串联组合而成的，并且应将高通的下限截止频率设置的小于低通的上限截止频率。并且应将高通的下限截止频率设置的小于低通的上限截止频率。 9.3.3 有源带通滤波器有源带通滤波器(BPF)A0A2A1A0阻带阻带通带通带阻带阻带通带通带OO 1 2 AA0O 2 1通带通带阻带阻带阻带

21、阻带1111CR 必须满足必须满足RC+vPvIvOR1C1+vIR2C2+vO低通特征角频率低通特征角频率2221CR 高通特征角频率高通特征角频率12 令令传递函数传递函数2FF-(31)()(sCRsCRAsCRAsAVVFF0-3VVAAA RC10F31VAQ得得200001)()(sQsQsAsA 带阻滤波器是由低通带阻滤波器是由低通RC环节和高通环节和高通RC环节并联组合而成的，环节并联组合而成的，并且应将高通的下限截止频率设置的大于低通的上限截止频率。并且应将高通的下限截止频率设置的大于低通的上限截止频率。 9.3.4 有源带阻通滤波器有源带阻通滤波器(BPF)R1C1+vIR

22、+vOR2C2+RRA0A2A1A0阻带阻带通带通带阻带阻带通带通带OO 1 2 AA0O 1 2通带通带阻带阻带通带通带必须满足必须满足12 有源带阻滤波器有源带阻滤波器(BEF) 要想获得好的滤波特性，一般需要较高的阶数。滤波器的要想获得好的滤波特性，一般需要较高的阶数。滤波器的设计计算十分麻烦，需要时可借助于工程计算曲线和有关计算设计计算十分麻烦，需要时可借助于工程计算曲线和有关计算机辅助设计软件。机辅助设计软件。 正弦波发生电路能产生正弦波输出，它是在放大电正弦波发生电路能产生正弦波输出，它是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的，它是各类波形发生器路的基础上加上正反馈而形成的，它是各类

23、波形发生器和信号源的核心电路。正弦波发生电路也称为正弦波振和信号源的核心电路。正弦波发生电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振荡器。荡电路或正弦波振荡器。 9.5 9.5 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件 产生正弦波的条件与负反馈放大电路产生自激的条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。只不过负反馈放大电路中是由于信号频率件十分类似。只不过负反馈放大电路中是由于信号频率达到了通频带的两端，产生了足够的附加相移，从而使达到了通频带的两端，产生了足够的附加相移，从而使负反馈变成了正反馈。在振荡电路中加的就是正反馈，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

24、立后只是一种频率的信号，无所谓附加相移。振荡建立后只是一种频率的信号，无所谓附加相移。 稳态振荡条件稳态振荡条件 幅度平衡条件幅度平衡条件 相位平衡条件相位平衡条件 1FA1FAAF = A+ F= 2n(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 9.5.1 振荡条件 正弦波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。1FA1FAFAAF = a+ f= 2nfiaXXXfaXX100XXXXXXfaaf振荡条件1faFAFA幅度平衡条件 相位平衡条件 n = 0,1,2动画FAAA1f 振荡条件 幅度平衡条件 相位平衡条件 1FA1FAAF =

25、A+ F= 2n(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 R、C和和L、C（石英晶体）（石英晶体）9.5.2 正弦波振荡电路的组成正弦波振荡电路的组成 放大电路放大电路 正正反馈网络反馈网络 选频网络选频网络 稳幅电路稳幅电路低频低频1HZ 1MHZ高频高频1MHZ以上以上正弦波振荡电路正弦波振荡电路只在一个频率下只在一个频率下(f0)满足相位平衡满足相位平衡条件，条件，f0由相位平由相位平衡条件决定。衡条件决定。 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反馈，因，必须在放大电路里加入正反馈，因此此放大电路放大电路和和正反馈网络正反馈网络是振荡电路

26、的最主要部分。但仅是振荡电路的最主要部分。但仅有这两部分一般得不到正弦波，这是由于很难控制正反馈有这两部分一般得不到正弦波，这是由于很难控制正反馈的量。的量。 若正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，若正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，需要靠需要靠三极管大信号运用时的非线性特性去限幅，三极管大信号运用时的非线性特性去限幅，必然导致非线必然导致非线性失真。若反馈量不足，则减幅，可能停振，因此振荡电性失真。若反馈量不足，则减幅，可能停振，因此振荡电路需要路需要稳幅电路稳幅电路。 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，选频网络往往和正反馈网络或

27、放大电路合而为一，通常由选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一，通常由R、C和和L、C等电抗性元件组成。正弦波振荡器的名称一等电抗性元件组成。正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。般由选频网络来命名。 一个完整的正弦波振荡电路应包含一个完整的正弦波振荡电路应包含放大电路放大电路、正反馈正反馈网络网络、选频网络选频网络、稳幅电路稳幅电路四部分。四部分。起振条件起振条件起振条件和稳幅原理起振条件和稳幅原理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以、主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节以调节调节放大放大 电路的电路的增益增益。稳幅稳幅振荡建立与稳定

28、过程振荡建立与稳定过程1|FA 振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈强一些，即要求反馈强一些，即要求 （略大于），导致增幅振荡（略大于），导致增幅振荡。 一、电路组成一、电路组成1 1）放大电路）放大电路 A A 2 2）正反馈网络）正反馈网络 F F3 3）选频网络）选频网络4 4）稳幅电路（可略）稳幅电路（可略）RCRC串并联网络串并联网络同相放大电路同相放大电路Rf 和和R1负反馈网络负反馈网络9.6 RC9.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路文氏文氏电桥电桥桥式振荡电路桥式振荡电路双双T网络式网络式移相式振荡电路移相式振

29、荡电路212ofZZZVVFVRRCjCjRR11RCRCj131RCjRCjRRCjR1/)/1 (1/）（令0=1/RC0031jFV)/()/(sCRCRZ1j11sRCRRCRCRZ1j1 j12)/(231sCRsCRsCR二、二、RC 网络的选频特性网络的选频特性谐振频率：谐振频率：)1(0RCRCf21031maxFoF0f=f0时时RC串并联网络串并联网络200231F300arctgf频率特性曲线频率特性曲线幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性： 当当 f=f0 时，反馈系数最大，且时，反馈系数最大，且与频率与频率f0的大小无关，相角的大小无关，相角 f=0 ，表明改变频率

30、不会影响反馈系数和表明改变频率不会影响反馈系数和相角，即调节谐振频率的过程中，相角，即调节谐振频率的过程中，不会停振，也不会不会停振，也不会改变改变输出幅度。输出幅度。 相位平衡条件：相位平衡条件：A+ F= 2n分析方法：分析方法：1、组成？、组成？(完备性与正确性）完备性与正确性）2、满足振荡两条件？（相位优先、起振）、满足振荡两条件？（相位优先、起振）oA0A1FA幅度平衡条件：幅度平衡条件：311fRRAf三、三、振荡振荡的建立与稳定的建立与稳定31maxFf=f0时FoF0稳定平衡状态时：RCffFAVV213130,/, RC文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻文氏桥振荡电路的稳幅

31、作用是靠热敏电阻R1实现实现的。的。R1是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，R1上上所加的电压升高，即温度升高，所加的电压升高，即温度升高，R1的阻值增加，负反馈的阻值增加，负反馈增强，输出幅度下降。反之输出幅度增加。若热敏电阻增强，输出幅度下降。反之输出幅度增加。若热敏电阻是负温度系数，应放置在是负温度系数，应放置在Rf的位置。的位置。 四、四、 稳幅过程稳幅过程1|FA1|FAVo1f1RRAf移相式正弦波振荡电路移相式正弦波振荡电路9.7 LC9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路的构成与正弦波振荡电路的构成与RC正弦波振荡电

32、路相正弦波振荡电路相似，包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电似，包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。路。 两者的不同点在于两者的不同点在于RC振荡电路的选频网络由电阻振荡电路的选频网络由电阻和电容组成，而和电容组成，而LC振荡电路的选频网络由电感和电容组振荡电路的选频网络由电感和电容组成。成。谐振阻抗谐振阻抗RCRLCRLZ20201)()(9.7.1 LC9.7.1 LC选频放大电路选频放大电路一、谐振频率与谐振阻抗一、谐振频率与谐振阻抗)()(CLjRCLLRCjLjRCjLjRZ111谐振频率谐振频率LCfLC21100,LCf210二、特点二、特点1 1、谐振频率：

33、、谐振频率：2 2、谐振时总的容抗等于感抗：、谐振时总的容抗等于感抗：CL001两端呈纯电阻。两端呈纯电阻。CLRCRRLQ11003 3、谐振回路的谐振回路的品质因数品质因数：谐振时电路的电抗与等效损耗电阻谐振时电路的电抗与等效损耗电阻 之比。之比。 Q的大小标志着谐振质量的优劣。的大小标志着谐振质量的优劣。Q损耗越小。损耗越小。Q通常在通常在30200之间。之间。RCVLRVLRCVZVIoooos20200)()(LjRVIoLssABoLQIIRLLVLRVI00202)(CjVIoC01/soCICRCVI0014、谐振时总电流与总电压同相，支路电流比总电流大、谐振时总电流与总电压同

34、相，支路电流比总电流大Q倍。倍。电感支路：电感支路：电容支路：电容支路：通常通常Q 1，所以，所以 IC IL IS5 5、谐振曲线、谐振曲线(1)(1)谐振曲线谐振曲线fo+90 90 f0fZZ0)(CLjRCLZ12000220011111111RLjZRLjZRCRLjRCLZ)()()(ffffjQZffQffQjZ00000011(2)(2)通用谐振方程通用谐振方程Q值越大，曲线越陡越窄。值越大，曲线越陡越窄。)(ffffjQZZ0001)(ffffQZZ002011QffffffQffffffQffffQffffQ0000002020022)()(200211)(ffQZZ02f

35、f或或在在f=f0f的的情况下：情况下：则则其中其中相对失谐量，描述相对失谐量，描述 f 偏离偏离 f0 的程度。当的程度。当f偏偏离谐振频率离谐振频率f0时，时， f越大，越大，|Z|越小。越小。fofZZ0fo+90 90 f0 当当f f0时，相对失谐量为正，时，相对失谐量为正，Z的相角为负值，等效阻抗的相角为负值，等效阻抗为电容性，回路输出电压滞后于（为电容性，回路输出电压滞后于（0 -90）电流源；）电流源； 当当f f0时，相对失谐量为负，时，相对失谐量为负，Z的相角为正值，等效阻抗的相角为正值，等效阻抗为电感性，回路输出电压超前于（为电感性，回路输出电压超前于（0 90）电流源）

36、电流源 。120ffQ12002fffQ)(12001fffQ)(22012fffQ)(BWQfff0012(3) Q(3) Q愈大，通频带愈窄。愈大，通频带愈窄。210ZZ当当时，时，fofZZ0200211)(ffQZZB BB BA AC CL L2 2L L1 1r rC CB BC CL L2 2C CL L1 1r rCjLjLjrCjLjLjrZCB1)1)(2121)1(212121CLLjrLLCLLC1C)LL(1210rLLLCLrrLLLLCCLZCB210212121211)()(1)(1改变并联谐振回路阻抗的办法改变并联谐振回路阻抗的办法1 1、电感中间抽头、电感中

37、间抽头谐振谐振频率频率谐振谐振阻抗阻抗忽略两线圈间的忽略两线圈间的互感和互感和R R的影响的影响BCArLC2C1CBrLC2C1212111)1(1CjLjrCjCjLjrCjZCB)1(121212121CCCCLjRCCCLLC1CCCCL1212102102121)(11CrrrCCCLZCB忽略忽略r的影响的影响2、电容中间抽头、电容中间抽头谐振频率谐振频率谐振阻抗谐振阻抗 结论：结论：1、谐振频率仅仅决定于回路的总电感谐振频率仅仅决定于回路的总电感L和总电容和总电容C，与抽头，与抽头位置无关。位置无关。2、谐振阻抗与抽头的位置有关。、谐振阻抗与抽头的位置有关。9.7.2 9.7.2

38、 变压器反馈变压器反馈LCLC振荡电路振荡电路 LC并联谐振电路作为并联谐振电路作为JFET的负载，反馈线圈的负载，反馈线圈L2与电感线圈与电感线圈相耦合相耦合,将反将反馈信号送入馈信号送入JFET的输入回的输入回路。若交换路。若交换反馈线圈反馈线圈的两个的两个线头线头，可使反馈极性发生变，可使反馈极性发生变化。若调整化。若调整反馈线圈反馈线圈的的匝数匝数可以改变反馈信号的强度，可以改变反馈信号的强度，使正反馈的幅度条件得以满使正反馈的幅度条件得以满足。足。LCf210BJTBJT变压器反馈式变压器反馈式LCLC振荡电路振荡电路 LC并联谐振电路作为并联谐振电路作为三极管的负载，反馈线圈三极管

39、的负载，反馈线圈L2与电感线圈与电感线圈1相耦合，将相耦合，将反馈信号送入三极管的输入反馈信号送入三极管的输入回路。若交换反馈线圈的两回路。若交换反馈线圈的两个线头，可使反馈极性发生个线头，可使反馈极性发生变化。若调整反馈线圈的匝变化。若调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度，数可以改变反馈信号的强度，使正反馈的幅度条件得以满使正反馈的幅度条件得以满足。足。LCf210同名端的极性同名端的极性 变压器变压器反馈反馈LC振荡电路的振荡频率与并联振荡电路的振荡频率与并联LC谐振谐振电路相同，电路相同，为为LCf2109.7.3 9.7.3 三点式三点式LCLC振荡电路振荡电路一、电感三点式一、电

40、感三点式LCLC振荡器振荡器电感三点式电感三点式LC振荡器（振荡器（CBCB）电感三点式电感三点式LC振荡器（振荡器（CE） 电路中的电感有首端，中间抽头、尾端三个端点，其交电路中的电感有首端，中间抽头、尾端三个端点，其交流通路非别与放大电路的集电极、发射极（地）、基极相连流通路非别与放大电路的集电极、发射极（地）、基极相连接，反馈信号取自电感接，反馈信号取自电感L2上的电压。上的电压。 三点式振荡电路的分析方法：三点式振荡电路的分析方法： 将谐振回路的阻抗折算到三极管的各个电极之间，如将谐振回路的阻抗折算到三极管的各个电极之间，如Zbe、Zce、Zcb 。Zbe是是L2、 Zce是是L1、

41、Zcb是是C。可以证明若。可以证明若满足相位平衡条件，满足相位平衡条件， Zbe和和Zce必须同性质，即同为电容或必须同性质，即同为电容或同为电感，且与同为电感，且与Zcb性质相反性质相反。 CMLLff)2(1210电感三点式电感三点式LC振荡器振荡器 工作频率范围为数百千赫兹工作频率范围为数百千赫兹到十兆赫兹。到十兆赫兹。 由于电感由于电感L2对高次斜波阻抗对高次斜波阻抗大，故振荡回路中输出谐波分量大，故振荡回路中输出谐波分量增大，输出波形不理想。增大，输出波形不理想。 L1和和L2一个线圈，一个线圈，2点是中间抽头。用瞬时极性法可判断出点是中间抽头。用瞬时极性法可判断出电路符合正反馈的相

42、位条件。如果设输入信号瞬时极性为正，电路符合正反馈的相位条件。如果设输入信号瞬时极性为正，则集电极电位瞬时极性为负，线圈上的瞬时极性如图所示。反则集电极电位瞬时极性为负，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，符合正反馈的相位条件。馈到发射极的极性对地为正，符合正反馈的相位条件。二、电容三点式二、电容三点式LCLC振荡电路振荡电路CB组态组态CE组态组态 工作频率范围为数百千赫兹到一百兆赫兹。工作频率范围为数百千赫兹到一百兆赫兹。 由于由于C2对高次谐波阻抗小，使反馈电压中的高次谐波成对高次谐波阻抗小，使反馈电压中的高次谐波成分较小，因而振荡波形较好。缺点是由于调节电容来改变频分

43、较小，因而振荡波形较好。缺点是由于调节电容来改变频率时，率时，C1与与C2（即使（即使C1、C2 采用双连可变电容）也难于按采用双连可变电容）也难于按比例变化，从而引起电路工作性能的不稳定，频率调节不便，比例变化，从而引起电路工作性能的不稳定，频率调节不便，只适宜产生固定频率的振荡，常用于调幅和调频接受机中。只适宜产生固定频率的振荡，常用于调幅和调频接受机中。2121021CCCCLff两个电路都满足两个电路都满足相位平衡条件。相位平衡条件。例题：例题：试判断试判断三点式振荡电路三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。是否满足相位平衡条件。9.7.4 9.7.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路（

44、2 2）影响振荡频率不稳定的因素）影响振荡频率不稳定的因素 温度的变化、电源电压的波动、元件参数的变温度的变化、电源电压的波动、元件参数的变化等。化等。（3 3）由于）由于LCLC回路的回路的Q Q值不能做得很高，所以值不能做得很高，所以LCLC振荡器振荡器的频率只能达到数百，不可能达到很高。的频率只能达到数百，不可能达到很高。00ffff指定频率频率偏差CLRRLQ10频率稳定度=（1 1）对于振荡器的振荡频率，要求具有较高的稳定性。）对于振荡器的振荡频率，要求具有较高的稳定性。一、石英晶体的物理特性极其等效电路一、石英晶体的物理特性极其等效电路 石英晶体是石英晶体是SiOSiO2 2的一种

45、结晶体，具有各向异性的物的一种结晶体，具有各向异性的物理特性。在石英晶体上按一定方位切下的薄片理特性。在石英晶体上按一定方位切下的薄片晶片。晶片。 1 1、基本特性、基本特性 石英振荡器在电路中之所以能够代替石英振荡器在电路中之所以能够代替LCLC谐振回路谐振回路是由于具有压电效应。是由于具有压电效应。 若在晶片上外加交变电压，由于压电效应，晶片若在晶片上外加交变电压，由于压电效应，晶片将产生机械变形振动，将产生机械变形振动，机械变形振动机械变形振动又会产生交变电又会产生交变电压，从外电路来看，相当于有交流通过晶片。压，从外电路来看，相当于有交流通过晶片。 外加电压频率小于石英晶体的固有机械谐

46、振频率外加电压频率小于石英晶体的固有机械谐振频率时，压电电流超前外加电压；时，压电电流超前外加电压； 外加电压频率大于石英晶体的固有机械谐振频率外加电压频率大于石英晶体的固有机械谐振频率时，压电电流滞后外加电压；时，压电电流滞后外加电压； 外加电压频率等于石英晶体的固有机械谐振频率外加电压频率等于石英晶体的固有机械谐振频率时，机械振动的幅度急剧增大，压电电流最大时，机械振动的幅度急剧增大，压电电流最大压电压电谐振。谐振。 压电效应压电效应2 2、等效电路、等效电路C0静态电容静态电容，即两极板之间的电，即两极板之间的电容，与晶片的几何尺寸、极板面积有容，与晶片的几何尺寸、极板面积有关，关， 几

47、几PF几十几十PF。L机械振荡的质量或惯性。机械振荡的质量或惯性。 10-3102H C晶片的弹性晶片的弹性 10-410-1PF R晶片振动时因摩擦而造成的损耗晶片振动时因摩擦而造成的损耗 102 Q很高很高L大，大，C小，小，R小小 CLR1Q 很大很大 104106 由于晶片本身的固有频率只与晶片的几何尺寸有关，由于晶片本身的固有频率只与晶片的几何尺寸有关，故很稳定，且可做得很精确。故很稳定，且可做得很精确。 CLjCjZ/11103 3、谐振频率（忽略、谐振频率（忽略R R） CL1时LC21fS即 串联谐振频率串联谐振频率（阻抗最小）（阻抗最小）CLC110时当00PCCCCL21f

48、即 并联谐振频率并联谐振频率（阻抗最大）（阻抗最大）当当R、L、C支路发生串联谐振时，支路发生串联谐振时，当当R、L、C支路与支路与C0发生并联谐振时，发生并联谐振时，000121CCfCCCCLfsP结论：结论：一个晶体有两个谐振频率：串联谐振频率和并联谐振频率；一个晶体有两个谐振频率：串联谐振频率和并联谐振频率；fPfS，由于，由于CC0，fP和和fS非常接近；非常接近；晶体振荡器是将晶片作为一个电感元件来使用的。晶体振荡器是将晶片作为一个电感元件来使用的。 二、石英晶体振荡电路二、石英晶体振荡电路+- 为为满足正反馈的条件，石英晶体必须呈电感性才能形满足正反馈的条件，石英晶体必须呈电感性

49、才能形成成LC并联谐振并联谐振回路，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值很高，值很高，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。性。并联型晶体并联型晶体振荡器振荡器串联型晶体串联型晶体振荡器振荡器)(CCCCCCLf000212121CCCCC（1 1）并联型晶体振荡器）并联型晶体振荡器RRCCC1C2C0L 晶体工作在谐振频率fP和fS之间，石英晶体呈电感性，作为振荡器回路的一个电感与电路的其他元件组成三点式振荡器。其中C1C2 C0 R LC 由于CC0+C，因此，在回路中起决定作用的是C，由于C很稳定，所

50、以振荡频率的稳定度很高。（2 2）串联型晶体振荡器）串联型晶体振荡器+ 利用f=fS时石英晶体呈纯阻性，相移为零的特性构成正弦波振荡器。9.8.1 9.8.1 电压比较器电压比较器9.8.2 9.8.2 方波产生电路方波产生电路9.8.3 9.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路 功能：功能：电压比较器是将一个模拟电压信电压比较器是将一个模拟电压信号与一个号与一个基准电压基准电压相比较，将比较的结相比较，将比较的结果以高电平或低电平输出的电路。果以高电平或低电平输出的电路。 门限电压（阈值电压）门限电压（阈值电压）VT：使输出电使输出电压发生跳变时的

51、输入电压。压发生跳变时的输入电压。传输特性：传输特性：输出电压和输入电压之间的输出电压和输入电压之间的对应关系。对应关系。9.8.1 电压比较器电压比较器特点特点1、工作在开环或正反馈状态。、工作在开环或正反馈状态。2、运放工作在非线性区，只存在、运放工作在非线性区，只存在“虚断虚断”，不存在，不存在 “虚虚短短”。3、开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平、开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。和低电平两个稳定状态。比较器的应用比较器的应用主要用途：主要用途：对输入波形进行整形，即将不规则的输入波形对输入波形进行整形，即将不规则的输入波形 整形为方波输出。整形为方波输出。1、正弦波变换为矩形波、正弦波变换为矩形波 2、有干扰正弦波变换为方波用比较器实现波形变换、有干扰正弦波变换为方波用比较器实现波形变换1、电路、电路 open-loop2、传输特性曲线、传输特性曲线 分析方法分析方法： 对于开环或