机械工程控制基础第6章

1、(6-1)第第6章章 信号产生电路信号产生电路(6-2)第第6章章 信号产生电路信号产生电路6.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路6.3 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路6.2 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件6.4 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路6.5 非正弦波产生电路非正弦波产生电路(6-3) 正弦波振荡电路由放大电路、正反馈网络、选正弦波振荡电路由放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅环节组成。频网络、稳幅环节组成。6.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 正弦波振荡电路无需输入信号便能产生一定频正弦波振荡电路无需输入信号便能产生一定频率和幅值的正弦波输出。率和幅值的正弦波输出

2、。 根据频率的不同，正弦波振荡电路分为：根据频率的不同，正弦波振荡电路分为：RC、LC和石英晶体正弦波振荡电路。和石英晶体正弦波振荡电路。(6-4)一、产生正弦波振荡的条件一、产生正弦波振荡的条件fiiXXX 改成正反馈改成正反馈只有正反馈电路才能产生自激振荡。只有正反馈电路才能产生自激振荡。基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FiX+ iX oXfX6.2 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件(6-5)如果：如果：,ifXX 则去掉则去掉,iX仍有信号输出。仍有信号输出。基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FiX oXfX反馈信号代替了放大反馈信号代替了放大电路的输入

3、信号。电路的输入信号。基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FiX+ +iX oXfX(6-6)自激振荡条件的推导自激振荡条件的推导fiiofioXXXXFXXAX AFAXXA 1ioF基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FiX+ +iX oXfX(6-7)FA=1自激振荡的条件自激振荡的条件基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FiX oXfXoffi,XFXXX oioXFAXAX (6-8)AFAA 1F如果：如果：FAAF:01则则(1) 正反馈足够强正反馈足够强,输入信号为输入信号为 0 时仍有信号输时仍有信号输出，这就是产生了自激振荡。出，这就是产生了自激振荡。)(

4、)( FA、(2) 要获得正弦自激振荡要获得正弦自激振荡,反馈回路中必须有选频反馈回路中必须有选频电路。所以将放大倍数和反馈系数写成：电路。所以将放大倍数和反馈系数写成：(6-9)自激振荡的条件：自激振荡的条件：1)()( FA因为：因为：A|)( AAF|)( FF所以，自激振荡条件也可以写成：所以，自激振荡条件也可以写成：（1）振幅条件：）振幅条件：1| AF（2）相位条件：）相位条件： n2FAn为整数为整数相位条件相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；意味着振荡电路必须是正反馈；振幅条件振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。可以通过调整放大电路的放大倍数达到。(6-10)问题问题1

5、：如何启振？如何启振？Uo 是振荡器的电压输出幅度，是振荡器的电压输出幅度，B是要求输出的幅是要求输出的幅度。起振时度。起振时Uo=0，达到稳定振荡时，达到稳定振荡时Uo=B。放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分解为各种频率的分量，其中也包括有解为各种频率的分量，其中也包括有fo分量。分量。选频网络：选频网络：把把fo分量选出，把其他频率的分量分量选出，把其他频率的分量衰减掉。这时，只要：衰减掉。这时，只要：|AF|1，且，且 A+ F =2n ，即可起振。即可起振。(6-11)问题问题2：如何稳幅？如何稳幅？起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅

6、，这起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这时若时若|AF|仍大于仍大于1，则输出将会饱和失真。，则输出将会饱和失真。达到需要的幅值后，将参数调整为达到需要的幅值后，将参数调整为AF=1，即，即可稳幅。可稳幅。具体方法将在后面具体电路中介绍。具体方法将在后面具体电路中介绍。起振并能稳定振荡的条件：起振并能稳定振荡的条件：111ooo AFBUAFBUAFBU时时，时时，时时，(6-12)正弦波振荡电路应包含以下部分正弦波振荡电路应包含以下部分(1)放大电路放大电路(2)反馈网络反馈网络(4)稳幅电路稳幅电路(3)选频网络选频网络判断一个电路是否正弦波振荡电路判断一个电路是否正弦波振荡电路就看其

7、是否包含上述四部分。就看其是否包含上述四部分。分析一个正弦振荡电路，首先看是否振荡，方法是：分析一个正弦振荡电路，首先看是否振荡，方法是：(1)判断是否满足相位条件，是否正反馈放大电路。判断是否满足相位条件，是否正反馈放大电路。(2)判断放大电路的结构是否合理、有无放大能力、判断放大电路的结构是否合理、有无放大能力、静态工作点是否合适。静态工作点是否合适。(3)判断是否满足幅值条件。判断是否满足幅值条件。(6-13)用用RC 电路构成选频网络的振荡电路即所谓的电路构成选频网络的振荡电路即所谓的 RC振荡电路，可选用的振荡电路，可选用的 RC 选频网络有多种，这里选频网络有多种，这里只介绍只介绍

8、文氏桥文氏桥RC选频网络选频网络。1.RC串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性6.3 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路+_RC串并联选频网络串并联选频网络CRC1U2U+_R(6-14)设串联阻抗为设串联阻抗为Z1,并联并联阻抗为阻抗为Z2，则：，则：+_RC串并联选频网络串并联选频网络CRC1U2U+_RCjRZ 11 1111/2 RCjRCjRCjRCjRZ )1(313)1(22221212.RCRCjRCjCRRCjZZZUUF (6-15)+_RC串并联选频网络串并联选频网络CRC1U2U+_R)1(3112.RCRCjUUF RC10 令令)(3100. jF(6-16)(3

9、10012. jUUF)(31arctan00 F2002)(31 F传递函数：传递函数：相频特性：相频特性：幅频特性：幅频特性：当当 = 0，放大倍数为，放大倍数为1/3,相移为零。相移为零。(6-17)2. RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路0A 所以，要满足相位所以，要满足相位条件，只有在条件，只有在 fo 处处0F 因为：因为：1 AF1f2RR 1f1RRA 3111f FRRAuoRfRCRCR1+ +幅值条件幅值条件(6-18)二极管稳幅的二极管稳幅的RC串并联振荡电路串并联振荡电路振荡幅值较小时，振荡幅值较小时，流过二极管的电流流过二极管的电流较小，二极管等效较小，二极管等效电阻

10、大，电阻大，R f大。放大。放大倍数大。大倍数大。振荡幅值较大时，流过振荡幅值较大时，流过二极管的电流较大，二二极管的电流较大，二极管等效电阻小，极管等效电阻小，R f小。小。放大倍数减小。输出放大倍数减小。输出uo稳定在某值。稳定在某值。_+ + RCCR1RfD1uoR(6-19)半导体半导体热敏电阻热敏电阻起振时，起振时，Rt略大于略大于2R1，使使|AF|1，以便起振；，以便起振；起振后，起振后，uo逐渐增大则逐渐增大则Rt逐渐减小，使得输出逐渐减小，使得输出uo为某值时，为某值时，|AF|=1，从而稳幅。从而稳幅。热敏电阻稳幅的热敏电阻稳幅的RC串并联振荡电路串并联振荡电路uotRt

11、ARtRCRCR1t uo+ +(6-20)LC 振荡电路的选频电路由电感和电容构成，可振荡电路的选频电路由电感和电容构成，可以产生高频振荡。由于高频运放价格较高，所以一以产生高频振荡。由于高频运放价格较高，所以一般用分离元件组成放大电路。本节只对般用分离元件组成放大电路。本节只对 LC振荡电路振荡电路做一简单介绍，重点掌握相位条件的判别。做一简单介绍，重点掌握相位条件的判别。首先介绍一下首先介绍一下 LC并联并联 选频网络。选频网络。6.4 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路6.4.1变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路(6-21)LjRCjLjRCjZ 1)(1)1()1(1CLjR

12、CLCLjRLjCj R为电感线圈中的电阻为电感线圈中的电阻1.LC并联电路的选频特性并联电路的选频特性LR CLR+ U_ ILC10 (1)当当电路发生谐振，总阻抗最大，且为纯电阻。电路发生谐振，总阻抗最大，且为纯电阻。0 0 当当，电路呈容性；，电路呈容性；，电路呈感性。，电路呈感性。(6-22)CLQCQLQRCLZ 000 LCf 210(2)谐振频率谐振频率CLRCRRLQ1100 (3)LC并联并联谐振电路的品质因数谐振电路的品质因数Q。|Z| 0 0 0 0Q大大 Z 0 09090 Q大大品质因数越高，谐振时的等效阻抗越大，幅频特性越品质因数越高，谐振时的等效阻抗越大，幅频特

13、性越尖锐，相频特性变化越快，选择性越好。尖锐，相频特性变化越快，选择性越好。)1(CLjRCLZ (6-23)互感线圈的极性判别互感线圈的极性判别1234磁棒磁棒初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈同极性端同极性端1234+(6-24)振荡频率由振荡频率由LC谐振网络决定。谐振网络决定。2. 变压器反馈式变压器反馈式LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路+ +UCCCCbCeReRb1Rb2Lf U(a)共射极接法共射极接法LCf 210 (6-25)振荡频率由振荡频率由LC谐振网络决定。谐振网络决定。变压器反馈式变压器反馈式LC正弦波振荡电路的其他形式正弦波振荡电路的其他形式+ +UCCCCbCeRe

14、Rb2Rb1Lf U(b)共射极接法共射极接法LCf 210 (6-26)振荡频率由振荡频率由LC谐振网络决定。谐振网络决定。+ +UCCCCbCeReRb2Rb1(c)f UL+共基极接法共基极接法注意电容注意电容Ce的作用。的作用。LCf 210 变压器反馈式变压器反馈式LC正弦波振荡电路的其他形式正弦波振荡电路的其他形式(6-27)6.4.2 三点式三点式LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路+ _谐振回路有三个引出端分别接到三极管的谐振回路有三个引出端分别接到三极管的b、c、e极。极。1.电感三点式电感三点式CLf 210MLLL221 共射极接法共射极接法+UCCCCbL1L2CcRb2R

15、b1ReCeRC(a)f U_+_(6-28)共基极接法共基极接法+ +UCCCCbCeReRb2Rb1(b)f UL1L2+电感三点式振荡电路的其他形式电感三点式振荡电路的其他形式CLf 210MLLL221 注意电容注意电容Ce的作用。的作用。(6-29)+L _2.电容三点式电容三点式21210.21CCCCCCLf 共射极接法共射极接法+UCCCbCcRb2Rb1ReCeRC(a) fUC2C1_+(6-30)共基极接法共基极接法+ +UCCCbReRb2Rb1(c) fULC2C1+电容三点式的其他形式电容三点式的其他形式21210.21CCCCCCLf (6-31)Q值越高，选频特

16、性越好，频率越稳定。值越高，选频特性越好，频率越稳定。1. 频率稳定问题频率稳定问题频率稳定度一般由频率稳定度一般由 来衡量来衡量0ff 频率偏移量。频率偏移量。f 0f振荡频率。振荡频率。LC振荡电路振荡电路 Q 数百数百石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 Q 10000 5000006.4.3 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路(6-32)2. 石英晶体的基本特性石英晶体的基本特性结构结构极板间加电场极板间加电场极板间加机械力极板间加机械力晶体机械变形晶体机械变形晶体产生电场晶体产生电场压电效应压电效应交变电压交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高机

17、械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高当交变电压频率当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大。固有频率时，振幅最大。 压电谐振压电谐振(6-33)3. 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等效电路等效电路LCf21s A. 串联谐振串联谐振特性特性 晶 体 等 效 阻晶 体 等 效 阻抗为纯阻性抗为纯阻性0p121CCLCf B. 并联谐振并联谐振通常通常0CC 0s1CCf 所以所以很很接接近近与与 psff(6-34)实际使用时外接一小电容实际使用时外接一小电容Cs则新的谐振频率为则新的谐振频率为s0s121CCCLCf 由于由于s0CCC s0s1CCCf 由此看出

18、由此看出 )(21s0ssCCCff；时，时， 0 pssffC sss ffC 时，时，调整调整之之间间变变化化和和在在可可使使 psssfffC R(6-35)4. 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路图图6.4.8并联型石英晶体振荡电路并联型石英晶体振荡电路(a)电路电路 (b)等效交流通路等效交流通路2121000)(21CCCCCCCCCCCLf 振荡频率为振荡频率为由于由于CCC 0振荡频率近似为振荡频率近似为s021fLCf (6-36)图图6.4.9串联型石英晶体振荡电路串联型石英晶体振荡电路振荡频率为振荡频率为的作用是调节反馈量的的大小。的作用是调节反馈量的的大小。sRs021f

19、LCf 石英晶体串联谐振等效为纯电阻。反馈回路相移为零。石英晶体串联谐振等效为纯电阻。反馈回路相移为零。(6-37)电路结构电路结构Z322TH1URRRU Z322TH2URRRU 上下阈值电压：上下阈值电压：反相滞回比较器，反相滞回比较器，输出经积分电路再输出经积分电路再输入到比较器的反输入到比较器的反相输入端。相输入端。6.5.1 矩形波产生电路矩形波产生电路6.5 非正弦波产生电路非正弦波产生电路uc UZuoR3R4R2R1C+ +(6-38)1.工作原理工作原理1). 设设 uo = + UZ此时，输出给此时，输出给C 充电充电!则：则：u+=UTH10tuoUZ-UZUTH1uc

20、0t一旦一旦 uc UTH1 , 就有就有 u- u+ ,在在 uc UTH1 时，时， u- u+ , uo 保持保持 + UZ 不变；不变；uo 立即由立即由UZ 变成变成UZ ucDZuoR3R4R2R1C+ +(6-39)此时，此时，C 经输出端放电。经输出端放电。2). 当当uo = -UZ 时，时，u+=UTH1uc降到降到UTH2时，时，uo上翻。上翻。UTH1uctUTH2当当uo 重新回到重新回到UZ 以后，电路又进入另一个以后，电路又进入另一个周期性的变化。周期性的变化。ucDZuoR3R4R2R1C+ +(6-40)0UTH1uctUTH2UZuo0t- UZT输出波形：

21、输出波形：ucDZuoR3R4R2R1C+ +(6-41)R1C电路：电路：起反馈和延迟作用，获得一定的频率。起反馈和延迟作用，获得一定的频率。反相滞回比较器：反相滞回比较器：起开关作用，实现高低电平的转换。起开关作用，实现高低电平的转换。矩形波发生电路各部分的作用：矩形波发生电路各部分的作用：ucDZuoR3R4R2R1C+ +(6-42)2.周期与频率的计算周期与频率的计算CRteUUUtu1)()(ZTH2Zc f=1/T)21ln(2321RRCRT CRteUUUtu1)()(ZTH1Zc uc上升阶段表示式上升阶段表示式:uc下降阶段表示式下降阶段表示式:uc0UTH1tUTH2T

22、1T2CRTZeUUUU12)(ZTH2TH1 CRTeUUUU11)(ZTH1ZTH2 )21ln(32121RRCRTT Z322TH2TH1URRRUU (6-43)3.3.占空比可调的矩形波发生电路：占空比可调的矩形波发生电路：定义矩形波为高电平的时间定义矩形波为高电平的时间T2与周期与周期T之比为占空比之比为占空比D。D1WRRRRRRRRRTTTD 111121222占空比为：占空比为：充电时间充电时间RWD2ucDZuoR3R4R2R1CR + +R)21ln()(3212RRCRRT 放电时间放电时间)21ln()(3211RRCRRT (6-44)反向积分电路反向积分电路滞回比较器滞回比较器6.5.2 三角波产生电路三角波产生电路特点：特点：由由同相滞回比较器同相滞回比较器和和反相积分器反相积分器级联构成，滞级联构成，滞回比较器的输出作为反相积分器的输入，反相积回比较器的输出作为反相积分器的输入，反相积分器的输出反馈到滞回比较器的输入端。分器的输出反馈到滞回比较器的输入端。 UZuo1R3R1R2RCR uoR + -+ +(6-45)uoui0UZ-UZ传输特性曲线传输特性曲线UTH1UTH2Z32TH1URRU Z32TH2URRU 上下阈值电压：上下阈值电压：回顾回顾:同相滞回比较器同相滞回比较器DZuoR uiR1R2R3+ +(6-46)回顾回