学习情境5波形发生器的设计与仿真

学习情境5波形发生器的设计与仿真教学内容

5.1正弦波振荡的条件和电路组成

5.2RC振荡电路

5.3LC振荡电路

5.4石英晶体振荡电路

5.5 非正弦波发生电路 5.1正弦波振荡的条件和电路组成5.2RC振荡电路本节教学目标1.熟悉掌握正弦振荡的条件和组成。2.能利用振荡条件判断典型正弦波振荡电路能否产生振荡。3.熟悉常见的RC振荡器的特点和使用场合。 5.1正弦波振荡的条件和电路组成一、关于振荡的概念振荡器：没有输入信号，依靠电路本身的自激振荡来产生输出信号的放大电路。自激振荡：没有输入信号，有一等幅等频的输出信号输出的现象。5.1正弦波振荡的条件和电路组成二、正弦波振荡条件Xi+

+AFX'iXfXoAFX'iXfXo必须，则则5.1正弦波振荡的条件和电路组成二、正弦波振荡条件正反馈放大电路产生自激振荡的条件是：幅值条件：相位条件：起振条件：振荡频率：5.1正弦波振荡的条件和电路组成三、正弦波振荡电路的组成电压放大电路：放大f=f0的输出信号，放大振荡功率，补偿电路的损耗。正反馈网路：满足相位平衡条件。选频网路：R、C的元件组成——RC正弦波振荡器L、C的元件组成——LC正弦波振荡器稳幅环节：保证输出波形具有稳定的赋值，输出不失真。5.1正弦波振荡的条件和电路组成四、分析方法（1）检查电路是否具备四个组成部分；（2）检查放大电路的静态工作点是否保证放大电路正常工作（3）分析电路是否满足自激振荡条件幅值条件：相位条件：5.2RC振荡电路一、RC串并联网络的频率特性CRU2+-+-U1CRP289图6.1.3一、RC串并联网络的频率特性令则5.2RC振荡电路一、RC串并联网络的频率特性其模及相角为：5.2RC振荡电路一、RC串并联网络的频率特性可见，当时此时网络呈纯电阻，频率特性如图所示：ff0(a)fφ-90º+90ºf0(b)所以要求放大环节：起振条件：P212图5.45.2RC振荡电路二、文式桥正弦波振荡电路P212图5.5Rtt°＋－AR2UoCRR1CRRC选频反馈网络同相比例放大电路Rtt°负温度系数热敏电阻代替R1起振5.2RC振荡电路二、文式桥正弦波振荡电路P212图5.5Rtt°＋－AR2UoCRR1CR反馈网络引入的是正反馈即：起振条件：振荡频率：若R太小，则加重放大电路的负载若C太小，则极间电容和寄生电容影响故：5.2RC振荡电路P213图5.6RWUoC1RC2C3RC1C2C3U++-RW用调节同轴电位器实现振荡频率的细调。用开关切换实现振荡频率的粗调。5.2RC振荡电路5.1节练习11、填空题。（1）文氏桥正弦波振荡电路的“桥”是以

、

、

和

各为一臂而组成的。（2）正弦波振荡电路按选聘网络所用元件可分为

、

和

三种电路，其中

振荡电路的振荡频率最为稳定。（3）为了得到音频信号发生器，应采用

正弦波振荡电路。2、判断题

。（1）只要满足相位平衡条件，电路就会产生正弦波振荡。（）（2）在振荡频率特别高时，应考虑正弦波振荡电路中的放大电路采用共基接法。（）（3）正弦波振荡电路的频率应决定于选聘网络，而不应决定于晶体管的极间电容、分布电容等。（）（4）桥式（文氏桥）RC正弦波振荡电路的唯一特点是以RC串并联网络作为选聘网络。（）5.1节练习23、计算填空题。已知文氏桥振荡电路如图所示;（1）若电阻R1为热敏电阻，则温度上升时其阻值应当

才能起稳幅作用。（2）电路的振荡频率的表达式为

。（3）若电阻R1开路，则输出电压为

。（4）若电阻RF开路，则输出电压为

。－＋ARFuoCR1RRC4、计算填空题。已知文氏桥振荡电路如图所示，若R1=10kΩ，R和C的可调范围分别为1~100kΩ、0.001~1μF。（1）振荡频率f0的可调范围是

。（2）RF的下限值为

。5.1节练习35、改错题。某文氏桥振荡电路如图所示，改正图中的错误。＋－ARFuoCR1RD1D2RC集成运放的同相输入端和反相输入端极性互换。选频网络串联的RC电路和并联的RC电路互换。稳幅环节D2调转方向。5.1节练习36、填空题。某文氏桥振荡电路如图所示。稳幅过程中，当uo增大时，二极管中的电流将

，因而其动态电阻将

，使得同相比例运算的比例系数

，所以uo

，得到稳定。－

＋ARFuoCR1RRCD1D25.3LC振荡电路5.4石英晶体振荡电路本节教学目标

1.熟悉变压器反馈式LC振荡器的特点和使用场合。

2.熟悉电容式三点式LC振荡器的特点和使用场合。

3.熟悉电感式三点式LC振荡器的特点和使用场合。

4.熟悉石英晶体振荡器的特点和使用场合。5.3LC振荡电路LC振荡电路常用来产生高频正弦波信号，常见电路形式有：变压器反馈式电感三点式电容三点式选频网络：LC并联谐振电路5.3LC振荡电路一、LC并联谐振电路P213图5.7RCU+-LIILZ电路的导纳为：虚部为0，则：即：5.3LC振荡电路令，则：Q——品质因数。一般Q>>1，因而：或，谐振时，LC并联电路的阻抗是：R越小，Q越大，谐振时电路的Z0也越大。5.3LC振荡电路P214图5.8ωφZ-90º+90ºω

0(b)Q1>Q2Q1Q2ff0(a)Z01Z02|Z|Q1Q2Q1>Q2LC并联电路具有选频特性，如图所示：在ω≈ω0处，电路为纯电阻性；在ω>ω0处，电路呈容性；在ω<ω0处，电路呈感性。5.3LC振荡电路一、LC并联谐振电路RCU+-LIILZ谐振时，LC并联电路的输入电流与电容电流的关系是：通常，Q>>1，所以说明谐振时，LC并联电路的回路电流比输入电流大很多。5.3LC振荡电路二、变压器反馈式LC正弦波振荡电路P215图5.9T+VCCCBRER2+-uiR1CERLLN1N2N3C+-uf㊉㊀K选频网络。共射放大电路。反馈网络。振荡正弦波形输出。选频网络反馈网络㊉输出电路相位平衡条件振荡频率：起振条件：电压放大电路稳幅环节：放大电路的非线性实现。5.3LC振荡电路三、电感三点式LC正弦波振荡电路P215图5.10——哈特莱振荡电路。振荡频率：T+VCCCBRER2+-uiR1CEL2①C+-uf㊉㊀㊉KL1i②③uC相位平衡条件：中间抽头②点的电位一定在首尾两端之间，而②点交流接地，所以①②间电压和③②间电压反相。反馈信号取自L2，对高次谐波的阻抗较大，输出波形含高次谐波，波形较差。5.3LC振荡电路四、电容三点式LC正弦波振荡电路P216图5.11——考毕兹振荡电路。振荡频率：相位平衡条件：反馈信号取自C2，对高次谐波的阻抗较小，输出波形含高次谐波分量小，波形较好。T+VCCCBRER2+-uiR1CEL①㊉㊀㊉KC1iL②③uCC2RC5.3LC振荡电路四、改进型电容三点式正弦波振荡电路P216图5.11——克拉泼振荡电路。若C1、C2取值太小，则晶体管的极间电容将影响f0，可在L支路中串联电容C，使振荡频率主要由L和C决定，而C1和C2只起分压和满足相位平衡的作用。T+VCCCBRER2+-uiR1CEL①㊉㊀㊉KC1iL②③uCC2RCC振荡频率：各种LC正弦波振荡电路的比较电路名称参数变压器反馈式电感三点式电容三点式改进电容三点式振荡频率可调范围C可换成可调电容，频率可调范围宽同左增加可调电容C，频率可调范围小将C换成可调电容，频率可调范围小振荡波形一般高次谐波分量大，波形差高次谐波分量小，波形好高次谐波分量小，波形好频率稳定度可达10-4可达10-4可达10-4~10-5可达10-5适用频率几kHz~几十MHz几kHz~几十MHz几MHz~100MHz几MHz~100MHz5.3LC振荡电路所以，

LC振荡电路存在的问题。因为，又因为，Q越大，频率的稳定度越高。应使R减小，损耗大。应使L增大，体积大，损耗大。应使C减小，分布电容、杂散电容影响。解决办法？5.4石英晶体振荡电路一、石英晶体P306图6.1.16压电效应：在石英晶体两极加上一个电场，晶片将产生机械变形；相反，若在晶片上施加机械压力，则在晶体相应方向上会产生一定的电场，这种物理现象称为压电效应。压电谐振：若在石英晶体两电极施加交变电压时，晶片将产生机械变形振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅将会突然增加，比一般频率情况下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振。谐振频率：上述特定频率称为石英晶体的固有频率或谐振频率。5.4石英晶体振荡电路一、石英晶体P306图6.1.16等效电路(a)C0CLR(b)当频率低于fs时，L、C、R支路呈容性；当L、C、R支路串联谐振时，串联谐振频率为：当频率高于fs时，L、C、R支路呈感性；可与C0产生并联谐振，并联谐振频率为：5.4石英晶体振荡电路一、石英晶体P308图6.1.17频率特性当频率高于fp时，电路又呈容性。因为C<<C0，所以fs和fp两个频率非常接近。XOffsfp容性感性容性fs:串联谐振频率fp:并联谐振频率石英晶体产品外壳上所标的频率一般是指并联负载电容时的并联谐振频率。石英晶体的固有频率与温度有关，在要求很高的场合，应将晶体放在恒温槽中。5.4石英晶体振荡电路二、石英晶体正弦波振荡电路P308图6.1.18T+VCCRERB2+-uORB1CEC1RCC2晶体工作在fs～fp之间1、并联型晶体振荡电路选频网络。晶体相当于一个电感，和两个电容构成电容三点式振荡电路。5.4石英晶体振荡电路二、石英晶体正弦波振荡电路P309图6.1.192、串联型晶体振荡电路T1+VCCRE1RB2+-uORB1RC晶体工作在fs处CBRCT2RE2晶体接在T1和T2之间的正反馈电路中。当振荡频率等于串联谐振频率时，晶体的阻抗最小且为纯电阻。此时，正反馈最强，相位移为0，电路满足振荡条件。调节电阻R的大小可以改变反馈的强弱，以便获得良好的正弦波输出。5.3-5.4节练习11、为了获得频率为10kHz的正弦波电压，应选用

。A、RC正弦波振荡电路B、LC正弦波振荡电路C、石英晶体正弦波振荡电路2、为了获得频率为2MHz的正弦波电压，应选用

。A、RC正弦波振荡电路B、LC正弦波振荡电路C、石英晶体正弦波振荡电路3、为了获得频率极其稳定的正弦波电压，应选用

。A、RC正弦波振荡电路B、LC正弦波振荡电路C、石英晶体正弦波振荡电路4、RC串并联网络在时，电路呈

。A、感性B、容性C、阻性5、在RC文氏桥正弦波振荡电路中，

。A、ΦA=-180°,ΦF=+180°B、ΦA=+180°,ΦF=+180°C、ΦA=0°,ΦF=0°5.3-5.4节练习26、正弦波振荡电路中，正反馈网络的作用是

。A、保证电路满足相位平衡条件 B、提高放大器的放大倍数C、使振荡器产生单一频率的正弦波 D、保证放大器满足幅值条件8、在RC文氏桥正弦波振荡电路中，为了满足振荡的相位平衡条件，放大电路的输出信号与输入信号的相位差的适合值是

。A、90°

B、180° C、270° D、360°7、在正弦波振荡电路中，放大电路的主要作用是

。A、保证振荡器满足振荡条件能持续输出正弦波信号B、保证电路满足相位平衡条件C、把外界的影响减小 D、以上三种作用都具有9、并联石英晶体振荡电路的工作频率范围是

。A、f<fs B、fs<f<fp C、f>fp

D、不能确定5.3-5.4节练习310、在LC电感三点式振荡电路中，要求L1、L2的连接点（中心抽头）必须交流接

。A、电感 B、发射极C、集电极 D、基极11、RC文氏桥振荡电路的起振条件是，放大器的放大倍数Au>

。A、1/3 B、3C、1/2 D、212、一台电子设备中要求正弦波振荡电路的频率为20MHz左右，且频率稳定度达10-10，应采用

正弦波振荡电路。A、RC B、LCC、石英晶体 D、以上均可13、在串联石英晶体振荡电路中，对于振荡信号，石英晶体等效为

；在并联石英晶体振荡电路中，对于振荡信号，石英晶体等效为

。A、阻值极小的电阻B、阻值极大的电阻C、电感 D、电容5.3-5.4节练习414、某电子设备要求产生频率在10~20MHz之间连续可调的正弦波振荡信号，应采用

；若另一电子设备要求产生频率为20MHz的正弦波振荡信号，且频率稳定度达10-8，应采用

。A、RC振荡电路B、LC

振荡电路C、石英晶体振荡电路D、以上均可15、产生低频正弦波一般可用

振荡电路；要求频率稳定度很高，则可用

振荡电路。（）A、RC,LC B、LC,RCC、RC,