信号产生电路

9.1正弦波振荡电路的振荡条件9.2RC正弦波振荡电路9.3LC正弦波振荡电路9.4非正弦波振荡电路9信号产生电路学习指导小结作业在实践中，广泛采用各种类型的信号产生电路，就其波形来说，可能是正弦波或非正弦波。在通信、广播、电视系统中，都需要射频(高频)发射，这里的射频波就是载波，把音频(低频)、视频信号或脉冲信号运载出去，这就需要能产生高频信号的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火，超声波焊接，超声诊断，核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。可见，正弦波振荡电路在各个科学技术领域的应用是十分广泛的。非正弦信号(方波、锯齿波等)发生器在测量设备、数字系统及自动控制系统中的应用也日益广泛。学习指导电压比较器不仅是波形产生电路中常用的基本单元，也广泛用于测量电路、自动控制系统和信号处理电路中。希望予以足够重视。主要内容：(1)正弦波振荡电路的振荡条件(2)RC、LC正弦波振荡电路-----能否振荡(3)非正弦信号产生电路－－－波形分析、相关计算基本要求及学习目标:(1)掌握正弦波振荡的相位平衡条件、幅值平衡条件。(2)掌握RC串并联式正弦波振荡电路的工作原理、起振条件、稳幅原理及振荡频率的计算。(3)了解LC正弦波振荡电路的工作原理、组成原则、振荡频率的计算。(4)掌握单门限电压比较器和迟滞比较器的工作原理，理解方波、矩形波、三角波、锯齿波发生器的工作原理。9.1

正弦波振荡电路的振荡条件1.振荡条件2.起振和稳幅3.振荡电路基本组成部分

正反馈放大电路如图示。（注意与负反馈方框图的差别）1.振荡条件若环路增益则去掉仍有稳定的输出又所以振荡条件为振幅平衡条件相位平衡条件动画三起振条件2.起振和稳幅

#振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？电路器件内部噪声

当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加，否则波形将出现失真。

噪声中，满足相位平衡条件的某一频率0的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。

稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从回到平衡点

一个反馈放大电路若能同时满足自激振荡的幅度和相位平衡条件，就一定能产生自激振荡，但并不见得一定能产生正弦波自激振荡，即输出信号不一定是正弦波。3.基本组成部分

这是因为，若同时有多种频率的正弦波信号都满足自激振荡条件，则反馈放大电路就能够在多种频率下产生振荡。它的输出信号就是一个由多种频率的正弦波信号合成的非正弦波信号。

为了获得单一频率的正弦波振荡，可在反馈放大电路中引入选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率），使反馈放大电路对不同频率的正弦波信号产生不同的相位移和放大倍数，使电路只让某一特定频率的正弦波信号满足自激振荡条件，保证电路输出正弦波信号。放大电路（包括负反馈放大电路）3.基本组成部分反馈网络（构成正反馈）选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率，经常与反馈网络合二为一。）稳幅环节RC振荡器低频<1MHZLC振荡器高频>1MHZ9.2

RC正弦波振荡电路1.电路组成2.

RC串并联选频网络的选频特性3.振荡电路工作原理4.稳幅措施1.电路组成反馈网络兼做选频网络反馈系数2.

RC串并联选频网络的选频特性幅频响应又且令则相频响应2.

RC串并联选频网络的选频特性当幅频响应有最大值相频响应3.振荡电路工作原理此时若放大电路的电压增益为

用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件则振荡电路满足振幅平衡条件当时，(+)(+)(+)(+)Av电路可以输出频率为的正弦波RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于1MHz的正弦波采用非线性元件4.稳幅措施热敏元件热敏电阻起振时，即热敏电阻的作用稳幅采用非线性元件4.稳幅措施场效应管（JFET）稳幅原理稳幅整流滤波T压控电阻可变电阻区，斜率随vGS不同而变化采用非线性元件4.稳幅措施二极管

当输出幅值很小时，二极管D1、D2接近开路，由D1、D2和R3组成的并联支路的等效电阻近似为2.7千欧，A约3.3，>3，有利于起振。

当输出幅值较大时，二极管D1或D2导通，由D1、D2和R3组成的并联支路的等效电阻减小，A随之下降，输出幅值趋于稳定。9.3

LC正弦波振荡电路9.3.1

LC并联谐振回路选频特性9.3.2变压器反馈式LC振荡电路9.3.3三点式LC振荡电路9.3.4石英晶体振荡电路1.等效阻抗9.3.1

LC并联谐振回路选频特性等效损耗电阻一般有则即时，电路发生谐振。为谐振频率谐振时阻抗最大且为纯阻性其中为品质因数同时有即2.频率响应9.3.1

LC并联谐振回路选频特性谐振回路具有选频特性1虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的Q值很高，选频特性好，所以仍能选出0的正弦波信号。9.3.2变压器反馈式LC振荡电路1.电路结构2.相位平衡条件3.幅值平衡条件4.稳幅5.选频通过选择高值的BJT和调整变压器的匝数比，可以满足，电路可以起振。BJT进入非线性区，波形出现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目的。（定性分析）(+)(－)同名端(+)(+)(-)(+)(+)(+)(+)(+)(+)9.3.2变压器反馈式LC振荡电路反馈满足相位平衡条件，可能振荡满足相位平衡条件，可能振荡反馈仍然由LC并联谐振电路构成选频网络9.3.3三点式LC振荡电路1.三点式LC并联电路电容三点式电感三点式谐振回路的三个引出端与三极管的三个电极相连(指交流连接),其中两个同性质电抗的公共点与发射极相连,而另一个异性电抗则连在集电极与基极间。方法1仍然由LC并联谐振电路构成选频网络9.3.3三点式LC振荡电路1.三点式LC并联电路电容三点式电感三点式谐振回路的三个引出端点与场效应管的三个电极相连（指交流连接），其中两个同性质电抗的公共点与源极相连，而另一个异性电抗则连在栅极与漏极之间。方法1仍然由LC并联谐振电路构成选频网络9.3.3三点式LC振荡电路1.三点式LC并联电路电容三点式电感三点式谐振回路的三个引出端与集成运放的三个端子(同相端、反相端、输出端)相连(指交流连接),其中两个同性质电抗的公共点与同相端相连，而另一个异性电抗则连在反相端与输出端之间。方法1仍然由LC并联谐振电路构成选频网络A.若中间点交流接地,则首端与尾端相位相反。9.3.3三点式LC振荡电路1.三点式LC并联电路电容三点式电感三点式

中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。三点的相位关系B.若首端或尾端交流接地,则其他两端相位相同。方法29.3.3三点式LC振荡电路2.电感三点式振荡电路9.3.3三点式LC振荡电路3.电容三点式振荡电路Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。9.3.4石英晶体振荡电路1.频率稳定问题频率稳定度一般由来衡量——频率偏移量。——振荡频率。LC振荡电路Q——数百石英晶体振荡电路Q——100005000009.3.4石英晶体振荡电路2.石英晶体的基本特性与等效电路结构极板间加电场极板间加机械力晶体机械变形晶体产生电场压电效应交变电压机械振动交变电压机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=固有频率时，振幅最大。压电谐振9.3.4石英晶体振荡电路2.石英晶体的基本特性与等效电路等效电路A.串联谐振特性晶体等效阻抗为纯阻性B.并联谐振通常所以9.3.4石英晶体振荡电路2.石英晶体的基本特性与等效电路实际使用时外接一小电容Cs则新的谐振频率为由于由此看出调整9.3.4石英晶体振荡电路3.石英晶体振荡电路串联晶体振荡器

并联晶体振荡器

++++9.4非正弦信号产生电路9.4.1

比较器9.4.2

方波产生电路单门限电压比较器迟滞电压比较器9.4.3矩形波产生电路9.4.4方波和三角波发生器9.4.5脉冲和锯齿波发生器9.4.1比较器1.理想运放的同相和反相输入端电流近似为零2.当V+>V-时，Vo为正向输出饱和电压VOH

当V+<V-时，Vo为负向输出饱和电压VOL其数值接近运放的正负电源电压

V+=V-是两种状态的转折点一、运放工作在非线性区时的特点-V-I-+V+I+VoI+=I-≈0，由于|vO|不可能超过VM，9.4.1比较器二、单门限电压比较器（1）过零比较器（忽略了放大器输出级的饱和压降）所以当|+VCC|

=|-VEE|=VM=

15V，A0=105时，可以认为vI>0时，vOmax=VOH=+VCCvI<0时，vOmax=VOL=-VEE（同相过零比较器）vI=0称为门限电压或阈值电压Vth只有一个门限电压的比较器9.4.1比较器输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。电压传输特性（同相过零比较器）思考

1.若过零比较器如图所示，则它的电压传输特性将是怎样的？2.输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？（同相过零比较器）反相过零比较器9.4.1比较器（2）门限电压不为零的比较器电压传输特性输入为正负对称的正弦波时，输出波形如图所示。二、单门限电压比较器门限电压Vth＝VREFVREF可正可负对两个输入电压进行比较，比较两个电压的大小，将比较结果以高低电平的形式输出。用于此功能的运放通常工作在饱和区。通常将一个输入电压固定UR作为参考电压，另一个输入电压Ui与UR比较，结果由Uo反映-+R1UiR2UR当Ui>UR时，输出应为负饱和值，稳压管的导通,输出电压的幅度被限定在Uo=-UDUoRoDz当Ui≤UR时，输出为正饱和值，由于稳压管的稳压作用，Uo=UzUDURUoUiUz输出电压被限定在（UZ+UD)9.4.1比较器（2）门限电压不为零的比较器二、单门限电压比较器9.4.1比较器二、单门限电压比较器应用9.4.1比较器

由于在ui=Vth=VREF附近出现干扰，uO将时而为VOH，时而为VOL，导致比较器输出不稳定。如果用这个输出电压uO去控制电机，将出现频繁的起停现象，这种情况是不允许的。

二、单门限电压比较器存在的问题-+R1ViR2VRVoRf引入正反馈加速输出电压变化VoViVOHVOLV2V11.当输出Vo为高电平VOH时，同相端受到VOH和VR同时作用当Vi≥V1时，输出将由高电平VOH跳变到低电平VOL

。V1称为上门限电压，也称正向阈值电压三、迟滞电压比较器电路1-+R1ViR2VRVoRfVoViVOHVOLV2V1三、迟滞电压比较器2.当输出Vo为低电平VOL时，同相端受到VOL和VR同时作用当Vi≤V2时，输出将由低电平VOL跳变到高电平VOH。V2称为下门限电压，也称负向阈值电压迟滞比较器上门限电压：下门限电压：门限宽度：(回差电压)-+R1ViR2VRVoRfVoViVOHVOLV2V11.改变基准电压VR可改变上、下门限电压V1、

V2，但不影响门限宽度V。2.改变正反馈系数R2/(R2+Rf),将影响V和V1、

V2。3.运放的正负饱和电压VOH、VOL，可通过加限幅电路限制其值电路1电路2电路3电路3迟滞比较器稳压管和电阻R4构成稳幅电路，使输出电压为±10V。

R1、R2构成正反馈电路,使

阈值电压

9.4.2方波产生电路为积分电路输出电压经积分后产生一个变化的电压替代迟滞比较器的输入信号。

9.4.2方波产生电路假定电路的初始状态

VC+-,VC＝0反向充电反向充电正向充电正向充电VCVC动画二9.4.2方波产生电路VC+-正向充电电容充放电时

三要素法9.4.3矩形波产生电路正向充电反向充电RoDz+-R1Vi1R4Vo1RfA1-+R2

Vo2CR3A2WA1—迟滞比较器,VR=0,V01=(VZ+VD)，A2—积分器,上下限电压由Vi1和Vo1共同决定输入一周期变化的信号输出V01将是一方波输入方波信号，输出是一个三角波信号9.4.4方波和三角波发生器V0tVom1Vom2Von2Von1T1T2T方波和三角波发生器V01V02Vom1=VZ+VDVon1=-(VZ+VD)RoDz+-R1Vi1R4Vo1RfA1-+R2

Vo2CR3A2WA1同相端的电位Vi1↑→V稍大于零，比较器的输出将由低电平Von1跳变到高电平Vom1。上门限电压=Vom2=0Vi1↓→V稍小于零，比较器的输出将由高电平Vom1跳变到低电平Von1。下门限电压=Von2=0当Vo1=Von1时，当Vo1=Vom1时，方波和三角波发生器门限宽度周期T与频率fRoDz+-R1Vi1R4Vo1RfA1-+R2

Vo2CR3A2WR22R21D1D2设计思想：将积分器的充放电回路分开，从而改变T1和T2。1.当Vo1为正电压Vom1时，正电压→W→D1→给C充电,积分时间常数1≈R21C.2.当Vo1为负电压Von1时，负电压→W→D2→给C放电,积分时间常数2≈R22C.9.4.5脉冲和锯齿波发生器小结

1、在第7章曾经讨论过，从振荡条件考虑，当反馈深度过深或环路增益过大时，负反馈放大电路趋向不稳定，即产生自激振荡。本章则是在电路中有意地构成正反馈以满足相位平衡和振幅平衡条件，形成自激以产生正弦信号，二者的工作过程，本质上是相同的。

2、按结构来分，正弦波振荡电路主要有RC型和LC型两大类，它们的基本组成包括：可进行正常工作的放大电路A，能满足相位平衡条件的反馈网络F，其中A或F兼有选频特性。一般从相位和幅度