第七章信号产生电路

信号发生电路(振荡器—Oscillators)分类：正弦波振荡器非正弦波振荡器RC振荡器(1kHz~1MHz)LC振荡器(1MHz以上)石英晶体振荡器(频率稳定度高)方波、三角波、锯齿波等主要性能要求输出信号的幅度准确稳定输出信号的频率准确稳定引言第7章信号产生电路7.1正弦波振荡电路的分析方法7.2RC正弦波振荡电路7.3LC正弦波振荡电路7.4石英晶体振荡器7.5非正弦波发生电路本章重点和考点：1.重点掌握RC正弦波振荡工作原理。2.重点掌握电压比较器的传输特性。3.掌握非正弦波发生电路的原理。7.1正弦波振荡电路~放大电路反馈网络如果反馈电压uf与原输入信号ui完全相等，则即使无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号——自激振荡。(电路要引入正反馈)正弦波振荡电路的方框图一、正弦波振荡的条件由此知放大电路产生自激振荡的条件是：即：所以产生正弦波振荡的条件是：——幅度平衡条件——相位平衡条件电路起振的条件：二、正弦波振荡电路的组成及分类

组成：放大电路：集成运放选频网络：确定电路的振荡频率反馈网络：引入正反馈稳幅环节：非线性环节，使输出信号幅值稳定分类：RC正弦波振荡电路，频率较低，在1MHz以下。LC正弦波振荡电路，频率较高，在1MHz以上。石英晶体振荡电路，频率较高，振荡频率非常稳定。三、判断电路能否产生正弦波振荡的方法和步骤1.检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分；2.检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正常工作；3.分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件判断相位平衡条件的方法是：瞬时极性法。5.估算振荡频率和起振条件4.判断是否满足振幅平衡条件。7.2RC正弦波振荡电路RC串并联网络振荡电路也称RC桥式正弦波振荡电路或称文氏振荡电路(Wien)电路组成：放大电路——集成运放A；选频与正反馈网络——R、C串并联电路；稳幅环节——RF与R组成的负反馈电路。7.2.1RC串并联网络振荡电路一、RC串并联选频网络Z1Z2取R1=R2=R，C1=C2=C，令

则：得RC串并联电路的幅频特性为：相频特性为：最大，F=0。0F01/3+90º-90º二、振荡频率与起振条件1.振荡频率2.起振条件f=f0时，由振荡条件知：所以起振条件为：同相比例运放的电压放大倍数为即要求：三、振荡电路中的负反馈(稳幅环节)引入电压串联负反馈，可以提高放大倍数的稳定性，改善振荡电路的输出波形，提高带负载能力。反馈系数改变RF，可改变反馈深度。增加负反馈深度，并且满足则电路可以起振，并产生比较稳定而失真较小的正弦波信号。反馈电阻RF采用负温度系数的热敏电阻，采用正温度系数的热敏电阻，均可实现自动稳幅。稳幅的其它措施电流增大时，二极管动态电阻减小。电流减小时，动态电阻增大，加大非线性环节，从而使输出电压稳定。在RF回路中串联二个并联的二极管稳幅的其它措施利用场效应管的非线性特性

四、振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路用双层波段开关接不同电容，作为振荡频率f0的粗调；用同轴电位器实现f0的微调。RC串、并联网络中，如何调节频率？问题：如何提高频率？动画avi\11-2.avi2.RC桥氏振荡电路A

=2nF=0º2)电路：3)振荡频率4)振荡条件应使：同相放大器••••1)组成：8CR1RfRCR•••5)稳幅措施热敏电阻稳幅8CR1RfRCR为使电Au为非线性，起振时，应使Au>3，稳幅后Au=3。正温度系数负温度系数二极管稳幅8R1R2V1V2R312.4k>R2>8.1k起振时信号小，二极管电阻大Au

1+(R2+R3)/R1>3R2>2R1-R3起振后二极管电阻逐渐减小，Au

1+R2/R1=3为使失真小：R2<2R1f0=1.94kHz8.2k6.2k22k4.3k0.01F8.2k0.01F电子琴的振荡电路电路：_++RF1uoR1CCRD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R21右图是RC正弦波振荡电路组成的最简单的电子琴电路。按下不同的琴件（图中用开关表示），就能发出不同的琴音。已知C调八个基本音阶的频率如下表所示，图中R1≠R2。试推导出计算其谐振频率的公式，并求出电阻R21~R28。_++RfR21R22R23R24R21R22R23R24uoR11kΩC10.1μFC10.1μFR43.3kΩ1kΩ功放+UCC音阶12345671频率/Hz264297330352396440495528表C调八个基本音阶的频率【解】将图10.17中的正反馈网络取出来画在图10.18中，其中C1=C2，R2=R21，R21，…R28。UfUo=1jωC2R2∥1jωC2+R2∥1jωC1R1+()=1jωC1R2∥1jωC1+R2∥1jωC1R1+()=R21

+

jωR2C1+1jωC1R1+R21

+

jωR2C1图10.18R1C1R2C2+Uf－+Uo－=R21

+

jωR2C1jωC1R1(

1

+

jωR2C1)

++R2=R2(

R1+2R2)+

j

(ωC1R1R2－

)1ωC1振荡时应有：ωnC1R1R2－1ωnC1=0即振荡频率为：fn=12πC1√R1R2R2=1(2πfnC1)2R1因此：将八个音阶的频率分别代入上式，可求得对应的电阻值分别为：R21=36.34kΩR22=28.72kΩR23=23.26kΩR24=20.44kΩR25=16.15kΩR26=13.08kΩR27=10.34kΩR28=9.10kΩ一、移相式振荡电路集成运放产生的相位移A=180º，如果反馈网络再相移180º，即可满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。振荡频率为：0270º180º90º当f=f0时，相移180º，满足正弦波振荡的相位条件。起振条件：RF>12R7.2.2其他形式的RC振荡电路一、RC移相式振荡电路8CRRfRCRC一节RC环节移相90二节RC环节移相180三节RC环节移相270对于的信号，—

满足相位平衡条件优点：结构简单缺点：选频特性差，输出波形差*二、双T选频网络振荡电路振荡频率约为：当f=f0时，双T网络的相移为F=180º；反相比例运放的相移A=180º，因此满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。如果放大电路的放大倍数足够大，同时满足振幅平衡条件，即可产生正弦波振荡。起振条件*三种RC振荡电路的比较名称RC串并联网络振荡电路移相式振荡电路双T网络选频振荡电路电路形式振荡频率起振条件电路特点及应用场合可方便地连续调节振荡频率，便于加负反馈稳幅电路，容易得到良好的振荡波形。电路简单，经济方便，适用于波形要求不高的轻便测试设备中。选频特性好，适用于产生单一频率的振荡波形。7.3LC正弦波振荡电路

一、LC谐振回路的频率特性

当频率变化时，并联电路阻抗的大小和性质都发生变化。并联电路的导纳：当电路发生并联谐振。并联谐振角频率令：——谐振回路的品质因数当Q

>>1时谐振频率：回路等效阻抗：LC并联回路的阻抗：发生并联谐振时，在谐振频率附近，可见，Q值不同，回路的阻抗不同。不同Q值时，LC并联电路的幅频特性：Z01Z02Q1

>Q2Q1Q2相频特性：F+90º-90ºQ1Q2Q1

>Q2感性纯阻容性结论：1.当f=f0时，电路为纯电阻性，等效阻抗最大；当f

<

f0时，电路为感性；当f

>

f0时，电路为容性。所以LC并联电路具有选频特性。2.电路的品质因数Q愈大，选频特性愈好。谐振时LC回路中的电流电容支路的电流：并联回路的输入电流：所以：当Q>>1时，

结论：谐振时，电容支路的电流与电感支路的电流大小近似相等，而谐振回路的输入电流极小。若以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载当f=f0时，电压放大倍数的数值最大，且无附加相移。因而电路称为选频放大电路若增加正反馈，并用反馈电压取代输入电压，则电路就成为正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路变压器反馈式电感反馈式电容反馈式二、变压器反馈式振荡电路1.工作原理用瞬时极性判断为正反馈，所以满足自激振荡的相位平衡条件。-2.振荡频率和起振条件振荡频率起振条件变压器反馈式振荡电路三、电感反馈式振荡电路1.电路组成用瞬时极性判断为正反馈，所以满足自激振荡的相位平衡条件。---2.振荡频率和起振条件振荡频率起振条件C+VCCVRERB1RB2CECBL1L2C1×优点：缺点：易起振(L间耦合紧)；易调节频率(调C)。输出取自电感，对高次谐波阻抗大，输出波形差。M123•••3.振荡电路的特点四、电容反馈式振荡电路1.电路组成用瞬时极性判断为正反馈，所以满足自激振荡的相位平衡条件。2.振荡频率和起振条件振荡频率起振条件----考毕兹振荡器(Colpitts)×优点：波形较好缺点：2)V极间电容影响f01)调频不便克拉泼振荡器(Clapp)

+VCCVRERB1RB2CECBLC1C2123LC3改进•••3.振荡电路的特点电容反馈式改进型振荡电路振荡频率选择C<<C1，C<<C2，则：减小了三极管极间电容对振荡频率的影响，适用于产生高频振荡。名称变压器反馈式电感反馈式电容反馈式电容反馈式改进型电路形式振荡频率起振条件同左频率调节方法及范围频率可调，范围较宽。同左频率可调，范围较小。同左振荡波形一般较差好好频率稳定度可达10-4同左可达10-4~10-5可达10-5适用频率几千赫~几十兆赫同左几兆赫~一百兆赫同左各种LC振荡电路的比较7.4石英晶体振荡器正弦波振荡电路的频率稳定问题由品质因素的定义可知频率稳定度：一般用频率的相对变化量来表示，f0为振荡频率，Δf为频率偏移，频率稳定度有时也附加时间条件，如一小时或一日的频率相对变化量。7.4石英晶体振荡器石英晶体谐振器，简称石英晶体，具有非常稳定的固有频率。一、石英晶体的特点

压电效应：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产生机械变形；若在晶片上施加机械压力，在晶片相应的方向上会产生一定的电场。

压电谐振：晶片上外加交变电压的频率为某一特定频率时，振幅突然增加。1.压电效应和压电振荡石英是一种各向异性的结晶体，其化学成分是SiO2。从一块晶体上按一定的方位角切割成的薄片称为晶片。在晶片的两面涂上银层作为电极，电极上焊出两根引线固定在管脚上，就构成了石英晶体谐振器。

2.石英谐振器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流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，共振，振幅最大，产生的交变电流最大。类似串联谐振。压电谐振2.石英谐振器的基本特性3.等效电路和振荡频率符号：等效电路中的C0为切片与金属板构成的静电电容；L模拟晶体的质量(代表机械振动的惯性)；C模拟晶体的弹性；电阻R等效晶片振动时因摩擦而造成的损耗。3.等效电路和振荡频率符号：石英晶体谐振器的等效电路可得出石英晶体的总电抗近似为

电抗频率特性OfXfsfp容性容性感性3.等效电路和振荡频率符号：串联谐振频率并联谐振频率电抗频率特性OfXfsfp容性容性感性二、石英晶体正弦波振荡电路1.并联型石英晶体正弦波振荡电路交流等效电路振荡频率由于2.串联型石英晶体振荡电路串联型石英晶体振荡电路当振荡频率等于fS时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，此时正反馈最强，相移为零，电路满足自激振荡条件。振荡频率调节R可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。7.5非正弦波发生电路非正弦波：矩形波、三角波、尖顶波和阶梯波等几种常见的非正弦波7.5.1矩形波发生电路一、电路组成RC充放电回路滞回比较器滞回比较器：集成运放、R1、R2；充放电回路：R、C；（延迟环节、反馈网络）钳位电路：VDZ、R3。（稳幅环节）二、工作原理设t=0时，uC=

0，uO=+UZ则tOuCOuOtu+u-当u-=uC

=u+时，t1t2则当u-=uC

=u+时，输出又一次跳变，uO=+UZ输出跳变，uO=-UZ三、振荡周期电容的充放电规律：对于放电，解得：结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电阻，即可改变振荡周期。t1t2tOuCOuOtt3振荡频率f=1/T四、占空比可调的矩形波发生电路使电容的充、放电时间常数不同且可调，即可使矩形波发生器的占空比可调。tOuCuOtOT1T2T充电时间T1放电时间T2占空比D7.5.2三角波发生电路一、电路组成采用波形变换的方法得到三角波uO1为方波电路分析uO2为三角波二、工作原理当u+=u-

=0时，滞回比较器的输出发生跳变。实用电路左边是同相输入滞回比较器右边为反向积分运算电路R3R4传输特性+UT-UT+UZ-UZuOuI二、工作原理OuO1tOuOt当u+=u-

=0时，滞回比较器的输出发生跳变。R3R4设t=0时，uO1=+UZ

u0=0三、输出幅度和振荡周期解得三角波的输出幅度当u+=u-

=0时，uO1跳变为-UZ，uO达到最大值Uom。振荡周期调节电路中的R1、

R2、R3阻值和C的容量，可改变振荡频率，调节R1、

R2的阻值，可改变三角波的幅值。7.5.3锯齿波发生电路一、电路组成OuO1tOuOtT1T2T二、输出幅度和振荡周期正向积分时间常数远大于反向积分时间常数或者相反。7.3.4波形变换电路（自阅）一、三角波变锯齿波电路二、三角波变正弦波电路1.滤波法2.折线法7.3.5函数发生器函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路；当调节外部电路参数时，还可获得占空比可调的矩形波和锯齿波。一、电路结构（ICL8038）1.二个电流源2.二个单限比较器3.RS触发器4.二个缓冲电路5.三角波变正弦波电路当Q=0，S断开，C充电(IS1)至2/3VCCQ=1当Q=1，S闭合，C放电(IS2

-IS1)至1/3VCCQ=0当IS2

=2IS1，引脚9输出方波，引脚3输出三角波；当IS2

<2IS1，引脚9输出矩形波，引脚3输出锯齿波。二、工作原理Qn+1=S+RQn三、性能特点12345678ICL803814131211109正弦波失真度调整正弦波失真度调整正弦波输出三角波输出矩形波输出调频偏置电压输入调频偏置电压输出接电阻RA接电阻RB接电容C+VCC-VEE

(或地)ICL8038的引脚图ICL8038可单电源供电，也可双电源供电。四、常用接法调占空比和正弦波失真调频率调占空比和正弦波失真RW1RP4

RW2+VCC-VEERRAICL803845131011128RBRP3CC1692失真度减小和频率可调电路方波发生电路(AstableMultivibrator)1.电路组成和输出波形R1C8R