模拟电子技术简明教程(第三)第九章波形发生电路

第一节正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的组成与分类产生正弦波振荡的条件正弦波振荡电路的分析步骤当前1页，总共61页。正弦波和非正弦波发生电路常常作为信号源被广泛应用于无线电通信以及自动测量和自动控制等系统中。电子技术实验中经常使用的低频信号发生器是一种正弦波振荡电路。大功率振荡电路还可以直接为工业生产提供能源，例如高频加热炉的高频电源。此外，如超声探伤、无线电和广播电视信号的发送和接收等，都离不开正弦波振荡电路。当前2页，总共61页。一、产生正弦波振荡的条件1SA

·Ui··Uo=放大电路A

·Ui··Uf·Uo=·F反馈网络·F2当前3页，总共61页。一、产生正弦波振荡的条件·A·F=1所以产生正弦波振荡的条件是1SA

·Ui··Uo=放大电路A

·Ui··Uf·Uo=·F反馈网络·F2放大电路产生自激振荡的条件可表示为当前4页，总共61页。振幅平衡条件相位平衡条件所以，自激振荡条件也可以写成：n是整数相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。自激振荡的条件：因为：..Xdof基本放大器A反馈网络FXX当前5页，总共61页。二、起振条件和稳幅原理起振条件：结果：产生增幅振荡（略大于）1、被动稳幅：器件非线性2、主动稳幅：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益。稳幅过程：起振时，稳定振荡时，稳幅措施：起振过程Xdof基本放大器A反馈网络FXX当前6页，总共61页。三、正弦波振荡电路的组成

放大电路：能量控制，保证输出有一定的幅度；

选频网络：确定输出信号为单一频率的正弦波；

反馈网络：引入正反馈；

稳幅环节：使输出信号幅值稳定。其中选频网络往往与反馈网络合二为一,稳幅环节用非线性元件实现.当前7页，总共61页。根据选频网络所用元件分类。RC正弦波振荡电路：几百千赫以下2)LC正弦波振荡电路：几百千赫～几百兆赫3)石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定四、正弦波振荡器的分类当前8页，总共61页。>1·A·F根据估算起振条件

f=f0即3.估算振荡频率和起振条件1.检查电路是否具备正弦波振荡的基本组成部分，静态工作点是否合适。五、正弦波振荡电路分析步骤2.分析电路是否满足自激振荡条件的相位条件。用瞬时极性法。估算振荡频率根据当前9页，总共61页。9.1正弦波振荡电路的分析方法小结1.条件Xdof基本放大器A反馈与选频网络FXX振幅平衡条件相位平衡条件起振时需要3.分类RC，

LC，

石英晶体5.与负反馈区别2.组成1)放大电路：放大作用2)正反馈网络：满足相位条件3)选频网络：让f0通过,衰减其它频率4)非线性环节：稳幅Xi

–f基本放大器A反馈网络FX+doXX4.分析步骤当前10页，总共61页。第二节RC正弦波振荡电路RC串并联网络的选频特性RC串并联网络振荡电路RC移相式振荡电路双T

选频网络振荡电路当前11页，总共61页。一.RC串并联选频网络R1C1

串联阻抗：R2C2

并联阻抗：选频特性：当前12页，总共61页。1.定性分析（1）当信号的频率很低时。>>R1>>R2其低频等效电路为：其频率特性为：当ω=0时，uf=0，│F│=0

当ω↑时，uf=↑，│F│↑↓0|F|0φF90°当前13页，总共61页。（2）当信号的频率很高时。＜＜R1＜＜R2其高频等效电路为：其频率特性为：当ω=∞时，uf=0，│F│=0

当ω↓时，uf=↑，│F│↑↓0|F|0φF-90°当前14页，总共61页。ω0=？│F│max=？由以上分析知：一定有一个频率ω0存在，当ω=ω0时，│F│最大，且=0°0|F|0φF90°0|F|0φF-90°频率很低频率很高当前15页，总共61页。2.定量分析R1C1

串联阻抗：R2C2

并联阻抗：当前16页，总共61页。通常，取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，则有：式中：可见：当时，│F│最大，且=0°

│F│max=1/3当前17页，总共61页。RC串并联网络完整的频率特性曲线：当时，│F│=│F│max=1/3φF+90°|F|φF+90°|F|当前18页，总共61页。+-ARFR´Uo·R1R2C1C2二、RC

串并联网络振荡电路R1、C1和

R2

、C2及

RF和

R´组成一四臂电桥,因此电路又称为：文氏电桥振荡电路。1.电路组成Uo·Uf·Ui·振荡电路的工作原理动画RC振荡电路的几种工作状态动画当前19页，总共61页。2.振荡频率和起振条件

f0

=12πRC（2)起振条件A

>3·1

+RFR´

Auf=RF>2R´（1)振荡频率>1·A·F31·F

=+-ARFR´Uo·R1R2C1C2RC

串并联网络振荡电路

当前20页，总共61页。当前21页，总共61页。+-ARFR´Uo·RRC2RwRwC1C3C2C1C34.振荡频率的调节f0

=12πRC只要改变电阻R

或电容C

的值，即可调节振荡频率。粗调细调采用这种方法可以很方便地在一个比较宽广的范围内对振荡频率进行连续调节。当前22页，总共61页。RC

串并联振荡电路特点:调频方便,便于加负反馈稳幅电路,输出波形良好。振荡频率均与RC

成反比，一般用来产生几赫至几百千赫的低频信号。+-ARFR´Uo·R1R2C1C2RC

串并联网络振荡电路

f0

=12πRC当前23页，总共61页。9.2RC正弦波振荡电路–小结RC串并联选频网络φF+90°|F|当前24页，总共61页。RC桥式振荡器31=F11f+=RRA9.2RC正弦波振荡电路–小结（续）当前25页，总共61页。[例9.2.1]判断以下电路是否满足相位平衡条件？若满足，

RF为多大才能保证电路起振？已知Re1

=4.7

kΩ。满足相位平衡条件。1

+

RFRe1

Auf=RF>2Re1=9.4kΩUf·Uo·=RF+Re1Re1解：VT1VT2Rc2Rc1Re2Re1+VCCRFC1RbRRCCUo·Uf·当前26页，总共61页。第三节LC

正弦波振荡电路变压器反馈式振荡电路电容三点式振荡电路LC并联电路的选频特性电感三点式振荡电路当前27页，总共61页。一、LC

并联电路的选频特性当Q

>>1

时ω0

≈

1LC或f0≈

1LC2π低频时并联阻抗为感性，高频时并联阻抗为容性，在某一中间频率时为纯阻性。令Q

=

Rω0L称为品质因数。RCU·LI·+-Z

LC

并联电路Y

=jωC+R+

jωL1ω0

=

1）（Rω0L

+

12·1LC=（ωL）（ωL）+

jωC-

RωLR2

+

2R2

+

2当前28页，总共61页。LC并联电路谐振时,Z0

=

Y01=RR2

+

2（ω0L）Z

=

-

jωC1(R+jωL)-

jωC1(R+jωL)+

=L/RC1+j(1

–)ω2LC1ωLRRCU·LI·+-Z

LC

并联电路Z0=

L/

RC

≈=R2（ω0L）Q21（

1+LRC）Z

≈

Z0

1+

jQ（

1

-ω2ω02）当前29页，总共61页。Q1

LC

并联电路具有选频特性，①在

f0

处，呈纯电阻性。当

f

<

f0

时，呈电感性；当f

>f0

时，呈电容性。

f0≈

1LC2π

③Q

值愈大，选频特性愈好。谐振时的阻抗值

Z0

也愈大。②f0

的数值与电路参数有关，ω|Z|ω0Z02Z01Q2Q1＞Q2结论：ωФZω0Q1Q2-900+900当

Q

>>1

时，当Q

>>1

时，≈·IL·IC·I·IC=Q谐振回路的外界影响可以忽略。当前30页，总共61页。二、变压器反馈式振荡电路振荡频率：f0≈

1LC2π起振条件：

β

>

MrbeR´CRLCRb1Rb2+Cb+VCCReCeL•N1•N2N3+-+Ui·Uf·与相位相同Ui·Uf·+特点：

易振，波形较好；耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。为使N1、N2耦合紧密，将它们合二为一，组成电感反馈式电路。当前31页，总共61页。CRb1Rb2+Cb+VCCReCe•+RLL1•电感三点式振荡电路L2bce123三、电感三点式振荡电路Ui·Uf·-++电路满足相位平衡条件当前32页，总共61页。起振条件：振荡频率：f0=1LC2π

=1(L1+L2+

2M)C2πβ

>

R´L1

+

ML2

+

Mrbe•式中L为回路的总电感，即L=L1+L2+

2M其中M为L1与L2之间的互感。式中R´为折合到管子集电极和发射极间的等效并联总损耗电阻。当前33页，总共61页。由于线圈之间耦合很紧，较易起振。改变L2/L1

的比值，可获满意的正弦波，且振幅较大。据经验，L2

的圈数选为整个线圈的

1/8到

1/4。

具体的圈数比应通过实验调整来确定。2.

调节频率方便。采用可变电容，频率调节范围宽。3.一般用于产生几十兆赫以下的频率。特点：当前34页，总共61页。

4.由于反馈电压取自电感L2，而电感对高次谐波的阻抗较大，不能将高次谐波短路掉。因此输出波形中有较大的高次谐波，故波形较差。5.由于此电路的输出波形较差，且频率稳定度不高，因此通常用于要求不高的设备中，例如高频加热器、接收机的本机振荡等。特点：当前35页，总共61页。Rb1Rb2+Cb+VCCReCe+LRL电容三点式振荡电路bce123RcC1C2四、电容三点式振荡电路Ui·Uf·-++电路满足相位平衡条件当前36页，总共61页。振荡频率：f0≈1LC2π起振条件：

=1L2πC1C2C1

+

C2

β

>

R´rbe•C2C1式中R´为折合到管子集电极和发射极间的等效并联总损耗电阻。当前37页，总共61页。1.由于反馈电压取自电容C2

，电容对于高次谐波阻抗很小，于是反馈电压中的谐波分量很小，所以输出波形较好。2.因为电容C1、C2的容量可以选得较小，并将放大管的极间电容也计算到C1、C2中去，因此振荡频率较高，一般可以达到100MHz以上。特点：当前38页，总共61页。

3.调节C1或C2可以改变振荡频率，但同时会影响起振条件，因此这种电路适于产生固定频率的振荡。如果要改变频率，可在L两端并联一个可变电容.由于固定电容C1、C2的影响，频率的调节范围比较窄。另外也可以采用可调电感来改变频率。通常选择两个电容之比为C1/

C2≤1，可通过实验调整来最后确定电容的比值。特点：当前39页，总共61页。五、电容三点式改进电路选择参数时，C1、C2的容值较大以掩盖极间电容变化的影响，C容值较小，即C3

<<

C1,

C3<<

C2,则可忽略C1、C2对振荡频率的影响。振荡频率Rb1Rb2+Cb+VCCReCe+LRcC1C2C3当前40页，总共61页。第四节石英晶体振荡器石英晶体振荡电路石英晶体的基本特性和等效电路当前41页，总共61页。处理器Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。一、石英晶体的基本特性和等效电路

LC振荡电路的选频特性由Q决定

一般LC选频网络的Q为几百，石英晶体的Q可达104～106；前者Δf/f为10－5，后者可达10－10～10－11。晶体当前42页，总共61页。1.石英晶体结构与压电效应符号极板间加交变电场极板间机械振动晶体产生机械变形晶体产生电场交变电压机械振动交变电压压电效应通常振幅较小，但当交变电压频率为某一特定频率时，振幅最大,称为压电谐振。上述特定频率称为晶体的固有频率或谐振频率当前43页，总共61页。2.石英晶体的等效电路与频率特性等效电路：静电电容（平行板电容）约几~几十皮法模拟晶体机械振动惯性10-3~10-2H晶体弹性电容10-4~10-1pF模拟机械振动摩擦损耗，很小又因加工精度很高，所以能获得很高的频率稳定度。因L大，C、R小，则当前44页，总共61页。石英晶体的频率特性时当即——串联谐振频率（阻抗最小）时当即——并联谐振频率（阻抗最大）当前45页，总共61页。（1）串联谐振频率特性：晶体等效纯阻且阻值≈0（2）并联谐振通常所以Z感性0容性容性一个晶体有两个谐振频率。当前46页，总共61页。二、石英晶体振荡电路Rb1Rb2C1+VCCReCe+RCC2晶体1.并联型石英晶体振荡电路并联型石英晶体振荡电路利用石英晶体作为一个电感来组成选频网络，晶体工作在fs和fp之间。电路的振荡频率当前47页，总共61页。2.串联型石英晶体振荡电路Rb1Rb2+VCCRe1RCC晶体Re2Rw调节电阻Rw的大小可以改变正反馈的强弱，以便获得良好的正弦波输出。串联型石英晶体振荡电路利用石英晶体串联谐振时阻抗最小的特性组成振荡电路，晶体工作在fs处。当前48页，总共61页。第五节非正弦波发生电路三角波发生电路矩形波发生电路锯齿波发生电路当前49页，总共61页。一、矩形波发生电路1.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；钳位电路：VDZ、R3。+-AR3VDZuOuCR1RR2C当前50页，总共61页。ouctuootR1+R1+R2UZ-UZ+UZ-R1R1+R2UZt1t22T2TuO=+UZ时u+=R1+R1+R2UZ电容C开始充电,充电到u-=R1+R1+R2UZuO转换为-UZu+=R1-R1+R2UZ电容C开始放电。放电到u-=R1-R1+R2UZuO转换为+UZ，电容C又开始充电。+-AR3VDZuOuCR1RR2C2.工作原理当前51页，总共61页。2TuCt1t2tR1+R1+R2UZ-R1R1+R2UZ3.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。当前52页，总共61页。4.占空比可调的矩形波发生电路0uCtuo0tt1t2T1T2T+-AR3VDZuouCR1RR2CVD1VD2RwR

、VD1

和组成放电回路。R

、VD2

和组成充电回路。当前53页，总共61页。0uCtt1t2T2TT1D

==T1TR

+R"W2R

+RW占空比改变电路中电位器滑动端的位置即可调节占空比，而总的振荡周期不受影响。1

+T1

=

(

R

+R"W

)Cln(2R1

R2

)T2

=

(

R

+R'W

)Cln(

1

+2R1

R2

)T

=T1+T2=

(2R+RW

)Cln(1

+2R1

R2

)当前54页，总共61页。二、三角波发生电路1.电路组成A1组成滞回比较器，A2组成积分电路，在A2的输出端得到三角波。矩形波发生电路+-A1R3VDZuO1R1R2+-A2R4R5uOu+C当前55页，总共61页。2.工作原理u+

=R1R1+

R2R2R1

+

R2uOuO1+-UZ+UZ-UomuO1otuOotu+随uO减小到u+=u-=0时，

uO1将跳变为uO1=-UZ，同时u+将跳变为一个负值，假设t=0时，

uO1=+UZ

，电容C上初始电压为零，则uO随时间负方向线性增长，+-A1R3VDZuO1R1R2+-A2R4R5uOu+C当前56页，总共61页。uO1o+UZtuOo-Uomt-UZ2T+Uom2.工作原理u+

=R1R1+

R2R2R1

+

R2uOuO1+重