振荡器的基本原理.ppt

,第八章 波形的发生与信号的转换,8.1 正弦波振荡器的基本原理,本章目录,总目录,点击即可进入学习,8.2 RC正弦波振荡电路,8.3 LC正弦波振荡电路,8.4 石英晶体振荡电路,8.5 电压比较器,8.6 非正弦波发生电路,习题解答,一. 产生自激振荡的条件,只有正反馈电路才能产生自激振荡。,8.1 正弦波振荡器的基本原理,反馈信号代替了放大 电路的输入信号。,Xd=Xf,所以，自激振荡条件也可以写成：,自激振荡的条件：,1、振幅条件：,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：,1.放大电路实现能量控制。 2.正反馈网络满足起振条件。 3.选频网络只有一个频率满足振荡条件，从而获得单一频率的正弦波输出。 常用的选频网络有RC选频和LC选频 4.稳幅环节使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小。,三.正弦波振荡器的一般组成,8.2 RC正弦波振荡电路,一. RC 串并联网络的选频特性,R1C1 串联阻抗：,R2C2 并联阻抗：,选频特性：,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=0时， uf=0，F=0 =+90,当时， uf=，F ,（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=时， uf=0，F=0 =-90,当时， uf=，F ,0=？ Fmax=？,由以上分析知：一定有一个频率0存在， 当=0时，F最大，且 =0,频率很低,频率很高,2. 定量分析,R1C1 串联阻抗：,R2C2 并联阻抗：,通常，取R1R2R，C1C2C，则有：,式中：,可见：当 时， F最大，且 =0,Fmax=1/3,RC串并联网络完整的频率特性曲线：,当 时， F= Fmax=1/3,二.RC桥式振荡器的工作原理,在 f0 处,满足相位条件：,因为：,AF=1,只需：A=3,振幅条件：,引入负反馈：,选：,RC桥式正弦波振荡电路,反馈网络构成桥路,EWB仿真,例题:R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf为多大时才能起振？振荡频率f0=？,AF=1，,A=3,Rf=2R1=210=20k,=1592 Hz,起振条件：,能自动稳幅的振荡电路,起振时Rt较大 使A3,易起振 当uo幅度自激增长时， Rt减小，A减小。 当uo幅度达某一值时，A3 当uo进一步增大时， RT再减小 ,使A3。 因此uo幅度自动稳定于某一幅值。,能自动稳幅的振荡电路,起振时D1、D2不导通，Rf1+Rf2略大于2R1。随着uo的增加， D1、D2逐渐导通，Rf2被短接，A自动下降，起到稳幅作用。,将Rf分为Rf1 和Rf2 ， Rf2并联二极管,K：双联波段开关， 切换R，用于 粗调振荡频率。,C：双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。,振荡频率的调节：,一、 LC并联谐振回路的选频特性,(阻性),LC并联谐振特点：谐振时，总路电流很小，支路电流很大，电感与电容的无功功率互相补偿，电路呈阻性。,R为电感和回路中的损耗电阻,8.3 LC正弦波振荡器,当 时，,产生并联谐振。,谐振时，电路呈阻性：,Q为谐振回路的品质因数，Q值越大，曲线越陡越窄，选频特性越好。,谐振时LC并联谐振电路相当一个大电阻。,LC并联谐振回路的幅频特性曲线,互感线圈的极性判别,初级线圈,次级线圈,同名端,在LC振荡器中，反馈信号通过互感线圈引出,同名端：,二. 变压器反馈式LC振荡电路,工作原理：,三极管共射放大器:,利用互感线圈的同名端：,满足相位条件。,振荡频率:,判断是否是满足相位条件相位平衡法：,断开反馈到放大器的输入端点，假设在输入端加入一正极性的信号，用瞬时极性法判定反馈信号的极性。若反馈信号与输入信号同相，则满足相位条件；否则不满足。,(+),(-),(+),(+),(+),(+),(+),LC正弦波振荡器举例,满足相位平衡条件,（+）,（+）,（）,（+）,LC正弦波振荡器举例,振荡频率:,（）,满足相位平衡条件,例 有以下三个变压器反馈式的电路，试分析能否满足相位平衡条件？,都能满足相位平衡条件,仍然由LC并联谐振电路构成选频网络,三. 三点式LC振荡电路,原理：,uf与uo反相,uf与uo同相,电感三点式：,电容三点式：,uf与uo反相,uf与uo同相,uf与uo反相,uf与uo同相,电感三点式：,电容三点式：,uf与uo反相,uf与uo同相,中间点交流接地，则首尾端相位相反,首端或尾端交流接，则余下不接地两点相位相同,1.电感三点式LC振荡电路,振荡频率：,满足相位 平衡条件,满足相位 平衡条件,2. 电容三点式LC振荡电路,振荡频率：,例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。,满足相位平衡条件,Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。,8.4 石英晶体振荡电路,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 10000 500000,一. 石英晶体,2. 基本特性,1. 结构：,极板间加电场,极板间加机械力,压电效应：,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,3. 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10-310-2H,晶体弹性电容10-410-1pF,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,等效电路：,（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,二. 石英晶体振荡电路,利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。,1. 并联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs与fp之间，相当一个大电感，与C1、C2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，所以电路可以获得很高的振荡频率稳定性。,2. 串联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs处，呈电阻性，而且阻抗最小，正反馈最强，相移为零,满足振荡的相位平衡条件。 对于fs以外的频率，石英晶体阻抗增大,且相移不为零，不满足振荡条件，电路不振荡。,思考：下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振荡,石英晶体处于何种状态？,8.5 电压比较器,将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一定的高低电平。,功能：,构成：,运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。,1. 运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。,运放工作在非线性状态基本分析方法,2. 运放工作在非线性状态的分析方法： 若U+U- 则UO=+UOM； 若U+U- 则UO=-UOM。 虚断（运放输入端电流=0） 注意：此时不能用虚短！,1. 过零比较器: （门限电平=0）,一.单门限电压比较器,例题：利用电压比较器将正弦波变为方波。,2. 单门限比较器（与参考电压比较）,UREF,UREF为参考电压,当ui UREF时 , uo = +Uom 当ui UREF时 , uo = -Uom,运放处于开环状态,UREF,当ui UREF时 , uo = -Uom,若ui从反相端输入,（1）用稳压管稳定输出电压,忽略了UD,3. 限幅电路使输出电压为一稳定的确定值,当ui 0时 , uo = +UZ 当ui 0时 , uo = -UZ,（2）稳幅电路的另一种形式： 将双向稳压管接在负反馈回路中,当ui 0时 , uo = -UZ 当ui 0时 , uo = +UZ,二. 迟滞比较器,1.工作原理两个门限电压。,特点:电路中使用正反馈运放工作在非线性区。,（1）当uo =+UZ时，,（2）当uo =-UZ时，,UT+称上门限电压 UT-称下门限电压 (UT+- UT- )称为回差电压,迟滞比较器的电压传输特性：,设ui , 当ui = UT-时, uo从-UZ +UZ,这时, uo =-UZ , u+= UT-,设初始值: uo =+UZ , u+= UT+ 设ui , 当ui = UT+时, uo从+UZ -UZ,EWB仿真,同相滞回比较器电压传输特性,反相滞回比较器电压传输特性,从运放的反相输入端输入,从运放的同相输入端输入,例题：Rf=10k，R2=10k ，UZ=6V， UREF=10V。当输入ui为如图所示的波形时，画 出输出uo的波形。,上下限电压：,三、窗口电压比较器,三态电压比较器,D2导，D1截，,D2截，D1导，,D2截，D1截，,四、集成比较器,1. LM311型集成比较器,特点：电源电压可以单组+5V，也可15V，适应范围宽；输出与TTL或CMOS平兼容；可以直接驱动多种负载（灯泡、继电器等）。,LM311的几种实际连接,集电极输出连接,集电极输出连接,发射极输出连接,2. MC14574（CMOS）集成四电压比较器,MC14574比较器电路原理图,MC14574比较器引脚排列图,1.电路结构,由滞回比较电路和RC定时电路构成,上下限:,8.6 非正弦波发生电路,一、方波（矩形波）发生器,EWB仿真,2.工作原理：,(1) 设 uo = + UZ ,此时，uO给C 充电, uc ，,则：u+=UT+,一旦 uc UT+ , 就有 u- u+ , uo 立即由UZ变成UZ 。,在 uc UT+ 时，,u- u+ ,设uC初始值uC(0+)= 0,方波发生器,uo保持+UZ不变,此时，C向uO放电,再反向充电,(2) 当uo = -UZ 时，,u+=UT-,uc达到UT-时，uo上跳。,当uo 重新回到UZ 后，电路又进入另一个周期性的变化。,完整的波形：,如何计算振荡周期T？,周期与频率的计算：,T= T1 + T2 =2 T2,T2阶段uc(t)的过渡过程方程为:,令t=0,t=T/2,周期与频率的计算：,令t=0,t=T/2,代如可推出:,f = 1/T,3、占空比可调的方波发生器,改变电位器 RW 的滑动端，就改变了冲放电的时间，从而使方波的占空比可调。,可见：调节电位器可改变占空比，不可改变周期。,二、三角波及锯齿波信号发生器,电路结构：迟滞比较器+反相积分器,1. 三角波发生器,工作原理：,对输出有上下限电压：,EWB仿真,若uo1=+UZ， uo2。,当u02 -UT时， uo1由+UZ翻转为-UZ,若uo1=-UZ， uo2。,当u02 +UT时， uo1由-UZ翻转为+UZ,同相滞回,波形图,同相滞回,当u02 -UT时, uo1由+UZ翻转为-UZ,当u02 +UT时,uo1由-UZ翻转为+UZ,若uo1=-UZ， uo2。,若uo1=+UZ， uo2。,波形图,振荡周期：,振荡频率：,2.锯齿波发生器,改变积分器的正反向充电时间常数，从而改变占空比。,uo1=+UZ，D截止，充电时间常数：R4C。,uo1=-UZ，D导通，充电时间常数：(R6R4)CR6C。,R6R4,R6R4,波形图,T1,同相滞回,当u02 -UT时, uo1由+UZ翻转为-UZ,当u02 +UT时, uo1由-UZ翻转为+UZ,若uo1=-UZ， uo2。,若uo1=+UZ， uo2。,三、单片集成多功能函数发生器,一、单片集成ICL8038型多功能函数发生器,特点：有正弦波、矩形波、三角波（锯齿波）三种波形输出；矩形波的占空比任意调节，频率范围为0.001Hz1MHz，失真度0.1%。,ICL8038的引脚