波形发生器(振荡电路_波形发生器).ppt

本章目录,掌握：正弦波振荡电路的组成、以及产生正弦波振荡的相位条件和幅值条件；文氏电桥rc电路的组成、原理、振荡频率、起振条件以及电路的特点。 理解：典型的lc振荡电路（变压器反馈式、电感三点式、电容三点式和改进型电容三点式）的电路组成、工作原理和性能特点；常用的非正弦波发生电路（矩形波、三角波和锯齿波）的电路组成、工作原理和主要参数的估算方法。 了解：石英晶体振荡电路的工作原理和性能特点。,信号产生电路,(振荡器oscillators),分类：,正弦波振荡:,非正弦波振荡：,rc 振荡器(1 khz 数百 khz),lc 振荡器(几百 khz 以上),石英晶体振荡器(频率稳定度高),方波、,三角波、,锯齿波等,引 言,正弦波和非正弦波产生电路常常作为信号源，被广泛地应用于无线电通信、自动测量和自动控制等系统中。,9.1.1 产生正弦波振荡的条件 9.1.2 正弦波振荡电路的组成 9.1.3 正弦波振荡电路的分析步骤,9.1 正弦波振荡电路的分析方法,掌握：正弦波振荡电路的组成、以及产生正弦波振荡的相位条件和幅值条件；,开关合在 “1”：,开关合在“2” ：,开关合在“2”时, 去掉ui 仍有稳定的输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号。,9.1.1 产生正弦波振荡的条件,图 9.1.1 产生自激振荡的条件,由此知放大电路产生自激振荡的条件是：,因为：,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,起振条件：,负反馈自激振荡与正弦波自激振荡的区别,负反馈放大电路中由于信号频率达到了通频带的两端，产生了足够大的附加相移，从而使负反馈变成了正反馈； 而在振荡电路中加的就是正反馈，振荡建立后只是一种频率的信号，无所谓附加相移。,负反馈自激振荡,正弦波自激振荡,9.1.2 正弦波振荡电路的组成,组成：放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。, 放大电路 正反馈网络 选频网络 稳幅环节,满足振荡条件, 实现单一频率的振荡, 稳定振荡幅度、波形好,常合二而一,rc振荡电路： lc振荡电路: 石英晶体振荡电路,分类：,9.1.3 正弦波振荡电路的分析步骤：,1. 检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分； 并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；,2. 分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件和幅度平衡条件。,判断相位平衡条件的方法是：瞬时极性法。,3.估算振荡频率和起振条件,计算 时的频率，即为振荡频率 f0 。,9.2.1 rc 串并联网络的选频特性 9.2.2 rc 串并联网络振荡电路,9.2 rc 正弦波振荡电路,掌握：文氏电桥rc电路的组成、原理、振荡频率、起振条件以及电路的特点。,9.2.1 rc 串并联网络的选频特性,低频,高通,高频,低通,o,z1,z2,r,低频,高频,r,在频率从0中必有一个频率f0，f0o。,定性分析,f-900 ,f0 90,式中: 0 = 1/rc,幅频特性：,相频特性：,定量分析,幅频特性：,相频特性：,最大，f = 0。,1/3,+90,-90,图 9.2.3,9.2.2 rc 串并联网络振荡电路,1、电路组成：,放大电路 集成运放 a 与rf 、r 组成；,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。,文式电桥振荡电路,同相比例运算电路,选频电路,2、振荡频率与起振条件,（1） 振荡频率,（2） 起振条件,f = f0 时，,由起振条件：,同相比例运放的电压放大倍数为,即要求：,a = 0, f = 0,3.振荡电路中的负反馈,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,rt,图 9.2.4,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。,正温度系数,负温度系数,起振时，rf略大于2r，使|af|1，以便起振；,起振后，,使得输出uo为某值时，|af|=1，从而稳幅。,（1）热敏电阻稳幅电路,热敏电阻稳幅电路,幅度增大，电流增大，t,抑制了输出幅度的增长。,4.振荡频率的调节,振荡频率：,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。,电子琴的振荡电路：,可调,如图所示电路能否产生自激振荡，并说明理由。,例：,放大电路的a的相位移,因此,不能产生自激振荡。,放大电路的a的相位移,能产生自激振荡。,a = 0，,f= 0，,能产生自激振荡,例题:r=1k，c=0.1f，r1=10k。rf为多大时才能起振？振荡频率f0=？,=3,rf2r1=210=20k,=1592 hz,* 其他形式的 rc 振荡电路,（1 ）rc超前移相电路,（2）rc滞后移相电路,一节 rc 环节,移相 90,二节 rc 环节,移相 180,三节 rc 环节,移相 270,1、移相式振荡电路,集成运放采用反相输入方式，故,振荡频率为：,270,180,90,当 f = 180 时，,f = f0,a = 180，,f = 180，即可满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。,2、双 t 网络振荡电路,振荡频率约为：,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。,集成运放采用反相输入方式，故,当 f = 180 时，,f = f0,a = 180，,f = 180，即可满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。,rc,c,c1,t,r1,+,+,rb,+,c2,r2,+10v,该电路能否产生振荡？,2.若取消一级rc环节是否振荡？,3.若增加一级rc环节能否振荡？,rc移相式正弦波振荡器,例,1、二级rc环节。每级rc 移相90 ，二级共可移相 180 ，不满足相位及幅值平衡条件。可以振荡。,2、不能振荡。,3、可产生正弦波振荡。,表 8 - 1 三种 rc 振荡电路的比较,9.3.1 lc 并联电路的选频特性 9.3.2 变压器反馈式振荡电 9.3.3 电感三点式振荡电路 9.3.4 电容三点式振荡电路 9.3.5 电容三点式改进型振荡电路,9.3 lc 正弦波振荡电路,理解：典型的lc振荡电路（变压器反馈式、电感三点式、电容三点式和改进型电容三点式）的电路组成、工作原理和性能特点；,9.3.1 lc 并联电路的特性,当,电路发生并联谐振。,一般,谐振频率：,则,此时，|z|最大,即,1. 谐振频率 f0,2. 谐振阻抗 z0,3. 回路品质因数 q,4. 频率特性,z01,z02,q1 q2,q1,q2,q1,q2,q1 q2,感性,纯阻,容性,不同 q 值时，lc 并联电路的幅频特性、相频特性,电容、电感支路的电流值：,并联回路的输入电流值：,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。,5. 并联谐振的本质, 电流谐振,结论：,1.lc 并联电路具有选频特性。当 f = f0 时，电路为纯电阻性，等效阻抗值最大；当 f f0 时，电路为容性。,2. 电路的品质因数 q 愈大，幅频特性越尖锐，选频特性愈好。 3.谐振频率的数值与lc并联电路的参数有关。,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,互感线圈的极性判别,磁棒,初级线圈,次级线圈,同极性端,c,l,r,u,i,反馈信号通过互感线圈引出,9.3.2 变压器反馈式振荡电路,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。,放大电路：共射放大电路 选频网络：lc振荡回路 反馈网络：变压器副边n2,2、振荡频率和起振条件,振荡频率,起振条件,保证变压器绕组的同名端接线正确,满足相位平衡条件,例：如图所示电路是否满足自激振荡的相位条件？,正反馈，满足相位条件,9.3.3 电感三点式振荡电路,一、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。,二、振荡频率和起振条件,振荡频率,起振条件,特点： 易起振(l 间耦合紧)； 易调节(c 可调)； 一般用于产生几十mhz以下的赫兹； 输出取自电感，对高次谐波阻抗大，输出波形差。 通常用于要求不高的设备中，如高频加热器、接收机的本机振荡等。,9.3.4 电容三点式振荡电路,一、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。,二、振荡频率和起振条件,振荡频率,起振条件,特点： 由于反馈电压取自于电容，电容对高次谐波的阻抗较小，输出波形较好。 振荡频率较高，一般可达100mhz。 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。 适用于产生固定频率的振荡。 调节电容可改变频率，但会影响起振条件。如要改变频率，可在l两端接一个可变电容。,9.3.5 电容三点式改进型振荡电路,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。,图 9.3.6,例：如图所示电路是否满足自激振荡的相位条件？,正反馈，满足相位条件,不满足电位条件,例：如图所示电路是否满足自激振荡的相位条件？,正反馈，满足相位条件,共基极接法,表 8 - 2 各种 lc 振荡电路的比较,稳定振荡频率的措施 选用高质量的选频电路元件；采用直流稳压电源以及恒温等措施提高谐振回路的品质因数q。,实践表明，这样做是有限度的，因为l选得太大，电感的体积要增加，线圈的损耗电阻和分布电容也随之增大；c选得过小，当并联的分布电容和杂散电容变化时，将对频率的稳定性产生显著影响。 所以，一般的lc回路，q值最高可达到几百。在要求高频率稳定度的场合，往往采用高q值的石英晶体谐振器代替,9.4.1 石英晶体的基本特性和等效电路,1、基本特性,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。,9.4 石英晶体振荡器,2. 等效电路,l 晶体的动态电感 (10-3 102 h)(大),c 晶体的动态电容 ( 0.1 pf)(小),r 等效摩擦损耗电阻(小),c0 晶片静态电容 (几 几十 pf),大,小,小,大,3. 频率特性和谐振频率,串联谐振频率,并联谐振频率,电抗频率特性,fs,fp,容性,容性,感性,9.4.2 石英晶体振荡电路,一、并联型石英晶体振荡电路,交流等效电路,振荡频率,由于,图 9.4.3,fs f fp，晶体呈感性,二、串联型石英晶体振荡电路,图 9.4.4 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。,f= fs，晶体呈电阻性,9.5.1 矩形波发生电路 9.5.2 三角波发生电路 9.5.3 锯齿波发生电路,9.5 非正弦波发生电路,理解：常用的非正弦波发生电路（矩形波、三角波和锯齿波）的电路组成、工作原理和主要参数的估算方法。,一、电路组成,图 9.5.1,滞回比较器：集成运放、r1、r2；,充放电回路：r、c；,钳位电路：vdz、r3。,9.5.1 矩形波发生电路,二、工作原理,uc ，当 uc = ut- 时， uo = +uz ，,uc，当 uc = ut+ 时， uo = -uz ，,（1）充电,设 初态uc = 0，uo = + uz,则u+ =ut- ，uo 通过r向c反向充电(放电) 。,（2）跳变,uc,（3）放电,（4）循环,u+ = ut+ ，,uo 通过r向c充电 。,t1,t2,（1）充电,（2）跳变,（3）放电,uc,当 uc = ut+ 时， uo = -uz ，,当 uc = ut- 时， uo = +uz ，,uc ，,uo = +uz ，,电容充放电时间常数相同,正负半周对称,三、振荡周期,放电,解得：,占空比 d=50%,图 9.5.4,四、占空比可调的矩形波发生电路,结构：rw和vd1、vd2的作用是将充电放电回路分开，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。,图 9.5.5,图 9.5.4,图 9.5.5,a1为同相迟滞比较器， 输入三角波，输出方波。 a2为反相积分电路， 输入方波，输出三角波。,9.5.2 三角波发生电路,一、电路组成,负方向,正方向,图 9.5.6,图 9.5.6,二、工作原理,u+ =0时，比较器跳变。,图 9.5.7,（1）uo1 = + uz,积分器反向积分,uo减小,u+=0,uo1 = -uz,（2）uo1 = - uz,积分器正向积分,uo增大,u+=0,uo1 = +uz,u+=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，而发生跳变时的 uo即为三角波的最大值 uom 。,uz,0,uom,1、输出幅度,2、振荡周期,振荡周期,正向积分起始值为-uom，终了值为+uom，积分时间t/2