正弦波发生器基本原理.ppt

,目 录,8.1 正弦波发生器的基本原理,8.1.1 振荡器的方框图,8.1.2 振荡条件,8.1.3 起振和稳定,8.2 RC桥式正弦波振荡电路,8.1.4 正弦波振荡电路的分类,8.2.1 RC串并联选频网络,8.2.2 RC桥式振荡电路的振荡频率和起振条件,8.3 LC正弦波振荡电路,8.3.1 LC并联回路的频率特性,8.3.2 LC正弦振荡器的基本形式,第8章 波形产生电路,8.4 石英晶体振荡器,8.4.1 石英晶体的基本特性,8.4.2 石英晶体振荡电路的基本形式,8.5 非正弦波信号发生器,8.5.1 矩形波发生器,8.5.2 三角波发生器,8.5.3 锯齿波发生器,8.5.4 555时基电路,8.5.5 压控振荡器,8.5.6 集成函数发生器8038,目 录,本章重点:,1. 正弦波发生器的组成、振荡条件和工作原理,2. 正弦波发生器的类型,3. 非正弦波发生器的组成、工作原理和类型,4. 集成型波形发生器的工作原理和应用,第8章 波形产生电路,本章难点:,1. 理想运放非线性特性的应用,本章重点介绍两类波形产生电路，一类是输出正弦波形的正弦波发生器，另一类是输出非正弦波形的非正弦波发生器。,在正弦波发生器电路中，主要介绍发生器的组成、振荡条件和各种类型振荡器；在非正弦波发生器电路中，主要介绍非正弦波发生器的组成和工作原理。,第8章 波形产生电路,8.1 正弦波发生器的基本原理,正弦波发生器是无需输入信号，能自动输出一定幅度、一定频率正弦信号的电路，从能量的角度来看，它是把直流能量转变为交流能量的电路。它在通信、无线电等诸多领域得到广泛应用。,8.1.1 振荡器的方框图,从结构上分析，正弦波振荡器是由正反馈网络和放大器组成的，其结构框图如图所示。,为正弦交流电压源，当开关S处在位置1时， 正弦信号作为放大器的输入信号，经放大器放大后产生输出信号 。 作为反馈网络的输入信号，在反馈网络输出端产生一个反馈信号 此时，假设开关S拨向位置2，如果 即大小相等，极性相同，那么该电路就能维持稳定的输出电压,. 振荡条件,只有正反馈电路才能产生自激振荡。,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：,8.1.3 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：器件非线性 2、主动：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 2.正反馈网络 3.选频网络只对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。,正弦波振荡器的一般组成,8.1.4 正弦波振荡电路的分类,根据选频网络元件的不同，正弦波振荡器可分为RC振荡器、LC振荡器、石英晶体振荡器三种。RC振荡器一般输出数百千赫以下的低频信号，LC振荡器主要输出数百千赫的高频信号，石英晶体振荡器主要产生高稳定度高频率信号。,8.2 RC桥式正弦波振荡电路,RC桥式正弦波振荡电路原理如图8-2所示，图中集成运放A作为放大器，RC串并联网络组成选频网络，同时也作为振荡器的正反馈网络，R1、Rf组成电压负反馈以起到稳定和改善输出波形的作用。,从图中可以看出，RC串联支路，RC并联支路，R1支路，Rf支路，刚好构成一个文氏电桥的四个臂，如图8-3所示，因此把该振荡器称为RC桥式正弦波振荡器。,8.2.1 RC串并联选频网络,在RC桥式正弦波振荡电路中，RC串并联电路既作为选频网络，又作为正反馈网络，该电路的频率特性十分重要。,(8-8),8.2.1 RC串并联选频网络,根据上式得到反馈系数的幅频特性和相频特性分别为,(8-11),(8-12),幅频特性曲线和相频特性曲线,当 时,反馈系数的幅值 最大等于1/3，相位移,当 时， 明显减小而且,因此RC串并联网络有很好的选频作用。,8.2.2 RC桥式振荡电路的振荡频率和起振条件,振荡频率为,振荡角频率,只有 时， RC振荡器才能自激振荡,8.3 LC正弦波振荡器,8.3.1 LC并联回路的频率特性,(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,当 时，,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,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：,互感线圈的极性判别,8.3.2 LC正弦波振荡器的基本形式,变压器反馈式振荡电路,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,仍然由LC并联谐振电路构成选频网络,. 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,振荡频率：,（1）电感三点式LC振荡电路,（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。,8.4 石英晶体振荡电路,Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。,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 500000,8.4.1 石英晶体的基特性,2. 压电效应,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. 等效电路,等效电路：,（1）串联谐振,电抗频率特性：,晶体等效纯阻且阻值0,（2）并联谐振,通常,所以,8.4.2 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。,例：分析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？,8.5.1 方波发生器,1.电路结构,由滞回比较电路和RC定时电路构成,上下限:,8.5 非正弦波信号发生器,2.工作原理：,(1) 设 uo = + UZ ,此时，uO给C 充电, uc ，,则：u+=UT+,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,一旦 uc UT+ , 就有 u- u+ , uo 立即由UZ变成UZ 。,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：,动画演示,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:,f = 1/T,可推出:,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。,电路结构：迟滞比较器+反相积分器,8.5.2 三角波发生器,工作原理：,若uo1=+UZ， uo2， u+ 。,当u+ 0时， uo1翻转为-UZ。,若uo1=-UZ， uo2， u+ 。,当u+ 0时， uo1翻转为+UZ。,波形图,振荡周期：,8.5.3锯齿波发生器,改变积分器的正反向充电时间常数,uo1=+UZ，D截止，充电时间常数：R4C。,uo1=-UZ，D导通，充电时间常数：(R6R4)C。,R6R4,8.5.4 555时基电路,1. 电路框图,555时基电路由分压器、两个比较器、触发器、缓冲器、复位电路、放电管等组成。其中分压器由三个高精度的阻值为5k的电阻组成。,555时基电路框图,2. 工作原理,由图8-24可知，两个比较器分别被电阻R1、R2和R3构成的分压器设定的 VCC和 VCC参考电压所限定。三个5k电阻组成的分压器，使两个比较器构成一个电平触发器，上触发电平为 VCC，下触发电平为 VCC。在 5脚控制端外接一个参考电源V，可以改变上、下触发电平值。比较器A的输出和比较器B的输出端接到触发器的输入端。加到比较器A同相端6脚的触发信号，只有当电位高于反相端5脚的电位时，触发器才翻转；而加到比较器B反相端2脚的触发信号，只有当电位低于B同相端的电位 VCC时，触发器才翻转。,8.5.5 压控振荡器,1. 电路结构,U为直流控制电压，A1组成积分电路，A2组成滞回比较器，场效应管T工作在开关状态，控制积分电容C的充放电，二极管D为隔离二极管。,2. 工作原理,滞回比较器A2的两个门限电压为,压控振荡器,设开始时uC=0V，uo1=0V，uo2=-UZ，D导通，使T截止，这时I1=I2=U/4，由于U为直流电压，则电容C被恒流充电，uC随时间线性上升，uo1则直线下降，当uo1=UTH2时，比较器A2发生翻转，uo2=+UZ，D截止，T饱和导通，这时I2=I1-I3=-U/4R，电容恒流放电，uo1上升，当uo1上升至UTH1时，比较器A2再次翻转， uo2=-UZ，这时又重复刚开始的过程，周而复始产生振荡。 可以证明振荡器的振荡频率和周期为,振荡波形图,8.5.6 集成函授发生器8038,1. 8038的内部框图,8038的内部结构框图如图8-29所示，它由电压比较器、触发器、电子开关、波形变换电路、缓冲器、电流源等组成。,集成函数发生器8038是单片多用途的发生器，它可以产生正弦波、方波、三角波和锯齿波。,在图中，比较器A的门限电压为：2/3(VCCVEE)，比较器B的门限电压为： 1/3 (VCC+VEE)，电流源IS1和IS2担任外接电容C的充放电回路，且IS2IS1，电容C的充放电转换由电子开关S控制：当S断开时，电流源IS1向电容C充电；当S闭合时，外接电容C通过IS2放电。开关S的状态受触发器的输出电平控制，当触发器输出低电平时，S断开；当触发器输出高电平时，S闭合。,8038内部结构框图,8.5.6 集成函授发生器8038,2. 工作原理,设开始时，触发器输出为低电平，电子开关S断开，电流源IS1对电容C恒流充电，uc随时间线性上升，当uc =2/3 (VCC+VEE)时，比较器A产生跳变，使触发器翻转输出高电平，开关S闭合，电容C以(IS2IS1) 恒流放电，uc随时间线性下降。当uc降至 1/3(VCC+VEE)，比较器B发生跳变，使触发器再次翻转输出低电平，开关S再次断开，如此重复开始时的过程，产生振荡。,电容C上形成的线性三角波，经缓冲器一路产生三角波输出信号，另一路经三角波变正弦波电路，产生正弦波输出信号。,触发器的输出电平，除用于控制电子开关S外，还用于产生方波输出信号。,3. 8038的外部引脚排列,4. 8038的典型应用,利用8038组成的信号发生器如图8-31所示，图中，定时电容C、RP1、R3、R4决定发生器的振荡频率，RP2可调节方波占空比和锯齿波上升和下降的时间，RP3、RP4可调节正弦波的失真度。,8038函数发生器,8038的外部引脚排列,本章小结,2正弦波振荡电路主要有RC振荡电路和LC振