模电电子课件教案 第7讲-信号发生电路.ppt

7.1 正弦波振荡电路,7.2 非正弦波发生电路,*7.3 锁相频率合成电路,第 7 讲 信号发生电路,概述,信号发生电路概述,作用：产生一定频率和幅度的信号,要求：（1）频率和幅度准确、稳定， 频率稳定尤为重要； （2）波形失真要小。,1MHz 以下,1MHz 以上,频率稳定度很高,压控振荡器、*集成函数发生器、*锁相频率合成电路。,另外：直接数字频率合成器(DDS)。,利用其它技术实现。,7.1.1 正弦波振荡电路的工作原理,7.1.2 RC振荡电路,7.1.3 LC振荡电路,7.1 正弦波振荡电路,7.1.4 石英晶体振荡电路,一、电路组成,7.1.1 正弦波振荡电路的工作原理,与反馈放大电路比较,一、电路组成,使唯一频率的信号满足振荡条件。,稳定输出信号幅值,7.1.1 正弦波振荡电路的工作原理,电扰动产生窄脉冲,稳幅使信号增大到一定 程度后维持大小不变。,二、振荡产生的基本原理,正反馈回送并放大信号,选频产生正弦波,1. 起振条件,因为起振时应满足: 而 故得,三、振荡的平衡条件与起振条件,1. 起振条件,2. 平衡条件,三、振荡的平衡条件与起振条件,电路参数设计要满足振幅起振条件。通过稳幅电路自动达到平衡。,相位条件确定振荡频率， 振幅平衡条件确定信号幅度。,1. 起振条件,2. 平衡条件,三、振荡的平衡条件与起振条件,与负反馈电路自激振荡的相位条件是否有矛盾？,讨论：,(1) 观察电路组成是否完备，是否含放大、选频和反馈电路。,如何定性判断电路能否产生正弦波振荡？,(2) 判断放大电路能否正常工作，即静态工作点是否合适，动 态信号能否正常传输。,(3) 判断是否满足相位条件：找到放大电路输入端将反馈断开，假设断开处加 ui，并设ui 瞬时极性为正；然后推导uf极性并与ui 瞬极性进行比较。若它们对于公共电位参考点的瞬时极性相同，则构成正反馈，满足相位条件，电路可能产生振荡，否则，电路不可能振荡。,(4) 在满足相位条件的基础上，定性判断电路是否可能满足振幅 起振条件，若满足则电路能产生正弦波振荡，否则不能。,一、 RC 串并联选频网络,7.1.2 RC振荡电路,令 0 = 1/RC,得,一、 RC 串并联选频网络,7.1.2 RC振荡电路,1. 电路组成,同相,二、RC 桥式振荡电路,构成同相放大器,2. 常用RC 桥式振荡电路,参数选择：,一般通过切换高稳定度的电容进行频段转换，再采用双联电位器进行频率细调。,2. 常用的RC 桥式振荡电路,参数选择：,RF 不能太大，否则正弦波将失真，甚至变成方波。,稳幅措施：采用负温度系数热 敏电阻实现外稳幅。,运放始终线性工作，因此波形好。,2. 常用的RC 桥式振荡电路,例7.1.1,图示为一实用RC桥式振荡电路。（1）求f0 ；（2）说明二极管的作用；（3）说明 RP 如何调节。,解：,（1）,（2）,二极管用于稳定输出幅度，改善输出波形。,相当于负温度系数的热敏电阻,图示为一实用RC桥式振荡电路。（1）求f0 ；（2）说明二极管的作用；（3）说明 RP 如何调节。,解：,（1）,（2）,二极管用于稳定输出幅度，改善输出波形。,例7.1.1,随着 的增大，二极管导通，,与二极管的并联电阻值减小，,图示为一实用RC桥式振荡电路。（1）求f0 ；（2）说明二极管的作用；（3）说明 RP 如何调节。,解续：,例7.1.1,（3）,故应调节RP ，使 R2 满足：,为满足振幅起振条件，应使,为减小失真，应使,*例,分析图示电路是否可能产生振荡。,一节 RC 环节,移相 90,分析图示电路是否可能产生振荡。,二节 RC 环节,移相 180,三节 RC 环节,移相 270,可证明,*例,一节 RC 环节,移相 90,RC 移相式振荡电路,*利用RC滞后移相网络 可构成正弦波振荡器吗？,一、LC 并联谐振回路,7.1.3 LC振荡电路,常用: 变压器反馈式 、电感三点式、电容三点式,L 的等效损耗电阻。C 的损耗可忽略。,通常 r L ，所以,一、LC 并联谐振回路 续,一、LC 并联谐振回路 续,一、LC 并联谐振回路 续,当 = 0 时，回路产生并联谐振，阻抗最大，且为纯电阻（ =0）。 当 0 时， 0,失谐大时回路呈感性。,二、变压器反馈式振荡电路,交流通路,选频放大器,变压器反馈网络,交流通路,二、变压器反馈式振荡电路,三、三点式 LC 振荡电路,LC 并联谐振回路的三个端子分别与放大器的三个端子相连。,(一) 电感三点式 振荡电路（Hartley振荡器）,(一) 电感三点式 振荡电路（Hartley振荡器）,三、三点式 LC 振荡电路,优点： 易起振， 频率易调（调C）,1. Colpitts 振荡电路,（二） 电容三点式振荡电路,交流通路,1. Colpitts 振荡电路,（二） 电容三点式振荡电路,优点： 输出波形好。,2. Clapp振荡电路（改进型电容三点式）,C3 C1 ， C3 C2,特点：波形好、频率稳定、频率调节方便。,与E相连的为同性质电抗， 不与E端相连的为异性质电抗。,（三）三点式振荡电路的组成原则,+,_,+,_,+,_,例,试用相位平衡条件判断图（a）、（b）电路是否可能产生振荡，若能振荡，试求振荡频率的大小。,（a） 可能。构成电感三点式振荡电路,（b）可能。构成电容三点式振荡电路,_,+,7.1.4 石英晶体振荡电路,频率稳定度高达10-6 10-8 及以上，而LC 振荡电路的难突破 10-5 。,一、石英晶体谐振器及其阻抗特性,石英化学成分是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，封装后就构成了石英晶体谐振器。,1. 石英谐振器结构,2. 石英晶体的压电效应与谐振特性,电极间加电场,电极间加机械力,晶片机械变形,晶片对应面产生正负电荷,压电效应：,交变电压,机械振动,交变电荷,当交变电压频率=晶体固有机械振荡频率时，,类似回路谐振，称压电谐振。,晶体内形成电场,交变电流,产生共振，,振幅最大，产生的交变电流最大。,3. 石英晶体谐振器的符号、等效电路和电抗特性,Co 静态电容，较大。,Lq 晶体振动时的动态电感 ，很大。,Cq 晶体振动时的动态电容，很小。,rq 等效摩擦损耗电阻，很小。,非常高， 具有很好的选择性和频稳度。,3. 石英晶体谐振器的符号、等效电路和电抗特性,Co 静态电容，较大,Lq 晶体振动时的动态电感 ，很大,Cq 晶体振动时的动态电容，很小,rq 等效摩擦损耗电阻，很小,串联谐振频率,并联谐振频率,只在 之间的很窄频率范围内呈感性， 且感抗曲线很陡，故用作电感时具有很强的 稳频作用。一般用电感或串谐特性。,3. 石英晶体谐振器的符号、等效电路和电抗特性,Co 静态电容，较大,Lq 晶体振动时的动态电感 ，很大,Cq 晶体振动时的动态电容，很小,rq 等效摩擦损耗电阻，很小,串联谐振频率,并联谐振频率,晶体使用时要注意： 按照产品说明书，选用规定容量的负载 电容CL 与晶体串接 ，以达到标称频率。,晶体作为高Q 电感元件， 与其它元件共同构成谐振回路。,晶体作为正反馈通路中的 高选择性短路元件，工作 在串联谐振状态。,二、石英晶体振荡电路,晶体用作高Q 电感,并联型振荡电路举例,构成改进型电容三点式,C3 远小于C1 和C2 ，振荡 频率由晶体和C3 决定， 约等于晶体的标称频率。,串联型振荡电路举例,交流通路,构成电容三点式，振荡频率等于串联谐振频率 fs 。,并联谐振回路应调谐在频率 fs 上。,7.1 复习要点,7.2.2 方波发生电路,7.2.3 三角波和锯齿波发生电路,7.2 非正弦波发生电路,7.2.1 电压比较器,7.2.4 压控振荡器和集成函数发生器,7.2.1 电压比较器,一、电压比较器概述,作用：比较输入电压的大小， 并根据比较结果输出高电平或低电平,应用：信号的产生、处理、检测等,一、电压比较器概述,作用：比较输入电压的大小， 并根据比较结果输出高电平或低电平,应用：信号的产生、处理、检测等,7.2.1 电压比较器,有通用型、高速型、低功耗型、低电压型和高精度型等。 自学,工作速度慢、带宽窄且输出与其它电路的兼容性差。,二、 单限电压比较器,输入过零时输出发生突变。输出只有高电平和低电平两种值。,1. 过零电压比较器,输出电平发生跳变所对应的输入电压值称为门限电压。 UT,1. 过零电压比较器,二、 单限电压比较器,反相输入单限比较器,同相输入单限比较器,门限电压 UT =UREF,2.非过零单限电压比较器,输入从小增大过UREF 时，输出发生正跃变。,输出高电平为UZ ，输出高电平为 -UZ 。,例,解：,图中，UREF =2V，试求 UT ，并画出电压传输特性。,令uN = 0，可得,由图可得,由于信号从反相端输入，故,当uI 4V 时， uO =UOL= 6V,因此可作出电压传输特性如图所示。,当 uI 4V 时， uO =UOH=6V,图中，UREF =2V，试求 UT ，并画出电压传输特性。,例,若uI =7sin V ， 试画出uI 、uO 波形。,7,-7,-4,图中，UREF =2V，试求 UT ，并画出电压传输特性。,例,若uI 波形如下 ， 试画出uO 波形。,单限比较器抗干扰能力差,三、迟滞比较器,也称施密特触发器。抗干扰能力强,1. 反相输入迟滞比较器电路,uP,引入正反馈,上门限电压 UTH,下门限电压 UTL,运放两输入端虚断但不虚短。,2. 工作原理与传输特性,当 uI 从很小逐渐增大时，,只要 uI UTH ，则 uO =UZ,UZ,UTH,当 uI 增大到经过 UTH 时，则 uO 负跃变为 -UZ,2. 工作原理与传输特性,当 uI 从很小逐渐增大时，,只要 uI UTH ，则 uO =UZ,当 uI 增大到经过 UTH 时，则 uO 负跃变为 -UZ,继续增大 uI 时，则 uO 保持 -UZ 不变。,-UZ,UTL,2. 工作原理与传输特性,当 uI 从很小逐渐增大时，,只要 uI UTH ，则 uO =UZ,-UZ,UTL,当 uI 增大到经过 UTH 时，则 uO 负跃变为 -UZ,继续增大 uI 时，则 uO 保持 -UZ 不变。,反之，当 uI 从很大逐渐减小时，,只要 uI UTL，则 uO = -UZ,当 uI 减小到经过 UTL 时， uO 正跃变为 UZ 。,2. 工作原理与传输特性,当 uI 从很小逐渐增大时，,只要 uI UTH ，则 uO =UZ,UZ,UTH,当 uI 增大到经过 UTH 时，则 uO 负跃变为 -UZ,继续增大 uI 时，则 uO 保持 -UZ 不变。,反之，当 uI 从很大逐渐减小时，,只要 uI UTL，则 uO = -UZ,当 uI 减小到经过 UTL 时， uO 正跃变为 UZ 。,继续减小 uI 时，则 uO 保持 UZ 不变。,uI 上升时与上门限比，,下降时与下门限比。,3. 迟滞比较器传输特性的特点,有两个门限电压：上门限电压 UTH ，下门限电压 UTL 。,回差电压 U = UTH -UTL ，,越大则抗干扰能力越强。,例7.2.1,解：,图中，UREF =3V， UZ =6V， R1 =40k， R2 =10k， R =8k，试画出电压传输特性和输出电压波形。,由图可得,解续：,图中，UREF =3V， UZ =6V， R1 =40k， R2 =10k， R =8k，试画出电压传输特性和输出电压波形。,可画出电压传输特性和 输出波形如图所示。,例7.2.1,是反相输入迟滞比较器，,UOH=UZ =6V,UOL= UZ = 6V,解续：,图中，UREF =3V， UZ =6V， R1 =40k， R2 =10k， R =8k，试画出电压传输特性和输出电压波形。,可画出电压传输特性和 输出波形如图所示。,例7.2.1,是反相输入迟滞比较器，,UOH=UZ =6V,UOL= UZ = 6V,始终大于此时的门限UTL,解续：,图中，UREF =3V， UZ =6V， R1 =40k， R2 =10k， R =8k，试画出电压传输特性和输出电压波形。,可画出电压传输特性和 输出波形如图所示。,例7.2.1,是反相输入迟滞比较器，,UOH=UZ =6V,UOL= UZ = 6V,始终小于此时的门限UTH,解续：,图中，UREF =3V， UZ =6V， R1 =40k， R2 =10k， R =8k，试画出电压传输特性和输出电压波形。,可画出电压传输特性和 输出波形如图所示。,例7.2.1,是反相输入迟滞比较器，,UOH=UZ =6V,UOL= UZ = 6V,始终大于此时的门限UTL,解续：,图中，UREF =3V， UZ =6V， R1 =40k， R2 =10k， R =8k，试画出电压传输特性和输出电压波形。,可画出电压传输特性和 输出波形如图所示。,例7.2.1,是反相输入迟滞比较器，,UOH=UZ =6V,UOL= UZ = 6V,解续：,图中，UREF =3V， UZ =6V， R1 =40k， R2 =10k， R =8k，试画出电压传输特性和输出电压波形。,可画出电压传输特性和 输出波形如图所示。,例7.2.1,是反相输入迟滞比较器，,UOH=UZ =6V,UOL= UZ = 6V,该例用作波形整形。 回差电压越大，抗干扰能力越强。下面请看回差电压减小时的相应输出波形！,例,解：,同相输入迟滞比较器如图所示，UZ =6V， 试求门限电压，画出电压传输特性。,由图可得,令 uP=0 ，则得,可画出电压传输特性如图所示。,四、窗口比较器,作用：检测输入电压大小是否介于两个给定的电压值之间。,相同点：都有两个门限电压。 不同点：当输入电压单一方向变化时，窗口比较器输出电压跳变 两次，迟滞比较器输出电压只跳变一次；窗口比较器中 的运放通常开环工作，而迟滞比较器中要引入正反馈。,讨论: 迟滞比较器和窗口比较器有何异同？,电压比较器电路中，集成运放开环或引入正反馈， 因此集成运放工作在非线性区， 其输入端通常不 “虚短”，但仍“虚断”。因此分析集成运放构成的 比较器电路时，不能利用“虚短” 来分析，而通常 通过确定门限电压，画出电压传输特性来 加以分析。,小结,小结,画电压比较器传输特性需要三个要素：输出高、低电平值， 门限电压，输出电压跃变方向。,小结 续,（3） 输出电压的跃变方向取决于输入电压是从运放的同相端还 是反相端输入。若为前者，则输入电压大于门限电压时输 出高电平，否则输出低电平；若为后者，则反之。,（1） 输出电平决定于集成运放输出电压的最大幅度或输出端 限幅电路中稳压管的稳定电压、二极管的导通电压等。,（2） 列出运放同相输入端和反相输入端电位的表达式，令它们 相等，求得的输入电压即为门限电压。,7.2.2 方波发生电路,1. 电路组成、工作原理和输出波形,积分电路,迟滞比较器,1. 电路组成、工作原理和输出波形,7.2.2 方波发生电路,充电,UZ,UTH,1. 电路组成、工作原理和输出波形,7.2.2 方波发生电路,放电,UZ,UTL,1. 电路组成、工作原理和输出波形,7.2.2 方波发生电路,UTH,充电,UZ,1. 电路组成、工作原理和输出波形,7.2.2 方波发生电路,稳定时的波形,充放电时间常数相等，占空比为50%,利用一阶RC电路的过渡过程表达式,得,调频率：C粗调，R 细调 调方波幅度：调UZ 调三角波幅度：调R1/R2,推导频率：,二、主要参数分析,*三、占空比可变的方波产生电路,7.2.3 三角波和锯齿波发生电路,组成思路： 将方波产生电路中的RC 积分电路换成线性积分 电路，或者将方波信号加至线性积分电路的输入端， 即可得三角波输出。 改变三角波发生电路中积分电路正、反向积 分的时间常数，使其不相等，即可得锯齿波输出。,uP1,一、 三角波发生电路及其工作原理,令uP1=0,则得,故得,一、 三角波发生电路及其工作原理,uP1,uP1,二、三角波发生电路主要参数分析,uP1,二、三角波发生电路主要参数分析,调频率：C粗调，R 细调,三角波幅度等于,调三角波幅度：调R1/R2,三、锯齿波发生电路,正、反向积分的时间常数不相等,调C 以调频率，调RP 触头位置以调节占空比。,7.2.4 压控振荡器与集成函数发生器,压控振荡器：输出频率与控制电压成正比。,一、积分 - 施密特触发器型压控振荡电路,调频、,扫频振荡器等,一、积分 - 施密特触发器型压控振荡电路,截止,压控振荡器：输出频率与控制电压成正比。,7.2.4 压控振荡器与集成函数发生器,一、积分 - 施密特触发器型压控振荡电路,导通,截止,压控振荡器：输出频率与控制电压成正比。,7.2.4 压控振荡器与集成函数发生器,一、积分 - 施密特触发器型压控振荡电路,充、放电电流相等，故得到三角波和占空比为50%的方波。,通过电压控制充、放电电流大小，就可控制输出信号频率。,压控振荡器：输出频率与控制电压成正比。,7.2.4 压控振荡器与集成函数发生器,LM566集