信号产生电路的课件.ppt

第11章信号产生电路,11.1正弦波振荡器11.2非正弦波振荡器11.3单片集成函数发生器11.4Multisim仿真LC谐振放大器的特性,第11章信号产生电路,学习本章后，读者可以了解：正弦波振荡器的原理、组成和振荡过程，正弦波振荡器的分析方法；RC串并联电路的选频特性，RC串并联正弦波振荡器的组成、工作原理和特性参数的计算；LC并联谐振电路的特性，LC选频放大电路；变压器反馈式、电感反馈式和电容反馈式LC振荡电路的组成、工作原理和特性参数的计算；石英晶体谐振器的结构和选频特性，石英晶体正弦波振荡器；单片集成函数发生器ICL8038、压控振荡器和三角波-正弦波变换器的工作原理，ICL8038的应用电路。,第11章信号产生电路,在没有输入信号的情况下产生周期性振荡输出信号的电子电路称为信号产生电路，简称为振荡器。,根据所产生的波形可以分为正弦波振荡器非正弦波（矩形脉冲、三角波、锯齿波等）振荡器。振荡器既可由分立元件、集成运放组成，也可由集成信号发生器组件实现。,应用正弦波振荡器能产生频率范围宽（1Hz-1GHz）、输出功率大(几mW-几十kW)的正弦波信号，广泛应用于通信、遥控遥感、航空航天、无线电广播、检测技术、生物医学、热处理、电加工等领域。,无线电发射机-产生载荷信息的载波信号。,超外差接收机-产生本地振荡信号。,各种电子测量设备和计时仪表-产生频率（或时间）基准信号。,工业生产部门广泛应用的高频电加热设备等。,应用,微波炉,无线发射机,11.1正弦波振荡器,11.1.1正弦波振荡电路原理11.1.2RC正弦波振荡电路11.1.3LC谐振回路的特性和选频放大器11.1.4LC正弦波振荡器11.1.5石英晶体振荡器,已知，在负反馈放大电路中，当附加相移达到1800、环路增益大于等于1时，电路会产生自激振荡。正弦波振荡器正是利用自激振荡原理产生稳定的正弦波输出信号。为了有利于自激振荡，在基本放大电路的增益最大的频段引入正反馈。,在没有外加输入信号的情况下，反馈信号维持了稳定的输出信号。,11.1.1正弦波振荡电路原理,1平衡振荡条件,1平衡振荡条件,如果环路增益等于1，即,此即正弦波振荡器的平衡振荡条件，可分解为相位平衡条件和幅度平衡条件：,相位平衡条件表示正反馈。通常，电路结构影响相位平衡条件，电路参数影响幅度平衡条件。,为了产生单一频率的正弦波，基本放大电路或者反馈网络应具有选频功能，使电路在特定频率满足平衡振荡条件。否则，输出信号的谐波成分严重。,起振条件,2.起振和稳幅,#振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？,电路器件内部噪声以及电源接通扰动。,当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加，否则波形将出现失真。,噪声中，满足相位平衡条件的某一频率0的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。,稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从回到,起振条件,2.起振和稳幅,振荡电路产生稳定的输出信号必须经历起振和稳幅两个过程。,稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从回到,放大电路（包括负反馈放大电路）,振荡电路基本组成部分,反馈网络（构成正反馈）,选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。通常与反馈网络合二为一。）,稳幅环节,判断电路能否产生正弦振荡的一般方法是：（1）电路是否具有放大、反馈、选频和稳幅功能。（2）是否满足相位平衡条件。一般用瞬时极性法判断，若是正反馈则满足相位平衡条件。（3）是否满足幅度平衡条件。,3分析方法,RC振荡器有RC串并联型，RC移相型和RC双T型等电路。它们的共同特点是反馈网络兼作选频网络（合二为一）。,11.1.2RC正弦波振荡器,1RC串并联电路的选频特性,低频,高频,1RC串并联电路的选频特性,令分母的虚部为零，得,R1,R2,C2,C1,当R1=R2=R、C1=C2=C时，,1RC串并联电路的选频特性,当f=fo时，相移f0，幅值达到最大值F=1/3。当f0时，f90,F=0；当f时，f-90,F=0。,RC串并联振荡电路,D1,D2,R2,R3,由于RC串并联电路、Rf和R1正好形成一个四臂电桥，称为文氏电桥，故又称为文氏电桥振荡器。,2RC串并联振荡电路,+,+,+,选频和正反馈反馈网络兼做选频网络,Rf、R1和运放A组成同相比例放大电路。,R2、R3、D1和D2组成非线性电阻Rf，是稳幅电路；,当f=fo时，RC串并联电路的f0，F=1/3，满足相位平衡条件：a+f0。其它频率则不满足。,2RC串并联振荡电路,同相比例放大电路的增益为,（1）放大电路增益,（2）相位平衡条件,（3）起振起振时，输出信号小，D1和D2截止。,则AF1，满足起振条件。,选择R2=2R1，则AF=1，满足幅度平衡条件。,2RC串并联振荡电路,（4）幅度平衡条件当输出信号足够大时，D1和D2导通。忽略二极管的导通电阻，同相放大电路的增益为：,如果增益,（5）振荡频率和幅度,电路的输出电压幅度为,式中，Von是二极管的导通压降。,电路的振荡频率为,因，输出电压在负峰值与正峰值之间变化。当输出电压绝对值小时二极管截止，放大电路的增益大；电压绝对值大时二极管导通，放大电路的增益小，导致输出谐波大。,非线性元件稳幅使输出电压谐波大。,稳幅电路可以采用非线性元件、热敏线性电阻和压控线性电阻实现增益自动调节。,3稳幅电路,R1是具有正温度系数的热敏线性电阻。,起振时，,即,热敏电阻的作用,采用非线性元件,场效应管（JFET）,稳幅原理,整流滤波,T压控电阻,3稳幅电路,等效损耗电阻,（1）当分母为零时，电路谐振。即,谐振角频率为,1LC并联回路的选频特性,11.1.3LC谐振回路的特性和选频放大器,谐振频率为,Q是衡量回路损耗对电路影响的重要指标。Q1,一般为几十至几百。,（2）谐振时，阻抗最大，且为纯阻性,（3）谐振时，,电容的电流为,所以,即谐振时，电感电流和电容电流形成回路电流，称为槽路电流，槽路电流远远大于LC并联电路的外部电流。,说明:当电感释放能量（磁场能）时电容吸收能量，而电容释放能量（电场能）时电感吸收能量。,谐振时，电场能和磁场能的相互转换正是谐振的实质。,（a）幅频特性（b）相频特性,（4）阻抗频率特性：,分解为：,幅频特性,相频特性,2.选频放大电路,以LC并联谐振回路作为共射电路的集电极负载，则可组成具有选频和放大功能的选频放大电路。,“*”表示变压器的同名端，表明按图示的参考方向，原边电压和付边电压相位相同。,11.1.3LC谐振回路的特性和选频放大器,谐振频率：,放大电路的增益为：,幅频响应,忽略LC谐振回路的电阻（Z0），则在谐振频率处，最大增益为,变压器的副边电阻的等效到原边电阻，,如果对选频放大器引入正反馈，并用反馈信号取代输入信号，则可组成LC正弦波振荡器。,11.1.4LC正弦波振荡器,LC振荡器常用于产生1MHz以上频率的正弦波。由于普通运放频带较窄，一般由分立元件放大器或高频集成放大电路组成LC振荡器.,它们的共同点是用LC并联谐振回路作选频电路。,1变压器反馈式,11.1.4LC正弦波振荡器,放大器的输入电阻既是付边的负载电阻RL。,在谐振频率，放大电路的增益为：,输入电阻：,反馈系数：,电路的振荡频率是LC回路的谐振频率，即,1变压器反馈式,11.1.4LC正弦波振荡器,特点：变压器反馈式正弦波振荡电路易于产生振荡（调整变比），波形较好。但是，磁耦合反馈的损耗较大，振荡频率的稳定度不够高。,起振条件是：,2电感（3点式）反馈式正弦波振荡器,LC谐振回路中的总电感为LL1+L2+2M，M为互感,谐振角频率为：,谐振频率对应的反馈系数：,输入电阻：,谐振时，Ri等效到电感线圈的2端和3端的电阻：,交流通道,因,忽略LC谐振回路的损耗，谐振时放大电路的增益：,可见，唯有在谐振频率处，满足相位平衡条件：a+f1800+1800=3600。,采用瞬时极性法定性分析相位平衡条件，如图示。,起振条件：,电路的振荡频率是LC回路的谐振频率，即：,特点：由于反馈电压取自电感，感抗随频率升高而增大，增强反馈电压中的高次谐波，使输出波形不理想。在要求输出更纯的正弦波时，可采电容反馈式振荡电路。,用可变电容替换固定电容C可实现频率调节，调节范围较宽。,通常振荡频率在几百kHz到几十MHz之间。,3电容（3点式）反馈式正弦波振荡器,电容C1和C2串联，与电感L组成LC谐振回路。,谐振角频率：,谐振频率对应的反馈系数：,晶体管T构成共射极放大电路，输入电阻为：,谐振时，Ri等效到谐振回路的2端和3端的电阻为：,忽略LC谐振回路的损耗，谐振时放大电路的增益为,唯有在谐振频率处，满足相位平衡条件：a+f1800+1800=3600。,起振条件：,电路的振荡频率是LC回路的谐振频率，即：,由于反馈电压取自电容，容抗随频率升高而减小，抑制反馈电压中的高次谐波，因而输出波形是较纯的正弦波。,适当选择C1/C2或选择合适的晶体管，可满足上述起振条件。,注意：C1和C2必须同步调整，以保证起振条件，故频率调整不方便。,3电容反馈式正弦波振荡器,振荡频率：,输入电容Ci：主要是晶体管的发射结电容,寄生电容：,输出电容Co：主要是晶体管的集电结电容,晶体管极间电容是温度的函数，C1和C2必须远大于Ci和Co，振荡频率才不受Ci和Co的影响，提高振荡频率稳定性。,选择C1和C2远大于Ci、Co和C3，消除了Ci和Co对振荡频率的影响。,振荡频率：,在LC振荡回路中，C1、C2和C3串联，回路总电容：,频率稳定度定义：各种因素引起的振荡频率变化量f0与振荡频率f0之比（f0/f0）。,改进的电容反馈式正弦波振荡器的频率稳定度f0/f0可小于0.01，频率稳定度较高。,11.1.5石英晶体振荡器,频率稳定问题,如果对振荡频率的稳定性要求更高，可在振荡电路中用石英晶体谐振器取代LC选频电路，构成石英晶体振荡器。石英晶体振荡器的频率稳定度高达10-910-11。,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。,压电谐振,11.1.5石英晶体振荡器,1石英晶体谐振器的电特性,等效电路:,(1)串联谐振,电特性:,晶体等效阻抗为纯阻性。,(2)并联谐振,通常,所以,（a）符号（b）电路模型（c）电抗-频率响应特性,11.1.5石英晶体振荡器,1石英晶体谐振器的电特性,（3）电抗频率特性忽略电阻R，回路的等效阻抗:,Z近似为纯电抗X。当f0，呈感性；当ffp时，X0，呈容性。,实际使用时外接一小电容Cs,则新的谐振频率为,由于,由此看出,调整,（4）石英晶体并联谐振电路,2.石英晶体振荡电路,按照石英晶体谐振器是以串联谐振或并联谐振形式的不同，分串联型和并联型石英晶体振荡器。,在电容反馈式LC振荡器中，用石英晶体谐振器代替电感L，即构成并联型石英晶体正弦波振荡器。,（a）并联型fsf0fp,Cs,fsv+,vo立即由VZ变成VZ。,在vcVT+时，,v-v+,设vC初始值vC(0+)=0,vo保持+VZ不变,11.2.1矩形波振荡器,v+,此时，C向vO放电,再反向充电,(2)当vo=-VZ时，,v+=VT-,vc达到VT-时，vo上跳。,当vo重新回到VZ后，电路又进入另一个周期性的变化。,v+,完整的波形：,计算振荡周期T。,3.周期与频率的计算：,T=T1+T2=2T1,T2阶段vc(t)的过渡过程方程为:,A,T=T1+T2=2T1,因为电容充电和放电的时间常数、电压变化幅度等相同，所以输出高电平、低电平持续时间相等的方波。,4.占空比可调的方波发生器,充电时间：,放电时间：,周期T：,占空比：,T1,电路结构：迟滞比较器+反相积分器,工作原理：,若vo1=+VZ，vo2，u+。,当v+0时，vo1翻转为-VZ。,若vo1=-VZ，vo2，u+。,当v+0时，vo1翻转为+VZ。,11.2.2三角波振荡器,波形图,振荡周期：,三角波输出电压峰峰值Vopp:,因此，调节R或C值只改变振荡周期而不影响振荡幅度。,11.2.3锯齿波振荡器,三角波的上升斜率和下降斜率的绝对值相等，而锯齿波的上升斜率和下降斜率的绝对值不相等，改变三角波电路中反相积分器的正反向充电时间常数即可。,11.2.3锯齿波振荡器,输出电压的上升时间：,输出电压的下降时间：,振荡周期：,锯齿波输出电压峰峰值Vopp：,11.3单片集成函数发生器,单片集成函数发生器是一种可以同时产生三角波、方波和正弦波的专用集成电路。通过调节外部电路参数，还可以获得锯齿波和矩形波。电路核心是一个压控振荡器，产生三角波和方波，通过三角波-正弦波变换器形成正弦波。常用的单片集成函数发生器有ICL8038、NE566和XR2206。,11.3单片集成函数发生器,电路由压控电流源、电流源控制开关、迟滞比较器（斯密特比较器）、电压跟随器（缓冲器）、三角波-正弦波变换器等组成。,11.3单片集成函数发生器ICL8038,1.基本电路,ICL8038可以双电源或者单电源供电，即VCC是正电源，而VSS可