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 2RC正弦波振荡电路 8 3LC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 2RC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 F max 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R1 R2 R C1 C2 C 则有 式中 可见 当时 F 最大 且 0 F max 1 3 RC串并联网络完整的频率特性曲线 当时 F F max 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 1 F R1 10k Rf为多大时才能起振 振荡频率f0 AF 1 A 3 Rf 2R1 2 10 20k 1592Hz 起振条件 能自动稳幅的振荡电路 起振时Rt较大使A 3 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 A 3当uo进一步增大时 RT再减小 使A 3 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 3LC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 3 10 2H 晶体弹性电容10 4 10 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uiUREF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 2T2 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 R6 R4 C R6C R6 R4 R6 R4 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 001Hz 1MHz 失真度 0 1 ICL8038的引脚图 电路外