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第9章信号产生电路 武汉理工大学信息工程学院电子技术基础课程组 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 本章主要内容 正弦波振荡电路的振荡条件 RC正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路 石英晶体振荡电路 属LC电路一种 最终要求 判断电路能否振荡 求振荡频率f0 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 本章主要内容 介绍几种非正弦信号产生电路 1 电压比较器 2 方波产生电路 3 三角波和锯齿波产生电路 最终要求 会对各电路进行分析 关键 是vO和vI的关系为何 通常给出vI波形 要能画出vO波形 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 概述 在模拟电子电路中 存在着各种类型的信号产生电路 就其产生的波形而言 通常可以分为两大类 正弦波 非正弦波 矩形波 三角波 锯齿波 等等 这些波形信号常被作为信号源广泛应用于许多工程领域 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 9 1正弦波振荡电路的振荡条件 正弦波振荡电路的定义 是指在没有外加输入信号的情况下 依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路 应用例 实验室中的低频信号发生器就是一种正弦波振荡电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 正弦波振荡电路的方框图及产生条件分析 一 产生条件 分析 假设先将S接在1端 且有 vi经过放大电路和反馈网络后 在2端得到一个同样频率的正弦电压vf 即 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 分析 若使得 则如果把S倒向2端 vo将和原来完全相同 没有任何改变 即 正弦波振荡电路的方框图及产生条件分析 一 产生条件 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 由此可以得出 放大电路产生自激振荡的条件 而 分别用振幅平衡条件和相位平衡条件表示如下 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 解释 有区别 负反馈放大电路产生自激振荡的条件是由 这里正弦波振荡电路产生自激振荡的条件是 由负反馈变成了正反馈 正弦波振荡电路所产生的自激振荡和负反馈放大电路中所产生的自激振荡有区别吗 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 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 稳幅条件 稳幅措施 被动 器件本身的非线性 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 三 正弦波振荡器的一般组成 放大电路 A 正反馈网络 选频网络 稳幅环节 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 四 正弦波振荡器的分类 正弦波振荡电路常用选频网络所用元件来命名 分为 RC振荡电路 LC振荡电路 用R C元件组成 用于产生1Hz 1MHz的低频信号 用L C元件组成 用于产生1MHz以上的高频信号 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 Q1 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 答案 Q2 电路器件的内部噪声不是单一频率噪声 而电路输出的是单一频率的正弦波 如何实现 答案 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 答案 Q3 起振条件是否意味着输出电压将越来越大 趋于无穷 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 9 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 定量分析 R1C1串联阻抗 R2C2并联阻抗 频率特性 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 RC串并联网络完整的频率特性曲线 当时 F F max 1 3 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 9 3LC正弦波振荡器 当时 并联谐振 谐振时 电路呈阻性 返回 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 LC正弦波振荡器举例1 满足相位平衡条件 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 LC正弦波振荡器举例2 振荡频率 满足相位平衡条件 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 电感三点式LC振荡电路 振荡频率 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 电容三点式LC振荡电路 振荡频率 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 Q值越高 选频特性越好 频率越稳定 四 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 3 石英晶体的等效电路与频率特性 等效电路 a 串联谐振 频率特性 晶体等效纯阻且阻值 0 b 并联谐振 通常 所以 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 9 4非正弦信号产生电路 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 一 电压比较器 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 1 过零比较器 门限电平 0 单门限电压比较器 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 例题 利用电压比较器将正弦波变为方波 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 UREF 当uiUREF时 uo Uom 若ui从反相端输入 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 A 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 B 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 A 当uo UZ时 B 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 2 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 电路结构 由滞回比较电路和RC定时电路构成 上下限 二 方波产生电路 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 完整的波形 计算振荡周期T 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 f 1 T 可推出 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 三 三角波和锯齿波产生电路 电路结构 迟滞比较器 反相积分器 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 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 波形图 振荡周期 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 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 R6 R4 C R6 R4 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 本章小结 1 正弦波振荡的条件 正弦波振荡电路由放大器 反馈网络 选频网络和稳幅环节构成 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 2 正弦波振荡电路主要有RC振荡电路和LC振荡电路两种 RC振荡电路主要用于中低频场合 LC振荡电路主要用于高频场合 石英晶体振荡电路是一种特殊的LC振荡电路 其特点是具有很高的频率稳定性 3 当运放开环工作或引入正反馈时 运放工作在非线性状态 本章小结 电子技术基础精品课程 模拟电子技术基础 其分析方法为 若U U 则UO UOM 若U U 则UO UOM 虚断 运放输入端电流 0 4 电压比较器是一种能够比较两个模拟量