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信号产生电路技术交流 引言 在实践中 广泛采用各种类型的信号产生电路 就其波形来说 可能是正弦波或非正弦波 在通信 广播 电视系统中 都需要射频 高频 发射 这里的射频波是载波 把音频 视频信号或脉冲信号运载出去 这就需要能产生高频信号的振荡器 在工业 农业以及生物医学等领域内 如高频感应加热 熔炼 淬火 超声波焊接 超声诊断 核磁共振成象等 都需要功率或大或小 频率或高或低的振荡器 正弦波振荡电路在各个科学技术部门的应用是广泛的 非正弦信号 方波 锯齿波 发生器在测量设备 数字系统及自动控制系统中的应用也日益广泛 讨论正弦振荡电路后 非正弦波信号产生之前 还要研究一种重要单元电路 电压比较器 电压比较器是波形产生电路中常用的基本单元 也广泛应用于测量电路 自动控制系统和信号处理电路中 1正弦波振荡电路的振荡条件 结构 正弦振荡电路是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路 方框图 如图a所示 接成正反馈 输入 改画得图b 经过基本放大电路和反馈网络所构成的环路传输后 在反馈网络的输出端 2 得到反馈信号 如果 可除去外接信号 将1 2两端连接在一起 虚线 而形成闭环系统 其输出端可能继续维持与开环时一样的信号 大小和相位一致 在放大电路输入端 1 外接一定频率 幅度的正弦信号 由于 有 或 设 得 负反馈放大电路的自激条件 正弦波振荡电路产生持续振荡的两个条件 振幅平衡条件 相位平衡条件 但振荡 自激 正 负反馈 的相位条件不一致 两者都是要求环路增益等于1 振荡电路的振荡条件 振荡条件ch901 可用R C元件或L C元件组成 是由相位平衡条件决定的 振荡频率 一个正弦振荡电路只在一个频率下满足相位平衡条件 该频率是 在环路中包含一个具有选频特性的网络 简称选频网络 选频网络 选频网络的设置 1 在放大电路中 2 在反馈网络中 用L C元件组成选频网络的振荡电路称为LC振荡电路 产生1MHz以上的高频信号 振幅平衡条件 振荡电路能自行起振 必须满足的条件 RC振荡电路 LC振荡电路 用R C元件组成选频网络的振荡电路称为RC振荡电路 产生1Hz 1MHz的低频信号 是指振荡电路已进入稳态振荡而言的 放大器件工作在线性区 放大器件工作接近线性区 正弦振荡电路可以近似按线性电路来处理 2RC正弦波振荡电路 桥式振荡电路 双T网络式 移相式振荡电路 1 电路原理图 RC桥式振荡电路 1 放大电路 RC正弦波振荡电路 组成 2 选频网络 由集成运放组成的电压串联负反馈电路 正反馈网络 分析RC串并联选频网络的选频特性 根据正弦波振荡电路的振幅平衡 相位平衡条件选择合适的放大电路指标 构成一完整的振荡电路 特点 输入阻抗高 输出阻抗低 和正好形成一个四臂电桥 形成桥式振荡电路 2 RC串并联选频网络的选频特性 RC串并联选频网络 图中用虚线所表示 有选频作用 它的频响特性曲线有明显的峰值 反馈网络的反馈系数为 实际的频率用 令 RC串并联选频网络的幅频响应及相频响应 a 幅频响应的幅值最大 b 相频响应的相位角为零 输出Vf是输入VO的1 3 且输出Vf和输入VO同相位 输出Vf的幅值最大 当输入电压的幅值一定 而频率可调时 串并联选频网络的幅频响应及相频响应如图所示 3 振荡的建立与稳定 由图9 2 1可知 放大电路和由组成反馈网络刚好形成正反馈系统 满足相位平衡条件 有可能振荡 建立振荡 使电路自激 而产生持续的振荡 由直流电变为交流电信号 对于RC振荡电路 直流电源就是能源 微弱的信号经过放大 通过正反馈的选频网络 使输出幅度愈来愈大 最后受电路中非线性元件的限制 使振幅自动稳定下来 自激的因素 电路中存在噪声 频谱分布很广 其中包括这一成分 稳定平衡时 开始时 略大于3 4 振荡频率与振荡波形 由相位平衡条件决定 只有时 才满足相位平衡条件 所以振荡频率 因振幅的增长 使放大器件工作到非线性区域 使的值略大于3时 其输出波形为正弦波 当适当调整负反馈的强弱 如的值远大于3时 输出波形将严重失真 严重非线性失真 5 稳幅措施 为进一步改善输出电压幅度的稳定问题 可以在放大电路的负反馈回路里采用非线性元件来自动调整反馈的强弱以维持输出电压恒定 可用一温度系数为负的热敏电阻代替 可用一温度系数为正的热敏电阻代替 非线性电阻稳定输出电压的另一种方案是利用JFET工作在可变电阻区 由ch4讨论可知 当JFET的漏源电压较小时 它的漏源电阻可通过栅源电压来改变 因此可用JFET进行稳幅 e g 用JFET进行稳幅的振荡电路 振荡电路如下图所示 负反馈网络 可自动稳幅 正常工作时 当幅值增大时 电路调整时 调整 使失真最小 例9 2 2下图所示为移相式正弦波振荡电路 试简述其工作原理 解 由RC高通电路的幅频响应和相频响应知 当相位移接近90 时 其频率必须很低 每节RC 相位超前电路 相位移小于 R两端输出电压与输入电压的幅值比接近于零 2节RC组成的反馈网络不能满足振荡相位条件 3节RC移相网络的最大相移 放大电路的相移 可同时满足相位和振幅条件 产生正弦振荡 振荡频率 在频率可移相 只要调节 使适当 9 3LC振荡电路 LC振荡电路主要用来产生高频正弦信号 一般在1MHz以上 LC和RC振荡电路产生正弦振荡的原理基本相同 主要区别是 RC振荡电路的选频网络由电阻和电容组成 LC振荡电路的选频网络由电感和电容组成 组成LC正弦振荡电路的基础 LC选频放大电路 3 1LC选频放大电路 1 并联谐振回路 LC并联谐振回路如图示 LC并联谐振回路等效阻抗 回路的等效损耗电阻 通常有 LC并联回路的特点 1 回路的谐振频率为 2 谐振时 回路的等效阻抗为纯阻性 值最大 即 谐振阻抗成纯阻性质 信号源电流与同相 品质因数 Q值一般在几十 几百范围内 用来评价回路损耗大小的指标 3 输入电流和回路电流的关系 谐振时 LC并联电路的回路电流比输入电流大得多 既输入电流的影响可以忽略 由图可知 通常 所以 4 回路的频率响应简要介绍如下 根据式 9 3 2 有 若讨论的并联等效阻抗只局限于附近 则 则式 9 3 6 改为 阻抗的模为 相角 阻抗角 为 LC并联谐振回路的频率响应曲线如下图所示 1 幅频响应 当时 并联谐振 回路等效阻抗达最大值 当偏离时 Z 减小 而 结论 2 相频响应 当时 相对失谐为正 当时 等效阻抗为感性 为正 超前 等效阻抗为容性 因此Z的相角为负值 回路输出电压滞后于输入电流 3 谐振曲线的形状与回路Q值有密切关系 Q值愈大 谐振曲线愈尖锐 相角变化愈快 在附近 Z 值和值变化更为急剧 LC组成并联谐振回路 由于调谐回路的选频作用 它不仅可工作在甲类 而且还可工作在乙类或丙类 2 选频放大电路 一个由BJT组成的单回路小信号选频放大电路如图9 3 3所示 选频放大电路是构成LC正弦波振荡器的基础 通过L的抽头与电源正端相连 有利于实现阻抗匹配 3 2变压器反馈式LC振荡电路 1 电路的组成及起振条件 采用JFET的变压器反馈式LC振荡电路如图a所示 LC并联谐振回路作为管子的漏极负载 是用来产生栅偏压的 在时 LC回路呈纯阻性 值最大 R表示回路的等效损耗 反馈信号 整个闭合环路的相位移为 满足了相位平衡条件 这只说明有可能产生自激振荡 为了确保电路能振荡 还必须满足振幅条件 交流等效电路如图b所示 并联谐振回路的导纳 放大电路的电压增益 d 而 为并联回路中通过电感的电流 反馈系数 所以 由式 9 3 10 及 9 3 11 得 振荡平衡条件 得 此时的振荡频率为 当时 由式 9 3 13 振幅平衡条件 为使电路能够起振 必须使 上述条件是假设FET工作在线性放大区 用低频时的小信号模型来分析的 实际上 管子的工作点可能设置较低 而LC振荡电路的振荡频率较高 管子的极间电容影响往往不能忽略 2 振荡的建立和稳定 在建立振荡的过程中 它们的栅源极间起整流元件作用 栅极为正 源极为负 图9 3 4所示电路的栅偏压是由 所产生的 为整流电路的负载 起滤波作用 当时间常数大于振荡周期时 电容将被充电到接近栅极信号电压的峰值 此电压就是电路的栅偏压 当电源接通后 由于电路中存在噪声或某种扰动 经过放大与选频循环往复 震荡就逐步建立起来 开始时 由于栅偏压为0 管子的跨导较大 此时 易于起振 随着振幅的不断增长 栅偏压增加 管子的工作点下移 值减小 直到振荡趋于稳定 起振过程中栅极电压和漏极电流的波形如下图示 由图可知漏极电流为非正弦 但由于漏极负载LC并联谐振回路 选择性较强 所以输出波形还是正弦波 这种工作状态是不同于RC振荡电路的 图9 3 6所示是用BJT组成的反馈式LC振荡电路 稳定管子的静态工作点 和均为交流旁路电流 选用较大的管子或增加变压器原副边之间的耦合程度 或增加副边的线圈匝数 都可使电路易于起振 变压器反馈式LC振荡器ch902 正弦波振荡电路的振荡条件演示动画 振荡条件ch901 正弦振荡电路中的放大器件是工作在线性区 RC振荡电路 或接近线