电子技术基础模拟部分课件九章.ppt

9信号产生电路 第9章信号产生电路9 1正弦波振荡电路的振荡条件9 2RC正弦波振荡电路9 3LC正弦波振荡电路9 4非正弦信号产生电路 9 5集成函数发生器简介 主要内容 9 1正弦波振荡电路的振荡条件9 2RC正弦波振荡电路9 3LC正弦波振荡电路9 4非正弦信号产生电路基本要求 9 1掌握正弦波振荡的相位平衡条件 幅度平衡条件9 2掌握RC正弦波振荡电路的工作原理 起振条件 稳幅原理及振荡频率的计算9 3掌握LC正弦波振荡电路的工作原理 起振条件 稳幅原理及振荡频率的计算9 4非正弦信号产生电路分析计算教学要点 介绍正弦波振荡电路的振荡条件 重点介绍RC LC正弦波振荡电路 非正弦信号产生电路分析计算 正弦信号产生电路 正弦波发生电路能产生正弦波输出 它是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的 它是各类波形发生器和信号源的核心电路 正弦波发生电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振荡器 9 1正弦波振荡电路的振荡条件 正弦波振荡电路 一 正弦波发生电路的组成 一 组成为了产生正弦波 必须在放大电路里加入正反馈 因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分 但是 这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波 这是由于很难控制正反馈的量 如果正反馈量大 则增幅 输出幅度越来越大 最后由三极管的非线性限幅 这必然产生非线性失真 反之 如果正反馈量不足 则减幅 可能停振 为此振荡电路要有一个稳幅电路 为了获得单一频率的正弦波输出 应该有选频网络 选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一 选频网络由R C和L C等电抗性元件组成 正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名 一个完整的正弦波发生电路的必须包含放大电路 正反馈网络 选频网络 稳幅电路四部分电路 二 基本组成部分作用 1 放大电路 放大作用2 正反馈网络 满足相位条件3 选频网络 确定f0 保证电路产生正弦波振荡4 非线性环节 稳幅环节 稳幅 常合二而一 常用选频网络所用元件分类 1 RC正弦波振荡电路 几百kHz以下2 LC正弦波振荡电路 几百kHz 几百MHz3 石英晶体正弦波振荡电路 振荡频率稳定 三 分类 二 产生正弦波的条件 产生正弦波的条件与负反馈放大电路产生自激的条件十分类似 负反馈放大电路中是由于信号频率达到了通频带的两端时产生了足够的附加相移 从而使负反馈变成了正反馈 在振荡电路中加的就是正反馈 振荡建立后只是一种频率的信号 无所谓附加相移 一 条件 比较图 a 和 b 就可以明显地看出负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区别了 由于振荡电路的输入信号Xi 0 所以 a 负反馈放大电路 b 正反馈振荡电路 二 分析方法 1 是否存在主要组成部分 放大电路 正反馈网络 选频网络 稳幅电路 2 放大电路能否正常工作 即是否有合适的Q点 信号是否可能正常传递 3 是否满足相位条件 即是否存在f0 4 是否满足幅值条件 即是否可能起振 三 相位条件的判断方法 瞬时极性法 断开反馈 在断开处给放大电路加f f0的信号Ui 且规定其极性 然后根据Ui的极性 Uo的极性 Uf的极性若Uf与Ui极性相同 则电路可能产生自激振荡 否则电路不可能产生自激振荡 振荡器在刚刚起振时 为了克服电路中的损耗 需要正反馈强一些 即要求这称为起振条件 三 起振条件和稳幅原理 既然 起振后就要产生增幅振荡 需要靠三极管大信号运用时的非线性特性去限制幅度的增加 这样电路必然产生失真 这就要靠选频网络的作用 选出失真波形的基波分量作为输出信号 以获得正弦波输出 由于正弦波振荡电路中的放大器件是工作在线性区 RC振荡电路 或接近线性区 LC振荡电路 因此在分析中 可以近似按线性电路来处理 一 RC网络的频率响应 9 2RC正弦波振荡电路 RC正弦波振荡电路有桥式振荡电路 双T网络式和移相式振荡电路等类型 在这里重点讨论桥式振荡电路 RC串并联网络的电路如图所示 RC串联臂的阻抗用Z1表示 RC并联臂的阻抗用Z2表示 RC串并联网络 谐振频率为 当R1 R2 C1 C2时 谐振角频率和谐振频率分别为 幅频特性 相频特性 当f f0时的反馈系数 且与频率f0的大小无关 此时的相角 F 0 即改变频率不会影响反馈系数和相角 在调节谐振频率的过程中 不会停振 也不会使输出幅度改变 RC串并联网络的频率特性曲线 谐振 当f f0时 输出电压幅值最大 是输入电压的3倍 且与输入电压同相 幅频特性 相频特性 二 RC文氏桥振荡电路 1 RC文氏桥振荡电路的构成RC文氏桥振荡电路如图所示 RC串并联网络是正反馈网络 另外还增加了R3和R4负反馈网络 C1 R1和C2 R2正反馈支路与R3 R4负反馈支路正好构成一个桥路 称为文氏桥 当C1 C2 R1 R2时 F 0 为满足振荡的幅度条件 1 所以Af 3 加入R3 R4支路 构成串联电压负反馈 2 桥式RC正弦波振荡器振荡条件 1 相位条件 反馈网络 1 对于同相比例放大器 2 当信号频率为f0时 则 Uf Uo 3 F 0 1 F F 1 3 同相比例放大器 2 幅值条件 AF 1 F 1 3 A 3 A 1 R2 R1 R2 2R1 R2常用热敏电阻 略大于2R1 起振后 随着R2的减小 完成AF 1到AF 1的过渡 3 RC文氏桥振荡电路的稳幅过程 RC文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻R4实现的 R4是正温度系数热敏电阻 当输出电压升高 R4上所加的电压升高 即温度升高 R4的阻值增加 负反馈增强 输出幅度下降 反之输出幅度增加 若热敏电阻是负温度系数 应放置在R3的位置 1 热敏电阻稳幅 热敏电阻 起振时 即 热敏电阻的作用 具有负温度系数 热敏电阻具有负温度系数 反并联二极管的稳幅电路 2 二极管稳幅 电路的电压增益为 式中R p是电位器上半部的电阻值 R p是电位器下半部的电阻值 R 3 R3 RD RD是并联二极管的等效平均电阻值 当Vo大时 二极管支路的交流电流较大 RD较小 Avf较小 于是Vo下降 由图 b 可看出二极管工作在C D点所对应的等效电阻 小于工作在A B点所对应的等效电阻 所以输出幅度小 二极管工作在A B点 电路的增益较大 引起增幅过程 当输出幅度大到一定程度 增益下降 最后达到稳定幅度的目的 工作原理 当Vo幅值很小时 二极管接近于开路 Avf较大 大3 有利于起振 图 b 例1 课本例9 2 1 A为运放741 最大输出电压为 14V 1 分析稳幅原理 2 粗略估算稳幅时输出电压的峰值 此时二极管的正向压降为0 6V 3 R2短路时 输出电压的波形 4 R2开路时 输出电压的波形 R1 5 1K R2 9 1K R3 2 7K R 10K C 0 015 F 例2 课本例9 2 2 分析移相式正弦波振荡电路的工作原理 f 0 270 3节RC移相网络最大可接近270 a 180 f a 360 或0 将Rf调节到合适的值 使AV适当 即可产生正弦振荡 且振荡频率为 AF 1 A 3 2 10 20k 1592Hz 起振条件 例题 R 1k C 0 1 F R1 10k Rf为多大时才能起振 振荡频率f0 电子琴的振荡电路 使R2 R1 AF 1 可调 A 2 RF1 RF2 Rf 例3 习题9 2 2 1 能否振荡 2 Rf和Re1的关系 3 振荡频率是多少 4 为了稳幅 可将哪个电阻采用热敏电阻 解 1 可以振荡 因为满足 a f 0 a 0 0时 f 0 2 由F 1 3 可以推出Rf 2Re1 3 振荡频率f0 1 2 RC 58 5Hz 4 Re1采用正温度系数或Rf采用负温度系数热敏电阻 例4判断下列电路能否振荡 并说明其振荡类型 可能振荡 不能振荡 不能振荡 F最大相移角小于180 例5应用相位条件判断下图能否起振 并说明原因 若不能 则在不增减元件的前提下如何改动 并计算振荡频率 基本差分式放大电路 9 3LC正弦波振荡电路 用于产生高频正弦信号 LC和RC振荡电路产生正弦振荡的原理基本相同 不同的是 RC振荡电路的选频网络由电阻和电容组成 而LC振荡电路的选频网络由电感和电容组成 9 3 1LC选频放大电路 1 谐振频率与谐振电阻 一 并联谐振回路 谐振 谐振电阻 谐振频率 阻抗最大 且为纯阻性 2 谐振特点 1 谐振频率 2 谐振时总的容抗等于感抗 两端呈纯电阻 电感支路 电容支路 3 谐振时总电流与总电压同相 支路电流比总电流大 3 谐振回路的品质因数 定义 谐振时电路的电抗 0L或 与等效损耗电阻之比 Q0的大小标志着谐振质量的优劣 Q0 损耗越小 Q0通常在30 200之间 互感线圈的极性判别 磁棒 初级线圈 次级线圈 同极性端 C L R u i 反馈信号通过互感线圈引出 9 3 2变压器反馈LC振荡电路 变压器反馈LC振荡电路 LC并联谐振电路作为三极管的负载 反馈线圈L2与电感线圈 相耦合 将反馈信号送入三极管的输入回路 交换反馈线圈的两个线头 可使反馈极性发生变化 调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度 以使正反馈的幅度条件得以满足 一 电路的组成及起振条件 1 电路的基本工作原理原理 变压器反馈LC振荡电路的振荡频率与并联LC谐振电路相同 为 正反馈 振荡频率 uo 满足相位平衡条件 LC正弦波振荡器举例2 9 3 3三点式LC振荡电路 1 电感三点式LC振荡器 哈特莱振荡电路 电感线圈L1和L2是一个线圈 2点是中间抽头 用瞬时极性法可判断出电路符合正反馈的相位条件 电感三点式LC振荡器 CB 电感三点式LC振荡器 CE 振幅条件 由于AV较大 只要适当选取L2 L1的比值 就可实现起振 当增大L2 或减小L1 时 有利于起振 振荡频率可近似表示为 2 电容三点式LC振荡电路 与电感三点式LC振荡电路类似的有电容三点式LC振荡电路 a CB组态 b CE组态电容三点式LC振荡电路 用瞬时极性法可判断出电路符合正反馈的相位条件 振幅条件 只要将管子的 值选得大一些 并恰当选取比值C2 C1的比值 就有利于实现起振 一般选取C2 C1 0 01至0 5左右 振荡频率可近似表示为 例1 下图为一个三点式振荡电路试判断是否满足相位平衡条件 a b 3 三点式振荡电路举例 例2 正反馈 频率由C L1 L2谐振网络决定 设uB uC uD uB uL2 ube uL1 例3 正反馈 反相 振荡频率 M为两线圈的互感 uo 例4 正反馈 振荡频率 例5 ube增加 正反馈 正弦波振荡电路教学基本要求一 正确理解正弦波振荡电路与负反馈放大电路产生的自激振荡的不同之处 二 掌握正弦波振荡电路的组成及其各部分的作用 三 熟悉正弦波振荡电路的分类 按选频网络所用元件 及它们的振荡频率范围 四 掌握RC桥式 文氏桥 正弦波振荡电路的两个基本特点 能够组成电路 并估算振荡频率 五 熟悉变压器反馈式 电感三点式 电容三点式振荡电路的组成及其特点 六 掌握判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法 作业 习题9 2 1 9 2 6 9 3 1 9 3 2 9 4非正弦信号产生电路9 4 1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 特性 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 一 单门限电压比较器 比较器是一种用来比较输入信号vi和参考电压VREF的电路 门限电压Vth是指输出电压vO从一个电平跳变到另一个电平时相应的输入电压vi值 电路特点 同相输入单门限电压比较器 1 在反相输入端提供一个基值电压 2 待比较信号由同相输入端输入 3 电路处于开环工作方式 运放工作在饱和区 非线性区 4 输出vo为二值信号 vo VOM vi vo VREF VOH VOL 传输特性 0 VREF 当viVREF时 vo Vom 若vi从反相端输入 例1 已知单门限电压比较器的输入电压和门限电压如下面曲线所示 试画出输出电压曲线 1 过零比较器 UR 0 vi vo VOH VOL 传输特性 2 应用实例 作用示例1 将三角波变换为矩形波 解 1 A构成过零比较器 2 RC为微分电路 RC T 2 电路如图9 4 2a所示 当输入信号如图c所示的正弦波时 定性画出 3 D削波 限幅 检波 例9 4 1 比较器输出 微分电路输出 二极管削波输出 正弦波输入 2 箝制输出比较器 稳压输出 传输特性 电路 电压比较器应用实例1 液位控制 电压比较器应用实例2 光控装置 例 已知ui波形 UZ 6V 画出uo波形 A VREF 2V UZ ui uo R ui 4v 4v uo 分析 1 输出电压只能是 6V或 6V 2 uo为 6V 则运放输出端电压为正 对应输入端应满足u u 即ui 2V u u 2V 6V 6V 总结 单门限电压比较器电路简单 灵敏度高 但抗干扰能力差 当输入电压含有噪声或干扰电压时 比较器输出不稳定 影响电路的正常工作 如电机频繁的起停 解决 迟滞比较器 总结 单门限电压比较器电路简单 灵敏度高 但抗干扰能力差 当输入电压含有噪声或干扰电压时 比较器输出不稳定 影响电路的正常工作 如电机频繁的起停 解决 迟滞比较器 特点 电路中使用正反馈 1 因为有正反馈 所以输出饱和 2 当vo正饱和时 vo VOM 3 当vo负饱和时 vo VOM 二 迟滞比较器 施密特触发器 1 迟滞比较器 上门限电压VT 下门限电压VT 4 VT VT VT 称为回差 电路组成 在反相输入单门限电压比较器的基础上引入正反馈网络 就组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器 迟滞比较器工作原理 设vi 当vi VT vo从 VOM VOM 这时 vo VOM V VT 设vi 当vi VT vo从 VOM VOM 设初始值 vo VOM V VT 上门限电压 下门限电压 加上参考电压后的迟滞比较器 解 3 输出电压波形d 电路如图9 4 6a所示 试求门限电压 画出传输特性和图c所示输入信号下的输出电压波形 2 传输特性b 1 门限电压 例9 4 2 1 电路 设R1 R2 则两门限 2 传输特性 2 窗口比较器 由滞回比较电路和RC定时电路构成的 9 4 2方波发生器1 电路结构 RC充放电支路 迟滞比较器 vo VOM v VT FVOMVT FVOM 1 设vC初始值vC 0 0 vo VOM 此时 输出给C充电 vc 则 v VT FVOM 一旦vc v 就有v v 在vc v 时 v v vo立即由 VOM变成 VOM vo保持 VOM不变 2 工作原理 v 此时 C经输出端放电 vc 2 当vo VOM时 v VT FVOM vc达到 FVOM时 vo上翻 当vo重新回到 VOM以后 电路又进入另一个周期性的变化 v 在vc v 时 v v vo保持 VOM不变 vc v 有v v vo立即由 VOM变成 VOM 周期与频率的计算 f 1 T 此期间是分析问题时的假设 实际上用示波器观察波形时看不到这段波形 v 周期与频率的计算 T T1 T2 2T2 因正反向充电条件一样T1 T2 T2阶段vc t 的过渡过程方程为 充电 放电 v VC VOM om 2 1 2 V R R R t T2时 vc t T2 矩形波发生电路另一种画法 双向限幅方波发生电路 稳压管双向限幅 充电 放电 uo Uz 占空比可变的方波产生电路 稳压管双向限幅 RC充放电支路 迟滞比较器 RC充放电时间常数不同 放电 充电 占空比 输出信号高电平持续时间与信号周期之比 锯齿波和正弦波 方波 三角波是常用的基本测试信号 如在示波器等仪器中 为了使电子按照一定的规律运动 以利用荧光屏显示图象 常用到锯齿波产生器作为时基电路 9 4 3锯齿波发生电路 9 4 3三角波发生器与锯齿波发生器1三角波发生器 组成 施密特触发器 积分器 vN1 vP1时vI 即vO 的阈值 幅度 周期 t1 t3恒流充电 充电速度 vO1 方波vO 三角波 T与VZ和运放无关 稳定性好 原理 利用三角波发生器原理 使