波形发生电路2.ppt

第9章波形产生电路 9 1概述 9 2正弦波振荡电路 9 3非正弦波振荡电路 小结 教学基本要求 掌握 1 正弦波振荡器的振荡条件 组成 分类2 RC桥式振荡器的工作原理 分析方法 理解 1 LC正弦波振荡器的组成 振荡的判断 频率的计算2 非正弦波产生电路的组成 工作原理 波形分析 了解 1 石英晶体的基本知识 晶体振荡器的组成原则和典型电路 2 集成函数发生器芯片 9 1概述 信号产生电路 振荡器 Oscillators 分类 正弦波产生电路 非正弦波产生电路 方波 三角波 锯齿波等 主要性能要求 输出信号的幅度准确稳定 输出信号的频率准确稳定 正弦波 应用 用于电子仪器 通信 自动控制等 9 2 1正弦波振荡电路的基本工作原理 9 2正弦波振荡电路 1 产生正弦波振荡的平衡条件 电路稳定振荡的条件 1 幅值平衡条件 n 0 1 2 2 相位平衡条件 正反馈 负反馈中产生自激振荡的条件是什么 与正弦波振荡器的振荡条件有何区别 为什么 产生正弦波振荡的幅值平衡条件和相位平衡条件 2 振荡的建立和稳定 起振条件 起振 稳幅 微弱的电扰动中 某一频率成分通过正反馈逐渐放大 则产生正弦振荡 3 正弦波振荡电路的组成 1 放大电路A 2 正反馈网络F 4 稳幅环节 使振荡稳定 波形好 满足振荡条件 3 选频率网络 实现单一频率的振荡 正弦波产生电路的分类 RC振荡器 用于低频 LC振荡器 用于高频 石英晶体振荡器 频率稳定度高 按选频网络分 1 检查电路组成 2 是否满足相位条件 3 分析幅度起振条件 4 判断电路能否产生正弦波的分析方法 4 分析稳幅环节 1 RC串并联选频网络 2 RC桥式振荡器 9 2 2RC正弦波振荡电路 3 RC相移式正弦振荡电路 1 RC串并联选频网络 电路组成 1 定性分析 电路分析 2 定量推导与频率特性 式中 0 1 RC 当 0时 0 2 RC桥式正弦振荡电路 由同相放大电路可知 由选频网络可知 当谐振时 由幅度起振条件 结合上两式 可推出 可选用 为负温度系数的热敏电阻 利用二极管在流经它的电流增大时动态电阻减小 电流减小时动态电阻增大的特点 加入非线性环节 从而使输出电压稳定 为了稳定输出电压的幅值 一般应在电路中加入非线性环节 为使电Au为非线性 起振时 应使Au 3 稳幅后Au 3 例9 1 根据相位条件判断图9 6所示电路能否起振 假设电路可以满足起振的幅度条件 如能起振 计算该电路的振荡频率 1 看组成 2 看放大 3 看反馈 五步分析法 4 看幅度 5 求频率 找到环 断回路 加输入 看反馈 3 RC相移式正弦波振荡电路 a 相位超前的RC移相式振荡电路 b 相位滞后的RC移相式振荡电路 9 2 3LC正弦波振荡电路 1 LC谐振回路的选频特性 2 变压器反馈式振荡电路 3 LC三点式振荡电路 4 改进型电容三点式振荡电路 1 LC谐振回路的选频特性 串联谐振回路 并联谐振回路 LC谐振回路 1 LC并联谐振回路 L的等效损耗电阻 Z 1 谐振频率f0 2 谐振阻抗Z0 3 回路品质因数Q 电流谐振 1 Z Z0 呈纯阻 2 形成环流 大小是总电流的Q倍 4 并联谐振的本质 5 频率特性 5 频率特性 Q大 Q小 Q增大 幅频特性 相频特性 2 LC串联谐振回路 1 谐振频率f0 2 回路品质因数Q 3 串联谐振的本质 电压谐振 4 频率特性 满足相位平衡条件 2 变压器反馈式振荡电路 根据振荡电路的起振条件 可得到变压器反馈式振荡电路的起振条件为 式中 为三极管b e间的等效电阻 为折合到谐振回路中的等效总损耗电阻 M为绕组N1 N2之间的互感 把并联LC回路中的C或L分成两个 则LC回路就有三个端点 把这三个端点分别与三极管的三个极或者与场效应管的三个电极或者与集成运放的同相输入端 反相输入端 输出端相连就形成了LC三点式正弦波发生电路 3 LC三点式振荡电路 LC三点式正弦波发生电路的一般结构如下图所示 a 反相放大 b 同相放大 1 组成LC三点式振荡电路的规律 1 a图的推导 无反馈时的 因此 其中 a 反相放大 进而可得 所以得 b 同相放大 2 b图的推导 为了产生振荡 由上式可得 和 所以必然有 2 电感三点式振荡电路 a 电感三点式振荡电路 b 电感三点式振荡电路的交流通路 优点 缺点 易起振 L间耦合紧 易调节 C可调 输出取自电感 对高次谐波阻抗大 输出波形差 例9 2 如图所示电路是由共基极放大电路构成的电感反馈式正弦波振荡电路 因为共基极电路的高频特性较好 所以这种电路形式的振荡频率可以做得更高 试用瞬时极性法判断该电路是否满足相位起振条件 解9 2 虽然图中的电路为共基组态 但从电路的任何地方开始标注瞬时极性都可以得到正确的结论 所以从比较习惯的基极输入开始标注 如图中所示 由瞬时极性可知 该电路满足相位条件 因此该电路可以起振 输出振荡频率为 3 电容三点式振荡电路 考毕兹振荡器 Colpitts 优点 波形较好 缺点 2 V极间电容影响f0 1 调频时易停振 C3 4 改进型电容三点式振荡电路 1 看组成 2 看放大 3 看反馈 五步分析法 4 看幅度 5 求频率 找到环 断回路 加输入 看反馈 9 2 4石英晶体振荡电路 1 石英晶体的基本特性 2 石英晶体振荡电路 化学成分SiO2 1 石英晶体的基本特性 a 外型 b 结构 c 电路符号 压电效应 压电效应 在石英晶片两电极间加一个交变电压 晶体会产生和该交变电压频率相同的机械形变振动 同时机械形变振动又会产生交变电场 在其两个电极间产生交变电压 这种机电相互转换的物理现象称为压电效应 在一般情况下 这种机械振动和交变电压的幅度极其微小 但当外加交变电压的频率与晶体的固有频率相等时 振幅才会急剧增大 这种现象称为压电谐振 因此 石英晶体又称为石英晶体谐振器 简称晶振 石英晶体的固有频率决定于晶片的外形 尺寸和切割方向等 石英晶体的体积越小 振荡频率越高 等效电路 Lq 晶体的动态电感 10 3 102H 大 Cq 晶体的动态电容 0 1pF 小 rq 等效摩擦损耗电阻 小 Co 晶片静态电容 几 几十pF 大 小 小 大 4 频率特性和谐振频率 容性 容性 感性 两种基本形式 2 并联型石英晶体振荡器 2 石英晶体振荡电路 1 串联型石英晶体振荡器 1 串联型 串联型石英晶体振荡器 由 和构成并联谐振回路 石英晶体支路将反馈信号送回三极管的发射极 只有石英晶体为纯电阻时才满足起振的相位条件 即只有等于石英晶体的串联谐振的那个频率成分 才能得到最大的正反馈量 而其他的频率成分 因石英晶体不能谐振且产生附加相移而被衰减 所以振荡器可以产生频率为的正弦振荡输出 2 并联型 并联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在和之间呈感性 构成电容三点式振荡电路 只有在晶体的和之间的与频率范围内 本电路才满足起振的相位平衡条件 该电路的振荡频率即为石英晶体和 组成回路的并联谐振频率 可根据石英晶体的等效电路来求得 由于和十分接近 因此电路的振荡频率只取决于晶体本身的固有频率 并且十分稳定 9 3非正弦波信号发生电路 9 3 2矩形波发生电路 9 3 3三角波发生电路 9 3 4锯齿波发生电路 9 3 1非正弦波发生电路的基本概念 9 3 5集成函数发生电路 9 3 1非正弦波发生电路的基本概念 1 工作原理框图 2 振荡条件及分析方法 非正弦波发生器的振荡条件比较简单 即无论开关器件的输出电压为高电平或低电平时 如果经过一定的延迟时间后可使开关器件的输出改变状态 便能产生周期性的振荡 否则不能振荡 分析非正弦波发生器能否发生振荡的基本方法 一是检查电路是否具有非正弦波发生器的基本组成部分 二是分析电路是否满足非正弦波发生器的振荡条件 非正弦波发生器必须包含具有开关特性的器件 如电压比较器 集成模拟开关 TTL与非门等 具有开关特性的双极型晶体管也可以起开关作用 反馈网络 在非正弦波发生器中必须设法将输出电压恰当地反馈给具有开关特性的器件 才能使具有开关特性的器件改变状态 延迟环节 如利用RC电路的充放电特性来实现延迟 有了延迟环节 才能获得所需要的振荡频率 9 3 2矩形波发生电路 1 电路组成和工作原理 a 矩形波发生器电路 b 电路工作波形 2 主要参数 矩形波周期公式 3 占空比可调电路 1 三角波电路组成和工作原理 9 3 3三角波发生电路 a 三角波发生电路 b 工作波形 2 三角波发生电路主要参数 周期 正负向峰值 9 3 4锯齿波发生电路 1 锯齿波电路组成和工作原理 上升 下降时间比固定的锯齿波发生电路 上升 下降时间比连续可调的锯齿波发生电路 锯齿波发生电路工作波形 2 锯齿波发生电路主要参数 9 3 5集成函数产生电路 1 ICL8038电路结构与工作原理 2 常用接法 ICL8038的管脚图 1 函数信号频率和占空比的调节 ICL8038典型应用 2 正弦函数信号的失真度调节 正弦波失真度调节电路 小结 第9章 在测量 自动控制 通信和遥控等许多技术领域都要用到各种各样的波形信号 这些不同的波形信号是由波形发生电路来产生的 波形发生电路又称信号源或振荡器 本章主要讲述正弦信号发生器和非正弦波信号发生器 包括方波 矩形波 三角波 锯齿波等 的电路组成 工作原理 主要参数等 具体内容如下 1 正弦波振荡器正弦波振荡电路是用来产生一定频率和幅度的正弦交流信号的 其频率范围很广 正弦波振荡电路 利用自激振荡产生一定幅度 一定频率的正弦波 正弦波振荡电路的自激振荡并不是附加相移引起的 而是人为地在电路中引人正反馈使电路产生自激振荡 首先介绍了产生正弦波的条件 得到起振和保持振荡所需的相位和幅值条件 总结得到 要产生正弦波振荡电路必须包含四个部分 放大电路 正反馈 稳幅环节 选频网络 然后介绍了判断电路能否产生正弦波的一般分析方法 根据选频网络的不同 把正弦波振荡电路分为RC LC以及晶体正弦波振荡电路 分析了RC串并联选频网络以及RC桥式 移相式正弦波振荡器电路 RC正弦波振荡器电路一般产生较低频率的正弦波 讲述了LC并联谐振回路的选频特性 根据所选LC反馈的连接方式 分别介绍了变压器耦合式LC正弦波振荡电路 电容三点式正弦波振荡电路 电感三点式正弦波振荡电路 虽然LC正弦波振荡电路可产生较高频率的正弦波 但频率稳定度不好 介绍了石英晶体的等效电路以及分析方法 讲述了由石英晶体作为选频网络组成的振荡电路基本原理 分析方法和特点 2 非正弦波振荡器在实际信号使用中 除了常见的正弦波外 还有方波 矩形波 三角波 锯齿波 尖顶波和阶梯波等等非正弦波 本节主要讲述了模拟电子电路中常用的方波 矩形波 三角波和锯齿波等非正弦波波形发生电路的组成 工作原理 波形分析和主要参数 方波和矩形波实际上就是在正弦波电路原理的基础上 加上滞回电压比较器组成 当占空比为0 5时 输出信号为方波 负责为矩形波 在方波和矩形波输出后面分别跟上一级积分器 则就产生了三角波和矩形波 3 集成函数发生器ICL8038精密函数发生器是采用肖特