模电课件第9章信号产生电路(1).ppt

第九章信号产生电路 9 1正弦波振荡电路的组成及振荡条件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 本章基本教学要求 掌握产生正弦振荡的条件 RC正弦波发生电路 各种振荡电路的振荡频率的计算公式 正确理解LC正弦波发生电路 非正弦波发生电路 一般了解石英晶体振荡电路以及方波 三角波 锯齿波产生电路的工作原理 本章重点内容 产生正弦波振荡的条件 RC和LC选频网络的选频原理 RC和LC正弦波振荡电路的判别及振荡频率的估算 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 1正弦波发生电路的组成9 1 2产生正弦波的电路条件9 1 3起振条件和稳幅原理 9 1正弦波振荡电路的组成及振荡条件 9 1 1正弦波发生电路的组成 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 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 正弦波发生电路的组成 放大电路正反馈网络选频网络稳幅电路 9 1 2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 只不过负反馈放大电路中是由于信号频率达到了通频带的两端 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 动画9 1 a 负反馈放大电路 b 正反馈振荡电路 图9 1振荡器的方框图 比较图9 1 a 和 b 可以看出负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区别 由于振荡电路的输入信号所以 由于正 负号的改变 有下式 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 9 1 3起振条件和稳幅原理 既然 起振后就要产生增幅振荡 电路必然产生失真 要靠稳幅环节作用 获得正弦波输出 也可以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 从而达到稳幅的目的 综上所述 判断一个电路是否为正弦波振荡电路 看其组成是否含有以下几个基本部分 1 放大电路 2 正反馈网络 3 选频网络 4 稳幅电路 分析正弦波振荡电路时 首先要判断是否振荡 判断振荡的方法是 1 是否满足相位条件 即电路是否为正反馈 只有满足相位条件才有可能振荡 2 放大电路的结构是否合理 有无放大能力 静态工作点是否合适 1 则不可能振荡 1 能振荡 但输出波形明显失真 3 分析是否满足幅度条件 检验 若 1 产生振荡 振荡稳定后 有稳幅措施 振荡稳定 而且输出波形失真小 9 2RC正弦波振荡电路 9 2 1RC网络的频率响应9 2 2RC文氏桥振荡器 9 2 1RC网络的频率响应 RC串并联网络的电路如图9 2 a 所示 RC串联臂的阻抗用Z1表示 RC并联臂的阻抗用Z2表示 其频率响应如下 图9 2 a RC串并联网络 谐振频率为 f0 图9 2 a RC串并联网络 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 有关曲线见图9 2 b 图9 2 b RC串并联网络的频率特性曲线 9 2 2RC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9 3所示 RC串并联网络是正反馈网络 另外还增加了R1和R2负反馈网络 C R和C R正反馈支路与R1 R2负反馈支路正好构成一个桥路 称为文氏桥 图9 3RC文氏桥振荡电路 为满足振荡的幅度条件 1 所以Af 3 加入R1 R2支路 构成串联电压负反馈 F 0 图9 3RC文氏桥振荡电路 2 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R2实现的 R2是正温度系数热敏电阻 当输出电压升高 R2上所加的电压升高 即温度升高 R2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R1的位置 见图9 3 图9 3RC文氏桥振荡电路 a 稳幅电路 b 稳幅原理图图9 4反并联二极管的稳幅电路 采用反并联二极管的稳幅电路如图9 4所示 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 1 R1 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 动画9 2 9 3LC正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路可以产生高频振荡 构成与RC正弦波振荡电路相似 包括有放大电路 正反馈网络 选频网络和稳幅电路 这里的放大电路一般由分离元件承担 选频网络是由LC并联谐振电路构成 正反馈网络因不同类型的LC正弦波振荡电路而有所不同 9 3 1LC并联谐振电路9 3 2变压器反馈LC振荡器9 3 3电感三点式LC振荡器 9 3 1LC并联谐振电路的频率响应 LC并联谐振电路如图9 5所示 电感支路的损耗 用R表示 显然输出电压是频率的函数 输入信号频率过高 电容的旁路作用加强 输出减小 反之频率太低 电感将短路输出 图9 5LC并联回路 LC并联回路的等效阻抗为 图9 5LC并联回路 通常有R L 所以有 谐振时端电压与电流同相 Z的虚部为零 谐振频率 品质因数 谐振时电感支路电流或电容支路电流与总电流之比 表示回路损耗和选频性能 图9 5LC并联回路 对于图9 5 b 的谐振曲线 Q值大的曲线较陡较窄 图中Q1 Q2 并联谐振电路的谐振阻抗 谐振时LC并联谐振电路相当一个电阻 LC并联回路有如下特点 1 回路的谐振频率为 2 谐振时 回路的等效阻抗为纯电阻 其值最大 即 3 输入电流 和回路电流 或 的关系为 通常Q 1 所以有 9 3 2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 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 9 3电感三点式LC振荡器 图9 9为电感三点式LC振荡电路 电感线圈L1和L2是一个线圈 2点是中间抽头 图中三极管是共基极接法 线圈上的瞬时极性如图所示 反馈到输入端发射极的极性对地为正 符合正反馈的相位条件 图9 9电感三点式LC振荡器 CB 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 见图9 12 a CB组态 b CE组态图9 12电容三点式LC振荡电路 例9 1 图9 13为一个三点式振荡电路 试判断是否满足相位平衡条件 图9 13例题11 1的电路图 9 3 5石英晶体LC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 如图9 14所示 a 串联型f0 fs b 并联型fs f0 fp图9 14石英晶体振荡电路 石英晶体的阻抗频率特性曲线见图9 15 图9 15石英晶体的电抗曲线 它有一个串联谐振频率fs 一个并联谐振频率fp 二者十分接近 对于图9 14 a 的电路与电感三点式振荡电路相似 要使反馈信号能传递到发射极 为此石英晶体应处于串联谐振点 此时晶体的阻抗接近为零 对于图9 14 b 的电路 满足正反馈的条件 为此 石英晶体必须呈电感性才能形成LC并联谐振回路 产生振荡 由于石英晶体的Q值很高 可达到几千以上 所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性 例9 2 高频振荡器中常用的串联型晶体振荡电路 图9 16例9 2电路图 9 4 1方波发生电路9 4 2三角波发生电路9 4 3锯齿波发生电路 9 4非正弦波发生电路 9 4 1方波发生电路 方波发生电路是由滞回比较电路 RC定时电路以及反馈网络构成的 电路如图9 17所示 电容C充电 升高 图9 17方波发生器 1 工作原理 电源刚接通时 设 当时 则 电容C放电 下降 当 时 返回初态 方波周期 用过渡过程公式可以方便地求出 动画9 3 2 占空比可调的矩形波电路 显然为了改变输出方波的占空比 应改变电容器C的充电和放电时间常数 占空比可调的矩形波电路见图9 19 C充电时 充电电流经电位器的上半部份 二极管D1 Rf C放电时 放电电流经Rf 二极管D2 电位器的下半部 图9 19占空比可调方波发生电路 其中 9 2 2三角波发生器 三角波发生器由滞回比较器和积分器闭环组合而成 积分器的输出反馈给滞回比较器 作为滞回比较器的 图9 20三角波发生器 1 当vO1 VZ时 则电容C充电 同时vO按线性逐渐下降 当使A1的VP略低于VN时 vO1从 VZ跳变为 VZ 2 在vO1 VZ后 电容C开始放电 vO按线性上升 当使A1的VP略大于零时 vO1从 VZ跳变为 VZ 如此周而复始 产生振荡 vO的上升时间和下降时间相等 斜率绝对值也相等 故vO为三角波 图9 21三角波发生器的波形 9 2 3锯齿波发生器 锯齿波发生器的电路如图9 12所示 显然 为了获得锯齿波 应改变积分器的充放电时间常数 图中的二极管D和R 将 使充电时间常数减为 R R C 而放电时间常数仍为RC 图9 22锯齿波发生器电路图 锯齿波电路的输出波形图如图9 23所示 图9 23锯齿波发生器的波形 于是有 电压比较器 一 概述 二 单限比较器 三 滞回比较器 四 窗口比较器 五 集成电压比较器 一 概述 1 电压比较器的功能 比较电压的大小 广泛用于各种报警电路 输入电压是连续的模拟信号 输出电压表示比较的结果 只有高电平和低电平两种情况 使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压 2 电压比较器的描述方法 电压传输特性uO f uI 电压传输特性的三个要素 1 输出高电平UOH和输出低电平UOL 2 阈值电压UT 3 输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向 3 几种常用的电压比较器 1 单限比较器 只有一个阈值电压 3 窗口比较器 有两个阈值电压 输入电压单调变化时输出电压跃变两次 2 滞回比较器 具有滞回特性输入电压的变化方向不同 阈值电压也不同 但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次 回差电压 4 集成运放的非线性工作区 集成运放工作在非线性区的特点 1 净输入电流为02 uP uN时 uO UOMuP uN时 uO UOM 电路特征 集成运放处于开环或仅引入正反馈 二 单限比较器1 过零比较器 1 UT 0 2 UOH UOM UOL UOM 3 uI 0时uO UOM uI 0时uO UOM 集成运放的净输入电压等于输入电压 为保护集成运放的输入端 需加输入端限幅电路 集成运放的净输入电压最大值为 UD 输出限幅电路为适应负载对电压幅值的要求 输出端加限幅电路 UOH UZ1 UD2UOL UZ2 UD1 UOH UOL UZ UOH UZUOL UD 不可缺少 输出限幅电路 uO UZ 1 保护输入端 2 加速集成运放状态的转换 电压比较器的分析方法 1 写出uP uN的表达式 令uP uN 求解出的uI即为UT 2 根据输出端限幅电路决定输出的高 低电平 3 根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出电压的跃变方向 2 一般单限比较器 1 若要UT 0 则应如何修改电路 2 若要改变曲线跃变方向 则应如何修改电路 3 若要改变UOL UOH呢 作用于反相输入端 三 滞回比较器1 阈值电压 三 滞回比较器2 工作原理及电压传输特性 设uI UT 则uN uP uO UZ 从小增大uI 直至 UT uO才从 UZ跃变为 UZ 设uI UT 则uN uP uO UZ 从大减小uI 直至 UT 再减小 uO才从 UZ跃变为 UZ 1 若要电压传输特性曲线左右移动 则应如何修改电路 讨论一 如何改变滞回比较器的电压传输特性 2 若要电压传输特性曲线上下移动 则应如何修改电路 3 若要改变输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向 则应如何修改电路 改变输出限幅电路 四 窗口比较器 当uI URH时 uO1 uO2 UOM D1导通 D2截止 uO UZ 当uI URH时 uO2 uO1 UOM D2导通 D1截止 uO UZ 当URL uI URH时 uO1 uO2 UOM D1 D2均截止 uO 0 特点 1 无需