项目三 信号发生与处理电路.doc

项目三 信号发生与处理电路模块 波形发生器授课班级时间年月日授课班级时 间年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日授课章节目的和要求1、了解波形发生电路的类型、应用2、掌握其原理及设计、调试、检测方法重点和难点波形发生电路原理及设计图7.1 波形发生器实物（信号发生器） 7.1波形发生器概述在调试硬件时，常常需要加入一些信号，以观察电路工作是否正常，一般我们通过一种数据信号发生器即波形发生器实现。波形发生器也称为振荡器，是一种不需要外加激励信号，而能将直流电源的能量转变为交流能量输出的电路。它与放大器的最大本质的区别，在于它的工作不需要外加的信号激励。波形发生器在广播、通讯、测量和遥控等技术领域有着广泛的应用。除此之外，还应用在电源技术、电声技术等其他工业技术当中。7.1.1波形的分类按照波形的形状可以分为正弦波和非正弦波。其中，常见的非正弦波有方波、矩形波、锯齿波、三角波、阶跃波、脉冲波和复杂波等。具体的波形如图7.2所示。按振荡器产生的振荡波形来分，可以分为正弦振荡器和非正弦振荡器两大类。不同的波形，应用的领域也不同。一般家用电器里面的波形都是正弦波，而计算机和数码产品里应用的是方波，电视信号是复杂波等等。本课题主要介绍的是正弦波振荡器。图7.2 常见波形的种类7.1.2波形发生器的组成波形发生器一般需要起振、选频、稳幅等几个环节。因此，波形发生器由以下几个部分组成： （1）放大器：具有放大作用，它将电源的直流电能转换成交流能量。（2）正反馈网络：它与放大器共同满足振荡条件。（3）选频网络：选择某一个频率，使之成为单一频率的振荡。（4）稳幅电路：限制输出波形幅度，到达稳幅目的，改善波形。7.1.3 振荡的基本条件。我们这章主要介绍的是正弦波振荡器。、1.自激振荡原理信号发生电路能产生各种波形的输出信号，都是基于自激振荡原理。自激振荡原理的方框图如图7.3所示：图7.3 自激振荡器方框图它是由基本放大器A和正反馈网络F组成的闭合正反馈环路。= =由于自激振荡是一种没有输入,仍有一定大小输出的电路，因此必须有： 为非零值=A=A(+)=A+AF=+=即：1、自激振荡器是由放大器A和反馈网络F组成的闭合环路，其能形成自激振荡须满足：=1称 AF=1为自激振荡条件。由于A、F为复数形式。故自激振荡条件又可表示为：| |=1及其中n=0,1,2上式中第一项|AF|=1为自激振荡的幅度条件，第二项为自激振荡的相位条件。说明信号在环内经过放大电路的和反馈网络后的相移之和为2n。即反馈信号必须与放大器的输入信号同相，也就是振荡电路必须引入正反馈。相位条件是产生自激振荡的必要条件，幅度条件则是自激产生的充分条件，两者缺一不可。相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。以上就是振荡电路工作的两个基本条件，为了获得某个指定频率f0的正弦波，可在放大电路或者反馈电路中，加入具有选频特性的网络，使只有某一个选定频率f0的信号满足振荡条件，而其他频率的信号不满足振荡条件。2.振荡器的起振与稳幅当振荡电路接通电源时，随着电路中的电流从零开始突然增大，电路中就产生了电冲击，它包含了从低频到高频的各种频率成分，其中必有一种频率的信号满足振荡器的相位平衡条件，产生正反馈。如果此时放大器的放大倍数足够大，满足|AF|1的条件，则经过电路的不断放大后，输出信号在很短的时间内就由小变大，由弱变强，使电路振荡起来。随着电路输出信号的增大，晶体管的工作范围进入了截止区和饱和区，电路的放大倍数A自动的衰减，从而限制了振荡幅度的无限增大。最后当|AF|=1时，电路就有了稳定的信号输出。从电路的起振到形成稳定的振荡所需要的时间是极短的。3.振荡器的组成一个反馈放大电路若能同时满足自激振荡的幅度和相位平衡条件，就一定能产生自激振荡，但并不见得一定能产生正弦波自激振荡，即输出信号不一定是正弦波。这是因为，若同时有多种频率的正弦波信号都满足自激振荡条件，则反馈放大电路就能够在多种频率下产生振荡。它的输出信号就是一个由多种频率的正弦波信号合成的非正弦波信号。为了获得单一频率的正弦波振荡，可在反馈放大电路中引入选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率），使反馈放大电路对不同频率的正弦波信号产生不同的相位移和放大倍数，使电路只让某一特定频率的正弦波信号满足自激振荡条件，保证电路输出正弦波信号。根据振荡电路对起振、振幅和振荡频率的要求，振荡器由以下几个部分组成：放大电路：具有放大信号的作用，并将电源的直流电能转换成振荡信号的交流能量。反馈网络：它是形成反馈、满足振荡器相位平衡的条件。选频网络：在正弦波振荡电路中，它的作用是选择某一频率，使之满足振荡条件，形成单一频率的振荡。由R、C元件组成的选频网络的振荡电路称为RC振荡电路，用于产生低频信号的场合；由L、C组成的网络的振荡电路称为LC振荡电路，用于产生高频信号的场合。由石英晶体组成的选频网络的振荡电路称为石英晶体振荡电路。4振荡电路的分析稳幅电路：用与稳定振荡器输出信号的振幅，改善波形。对振荡器的分析一般采用以下步骤：（1）检查是否具有基本组成部分；（2）检查放大电路是否具有放大作用；（3）分析是否存在满足相位平衡条件，若无，则判断不能产生正弦波振荡，若有，则继续第四步；（4）分析是否满足幅值平衡条件。一般振荡器的幅度平衡条件容易满足，主要是检查电路的相位平衡条件，即判断电路是否有正反馈。5正弦振荡电路的分类为了保证振荡电路产生单一的正弦波，电路中必须包含选频网络，根据选频网络元件的不同，可以将振荡器分为RC振荡器、LC振荡器和石英晶体正弦波振荡器。7.2 RC正弦波振荡器7.2.1.电路的组成RC正弦波振荡器电路，如图7.4所示。选频网络由RC电路组成的振荡电路称为RC正弦波振荡器。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。这里我们选取最常用的文氏电桥振荡电路来介绍。如图7-4所示： （a）RC桥式正弦波振荡电路 （b）桥式画法 图7.4 RC正弦波振荡电路在图7.4（a）中的运放和电阻R1、Rf组成同相比例运算放大器，RC串、并联网络构成振荡器的反馈网络和选频网络。设电阻R1和电容C1相串联的阻抗为Z1，电阻R2和电容C2相并联的阻抗为Z2。因该电路的、Rf 、Z1和Z2四个器件组成电桥的四个臂，如图7.4（b），电桥的对角线顶点接到放大电路的两个输入端，所以该电路又称为文氏电桥振荡电路。根据RC串、并联电路的谐振频率f0为：，该频率即为振荡器的振荡频率。根据反馈放大器的分析方法可知，RC选频网络与同相比例运算放大器组成电压串联反馈电路。在谐振时，为了调节方便，通常取R1= R2， C1= C2，RC选频网络谐振条件和电压串联反馈放大器反馈系数的定义式可得：根据反馈极性的判别方法可知，由RC选频网络和同相比例运算放大器所组成的放大电路是正反馈放大器，满足振荡的位相条件可得该电路要产生振荡的条件是运算放大器的电压放大倍数要等于3。即由此可得该电路产生振荡要满足的条件是R2=2R1。7.2.2.振荡的建立和稳幅的措施电路接通电源的瞬间，相当于给振荡电路注入一个阶跃信号，根据频谱分析的理论可知，阶跃信号是由不同频率、不同幅度的正弦波信号叠加而成的。在这些信号中含有与RC选频网络谐振频率f0相同的正弦波信号。振荡器对该频率信号的放大作用等于3，满足振荡的幅度条件；而对其它频率信号的放大作用小于3，不满足振荡的幅度条件；所以该振荡器将输出频率为f0的正弦波信号。为了使振荡器接通电源后容易起振，让振荡电路在刚接通电源时的电压放大倍数略大于3，对f0信号进行有效的放大，使f0信号的幅度逐渐增大。当f0信号的幅度达到一定值时，应将振荡放大器电压放大倍数的值降到3，使振荡器输出信号的幅度保持稳定，该功能由振荡器的稳幅电路来实施。在图7.4(a)所示的电路中，只要将电阻R2改成负温度系数的热敏电阻即可组成稳幅电路，实现自动稳幅的作用。该电路稳幅的工作原理是：刚接通电源时，电阻R2的值比2R1的值大，振荡放大器的电压放大倍数略大于3，振荡放大器对f0信号进行有效的放大，使f0信号的幅度逐渐增大。随着f0信号幅度的增大，电阻R2的温度上升，阻值下降，振荡放大器的电压放大倍数也随着下降到3，振荡器输出信号幅度将不再增大，保证了振荡器输出信号幅度的稳定。在图7.4（a)所示的电路中，若将RC选频网络中的RC改成如图7.5所示的可调节电路，即可构成频率可变的正弦波信号发生器。实验室中做实验用的低频信号发生器就是用该电路来实现正弦波振荡，输出正弦波信号。图7.5 可调节RC正弦波振荡电路7.2.3. RC串并联网络的频率特性 为了方便分析，我们把图7.6中的反馈网络重画于图7.6(a)中，在信号频率很低时，可等效成图7.6（b）电路。在低频等效电路中，Z1=-jXc1，Z2=R2。低频时，由于Xc1R2，所以|Uf|Xc2，所以|Uf|C，C2C，所以CC3。图(b)电路的振荡频率为:式中，C=C1C2/(C1+C2)+C3。三端式振荡器选频网络由三部分电抗组成，有三个端子对外，分别接在三极管的三个极上或集成运放的两个输入端和输出端上。用三极管作放大器时，从发射极向另外两个极看，应是同性质的电抗，而集电极与基极间应接与上述两电抗性质相反的电抗。用集成运放作放大器时，从同相输入端向反相入端及输出端看去时，应是同性质的电抗，反相输入端和输出端之间的电抗应是与上述两电抗性质相反的电抗。7.4 石英晶体振荡器有些电路要求振荡频率的稳定性非常高（如无线电通信的发射机频率）。其f / fo达108-1010HZ数量级，用前面所讨论的电路很难实现这种要求。采用石英晶体振荡器，则可以满足这样高的稳定性。其外形及结构如图7.13所示。 图7.13石英晶体外形及结构图（a）石英晶体外形图；（b）石英晶体结构图7.4.1 石英晶体石英晶体的特性及等效电路石英晶体之所以能做成谐振器是基于它的压电效应。若在晶片两面施加机械力，则沿受力方向产生电场，晶片两侧产生异性电荷。若在晶片两面加一交变电场，晶片就会产生机械振动。当外加电场的频率等于晶体的固有频率时，机械振动幅值明显加大，这种现象称为“压电效应”。由于石英晶体的这种特性，可以把它的内部结构等效成如图7.14所示中（a）图（a）等效电路；(b)频率特性；(c)符号图7.14 石英晶体的等效电路、频率特性及符号的等效电路，石英晶体的频率特性及符号如图7.14所示中（b）、（c）所示。由等效电路可知，石英晶体振荡器应有两个谐振频率。在低频时，可把静态电容Co看作开路。若f=fs时，L、C、R串联支路发生揩振，XL=XC，它的等效阻抗Zo=R，为最小值串联谐振频率为当频率高于fs时，XLXC，L、C、R支路呈现感性，Co与LC构成并联谐振回路，其振荡频率为：式中，C=CCo/(C+Co)。通常CoC，所以fp与fs非常接近，fp略大于fs，也就是说感性区非常窄，其频率特性如图7.14（b）所示。由图可知，低频时，两条支路的容抗起主要作用，电路呈现容性。随着频率的增加，容抗逐步减小。当f=fs时，LC串联谐振，Zo=R，呈现电阻性；当ffs时，LC支路呈现感性；当f=fp时，并联谐振，阻抗呈现纯阻性；当ffs时，Co支路起主要作用，电路又呈现容性。图7.14(c)为石英晶体的表示符号。7.4.2 石英晶体振荡器石英晶体正弦波振荡电路有并联型和串联型两种类型,如图7.15所示。其中（a）图为并联型石英晶体振荡电路，图（b）为串联型石英晶体正弦波振荡电路。 (a) 并联型石英晶体振荡电路 (b) 串联型石英晶体振荡电路图7.15 并、串联型石英晶体振荡电路由图（a）可见，只要将电容三点式正弦波振荡电路中的电感L用石英晶体来替代，即可组成并联型石英晶体正弦波振荡电路，石英晶体在电路中起电感L的作用。图（b）所示的电路由两级放大器组成，第一级为共基极电路，第二级为共集电极电路，石英晶体所在的支路为放大器的反馈网络。当石英晶体等效电路中的R、L、C支路发生串联谐振现象时，石英晶体所在的支路呈纯电阻性负载，根据反馈放大器反馈极性的判别法（图中的“+”号所示），可得在谐振时，反馈放大器是正反馈，满足振荡器振荡的相位条件。调整电位器R5使电路同时满足振荡的振幅条件，振荡电路就会起振，输出正弦波信号。该电路的振荡频率由式确定。石英晶体产生串联谐振时，其等效阻抗很低，为纯阻性，=0。图中V1组成共基极放大器，V2组成共集极电路。设V1发射极瞬时极性为（+），集电极亦为（+），V2发射极为（+），经石英晶体反馈到V1发射极瞬时极性为（+），石英晶体构成正反馈电路，f=0，满足相位平衡条件。图中可变电阻R5，用以改变正反馈信号的幅度，使之满足振幅平衡条件，使电路起振。R5也不能过小，否则，振荡波形会产生失真。7.4.3 工程实例 石英晶体振荡器应用在工程实践中，采用微调电容用来改变振荡频率，以满足振荡频率准确度很高的场合的需要，如精密测量、测频装置等。采用微调电容晶体振荡电路如图7.16所示。图7.1