正弦波发生器基本原理.ppt

目录 8 1正弦波发生器的基本原理 8 1 1振荡器的方框图 8 1 2振荡条件 8 1 3起振和稳定 8 2RC桥式正弦波振荡电路 8 1 4正弦波振荡电路的分类 8 2 1RC串并联选频网络 8 2 2RC桥式振荡电路的振荡频率和起振条件 8 3LC正弦波振荡电路 8 3 1LC并联回路的频率特性 8 3 2LC正弦振荡器的基本形式 第8章波形产生电路 8 4石英晶体振荡器 8 4 1石英晶体的基本特性 8 4 2石英晶体振荡电路的基本形式 8 5非正弦波信号发生器 8 5 1矩形波发生器 8 5 2三角波发生器 8 5 3锯齿波发生器 8 5 4555时基电路 8 5 5压控振荡器 8 5 6集成函数发生器8038 目录 本章重点 1 正弦波发生器的组成 振荡条件和工作原理 2 正弦波发生器的类型 3 非正弦波发生器的组成 工作原理和类型 4 集成型波形发生器的工作原理和应用 第8章波形产生电路 本章难点 1 理想运放非线性特性的应用 本章重点介绍两类波形产生电路 一类是输出正弦波形的正弦波发生器 另一类是输出非正弦波形的非正弦波发生器 在正弦波发生器电路中 主要介绍发生器的组成 振荡条件和各种类型振荡器 在非正弦波发生器电路中 主要介绍非正弦波发生器的组成和工作原理 第8章波形产生电路 8 1正弦波发生器的基本原理 正弦波发生器是无需输入信号 能自动输出一定幅度 一定频率正弦信号的电路 从能量的角度来看 它是把直流能量转变为交流能量的电路 它在通信 无线电等诸多领域得到广泛应用 8 1 1振荡器的方框图 从结构上分析 正弦波振荡器是由正反馈网络和放大器组成的 其结构框图如图所示 为正弦交流电压源 当开关S处在位置1时 正弦信号作为放大器的输入信号 经放大器放大后产生输出信号 作为反馈网络的输入信号 在反馈网络输出端产生一个反馈信号此时 假设开关S拨向位置2 如果即大小相等 极性相同 那么该电路就能维持稳定的输出电压 振荡条件 只有正反馈电路才能产生自激振荡 反馈信号代替了放大电路的输入信号 Xd Xf 所以 自激振荡条件也可以写成 自激振荡的条件 1 振幅条件 8 1 3起振条件和稳幅原理 起振条件 结果 产生增幅振荡 略大于 1 被动 器件非线性2 主动 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 稳幅过程 起振时 稳定振荡时 稳幅措施 1 放大电路2 正反馈网络3 选频网络 只对一个频率满足振荡条件 从而获得单一频率的正弦波输出 常用的选频网络有RC选频和LC选频4 稳幅环节 使电路易于起振又能稳定振荡 波形失真小 正弦波振荡器的一般组成 8 1 4正弦波振荡电路的分类 根据选频网络元件的不同 正弦波振荡器可分为RC振荡器 LC振荡器 石英晶体振荡器三种 RC振荡器一般输出数百千赫以下的低频信号 LC振荡器主要输出数百千赫的高频信号 石英晶体振荡器主要产生高稳定度高频率信号 8 2RC桥式正弦波振荡电路 RC桥式正弦波振荡电路原理如图8 2所示 图中集成运放A作为放大器 RC串并联网络组成选频网络 同时也作为振荡器的正反馈网络 R1 Rf组成电压负反馈以起到稳定和改善输出波形的作用 从图中可以看出 RC串联支路 RC并联支路 R1支路 Rf支路 刚好构成一个文氏电桥的四个臂 如图8 3所示 因此把该振荡器称为RC桥式正弦波振荡器 8 2 1RC串并联选频网络 在RC桥式正弦波振荡电路中 RC串并联电路既作为选频网络 又作为正反馈网络 该电路的频率特性十分重要 8 8 8 2 1RC串并联选频网络 根据上式得到反馈系数的幅频特性和相频特性分别为 8 11 8 12 幅频特性曲线和相频特性曲线 当时 反馈系数的幅值最大等于1 3 相位移 当时 明显减小而且 因此RC串并联网络有很好的选频作用 8 2 2RC桥式振荡电路的振荡频率和起振条件 振荡频率为 振荡角频率 只有时 RC振荡器才能自激振荡 8 3LC正弦波振荡器 8 3 1LC并联回路的频率特性 阻性 LC并联谐振特点 谐振时 总路电流很小 支路电流很大 电感与电容的无功功率互相补偿 电路呈阻性 R为电感和回路中的损耗电阻 当时 并联谐振 谐振时 电路呈阻性 Q为谐振回路的品质因数 Q值越大 曲线越陡越窄 选频特性越好 谐振时LC并联谐振电路相当一个大电阻 LC并联谐振回路的幅频特性曲线 初级线圈 次级线圈 在LC振荡器中 反馈信号通过互感线圈引出 同名端 互感线圈的极性判别 8 3 2LC正弦波振荡器的基本形式 变压器反馈式振荡电路 工作原理 三极管共射放大器 利用互感线圈的同名端 满足相位条件 振荡频率 判断是否是满足相位条件 相位平衡法 断开反馈到放大器的输入端点 假设在输入端加入一正极性的信号 用瞬时极性法判定反馈信号的极性 若反馈信号与输入信号同相 则满足相位条件 否则不满足 LC正弦波振荡器举例 满足相位平衡条件 LC正弦波振荡器举例 振荡频率 满足相位平衡条件 仍然由LC并联谐振电路构成选频网络 三点式LC振荡电路 原理 uf与uo反相 uf与uo同相 电感三点式 电容三点式 uf与uo反相 uf与uo同相 振荡频率 1 电感三点式LC振荡电路 2 电容三点式LC振荡电路 振荡频率 例 试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件 8 4石英晶体振荡电路 Q值越高 选频特性越好 频率越稳定 频率稳定问题 频率稳定度一般由来衡量 频率偏移量 振荡频率 LC振荡电路Q 数百 石英晶体振荡电路Q 10000 500000 8 4 1石英晶体的基特性 2 压电效应 1 结构 极板间加电场 极板间加机械力 压电效应 交变电压 机械振动的固有频率与晶片尺寸有关 稳定性高 当交变电压频率 固有频率时 振幅最大 3 等效电路 等效电路 1 串联谐振 电抗频率特性 晶体等效纯阻且阻值 0 2 并联谐振 通常 所以 8 4 2石英晶体振荡电路 利用石英晶体的高品质因数的特点 构成LC振荡电路 1 并联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在fs与fp之间 相当一个大电感 与C1 C2组成电容三点式振荡器 由于石英晶体的Q值很高 可达到几千以上 所以电路可以获得很高的振荡频率稳定性 2 串联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在fs处 呈电阻性 而且阻抗最小 正反馈最强 相移为零 满足振荡的相位平衡条件 对于fs以外的频率 石英晶体阻抗增大 且相移不为零 不满足振荡条件 电路不振荡 例 分析下图的振荡电路能否产生振荡 若产生振荡 石英晶体处于何种状态 8 5 1方波发生器 1 电路结构 由滞回比较电路和RC定时电路构成 上下限 8 5非正弦波信号发生器 2 工作原理 1 设uo UZ 此时 uO给C充电 uc 则 u UT 在uc UT 时 u u 设uC初始值uC 0 0 方波发生器 uo保持 UZ不变 一旦uc UT 就有u u uo立即由 UZ变成 UZ 此时 C向uO放电 再反向充电 2 当uo UZ时 u UT uc达到UT 时 uo上跳 当uo重新回到 UZ后 电路又进入另一个周期性的变化 完整的波形 动画演示 计算振荡周期T 周期与频率的计算 T T1 T2 2T2 T2阶段uc t 的过渡过程方程为 f 1 T 可推出 3 占空比可调的方波发生器 改变电位器RW的滑动端 就改变了冲放电的时间 从而使方波的占空比可调 电路结构 迟滞比较器 反相积分器 8 5 2三角波发生器 工作原理 若uo1 UZ uo2 u 当u 0时 uo1翻转为 UZ 若uo1 UZ uo2 u 当u 0时 uo1翻转为 UZ 波形图 振荡周期 8 5 3锯齿波发生器 改变积分器的正反向充电时间常数 uo1 UZ D截止 充电时间常数 R4C uo1 UZ D导通 充电时间常数 R6 R4 C R6 R4 8 5 4555时基电路 1 电路框图 555时基电路由分压器 两个比较器 触发器 缓冲器 复位电路 放电管等组成 其中分压器由三个高精度的阻值为5k 的电阻组成 555时基电路框图 2 工作原理 由图8 24可知 两个比较器分别被电阻R1 R2和R3构成的分压器设定的VCC和VCC参考电压所限定 三个5k 电阻组成的分压器 使两个比较器构成一个电平触发器 上触发电平为VCC 下触发电平为VCC 在5脚控制端外接一个参考电源V 可以改变上 下触发电平值 比较器A的输出和比较器B的输出端接到触发器的输入端 加到比较器A同相端6脚的触发信号 只有当电位高于反相端5脚的电位时 触发器才翻转 而加到比较器B反相端2脚的触发信号 只有当电位低于B同相端的电位VCC时 触发器才翻转 8 5 5压控振荡器 1 电路结构 U为直流控制电压 A1组成积分电路 A2组成滞回比较器 场效应管T工作在开关状态 控制积分电容C的充放电 二极管D为隔离二极管 2 工作原理 滞回比较器A2的两个门限电压为 压控振荡器 设开始时uC 0V uo1 0V uo2 UZ D导通 使T截止 这时I1 I2 U 4 由于U为直流电压 则电容C被恒流充电 uC随时间线性上升 uo1则直线下降 当uo1 UTH2时 比较器A2发生翻转 uo2 UZ D截止 T饱和导通 这时I2 I1 I3 U 4R 电容恒流放电 uo1上升 当uo1上升至UTH1时 比较器A2再次翻转 uo2 UZ 这时又重复刚开始的过程 周而复始产生振荡 可以证明振荡器的振荡频率和周期为 振荡波形图 8 5 6集成函授发生器8038 1 8038的内部框图 8038的内部结构框图如图8 29所示 它由电压比较器 触发器 电子开关 波形变换电路 缓冲器 电流源等组成 集成函数发生器8038是单片多用途的发生器 它可以产生正弦波 方波 三角波和锯齿波 在图中 比较器A的门限电压为 2 3 VCC VEE 比较器B的门限电压为 1 3 VCC VEE 电流源IS1和IS2担任外接电容C的充放电回路 且IS2 IS1 电容C的充放电转换由电子开关S控制 当S断开时 电流源IS1向电容C充电 当S闭合时 外接电容C通过IS2放电 开关S的状态受触发器的输出电平控制 当触发器输出低电平时 S断开 当触发器输出高电平时 S闭合 8038内部结构框图 8 5 6集成函授发生器8038 2 工作原理 设开始时 触发器输出为低电平 电子开关S断开 电流源IS1对电容C恒流充电 uc随时间线性上升 当uc 2 3 VCC VEE 时 比较器A产生跳变 使触发器翻转输出高电平 开关S闭合 电容C以 IS2 IS1 恒流放电 uc随时间线性下降 当uc降至1 3 VCC VEE 比较器B发生跳变 使触发器再次翻转输出低电平 开关S再次断开 如此重复开始时的过程 产生振荡 电容C上形成的线性三角波 经缓冲器一路产生三角波输出信号 另一路经三角波变正弦波电路 产生正弦波输出信号 触发器的输出电平 除用于控制电子开关S外 还用于产生方波输出信号 3 8038的外部引脚排列 4 8038的典型应用 利用8038组成的信号发生器如图8 31所示 图中 定时电容C RP1 R3 R4决定发生器的振荡频率 RP2可调节方波占空比和锯齿波上升和下降的时间 RP3 RP4可调节正弦波的失真度 8038函数发生器 8038的外部引脚排列 本章小结 2 正弦波振荡电路主要有RC振荡电路和LC振荡电路两种 RC振荡电路主要用于中低频场合 LC振荡电路主要用于高频场合 石英晶体振荡电