正弦波发生器基本原理ppt课件.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 1 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 2 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 3 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 4 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 5 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 6 振荡条件 只有正反馈电路才能产生自激振荡 7 反馈信号代替了放大电路的输入信号 8 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 9 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 10 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 11 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 12 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 13 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 14 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 15 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 16 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 17 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 18 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 19 初级线圈 次级线圈 同名端 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 20 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 21 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 22 LC正弦波振荡器举例 满足相位平衡条件 23 LC正弦波振荡器举例 振荡频率 满足相位平衡条件 24 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 25 振荡频率 1 电感三点式LC振荡电路 26 2 电容三点式LC振荡电路 振荡频率 27 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 28 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 29 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 30 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 31 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 32 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 33 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 34 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 35 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 36 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 37 完整的波形 动画演示 计算振荡周期T 38 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 39 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 40 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 41 波形图 振荡周期 42 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 43 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 44 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 45 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 46 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 47 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 48 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 49 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 50 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