第八章 信号发生器

第八章信号发生器,8.1正弦信号发生器,8.2非正弦信号发生器器,本章重点和考点：,1.重点掌握RC正弦波振荡工作原理。,3.掌握非正弦波发生电路的原理。,本章教学时数：4学时,本章讨论的问题：,1.在模拟电子电路中需要哪些波形的信号作为测试信号和控制信号？,2.正弦波振荡电路所产生的自激振荡和负反馈放大电路中所产生的自激振荡有什么区别？3.为什么正弦波振荡电路中必须有选频网络？选频网络由哪些元件组成？,4.为什么说矩形波发生电路是产生非正弦波信号的基础？为什么非正弦波发生电路中几乎都有电压比较器？,.,8.1正弦波信号发生器,8.1.1正弦自激振荡的基本原理,放大电路,反馈网络,如果反馈电压uf与原输入信号ui完全相等，则即使无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号自激振荡。(电路要引入正反馈),图8.1.2正弦波振荡电路的方框图,一、产生正弦波振荡的条件,.,由此知放大电路产生自激振荡的条件是：,即：,所以产生正弦波振荡的条件是：,幅度平衡条件,相位平衡条件,电路起振的条件：,.,二、正弦波振荡电路的组成及分类,组成：,放大电路：集成运放,选频网络：确定电路的振荡频率,反馈网络：引入正反馈,稳幅环节：非线性环节，使输出信号幅值稳定,分类：,RC正弦波振荡电路，频率较低，在1MHz以下。,LC正弦波振荡电路，频率较高，在1MHz以上。,石英晶体振荡电路，频率较高，振荡频率非常稳定。,.,三、判断电路能否产生正弦波振荡的方法和步骤,1.检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分；,2.检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正常工作；,3.分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件,判断相位平衡条件的方法是：瞬时极性法。,5.估算振荡频率和起振条件,4.判断是否满足振幅平衡条件。,.,8.1.2RC正弦波振荡电路,RC串并联网络振荡电路也称RC桥式正弦波振荡电路或称文氏振荡电路(Wien),电路组成：,放大电路集成运放A；,选频与正反馈网络R、C串并联电路；,稳幅环节RF与R组成的负反馈电路。,.,图8.1.4,一、RC串并联选频网络,Z1,Z2,取R1=R2=R，C1=C2=C，令,则：,.,得RC串并联电路的幅频特性为：,相频特性为：,最大，F=0。,1/3,+90,-90,图8.1.5,.,二、振荡频率与起振条件,1.振荡频率,2.起振条件,f=f0时，,由振荡条件知：,所以起振条件为：,同相比例运放的电压放大倍数为,即要求：,.,三、振荡电路中的负反馈(稳幅环节),引入电压串联负反馈，可以提高放大倍数的稳定性，改善振荡电路的输出波形，提高带负载能力。,反馈系数,改变RF，可改变反馈深度。增加负反馈深度，并且满足,则电路可以起振，并产生比较稳定而失真较小的正弦波信号。,图8.1.7,反馈电阻RF采用负温度系数的热敏电阻，,采用正温度系数的热敏电阻，均可实现自动稳幅。,.,稳幅的其它措施,电流增大时，二极管动态电阻减小。电流减小时，动态电阻增大，加大非线性环节，从而使输出电压稳定。,在RF回路中串联二个并联的二极管,.,四、振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路,用双层波段开关接不同电容，作为振荡频率f0的粗调；,用同轴电位器实现f0的微调。,RC串、并联网络中，如何调节频率？,问题：如何提高频率？,.,*其他形式的RC振荡电路,一、移相式振荡电路,集成运放产生的相位移A=180，如果反馈网络再相移180，即可满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。,振荡频率为：,270,180,90,当f=f0时，相移180，满足正弦波振荡的相位条件。,起振条件：RF12R,.,*二、双T选频网络振荡电路,振荡频率约为：,当f=f0时，双T网络的相移为F=180；反相比例运放的相移A=180，因此满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。,如果放大电路的放大倍数足够大，同时满足振幅平衡条件，即可产生正弦波振荡。,起振条件,.,*三种RC振荡电路的比较,.,8.1.3LC正弦波振荡电路,一、LC谐振回路的频率特性,当频率变化时，并联电路阻抗的大小和性质都发生变化。,并联电路的导纳：,当,电路发生并联谐振。,图8.1.10,.,并联谐振角频率,令：,谐振回路的品质因数,当Q1时,谐振频率：,.,回路等效阻抗：,LC并联回路的阻抗：,发生并联谐振时，,在谐振频率附近，,可见，Q值不同，回路的阻抗不同。,.,不同Q值时，LC并联电路的幅频特性：,Z01,Z02,Q1Q2,Q1,Q2,相频特性：,Q1,Q2,Q1Q2,感性,纯阻,容性,结论：,1.当f=f0时，电路为纯电阻性，等效阻抗最大；当ff0时，电路为容性。所以LC并联电路具有选频特性。,2.电路的品质因数Q愈大，选频特性愈好。,图8.1.11,.,谐振时LC回路中的电流,电容支路的电流：,并联回路的输入电流：,所以：,当Q1时，,结论：谐振时，电容支路的电流与电感支路的电流大小近似相等，而谐振回路的输入电流极小。,.,若以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载,当f=f0时，电压放大倍数的数值最大，且无附加相移。因而电路称为选频放大电路,若增加正反馈，并用反馈电压取代输入电压，则电路就成为正弦波振荡电路,LC正弦波振荡电路,.,二、变压器反馈式振荡电路,1.工作原理,用瞬时极性判断为正反馈，所以满足自激振荡的相位平衡条件。,2.振荡频率和起振条件,振荡频率,起振条件,图8.1.14变压器反馈式振荡电路,.,三、电感反馈式振荡电路,1.电路组成,用瞬时极性判断为正反馈，所以满足自激振荡的相位平衡条件。,2.振荡频率和起振条件,振荡频率,起振条件,图8.1.17,.,四、电容反馈式振荡电路,1.电路组成,用瞬时极性判断为正反馈，所以满足自激振荡的相位平衡条件。,2.振荡频率和起振条件,振荡频率,起振条件,图8.1.20,.,电容反馈式改进型振荡电路,振荡频率,选择CC1，CC2，,则：,减小了三极管极间电容对振荡频率的影响，适用于产生高频振荡。,图8.1.22,.,若要求电容反馈式振荡电路的振荡频率高达100MHz，怎么办？,采用共基放大电路,如何分析？,.,各种LC振荡电路的比较,.,8.1.4石英晶体振荡器,石英晶体谐振器，简称石英晶体，具有非常稳定的固有频率。,一、石英晶体的特点,压电效应：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产生机械变形；若在晶片上施加机械压力，在晶片相应的方向上会产生一定的电场。,压电谐振：晶片上外加交变电压的频率为某一特定频率时，振幅突然增加。,1.压电效应和压电振荡,.,2.等效电路和振荡频率,符号：,串联谐振频率,并联谐振频率,电抗频率特性,fs,fp,容性,容性,感性,图8.1.27,图8.1.28,.,二、石英晶体正弦波振荡电路,1.并联型石英晶体正弦波振荡电路,交流等效电路,振荡频率,由于,图8.1.29,.,2.串联型石英晶体振荡电路,图8.1.30串联型石英晶体振荡电路,当振荡频率等于fS时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，此时正反馈最强，相移为零，电路满足自激振荡条件。,振荡频率,调节R可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。,.,8.2非正弦波发生电路,非正弦波：矩形波、三角波、尖顶波和阶梯波等,图8.2.1几种常见的非正弦波,.,8.2.1矩形波发生电路,一、电路组成,RC充放电回路,滞回比较器,图8.2.2,滞回比较器：集成运放、R1、R2；,充放电回路：R、C；（延迟环节、反馈网络）,钳位电路：VDZ、R3。（稳幅环节）,动画avi14-1.avi,.,二、工作原理,设t=0时，uC=0，uO=+UZ,则,u+,u-,当u-=uC=u+时，,t1,t2,则,当u-=uC=u+时，输出又一次跳变，uO=+UZ,输出跳变，uO=-UZ,图8.2.4,.,三、振荡周期,电容的充放电规律：,对于放电，,解得：,结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电阻，即可改变振荡周期。,振荡频率f=1/T,.,四、占空比可调的矩形波发生电路,图8.2.5a,使电容的充、放电时间常数不同且可调，即可使矩形波发生器的占空比可调。,充电时间T1,放电时间T2,占空比D,图8.2.5b,.,8.2.2三角波发生电路,一、电路组成,图8.2.6采用波形变换的方法得到三角波,uO1为方波,电路分析,uO2为三角波,.,二、工作原理,当u+=u-=0时，滞回比较器的输出发生跳变。,图8.3.8,实用电路,左边是同相输入滞回比较器右边为反向积分运算电路,传输特性,.,二、工作原理,当u+=u-=0时，滞回比较器的输出发生跳变。,图8.2.9,设t=0时，uO1=+UZu0=0,.,三、输出幅度和振荡周期,解得