振荡器的基本原理[行业知识]

1、本章目录本章目录 总目录 点击即可进入学习 习题解答习题解答 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 一一. 产生自激振荡的条件产生自激振荡的条件 fid XXX-= 改成正反馈改成正反馈 只有正反馈电路才能产生自激振荡。只有正反馈电路才能产生自激振荡。 8.1 正弦波振荡器的基本原理正弦波振荡器的基本原理 + X i f 基本放大器基本放大器 A 反馈网络反馈网络 F X + doX X 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 如果：如果： , if XX= 则去掉则去掉 , i X仍有信号输出。仍有信号输出。 反馈信号代替了放大反馈信号代替了

2、放大 电路的输入信号。电路的输入信号。 X i + f 基本放大器基本放大器 A 反馈网络反馈网络 F X + doX X Xdo f 基本放大器基本放大器 A 反馈网络反馈网络 F X X 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 FA=1 Xd=Xf 所以，自激振荡条件也可以写成：所以，自激振荡条件也可以写成： 自激振荡的条件：自激振荡的条件： 1、振幅条件：、振幅条件：1|= =AF 2、相位条件：、相位条件：pjjn FA 2=+ n是整数是整数 1 . = =FA A AAj j = =| 因为：因为： F FFj j = =| . Xdo f 基本放大器基本放

3、大器 A 反馈网络反馈网络 F X X d X X A 0 = = 0 X X F f = = 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 二二.起振条件和稳幅原理起振条件和稳幅原理 起振条件：起振条件： 结果：产生增幅振荡结果：产生增幅振荡 1|FA （略大于）略大于） 1 1、被动稳幅：、被动稳幅：器件非线性器件非线性 2 2、主动稳幅：、主动稳幅：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以 调节调节放大电路的放大电路的增益。增益。 稳幅过程：稳幅过程： 起振时，起振时，1|FA 稳定振荡时，稳定振荡时，1|=FA 稳幅措施：稳幅措施： 起

4、振过程起振过程 Xdo f 基本放大器基本放大器 A 反馈网络反馈网络 F X X 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 1.1.放大电路放大电路实现能量控制。实现能量控制。 2.2.正反馈网络正反馈网络满足起振条件。满足起振条件。 3.3.选频网络选频网络只有一个频率满足振荡条件只有一个频率满足振荡条件 ，从而获得单一频率的正弦波输出。，从而获得单一频率的正弦波输出。 常用的选频网络有常用的选频网络有RC选频选频和和LC选频选频 4.4.稳幅环节稳幅环节使电路易于起振又能稳定振使电路易于起振又能稳定振 荡，波形失真小。荡，波形失真小。 三三. .正弦波振荡器的一般组

5、成正弦波振荡器的一般组成 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 8.2 RC正弦波正弦波振荡电路振荡电路 一一. RC 串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性 R1C1 串联阻抗：串联阻抗： 21 2 o f ZZ Z U U F + = )j/1 ( 111 CRZ+= 22 2 222 j1 )j/1/( CR R CRZ + = = R2C2 并联阻抗：并联阻抗： 选频特性：选频特性： + + + R u + - o - f u + 1 2 R C1 2 C 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 1.定性分析定性分析 （1）当信号的频

6、率很低时。）当信号的频率很低时。 R1 1 1 C R2 2 1 C 其低频等效电路为：其低频等效电路为： 其频率特性为：其频率特性为： 当当=0时，时， uf=0，F=0 =+90F j 当当时，时， uf=，F F j + + + + f o - + R2 1 u - u C + 0 |F| 0 F 90 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 （2）当信号的频率很高时。）当信号的频率很高时。 R1 1 1 C R2 2 1 C 其高频等效电路为：其高频等效电路为： 其频率特性为：其频率特性为： 当当=时，时， uf=0，F=0 =-90F j 当当时，时， uf=

7、，F F j + + + o u - f- u + 2 C + 1 R 0 |F| 0 F -90 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 0=？ Fmax=？ 由以上分析知：一定有一个频率由以上分析知：一定有一个频率0存在，存在， 当当=0时，时，F最大，且最大，且 =0 F j 0 |F| 0 F 90 0 |F| 0 F -90 频率很低频率很低频率很高频率很高 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 2. 定量分析定量分析 )j/1( 111 CRZ + += = 22 2 222 j1 )j/1/( CR R CRZ + + = = =

8、 = R1C1 串联阻抗：串联阻抗： R2C2 并联阻抗：并联阻抗： 21 2 o f ZZ Z U U F + + = = = + + + R u + - o - f u + 1 2 R C1 2 C ) 1 j()1( 1 j1j 1 j1 12 21 2 1 1 2 22 2 1 1 22 2 CR CR R R C C CR R C R CR R F - -+ + + + = = + + + + + + + = = 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 ) 1 j()1( 1 j1j 1 j1 12 21 2 1 1 2 22 2 1 1 22 2 CR CR

9、 R R C C CR R C R CR R F - -+ + + + = = + + + + + + + = = 通常，取通常，取R1R2R，C1C2C，则有：，则有： )j(3 1 0 0 - -+ + = = F 式中：式中： RC 1 0 = = 可见：当可见：当 时，时， F最大，且最大，且 =0 RC 1 0 = F j Fmax=1/3 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 RC串并联网络完整的频率特性曲线：串并联网络完整的频率特性曲线： RC 1 0 = = 当当 时，时， F= Fmax=1/3 0 F =j RC 1 0 = RC f p p2 1

10、 0 = = F o +90 o |F| 1/3 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 二二.RC桥式振荡器的工作原理桥式振荡器的工作原理 0= A j 在在 f0 处处 ,0= F j 满足相位条件：满足相位条件： 因为：因为： AF=1 3 1 =F 1 1 f+= R R A 1f2RR = 只需：只需：A=3 输出正弦波频率输出正弦波频率： RC f p p2 1 0 = = 0=+ FA jj 振幅条件：振幅条件： u Rf 1 R R RC C uf A + + o 引入负反馈：引入负反馈： 选：选： 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页

11、下页下页 RC桥式桥式正弦波振荡电路正弦波振荡电路 反馈网络构成桥路反馈网络构成桥路 EWB仿真仿真 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 例题例题: :R=1k=1k ，C=0.1=0.1 F F，R1 1=10k=10k 。Rf f为多大时才为多大时才 能起振？振荡频率能起振？振荡频率f0 0= =？ AF=1， 3 1 =F 1 1 f+= R R A A=3 Rf=2R1=2 10=20k k RC f p2 1 0 = =1592 Hz 起振条件：起振条件： u Rf 1 R R RC C uf A + + o 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页

12、首页首页下页下页 能自动稳幅的振荡电路能自动稳幅的振荡电路 u 0.1u 10k0.1u + + A f u 10k 10k 39k 100k o t R 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 (负温度系数）负温度系数） 起振时起振时Rt较大较大 使使 A3,易起振易起振 当当uo幅度自激增幅度自激增 长时，长时， Rt减小，减小， A减小。减小。 当当uo幅度达某一幅度达某一 值时，值时，A3 当当uo进一步增大进一步增大 时，时， RT再减小再减小 , 使使A UREF时时 , uo = +Uom 当当ui UREF时时 , uo = -Uom 运放处于运放处于 开环状态开环状态 u u U +

13、+ + i - u u A O REF 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 uo ui 0 +Uom -Uom UREF 当当ui UREF时时 , uo = -Uom 若若ui从反相端输入从反相端输入 u u U + + + i - u u A O REF + - 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 uo ui 0 +UZ -UZ （1）用稳压管稳定输出电压）用稳压管稳定输出电压 忽略了忽略了UD 3. 限幅电路限幅电路使输出电压为一稳定的确定值使输出电压为一稳定的确定值 u u Z+O + - A u Z + D u R i 当当ui

14、 0时时 , uo = +UZ 当当ui 0时时 , uo = -UZ 当当ui 0时时 , uo = +UZ 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 二二. 迟滞比较器迟滞比较器 1.工作原理工作原理两个门限电压。两个门限电压。 特点特点:电路中使用正反馈电路中使用正反馈运放工作在非线性区。运放工作在非线性区。 （1）当）当uo =+UZ时，时， （2）当）当uo =-UZ时，时， REFZ U RR R U RR R Uu 2f f 2f 2 T + + + + + + = = = + + + REFZ U RR R U RR R Uu f2 f f2 2 T +

15、+ + + + + - -= = = - -+ + UT+称称上门限电压上门限电压 UT-称称下门限电压下门限电压 (UT+- UT- )称为回差称为回差电压电压 u u u A + R - Z u+ D O + f u R Z i REF R1 R2 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 迟滞比较器的电压传输特性：迟滞比较器的电压传输特性： uo ui 0 +UZ -UZ UT+ UT- 设设ui , 当当ui = UT+时时, uo从从+UZ -UZ u u u A + R - Z u+ D O + f u R Z i REF R1 R2 EWB仿真仿真 模拟电子

16、技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 同相滞回比同相滞回比 较器电压传较器电压传 输特性输特性 反相滞回比反相滞回比 较器电压传较器电压传 输特性输特性 从运放的反相从运放的反相 输入端输入输入端输入 从运放的同相从运放的同相 输入端输入输入端输入 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 例题：例题：Rf=10k ，R2=10k ，UZ=6V， UREF=10V。 当输入当输入ui为如图所示的波形时，画为如图所示的波形时，画 出输出出输出uo的波形。的波形。 上下限电压：上下限电压： V8 2f f 2f 2 T = = + + + + + + = =

17、 + +REFZ U RR R U RR R U V2 2f f 2f 2 T = = + + + + + + - -= = - -REFZ U RR R U RR R U uo ui 0 8V2V 传输特性传输特性 +6V -6V u u u A + R - Z u+ D O + f u R Z i REF R1 R2 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 2V 8V ui uo +6V -6V uo ui 0 8V2V 传输特性传输特性 +6V -6V u u u A + R - Z u+ D O + f u R Z i REF R1 R2 模拟电子技术第八章模拟

18、电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 三、窗口电压比较器三、窗口电压比较器 时时,V,VO1 O1=V =VO2 O2=V =VOL OL， ，V VO O=0=0； 由此画出电压传输特性如图所示。由此画出电压传输特性如图所示。 电路有两个参考电压电路有两个参考电压V VRH RH和 和V VRL RL， ， 当当 V VRH RH时， 时，V VO1 O1=V =VOH OH， ，V VO2 O2=V =VOL OL， ，V VO O=V=VOH OH； ； 当当 V VRL RL时， 时，V VO1 O1=V =VOL OL， ，V VO2 O2=V =VOH OH， ，V VO O=

19、V=VOH OH； ； 当当 S v S v RHSRL VvV 1o V 2o V RH V RL V RLRH VV 令令 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 1R V 2R V 三态电压比较器三态电压比较器 21RR VV 令令 1o V 2o V oLooRS VVVVv= = = 212,D2导，导，D1截，截， OLo Vv = = oHooRS VVVVv= = = 211, D2截，截，D1导，导， OHo Vv = = 21RSR VvV D2截，截，D1截，截，0= = o v 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 四、

20、集成比较器四、集成比较器 1. LM3111. LM311型集成比较器型集成比较器 特点：特点：电源电压可以单组电源电压可以单组+5V+5V，也可，也可15V15V，适应，适应 范围宽；输出与范围宽；输出与TTLTTL或或CMOSCMOS平兼容；可以直接驱平兼容；可以直接驱 动多种负载（灯泡、继电器等）。动多种负载（灯泡、继电器等）。 + - 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 LM311LM311的几种实际连接的几种实际连接 集电极输集电极输 出连接出连接 集电极输集电极输 出连接出连接 发射极输发射极输 出连接出连接 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上

21、页首页首页下页下页 2. MC145742. MC14574（CMOSCMOS）集成四电压比较器）集成四电压比较器 MC14574MC14574比较器比较器 电路原理图电路原理图 MC14574MC14574比较器比较器 引脚排列图引脚排列图 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 1.电路结构电路结构 由滞回比较电路和由滞回比较电路和RC定时电路构成定时电路构成 Z U RR R U f1 1 T + + = = + + Z U RR R U f1 1 T + + - -= = - - 上下限上下限: 8.6 8.6 非正弦波发生电路非正弦波发生电路 u + A +

22、- u+ u 1 R f R Z R Z D O R C u C 一、方波（矩形波）发生器一、方波（矩形波）发生器 EWB仿真仿真 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 2.工作原理：工作原理： (1) 设设 uo = + UZ , 此时，此时，uO给给C 充电充电, uc ， 则：则：u+=UT+ 0 t uo +UZ -UZ uc UT+ 0 t 一旦一旦 uc UT+ , 就有就有 u- u+ , uo 立即由立即由UZ变成变成UZ 。 在在 uc UT+ 时，时，u- u+ , 设设uC初始值初始值uC(0+)= 0 方波发生器方波发生器 uo保持保持+UZ不

23、变不变 +UZ u + A + - u+ u 1 R f R Z R Z D O R C u C 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 此时，此时，C向向u uO O放电放电, ,再反向充电再反向充电 (2) 当当uo = -UZ 时，时，u+=UT- uc达到达到UT-时，时，uo上跳。上跳。 UT+ uc t UT- 当当uo 重新回到重新回到UZ 后，电路又进入另一个周期性的变化。后，电路又进入另一个周期性的变化。 -UZ u + A + - u+ u 1 R f R Z R Z D O R C u C 0 t uo +UZ -UZ 模拟电子技术第八章模拟电子技

24、术第八章 上页上页首页首页下页下页 0 UT+ uc t UT- +UZ uo 0 t - UZ T 完整的波形：完整的波形： 如何计算振荡周期如何计算振荡周期T？ u + A + - u+ u 1 R f R Z R Z D O R C u C 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 周期与频率的计算：周期与频率的计算： 0 UT+ uc t UT- +UZ -UZ T1T2 TT= T1 + T2 =2 T2 uc(t)=UC ( )+ UC (0+) -UC ( ) e , =RC - t T2阶段阶段uc(t)的过渡过程方程为的过渡过程方程为: u + A +

25、- u+ u 1 R f R Z R Z D O R C u C 令令t=0t=T/2 + + = =+ + TC UU)0( ZC UU- -= = )( - - = = TC UTU)2/( RC T ZTZ eUUU 2/ )( - - + + - - -+ +- -= = 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 周期与频率的计算：周期与频率的计算： 0 UT+ uc t UT- +UZ -UZ T1T2 T u + A + - u+ u 1 R f R Z R Z D O R C u C 令令t=0t=T/2 - - = = TC UTU)2/( RC T ZT

26、Z eUUU 2/ )( - - + + - - -+ +- -= = Z U RR R U f1 1 T + + = = + + Z U RR R U f1 1 T + + - -= = - - ) 2 1ln(2 f 1 R R RCT+ += =代如可推出代如可推出: f = 1/T 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 3 3、占空比可调的方波发生器占空比可调的方波发生器 UZ uo 0 t - UZ 改变电位器改变电位器 RW 的滑动端，就改变了冲放电的的滑动端，就改变了冲放电的 时间，从而使方波的占空比可调。时间，从而使方波的占空比可调。 u + A +

27、- u+ u 1 R f R Z R Z D 1 D 2 D O R W R C u C Tk T T Tk = =占空比占空比 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 CRRW)( 311 + + CRRW)( 322 + + ) 2 1ln( 2 1 11 R R T+ += = ) 2 1ln( 2 1 22 R R T+ += = ) 2 1ln()2( 2 1 3 21 R R CRR TTT W + + += = + += = 3 311 2RR RR T T W W + + + + = = 可见：调节电位器可改变占空比，不可改变周期。可见：调节电位器可改变

28、占空比，不可改变周期。 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 二、三角波及锯齿波信号发生器二、三角波及锯齿波信号发生器 电路结构：迟滞比较器电路结构：迟滞比较器+反相积分器反相积分器 1. 三角波发生器三角波发生器 u+ R + A1 + R Z - 2 Z D u 4 R o2 + + R1 R3 5 R C u uo1 A2 工作原理工作原理： 2o 21 2 1o 21 1 u RR R u RR R u + + + + + + = = + +2o 21 2 21 1 u RR R U RR R Z + + + + + + = = 0= = = - -+ + u

29、u令令 Z U R R u 2 1 2o = = ZTo U R R Uu 2 1 2 = =+ += = ZTo U R R Uu 2 1 2 - -= =- -= = 对输出有上对输出有上 下限电压：下限电压： EWB仿真仿真 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 u+ R + A1 + R Z - 2 Z D u 4 R o2 + + R1 R3 5 R C u uo1 A2 若若uo1=+UZ， uo2。 当当u02 -UT时，时， uo1由由+UZ翻转为翻转为-UZ 若若uo1=-UZ， uo2。 当当u02 +UT时，时， uo1由由-UZ翻转为翻转为+U

30、Z ZTo U R R Uu 2 1 2 = =+ += = ZTo U R R Uu 2 1 2 - -= =- -= = O1 u O2 u 同相同相 滞回滞回 )(0dt 1 2o 0 1o 4 2o + + + +- -= = uu CR u t 由由积积分分运运算算 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 波形图波形图 0 UT+ uo2 t UT- +UZ uo1 0 t - UZ T O1 u O2 u 同相同相 滞回滞回 当当u02 -UT时时, uo1由由+UZ翻转为翻转为-UZ 当当u02 +UT时时,uo1由由-UZ翻转为翻转为+UZ 若若uo1=

31、-UZ， uo2。 若若uo1=+UZ， uo2。 )(0dt 1 2o 0 1o 4 2o + + + +- -= = uu CR u t 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 波形图波形图 振荡周期：振荡周期： 0 UT+ uo2 t UT- +UZ uo1 0 t - UZ T u R - + Z + u R R + 1 2 A1 u 4 R + C A2 R Z D 5 + uo1 o2 2 41 4 R CRR T = = CRR R f 41 2 4 = = 振荡频率：振荡频率： 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 2.锯齿波发

32、生器锯齿波发生器 改变积分器的正反向充改变积分器的正反向充 电时间常数，从而改变电时间常数，从而改变 占空比。占空比。 u Z o1 R o2 3 Z u + R R 5 + D u 4 u R A1 - R + 1 A2 + 2 C + R D 6 R uo1=+UZ，D截止，截止，充电充电 时间常数：时间常数：R4C。 uo1=-UZ，D导通，导通，充电时间充电时间 常数：常数：(R6R4)CR6C。 +UZ uo1 0 t - UZ R6R4 T1 T2 2 41 1 2 R CRR T = = 2 61 2 2 R CRR T = = 模拟电子技术第八章模拟电子技术第八章 上页上页首页首页下页下页 u Z o1 R o2 3 Z u + R R 5 + D u 4 u R A1 - R + 1 A2 + 2 C + R D 6 R +UZ uo1 0 t - UZ R6R4 T1 T2 2 41 1 2 R CRR T = = 2 61 2 2 R CRR T = = 1 2 641 21 )(2 T R CRRR TTT + + = =+ += = T 64 41 RR R T T + + = = 模拟电