第9章 信号产生电路

1、 9.1 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件 9.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 9.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路*9.4 非正弦波振荡电路非正弦波振荡电路9.1 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件1. 1. 振荡条件振荡条件2. 2. 起振和稳幅起振和稳幅3. 3. 振荡电路基本结论振荡电路基本结论正弦波振荡器正弦波振荡器（或称正弦波信号发生器）分（或称正弦波信号发生器）分RCRC、LCLC和石英和石英晶体正弦波振荡电路三种类型晶体正弦波振荡电路三种类型: :RCRC：输出频率较低输出频率较低 1HZ1HZ1MHZ1MHZ 低频信号低频信号; ;LC

2、LC：输出频率较高输出频率较高 一般产生一般产生1MHZ1MHZ以上高频信号以上高频信号; ;石英晶体石英晶体正弦波振荡电路正弦波振荡电路f f非常稳定非常稳定; ;1. 振荡条件振荡条件自激振荡自激振荡放大电路输入端不接外接信号，而在输放大电路输入端不接外接信号，而在输出端仍有一定频率和幅度的信号输出的现象。出端仍有一定频率和幅度的信号输出的现象。自激振荡在放大电路中并非好事，它将使自激振荡在放大电路中并非好事，它将使放大电路放大电路不能正常工作，因此要采用消振电路来破坏不能正常工作，因此要采用消振电路来破坏产生自激振荡的条件产生自激振荡的条件但在振荡电路中则不然，它正是利用自激但在振荡电路

3、中则不然，它正是利用自激振荡而工作。振荡而工作。振荡器与放大器的区别：前者不加输入信振荡器与放大器的区别：前者不加输入信号就有输出信号，而后者的输入端要接信号源。号就有输出信号，而后者的输入端要接信号源。 正反馈放大电正反馈放大电路如图示。（注意路如图示。（注意与负反馈方框图的与负反馈方框图的差别）差别）fiaXXX 若环路增益若环路增益1 FA则则， faXX 去掉去掉， iXoX仍有稳定的输出仍有稳定的输出又又fafa AFFAFA所以振荡条件为所以振荡条件为1)()( FA振幅平衡条件振幅平衡条件 n2)()(fa 相位平衡条件相位平衡条件FAAAF 1则称电路发生则称电路发生自激振荡自

4、激振荡2. 2. 起振和稳幅起振和稳幅起振条件起振条件1)()( FA n2)()(fa 当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加，否则波形将出现失真。加，否则波形将出现失真。 噪声中，满足相位平衡条件的某一频率噪声中，满足相位平衡条件的某一频率 0的信号被放大，的信号被放大，成为振荡电路的输出信号。成为振荡电路的输出信号。 稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时， 使振幅平衡条件从使振幅平衡条件从 回到回到1 AF。 1 AF3. 3. 基本结论基本结论正弦波持续振荡的两个条件是

5、：正弦波持续振荡的两个条件是：振幅平衡条件（幅值条件）振幅平衡条件（幅值条件） AF=1相位平衡条件相位平衡条件 n2)()(fa 从电路结构上来看，一个振荡电路必须满足三个条件：从电路结构上来看，一个振荡电路必须满足三个条件：放大电路放大电路正反馈正反馈选频网络（只对某一固定频率发生振荡）选频网络（只对某一固定频率发生振荡）欲使振荡电路自行建立振荡，则必需满足欲使振荡电路自行建立振荡，则必需满足1 FA到1 FA的条件9.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路1. 1. 电路组成电路组成2. 2. RCRC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性3. 3. 振荡电路工作原理振荡电路工作

6、原理4. 4. 稳幅措施稳幅措施1. 1. 电路组成电路组成反馈网络兼做选频网络反馈网络兼做选频网络2. 2. RCRC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性反馈系数反馈系数)()()(ofsVsVsFV 212ZZZ 2)(31sCRsCRsCR 又又 j s且令且令RC10 则则)( j3100 VF幅频响应幅频响应2002)(31 VF相频响应相频响应3)(arctg00f 2. RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性当当2002)(31 VF幅频响应有最大值幅频响应有最大值3)(arctg00f RCffRC 21 100 或或31max VF相频响应相频响应0

7、f 3. 振荡电路工作原理振荡电路工作原理此时若放大电路的电压增益为此时若放大电路的电压增益为 用瞬时极性法判断可知，电用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件路满足相位平衡条件则振荡电路满足振幅平衡条件则振荡电路满足振幅平衡条件0f 当当RC10 时，时， n2fa (+)(+)(+)(+)Av311f RRAV1313 VVFA电路可以输出频率为电路可以输出频率为 的正弦波的正弦波RCf 210 RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波的正弦波采用非线性元件采用非线性元件4. 稳幅措施稳幅措施4热敏元件热敏元件热敏电阻热敏电阻起振时，

8、起振时，311f RRAV即即1 VVFA热敏电阻的作用热敏电阻的作用 oV oI 功功耗耗 fR 温温度度 fR 阻阻值值 fR3 VA1 VVFA稳幅稳幅 VA具有负温度系数采用非线性元件采用非线性元件4. 稳幅措施稳幅措施4场效应管（场效应管（JFET）31DS3p3 RRRAV稳幅原理稳幅原理 oV )(GS负负值值V DSR3 VA1 VVFA稳幅稳幅 VA34 CRD、整流滤波整流滤波T 压控电阻压控电阻vDSiDvGS=0V-1V-2V-3V可变电阻区，斜率可变电阻区，斜率随随vGS不同而变化不同而变化 （3）采用非线性元件）采用非线性元件二极管二极管end9.3 LC正弦波振荡

9、电路正弦波振荡电路9.3.1 LC并联谐振回路选频特性并联谐振回路选频特性9.3.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路9.3.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路9.3.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路1. 等效阻抗等效阻抗9.3.1 LC并联谐振回路选频特性并联谐振回路选频特性LRCLRCZ jj1)j(j1 等效损耗电阻等效损耗电阻)1j(CLRCLZ 一般有一般有LR 则则CQLQRCLZ000 当当 时，时，LC10 电路谐振。电路谐振。LC10 为谐振频率为谐振频率谐振时谐振时阻抗最大，且为纯阻性阻抗最大，且为纯阻性其中其中CLRRCRLQ1100 为品质因数为品质因

10、数同时有同时有IQII LL即即III LL2. 频率响应频率响应9.3.1 LC并联谐振回路选频特性并联谐振回路选频特性 虽然波形出现了失真，但由于虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的谐振电路的Q值很高，选值很高，选频特性好，所以仍能选出频特性好，所以仍能选出 0的正弦波信号。的正弦波信号。9.3.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路1. 电路结构电路结构2. 相位平衡条件相位平衡条件3. 幅值平衡条件幅值平衡条件4. 稳幅稳幅5. 选频选频 通过选择高通过选择高 值的值的BJT和和调整变压器的匝数比，可以调整变压器的匝数比，可以满足满足1 FA，电路可以起振。，电路可以起振

11、。 BJT进入非线性区，波形进入非线性区，波形出现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目的。出现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目的。（定性分析）（定性分析）VCCRb1ReRb2C1CeMLCcbeTvo(+)(-)(+)(+)VCCRb1ReRb2C1MLCcbeT(-)(-)(+)(+)9.3.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路反馈反馈满足相位平衡条件满足相位平衡条件满足相位平衡条件满足相位平衡条件反馈反馈(-)仍然由仍然由LC并联谐振电路构成选频网络并联谐振电路构成选频网络A. 若中间点交流接地，则首端与尾端若中间点交流接地，则首端与尾端 相位相反。相位相反。9.3.3 三点

12、式三点式LC振荡电路振荡电路1. 三点式三点式LC并联电路并联电路C1C2首端首端尾端尾端中间端中间端L电容三点式电容三点式C首端首端尾端尾端中间端中间端L1L2电感三点式电感三点式 中间端的瞬时电位一定在首、尾端中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。电位之间。三点的相位关系三点的相位关系B. 若首端或尾端交流接地，则其他两若首端或尾端交流接地，则其他两 端相位相同。端相位相同。9.3.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路2. 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路9.3.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路3. 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。值越高，

13、选频特性越好，频率越稳定。9.3.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路1. 频率稳定问题频率稳定问题频率稳定度一般由频率稳定度一般由 来衡量来衡量0ff 频率偏移量。频率偏移量。f 0f振荡频率。振荡频率。LC振荡电路振荡电路 Q 数百数百石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 Q 10000 5000009.3.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路2. 石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效电路结构结构极板间加电场极板间加电场极板间加机械力极板间加机械力晶体机械变形晶体机械变形晶体产生电场晶体产生电场压电效应压电效应交变电压交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压机械振动的固有频率与

14、晶片尺寸有关，稳定性高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当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大。固有频率时，振幅最大。 压电谐振压电谐振9.3.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路2. 石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效电路等效电路等效电路LCf 21s A. 串联谐振串联谐振特性特性 晶 体 等 效 阻晶 体 等 效 阻抗为纯阻性抗为纯阻性0p121CCLCf B. 并联谐振并联谐振通常通常0CC 0s1CCf 所以所以很很接接近近与与 psff9.3.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路2. 石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效电路

15、实际使用时外接一小电容实际使用时外接一小电容Cs则新的谐振频率为则新的谐振频率为s0s121CCCLCf 由于由于s0CCC s0s1CCCf 由此看出由此看出 )(21s0ssCCCff；时时， 0 pssffC sss ffC 时时，调整调整之之间间变变化化和和在在可可使使 psssfffC 9.3.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路3. 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路end相当于电容三点式相当于电容三点式LC振荡电路振荡电路*9.4 非正弦波振荡电路非正弦波振荡电路9.4.1 比较器比较器9.4.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路9.4.2 方波产生电路方波产生电路a.单门限电压比较器

16、单门限电压比较器b.迟滞比较器迟滞比较器9.4.1 比较器比较器vIvO- -+A+VCC-VEE特点：特点：1. 单门限电压比较器单门限电压比较器（1）过零比较器）过零比较器开环，开环，虚短虚短和和虚断虚断不成立不成立增益增益A0大于大于105CCOEEVvV 可以认为可以认为vI 0 时，时， vOmax = +VCCvI 0 时，时， vOmax = -VEE（过零比较器）（过零比较器） 运算放大器工作在非线性状态下运算放大器工作在非线性状态下vIvO- -+A+VCC-VEE（1）过零比较器）过零比较器vIOT 2 3 4 ttvOVOHOVOL 输入为正负对称的正弦波输入为正负对称的

17、正弦波时，输出为方波。时，输出为方波。电压传输特性电压传输特性vOVOHVOLvIOvIvO- -+A+VCC-VEEVREF（2）门限电压不为门限电压不为零的比较器零的比较器电压传输特性电压传输特性vOVOHVOLvIOVREF 输入为正负对称的正弦输入为正负对称的正弦波时，输出波形如图所示。波时，输出波形如图所示。vIOT 2 3 4 ttvOVOHOVOLVREF（门限电压为（门限电压为VREF）解：解：（1）A 构成过零比较器构成过零比较器（2）RC 为微分电路，为微分电路， RCT/2例例 (a) vO vI + A C R RL D v O + vID vL 电路如图电路如图9.4

18、.2a所示，当输入信号如图所示，当输入信号如图c所示的正弦波时，所示的正弦波时，定性画出定性画出的的波波形形。及及、LOO vvv vI (c) O T 2 3 4 t t vO VOH O VOL (d) t v O O (e) vL O (f) t （3）D 削波（限幅、检波）削波（限幅、检波）单门限比较器的抗干扰能力单门限比较器的抗干扰能力 vI t Vth =VREF O vO VOH O t VOL 应为高电平应为高电平错误电平错误电平2. 2. 迟滞比较器迟滞比较器 ( (滞回比较器、施密特触发器滞回比较器、施密特触发器) )（1）电路组成电路组成 vI vN vP + A vO

19、R1 10k R2 100 VREF =1V （2）门限电压门限电压为门限电压，为门限电压， Pv门限电压门限电压的的两两个个的的两两个个电电压压值值可可得得有有关关，对对应应于于与与而而POOPvvvv)( OLOPI低电平低电平时，时，Vvvv )( OHOPI高电平高电平时，时，Vvvv 21OH221REF1TRRVRRRVRV 21OL221REF1TRRVRRRVRV 上门限电压上门限电压下门限电压下门限电压回差电压回差电压21OLOH2TTT)(RRVVRVVV （叠加原理）（叠加原理） vO/V VOH 0 (a) VT+ vI/V VOL 2. 迟滞比较器（施密特触发器）迟滞

20、比较器（施密特触发器）（3）传输特性传输特性 vI vN vP + A vO R1 10k R2 100 VREF =1V vO/V 0 (b) VT vI/V VOH VOL vO/V 0 (c) VT vI/V VT+ VOH VOL (VOH) (b) vO/ V 10 5 10 5 0 VT VT+ vI/ V 解：解：（3）输出电压波形输出电压波形例例电路如图电路如图9.4.6a所示，试求门限电压，画出传输特性和图所示，试求门限电压，画出传输特性和图c所所示输入信号下的输出电压波形。示输入信号下的输出电压波形。（2）传输特性）传输特性V521OH221REF1T RRVRRRVRVV

21、521OL221REF1T RRVRRRVRV 0REF V0V 1O V (b) vO/ V 10 5 10 5 0 VT VT+ vI/ V (b) vO/ V 10 5 10 5 0 VT VT+ vI/ V t1 t3 t t2 vO +10V O 10V (d) vI VT+= +5V O VT= 5V (c) t1 t3 t （1）门限电压）门限电压9.4.2 方波产生电路方波产生电路1. 电路组成（多谐振荡电路）电路组成（多谐振荡电路）迟滞比迟滞比较器较器RC充放充放电支路电支路 Rf vC C + A vO R1 R2 (a) 稳压管双稳压管双向限幅向限幅 C + A vC N

22、 Rf R O R1 R2 vO DZ1 VZ1 DZ2 VZ2 (b) +VCC1 -VEE 能否不串入该电阻？能否不串入该电阻？ VZ v vO FVZ O VZ FVZ t vC 9.4.2 方波产生电路方波产生电路2. 工作原理工作原理 由于迟滞比较器中正反馈由于迟滞比较器中正反馈的作用，电源接通后瞬间，输的作用，电源接通后瞬间，输出便进入饱和状态。出便进入饱和状态。假设为正向饱和状态假设为正向饱和状态 C + A vC R R1 R2 vO DZ1 VZ DZ2 Rf i+ RC 放电放电 i RC 充电充电 VZ v vO FVZ O VZ FVZ t T1 T2 VZ v vO

23、FVZ O VZ FVZ t VZ v vO FVZ O VZ FVZ t VZ v vO FVZ O VZ FVZ t VTFVzVTFVz9.4.2 方波产生电路方波产生电路3. 占空比可变的方波产生电路占空比可变的方波产生电路 C + A vC R R1 R2 vO DZ1 VZ DZ2 + Rf2 Rf1 D2 D1 矩形波发生电路另一种画法 占空比可调的矩形波发生电路 采用波形变换的方法得到三角波返回返回9.4.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路同相输入迟同相输入迟滞比较器滞比较器积分电路积分电路 + A1 vI R2 R3 vO1 VZ DZ R1 R4 vP1 vN11 C + A

24、2 vI2 R7 vO R6 R5 D 充放电时间充放电时间常数不同常数不同 vO1 VZ O t1 t3 t VZ t2 T1 T2 vO O t VT+ = VZ R1 R2 VT = VZ R1 R2 锯齿波发生电路的另一种画法end作业：作业：9.2.19.2.59.2.6 9.3.1 9.3.29.4.19.4.8 Rd VCC R T1 C Re2 R1 C R T2 (+)(-)(-)(-)(-)(a)负反馈，不能振荡负反馈，不能振荡习题习题 9.2.19.2.1 C vO R2 C R 灯灯 + A R R1 N P (+)(+)(+)(b)正反馈，能振荡正反馈，能振荡习题习题 9.2.19.2.1 D1 0.01 F C vO RP R2 0.01 F C R R1 2k + A 10k R 10k 4.5k D2 （1）放大电路增益