模拟电子技术基础课件 第9章 波形发生及变换电路

1、第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 电气与电子工程学院 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 电气与电子工程学院第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 iU放大电路放大电路AioUAU 反馈网络反馈网络FtUU sin2ii OfUFU 如果反馈电压如果反馈电压 uf 与原输入信号与原输入信号 ui 完全相等，则即使完全相等，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自激振荡。图图 9.1.1反馈放大电路产生自激振荡的条件反馈放大电路产生自激振荡的条件第第9 9章章 波形发生及变换电

2、路波形发生及变换电路 1. 放大电路产生自激振荡的条件是：放大电路产生自激振荡的条件是：ifUU 即：即：iiofUUAFUFU 所以产生正弦波振荡的条件是：所以产生正弦波振荡的条件是：1 FA1 FA幅度平衡条件幅度平衡条件2argFAnFA 相位平衡条件相位平衡条件, 2 , 1 , 0 n第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 2. 2. 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：器件非线性）被动：器件非线性2) 2) 主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以主动：在反馈网络中加入

3、非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益。调节放大电路的增益。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：起振过程起振过程Xdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXX第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 组成组成：放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。：放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。1.放大电路放大电路2.正反馈网络正反馈网络3.选频网络选频网络4.稳幅环节稳幅环节满足振荡条件满足振荡条件 实现单一频率的振荡实现单一频率的振荡 稳定振荡幅度、波形好稳定振荡幅度、波形好常合二为一常合二为一 放大电路放大电路A

4、ioUAU 反馈网络反馈网络F第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 1. RC振荡电路：振荡电路： 分为分为桥式桥式、移相式移相式和和双双T式式等常用的等常用的RC振荡电路。振荡电路。图图 9.1.2桥式、移相式和双桥式、移相式和双T式式RC振荡电路振荡电路 工作频率较低，一般为工作频率较低，一般为几赫兹至几百千几赫兹至几百千赫兹，它们的赫兹，它们的直接输出功率较小，常用于直接输出功率较小，常用于低频电子低频电子设备中。设备中。 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 2. LC振荡电路振荡电路 分为分为变压器反馈式变压器反馈式、电感三点式电感三点式和和电容三点式

5、电容三点式等常用等常用的的LC振荡电路。振荡电路。 工作频率较高，可以产生工作频率较高，可以产生几十兆赫兹几十兆赫兹以上的正弦波信以上的正弦波信号，它们可以直接给出较大的输出功率，常用于号，它们可以直接给出较大的输出功率，常用于高频电高频电子电路或设备子电路或设备中。中。图图 9.1.3LC振荡电路振荡电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 3. 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路图图 9.1.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 选用石英晶体作选频网络，主要有选用石英晶体作选频网络，主要有并联型并联型和和串联型串联型石石 英晶体振荡电路。英晶体振荡电路。 石英晶体振荡电路的工

6、作频率一般在石英晶体振荡电路的工作频率一般在几十千赫兹以上几十千赫兹以上，它的它的频率稳定频率稳定度较高，多用于度较高，多用于时基时基电路和电路和测量测量设备中。设备中。 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 讲课人：刘雪婷电子邮箱：liuxuet163. com第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 电气与电子工程学院第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 ifUU 即：即：iiofUUAFUFU 所以产生正弦波振荡的条件是：所以产生正弦波振荡的条件是：1 FA1 FA幅度平衡条件幅度平衡条件2argFAnFA 相位平衡条件相位平衡条件, 2 ,

7、1 , 0 n第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 放大电路放大电路正反馈网络正反馈网络选频网络选频网络只对一个频率满足振荡条件，从而获得单一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。频率的正弦波输出。稳幅环节稳幅环节使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小。使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小。组成组成：放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。：放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。 1）RC振荡电路振荡电路 2）LC振荡电路振荡电路 3）石英晶体振荡电路）石英晶体振荡电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 1.分析电路的结构分析电路的结构

8、(1)检查电路的基本组成，看电路是否包括放大电路、检查电路的基本组成，看电路是否包括放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。反馈网络、选频网络和稳幅环节。 (2)检查放大电路直流通路，看静态工作点是否合适。检查放大电路直流通路，看静态工作点是否合适。 (3)检查交流通路，看信号能否输入、输出和放大，即检查交流通路，看信号能否输入、输出和放大，即能否保证放大电路正常工作。能否保证放大电路正常工作。 2.判断电路是否满足自激振荡的相位平衡条件判断电路是否满足自激振荡的相位平衡条件 判断相位平衡条件采用判断相位平衡条件采用瞬时极性法瞬时极性法，沿着放大和反，沿着放大和反馈环路判别反馈的性质，如果是正

9、反馈则满足相位平衡馈环路判别反馈的性质，如果是正反馈则满足相位平衡条件，否则不满足相位平衡条件。条件，否则不满足相位平衡条件。 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 (1)断开反馈回路与放大电路输入端的连接点断开反馈回路与放大电路输入端的连接点，在断开，在断开点处加频率为点处加频率为f0的信号的信号Ui，经放大电路和反馈回路求反馈，经放大电路和反馈回路求反馈信号信号Uf，根据放大电路和反馈网络的相频特性，确定，根据放大电路和反馈网络的相频特性，确定Uf和和Ui之间的相位关系之间的相位关系;具体的判断步骤是具体的判断步骤是: (2)如果如果Ui和和Uf在在某某频率频率f0下相位相

10、同下相位相同，则电路满足相位平衡则电路满足相位平衡条件，否则不满足相条件，否则不满足相位平衡条件。位平衡条件。- - - - 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 3. 判断电路是否满足自激振荡的幅度条件判断电路是否满足自激振荡的幅度条件 4. 振荡频率和起振条件的估算振荡频率和起振条件的估算1 FA振荡频率振荡频率f0：由相位平衡条件所决定。：由相位平衡条件所决定。2argFAnFA 1 FA起振条件：起振条件：第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 1. 电路组成：电路组成：(1)放大电路放大电路 同相比例

11、运算放大器同相比例运算放大器 ；文氏电桥电路文氏电桥电路 0A (2)选频与正反馈网络选频与正反馈网络 R、C 串并联电路；串并联电路；(3)稳幅环节稳幅环节 Rf与与 R1 组成的负反馈电路。组成的负反馈电路。第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 oZ1Z22. RC 串并联选频网络串并联选频网络RC串并联选频电路串并联选频电路1212212111(1)j()RCR CRCR Cf2o12UZFUZZ222211221j1j1jRR CRRCR C第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 1 1）定性分析）定性分析：（1 1）当信号的频率较低时。）当信号的频率较低

12、时。R111CR221C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当当时，时， uf=，F, F+fo-+R21u-uC+0 |F|0 F90第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 （2）当信号的频率较高时。）当信号的频率较高时。R111CR221C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当当时，时， uf=，F, F+ou-f-u+2C+1R0 |F|0 F-90第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 0=？ Fmax=？由以上分析知

13、：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 =0F0 |F|0 F900 |F|0 F-90第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 2 2）定量分析）定量分析取取 R1 = R2 = R ， C1 = C2 = C ，令，令 RC10 则：则： f212121221210011(1)j()13j()oUFURCRCRCR C 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 得得 RC 串并联电路的幅频特性串并联电路的幅频特性：相频特性相频特性：时，时，当当RC10 31 F最大，最大， F = 0。 0 0 F0 F 01/

14、3+90- -900013j()F由由2002)(31 F3arctan00F RCf 210第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 3.振荡频率与起振条件振荡频率与起振条件(1) 振荡频率振荡频率RCf 210(2) 起振条件起振条件1 FAf = f0 时，时，31 F由起振条件：由起振条件：3 A同相比例运放的电压放大倍数为同相比例运放的电压放大倍数为1f1RRA 即要求：即要求：1f2RR 得：得：第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 反馈系数反馈系数1F1RFRR改变改变 RF，可改变反馈深度。，可改变反馈深度。增加负反馈深度，并且满足增加负反馈深度，并

15、且满足3A 则电路可以起振，并产生比较稳定而失真较小的正弦波则电路可以起振，并产生比较稳定而失真较小的正弦波信号。信号。 引入电压串联负反馈，可以提高放大倍数的稳定性，改善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。振荡电路的输出波形，提高带负载能力。4.稳幅措施稳幅措施第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 输出幅度不稳定，常采用输出幅度不稳定，常采用非线性热敏元件非线性热敏元件来稳幅。来稳幅。(1) 采用热敏电阻采用热敏电阻Rf：负温度系数：负温度系数R1：正温度系数：正温度系数均可实现自动稳幅。均可实现自动稳幅。原理：原理：UO ，

16、电流，电流If增大，增大，t Rf A UO 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 (2) 采用反并联二极管采用反并联二极管1f+1=RRA电压放大倍数为电压放大倍数为 )/(21fDffRRRR RD并联二极管的等效平均电阻值并联二极管的等效平均电阻值 起振时起振时VD1、VD2不导不导通，通，Rf1+Rf2略大于略大于2R1。随。随着着uo的增加，的增加， VD1或或VD2逐逐渐导通，渐导通，Rf2被短接，被短接，A自动自动下降，起到稳幅作用。下降，起到稳幅作用。 起振时起振时信号小，二极管信号小，二极管电阻大；电阻大；起振后起振后二极管电阻二极管电阻逐渐减小。逐渐减小。第

17、第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 5. 分立元件组成的桥式分立元件组成的桥式RC振荡电路振荡电路 0A RCf 210 1ef1RRA 31 F振荡频率振荡频率：电压放大倍数为电压放大倍数为1ef2RR 桥式桥式RC振荡电路振荡电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 6. 振荡频率的调节振荡频率的调节RCf 210 振荡频率：振荡频率： 用双层波段开关接不同电用双层波段开关接不同电容，作为振荡频率容，作为振荡频率f0的的粗调粗调； 用同轴电位器实现用同轴电位器实现f0的的微调微调。图图 9.2.9振荡频率的调节振荡频率的调节第第9 9章章 波形发生及变换电路

18、波形发生及变换电路 电子琴的振荡电路电子琴的振荡电路_+ + RF1uoR1CCRfD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R21R212345176功率放功率放大器大器可调可调第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 例例9.2.1 试用相位平衡条件判断如图试用相位平衡条件判断如图9.2.6(a)所示电路能否产所示电路能否产生自激振荡。生自激振荡。第第1级是共射放大电路级是共射放大电路方法方法1： 第第2级是共射放大电路级是共射放大电路 1801A 02A 180A 放大电路总的放大电路总的 选频网络相位移：选频网络相位移： 0F 180FA 故不能产生自激振荡。

19、故不能产生自激振荡。 方法方法2：瞬时极性法：瞬时极性法 图图 9.2.6第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 例例9.2.2 试判断如图所示的各电路能否产生正弦波振荡，试判断如图所示的各电路能否产生正弦波振荡，并简述理由。并简述理由。 0A 0F 0FA 故相位条件满足故相位条件满足 但因是共集电极放大电路，但因是共集电极放大电路， A小于小于1，幅度条件不满足。，幅度条件不满足。 180A 0F 180FA 故不能振荡。故不能振荡。图图 9.2.7(a)图图 9.2.7(b)第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 错误一错误一是集成运是集成运放输入端的正负极放

20、输入端的正负极性颠倒；性颠倒；错误二错误二是电阻是电阻R1与与R2的位置颠倒。的位置颠倒。例例9.2.3 一文氏电桥振荡电路如图一文氏电桥振荡电路如图9.2.8所示，接通电源后所示，接通电源后电路不能振荡，请指出电路的错误。电路不能振荡，请指出电路的错误。解：解：图图 9.2.8第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 +uofuRRRCCC+uouf+RRRCCCRC超前移相电路超前移相电路 RC滞后移相电路滞后移相电路 一节一节 RC 环节环节移相移相 90 二节二节 RC 环节环节移相移相 180 三节三节 RC 环节环节移相移相 270 9.2.2 RC移相式振荡电路移相式

21、振荡电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 1.移相式振荡电路移相式振荡电路集成运放采用反相输入集成运放采用反相输入方式，故方式，故振荡频率为：振荡频率为：RCf 32100ff0 F27018090当当 F = 180 时，时，f = f0 A = 180， F = 180，即可满足产，即可满足产生正弦波振荡的相位平生正弦波振荡的相位平衡条件。衡条件。图图 9.2.10 RC移相式振荡电路移相式振荡电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 2.双双 T 网络振荡电路网络振荡电路振荡频率约为：振荡频率约为：RCf510 如果放大电路的放大倍数足够大，同时满足振

22、幅平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。衡条件，即可产生正弦波振荡。 集成运放采用反相输集成运放采用反相输入方式，故入方式，故当当 F = 180 时，时，f = f0 A = 180， F = 180，即可满足，即可满足产生正弦波振荡的相位平产生正弦波振荡的相位平衡条件。衡条件。图图 9.2.11 双双T网络正弦波振荡电路网络正弦波振荡电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 表表 9 - 1三种三种 RC 振荡电路的比较振荡电路的比较名称名称RC 串并联网络振荡电路串并联网络振荡电路移相式振荡电路移相式振荡电路双双 T 网络选频振荡电路网

23、络选频振荡电路电路电路形式形式振荡振荡频率频率起振起振条件条件电路特电路特点及应点及应用场合用场合可方便地连续调节振荡可方便地连续调节振荡频率，便于加负反馈稳幅电频率，便于加负反馈稳幅电路，容易得到良好的振荡波路，容易得到良好的振荡波形。形。电路简单，经济电路简单，经济方便，适用于波形要方便，适用于波形要求不高的轻便测试设求不高的轻便测试设备中。备中。选频特性好，适用于选频特性好，适用于产生单一频率的振荡波形。产生单一频率的振荡波形。RCf 2103 ARCf 3210RCf510 1 23 FARR，RR12F 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 第第9 9章章 波形发生及

24、变换电路波形发生及变换电路 1(j)1j/ /(j)1jjjRLCZRLCRLC电路发生电路发生并联谐振并联谐振。LR CL001 LC10 即即一般一般则则LCf 210谐振频率：谐振频率：此时，此时，|Z|最大最大RCLZ 0图图 9.3.1 LC并联电路并联电路1j()LCZRLC第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 CQLQZ00 0 0RCLZ 01. 谐振频率谐振频率 f0 1 0，LC LCf210 3. 回路品质因数回路品质因数 Q RLQ0 CLR1 4. 频率特性频率特性Z 0 Z01Z02Q1 Q2Q1Q2 0 F+90- -90Q1Q2Q1 Q2感性感性

25、纯阻纯阻容性容性不同不同 Q 值时，值时，LC 并联电路并联电路的幅频特性、的幅频特性、相频特性相频特性2. 谐振阻抗谐振阻抗 Z0图图9.3.2 LC并联电路的幅并联电路的幅频特性和相频特性频特性和相频特性第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 L0LC UUCII 电容、电感支路的电流值：电容、电感支路的电流值：并联回路的输入电流值：并联回路的输入电流值：L000 QUQCUZUI 所以：所以：IQII LC当当 Q 1 时，时，II CIILLCII 结论结论：谐振时，电容支路的电流与电感支路的电流大：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

26、极小。小近似相等，而谐振回路的输入电流极小。5. 并联谐振的本质并联谐振的本质 电流谐振电流谐振第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 Z 0 Z01Z02Q1 Q2Q1Q2 0 F+90- -90Q1Q2Q1 Q2感性感性纯阻纯阻容性容性结论：结论：1. LC 并联电路具有选频并联电路具有选频特性。特性。当当 f = f0 时，电路为纯时，电路为纯电阻性，等效阻抗值最大；当电阻性，等效阻抗值最大；当 f f0 时，电路为容性。时，电路为容性。2. 电路的品质因数电路的品质因数 Q 愈愈大，幅频特性越尖锐，选频特大，幅频特性越尖锐，选频特性愈好。性愈好。 3.谐振频率的数值与谐振

27、频率的数值与LC并联电路的参数有关。并联电路的参数有关。第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 1234磁棒磁棒初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈同极性端同极性端1234+CLR+u- -i反馈信号反馈信号通过互感通过互感线圈引出线圈引出第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 放大电路：共射放大电路放大电路：共射放大电路选频网络：选频网络：LC振荡回路振荡回路反馈网络：变压器副边反馈网络：变压器副边N21.电路组成电路组成用瞬时极性判断为用瞬时极性判断为正反正反馈馈，所以满足自激振荡的相，所以满足自激振荡的相位平衡条件。位平衡条件。2.振荡频率和起振条件振荡频率和起振

28、条件LCf 210振荡频率振荡频率起振条件起振条件MCRr be rbe为三极管的输入等效电阻，为三极管的输入等效电阻，M为绕组为绕组Nl、N2的互感，的互感，R是折合到谐振回路的等效总损耗电阻。是折合到谐振回路的等效总损耗电阻。 图图9.3.2 LC并联电路的幅并联电路的幅频特性和相频特性频特性和相频特性第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 例例9.3.1 电路如图电路如图9.3.4(a)所示，试分析该电路的组所示，试分析该电路的组成，按相位平衡条件判断能否产生正弦波振荡。成，按相位平衡条件判断能否产生正弦波振荡。 能产生正弦波振荡能产生正弦波振荡共基极放大电路共基极放大电路

29、图图9.3.4 例例9.3.1电路电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 例例9.3.2 电路如图电路如图9.3.5所示，接上电源后电路不能起所示，接上电源后电路不能起振，请修改电路以满足自激振荡的条件。振，请修改电路以满足自激振荡的条件。(1)静态工作点不合适静态工作点不合适(2)不满足相位平衡条件不满足相位平衡条件 三极管基极电位三极管基极电位UB=0V，三极管处于截止状态，所以三极管处于截止状态，所以电路不能正常工作。电路不能正常工作。共射极放大电路共射极放大电路图图9.3.5 例例9.3.2电路电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 1.电路组成电路

30、组成用瞬时极性判断用瞬时极性判断为为正反馈正反馈，满足自激，满足自激振荡的相位平衡条件。振荡的相位平衡条件。2.相位平衡条件相位平衡条件CMLLLCf)2(2121210 振荡频率振荡频率起振条件起振条件RrMLML be21 3.振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件 图图9.3.7 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 4.特点：特点： (1)由于由于L1、L2的耦合很紧，容易起振。改变电感抽的耦合很紧，容易起振。改变电感抽头的位置，即头的位置，即改变改变L1、L2的比值的比值，可以获得满意的正弦，可以获得满意的正弦波，且振幅较大。通常反馈

31、线圈选择为整个线圈的波，且振幅较大。通常反馈线圈选择为整个线圈的18到到l4。 (2)并联谐振回路可以采用并联谐振回路可以采用可变电容可变电容，来获得一个较，来获得一个较宽的振荡频率调节范围。宽的振荡频率调节范围。 (3)由于反馈电压取自电感由于反馈电压取自电感L2，而电感对，而电感对高次谐波高次谐波的的阻抗较大，在反馈信号中有较大的高次谐波分量，使输阻抗较大，在反馈信号中有较大的高次谐波分量，使输出出波形变差波形变差。一般用于要求不高的场合，产生几十兆赫。一般用于要求不高的场合，产生几十兆赫以下的正弦波。以下的正弦波。第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 例例9.3.3 ：振

32、荡电路如图：振荡电路如图9.3.8(a)所示，分析电路有没有所示，分析电路有没有错误，如有错误，请改正。错误，如有错误，请改正。 满足相位平衡条件满足相位平衡条件 但电感对直流电路相当但电感对直流电路相当于短路，三极管集电极和发于短路，三极管集电极和发射极电位都等于射极电位都等于VCC，三极，三极管不能正常工作。因此在三管不能正常工作。因此在三极管发射极和电感极管发射极和电感2端之间端之间加隔直电容，以实现隔离直加隔直电容，以实现隔离直流量并使交流信号顺利通过。流量并使交流信号顺利通过。 图图9.3.8 例例9.3.3图图 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 振荡频率：振荡频

33、率：0121212(2)fLCLLM CVRccCbcRb1Rb2eLe2CRC1L（ +）（ +）（ -）第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 讲课人：刘雪婷电子邮箱：liuxuet163. com第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 一一、 RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路二、二、 LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 主要内容主要内容 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 一一 . RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路1.电路组成：电路组成：2. RC 串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性3 .振荡频率与起振条件振荡频率与起振条件第第9

34、9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 1.电路组成：电路组成：放大电路放大电路 集成运放集成运放 A ；选频与正反馈网络选频与正反馈网络 R、C 串并联电路；串并联电路；稳幅环节稳幅环节 RF 与与 R 组成的负反馈电路。组成的负反馈电路。第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 2002)(31 F00Farctan3 时，时，当当RC10 31 F最大，最大， F = 0。 0 0 F0 F 01/3+90- -902. RC 串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 3 .振荡频率与起振条件振荡频率与起振条件1) 振

35、荡频率振荡频率RCf 210f = f0 时，时，31 F由振荡条件知：由振荡条件知：所以起振条件为：所以起振条件为：3A 同相比例运放的电压放大倍数为同相比例运放的电压放大倍数为RRAu Ff1即要求即要求：RR 2F1|FA2) 起振条件起振条件第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 二二. LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 1. LC 并联电路的特性并联电路的特性2. 变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路3. 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 Z 0 Z01Z02Q1 Q2Q1Q2 0 F+90- -90Q1Q2

36、Q1 Q2感性感性纯阻纯阻容性容性 当当 f = f0 时，电路为时，电路为纯电阻纯电阻性，性，等效阻抗最大；当等效阻抗最大；当 f f0 时，电路为时，电路为容性容性。所。所以以 LC 并联电路具有选频特性。并联电路具有选频特性。 电路的品质因数电路的品质因数 Q 愈大，选频愈大，选频特性愈好。特性愈好。 1. LC 并联电路的特性并联电路的特性当频率变化时，并联电路阻抗当频率变化时，并联电路阻抗的大小和性质都发生变化。的大小和性质都发生变化。第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 2. 变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路1）电路组成）电路组成用瞬时极性判断为用瞬时极性判

37、断为正反正反馈馈，所以满足自激振荡的相，所以满足自激振荡的相位平衡条件。位平衡条件。 - - 2）振荡频率和起振条件）振荡频率和起振条件LCf 210振荡频率振荡频率起振条件起振条件MCRr be 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 3. 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路1)电路组成电路组成用瞬时极性判断用瞬时极性判断为为正反馈正反馈，所以满足，所以满足自激振荡的相位平衡自激振荡的相位平衡条件。条件。- - - - -2)振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件CMLLLCf)2(2121210 振荡频率振荡频率起振条件起振条件RrMLML be21 第第9 9章章 波形发生

38、及变换电路波形发生及变换电路 用瞬时极性判断用瞬时极性判断为为正反馈正反馈，所以满足，所以满足自激振荡的相位平衡自激振荡的相位平衡条件。条件。1.电路组成电路组成2.相位平衡条件相位平衡条件3.振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件212102121CCCCLLCf 振荡频率振荡频率起振条件起振条件RrCC be12 - - - - 图图9.3.9 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 4. 特点：特点： (1) 由于反馈电压取自于电容，电容对高次谐波的阻由于反馈电压取自于电容，电容对高次谐波的阻抗较小，输出波形较好。抗较小，输出波形较好。 (

39、2) 振荡频率较高，一般可达振荡频率较高，一般可达100MHZ。 （3）因为电容）因为电容C1、C2的容量可以选得较小，并将放的容量可以选得较小，并将放大管的极间电容也计算到大管的极间电容也计算到C1、C2中去。中去。 适用于产生固定频率的振荡。适用于产生固定频率的振荡。 （4）调节电容可改变频率，但会影响起振条件。如要）调节电容可改变频率，但会影响起振条件。如要改变频率，可在改变频率，可在L两端接一个两端接一个可变电容可变电容。第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 5.电容三点式改进型振荡电路电容三点式改进型振荡电路210111121CCCLf 振荡频率振荡频率选择选择 C

40、C1， C C2，则：则：LCf 210减小了三极管极间电容对振荡频率的影响，适用于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。产生高频振荡。图图9.3.10 电容三点式改进型振荡电路电容三点式改进型振荡电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 例例9.3.4 试分析如图所示电路是否满足相位平衡条件？试分析如图所示电路是否满足相位平衡条件？ 图图9.3.11 例例9.3.4图图 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 例例9.3.5 试分析如图试分析如图9.3.13所示电路为改进型电容三点式所示电路为改进型电容三点式振荡电路，已知振荡电路，已知L=1

41、uH，C1=0.1uF，C2=0.25uF，C为可变电为可变电容，其容值容，其容值C=12250pF，估算振荡频率的可调范围。，估算振荡频率的可调范围。因因CC1，CC2，解：解： LCf 210 当当C=12pF时，时， MHzHzf9 .451012101211260 振荡频率近似为振荡频率近似为 当当C=250pF时，时， MHzHzf1010250101211260 因此，振荡频率的可调因此，振荡频率的可调范围为范围为1045.9MHz。 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 名称名称变压器反馈式变压器反馈式电感三点式电感三点式电容三点式电容三点式电容三点式改进型电容三

42、点式改进型电电路路形形式式振荡频率振荡频率起振条件起振条件同左同左频率调节方频率调节方法及范围法及范围频率可调，范围较频率可调，范围较宽。宽。同左同左频率可调，范围频率可调，范围较小。较小。同左同左振荡波形振荡波形一般一般较差较差好好好好频率稳定度频率稳定度可达可达 10-4同左同左可达可达 10-4 10-5可达可达 10-5适用频率适用频率几千赫几千赫 几十兆赫几十兆赫同左同左几兆赫几兆赫 一百兆一百兆赫赫同左同左表表9.3.1 各种各种LC振荡电路的比较振荡电路的比较LCf 210CMLLf)2(21210 2121021CCCCLf 210111121CCCLf MCRr be RrM

43、LML eb21 RrCC eb12 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 9.4.1 正弦波振荡电路的频率稳定问题正弦波振荡电路的频率稳定问题9.4.2 石英晶体的特性石英晶体的特性9.4.3 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 频率稳定度频率稳定度：用频率的：用频率的相对变化量相对变化量ff来表示。其来表示。其中，中，f为振荡频率，为振荡频率，f 为频率偏移。为频率偏移。ff的值越小，频的值越小，频率稳定度越高。率稳定度越高。 振荡频率不稳定的原因振荡频率不稳定的原因：选频电路的参数、三极管参选频电路的参数、三极管参数的不稳

44、定等。数的不稳定等。 改进措施改进措施：选用高质量的选频电路元件、采用直流稳压：选用高质量的选频电路元件、采用直流稳压电源以及恒温等措施以外、电源以及恒温等措施以外、提高谐振回路的品质因数提高谐振回路的品质因数Q。RLQ0 CLR1 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 实践表明，这样做是实践表明，这样做是有限度有限度的，因为的，因为电容器有介质损电容器有介质损耗，电感器有电阻损耗和高频集肤效应。耗，电感器有电阻损耗和高频集肤效应。另外，由于另外，由于C受受到电路分布电容的限制，到电路分布电容的限制，不能做得太小不能做得太小，而，而L值不能做得值不能做得太大太大，否则，电感线圈

45、本身的分布电容又要增大，反而，否则，电感线圈本身的分布电容又要增大，反而使使LC值下降，所以，一般的值下降，所以，一般的LC回路，回路，Q值最高可达到值最高可达到几百。在要求高频率稳定度的场合，往住采用高几百。在要求高频率稳定度的场合，往住采用高Q值的石值的石英晶体谐振器代替一般的英晶体谐振器代替一般的LC回路。回路。 石英晶体振荡电路突出的特点是谐振频率稳定性好。石英晶体振荡电路突出的特点是谐振频率稳定性好。其频率稳定度可达其频率稳定度可达10-1010-11，频带较宽，频带较宽，可到，可到100MHz以上。以上。第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 1.石英晶体的结构石英晶

46、体的结构压电效应压电效应：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产：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。方向上会产生一定的电场。压电谐振压电谐振：晶片上外加交变电压的频率为某一特定：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。频率时，振幅突然增加。底座绝缘体管脚晶片引线(a)金属壳(b)第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 2. 石英晶体的等效电路石英晶体的等效电路RC0CLL 晶体的动态电感晶体的动态电感 ( (10 3 102 H) )( (大大) )

47、C 晶体的动态电容晶体的动态电容 ( ( 0.1 pF) )( (小小) )R 等效摩擦损耗电阻等效摩擦损耗电阻( (小小) )C0 晶片静态电容晶片静态电容 ( (几几 几十几十 pF) ) 由于晶片的等效电感由于晶片的等效电感L很大，而电容很大，而电容C很小，很小，R也很也很小，因此回路的品质因数小，因此回路的品质因数Q很大，可达很大，可达106。故其频率的。故其频率的稳定度很高。稳定度很高。CLRQ1 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 3. 频率特性和谐振频率频率特性和谐振频率RC0CL串联谐振频率串联谐振频率并联谐振频率并联谐振频率电抗频率特性电抗频率特性OfXfs

48、fp容性容性容性容性感性感性LCf 21s0s00p121CCfCCCCLf 0s00p121CCfCCCCLf )(1j0202CLCCCLCZ 通常0CC 所以很很接接近近与与 psff第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 1.串联型石英晶体振荡电路串联型石英晶体振荡电路图图 9.4.4串联型石英晶体串联型石英晶体振荡电路振荡电路当振荡频率等于当振荡频率等于 fS 时，时，晶体阻抗最小，且为纯电晶体阻抗最小，且为纯电阻，此时正反馈最强，相阻，此时正反馈最强，相移为零，电路满足自激振移为零，电路满足自激振荡条件。荡条件。振荡频率振荡频率s0ff 调节调节 R 可改变反馈的强可

49、改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。弱，以获得良好的正弦波。f = fs，晶体呈电阻性，晶体呈电阻性第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 2.并联型石英晶体振荡电路并联型石英晶体振荡电路交流等效电路交流等效电路振荡频率振荡频率CCCCCCLf 000)(212121CCCCC 由于由于CCC 0s021fLCf fs f UREF 时，时，uo = - - UOPP当当 ui UREF时时, uo = UOPP1.一般的单限比较器一般的单限比较器 +UoppuO ui i0 UoppUREF(a) 电路电路图图9.5.1 电压比较器电压比较器( b) 传输特性传输特性如果需要，

50、也可采如果需要，也可采用用同相同相输入方式。输入方式。 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 +UoppuO ui i0 UoppUREF阈值电压（门限电压）阈值电压（门限电压）UT：当比较器的输出电压由一种状当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态相应的输态跳变为另一种状态相应的输入电压入电压UREF 。单限比较器单限比较器: :只有一个门限电平只有一个门限电平UREF，当输入电压，当输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立即发生等于此门限电平时，输出端的状态立即发生跳变跳变。常。常用于检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。用于检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。第

51、第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 2.过零比较器过零比较器(1)简单的过零比较器简单的过零比较器当当 ui 0 时，时，uo= - - UOPP ；以上电路输出幅度是以上电路输出幅度是UOPP，有时希望比较器的输出幅，有时希望比较器的输出幅值能限制在一定的范围内，以满足与比较器输出端连接的值能限制在一定的范围内，以满足与比较器输出端连接的数字电路对逻辑电平的要求，此时需要数字电路对逻辑电平的要求，此时需要限幅措施限幅措施。uiuo+Uopp- -Uopp0图图 9.5.2 过零比较器电过零比较器电路路(a)( b) 传输特性传输特性第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及

52、变换电路 (2) 利用稳压管限幅的过零比较器利用稳压管限幅的过零比较器uiuo+Uopp - -UoppO+UZ- -UZ 设输出电压幅设输出电压幅值小于值小于Uoppui 0，ui 0，ui 0，u- - 0，uo=UZ；uo=UZ；REFiURRu21 REFiURRu21 该电路的门限电平为：该电路的门限电平为：REF21TURRU 显然，通过改变显然，通过改变R1与与R2的比值，即可调节门限电平。的比值，即可调节门限电平。图图9.5.7 任意电平比较器任意电平比较器 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 例例:已知已知 R1= R2= 5k，UREF =2V，UZ =

53、5V，输入电压输入电压 ui波形如图，画出输出电压波形如图，画出输出电压 uo 波形。波形。REF21iTURRuU = - -2V5-5-2uouI0传输特性传输特性第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 例例:已知已知 R1= R2= 5k，UREF =2V，UZ = 5V，输入电压输入电压 ui波形如图，画出输出电压波形如图，画出输出电压 uo 波形。波形。5-5tuO/V0REF21iTURRuU = - -2V第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 若若uI受到干扰或噪声受到干扰或噪声的影响，在门限电平上下的影响，在门限电平上下波动，则波动，则uo将将在在

54、高、低高、低两两个电平之间反复地跳变，个电平之间反复地跳变，如在控制系统中发生这种如在控制系统中发生这种情况，将对执行机构产生情况，将对执行机构产生不利的影响。不利的影响。 单限比较电路具有电路简单、灵敏度高等优点，但单限比较电路具有电路简单、灵敏度高等优点，但存在的主要问题是抗干扰能力差。存在的主要问题是抗干扰能力差。缺点缺点：抗干扰能力差。：抗干扰能力差。解决办法解决办法：采用具有滞回传输特性的比较器。：采用具有滞回传输特性的比较器。应为高电平应为高电平错误电平错误电平第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 1.电路组成电路组成 在单门限比在单门限比较器基础上增加较器基础上增

55、加了正反馈电路实了正反馈电路实现的。现的。图图9.5.11 滞回比较器滞回比较器 滞回比较器又称滞回比较器又称施密特触发器施密特触发器，它的特点是当输入，它的特点是当输入电压电压ui由小变大或由大变小时，有两种不同的门限电压，由小变大或由大变小时，有两种不同的门限电压，因此电路的传输特性具有因此电路的传输特性具有“电压迟滞回环电压迟滞回环”曲线的形状。曲线的形状。为了加速输出高、低电平的转换，运放接成正反馈形式。为了加速输出高、低电平的转换，运放接成正反馈形式。 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 2.工作原理工作原理输出电压：输出电压：uo = UZ ui=u- -=u+时

56、，时，输出电压的状态输出电压的状态发生跳变。发生跳变。REF21TURRU Of22REFf2fuRRRURRRu UZZf22REFf2fTURRRURRRU 两个门限电压：两个门限电压：门限电压门限电压UT： 输出发生跳转的输入输出发生跳转的输入有两个值，有两个值，UT+和和UT- -。 Zf22REFf2fTURRRURRRU 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 +UZuiuo - -UZoUT- -UT+ +图图 9.5.15滞回比较器滞回比较器比较器有两个不同的门限电平，比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈故传输特性呈滞回滞回形状。形状。 电压传输特性电压传输特

57、性 当当ui增加增加到到UT+时，输出时，输出由由UZ跳变到跳变到-UZ； 当当ui减小减小到到UT- -时，输出时，输出由由-UZ跳变到跳变到UZ 。ui小小 时，时，uo为为高电平高电平UZ；ui大大 时，时，uo为为低电平低电平- -UZ第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 可见，改变可见，改变UREF的大小，可的大小，可以同时调节两个门限电平以同时调节两个门限电平UT+和和UT- -的大小，但二者之差的大小，但二者之差UT不变。不变。也就是说，当也就是说，当UREF增大或减小时，增大或减小时，滞回比较器的传输特性将平行地滞回比较器的传输特性将平行地右移或左移，但右移或左

58、移，但滞回曲线的宽度滞回曲线的宽度将保持不变。将保持不变。+UZuIuO - -UZOUT- -UT+ +回差回差( (门限宽度门限宽度) ) UT ：ZF22TTT2URRRUUU 与与UREF无关无关ZF22TTT2URRRUUU REF21TURRU OF22REFF2FuRRRURRRu UZ第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 OF22REFF2FuRRRURRRu REF21TURRU oF22REFF2FuRRRURRRu 当当 UREF=0时，时，REF21TURRU oF22REFF2FuRRRURRRu 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路

59、作用作用：产生矩形波、三角波和锯齿波，或用于波形：产生矩形波、三角波和锯齿波，或用于波形变换。变换。抗干扰能力强抗干扰能力强。适当调整适当调整UT+ 和和UT- 的值，的值，就可以避免比较器的输就可以避免比较器的输出电压在高、低电平之出电压在高、低电平之间反复跳变。间反复跳变。 +UZ-UZtuO/V0当当ui增加增加到到UT+时，输时，输出由出由UZ跳变到跳变到-UZ；当当ui减小减小到到-UT- -时，输时，输出由出由-UZ跳变到跳变到UZ 。3. 滞回比较器的应用滞回比较器的应用 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 例例9.5.2 如图如图9.5.11所示滞回比较器，稳

60、压管的稳定所示滞回比较器，稳压管的稳定电压电压UZ土土9V，R220k，RF40K，UREF=3V，输，输入电压入电压ui为如图为如图9.5.12(a)所示的正弦波。试画出输出电压所示的正弦波。试画出输出电压uo的波形。的波形。 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 输出高电平和低电平为土输出高电平和低电平为土9V，阀值，阀值(门限门限)电压分别为电压分别为解：解：REFF2FZF22TURRRURRRU V5V)34020409402020( REFF2FZF22TURRRURRRU V1V)34020409402020( 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路