模电12级9波形发生器

1、1第九章第九章 波形发生器波形发生器9.1 正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法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 石英晶体正弦波振荡器石英晶体正弦波振荡器9.5 非正弦波发生电路非正弦波发生电路2 正弦波振荡器正弦波振荡器 无线电发送设备需要高频载波，无线电接收设备需要本振信号，很多电子设备中都需要使用正弦波振荡信号，它们都是由正弦波振荡器所产生。 振荡器（oscillator）和放大器一样，也是一种能量转换电路，所不同的是振荡器无需外加输入信号，本身就能自动地将直流电能转换为特定频率、波形、幅度的交变电能输出。 3 振荡器分类

2、：振荡器振荡器分类分类正弦振荡正弦振荡非正弦波振荡器非正弦波振荡器低频正弦振荡器低频正弦振荡器高频正弦振荡器高频正弦振荡器微波振荡器微波振荡器矩形波振荡器矩形波振荡器三角波振荡器三角波振荡器锯齿波振荡器锯齿波振荡器4 主要技术指标：主要技术指标： 1.振荡频率振荡频率f及频率范围及频率范围 2.频率稳定度频率稳定度 3.振荡的幅度和稳定度振荡的幅度和稳定度5 简单的正弦波电信号如常见的50Hz工频交流电，是通过发电机转子励磁产生交变磁场，将机械旋转变为交流电信号。 1903年，查尔斯.斯坦梅茨发明“高频机械交流发电机”以产生无线电信号载波。 1905年，加拿大雷金纳德.费森登利用“高频机械交流

3、发电机”发明了连续波语音发射机。 现代电信号发生器为电子式，即通过电子电路产生。 正弦波振荡器就是模拟产生正弦波电信号的电子电路。 分类：反馈振荡器：利用正反馈原理，应用最广； 负阻振荡器：利用负阻器件负电阻效应，微波。6应用范围：在发射机、接收机、测量仪器（信号发生器）、计算机、应用范围：在发射机、接收机、测量仪器（信号发生器）、计算机、医疗、仪器乃至电子手表等许多方面振荡器都有着广泛的应用。医疗、仪器乃至电子手表等许多方面振荡器都有着广泛的应用。发射机中的载波信号；发射机中的载波信号；超外差式接收机中的本地（本机）振荡信号；超外差式接收机中的本地（本机）振荡信号；电子测量仪器中的正弦波信号

4、源；电子测量仪器中的正弦波信号源；数字电路系统中的时钟信号源等；数字电路系统中的时钟信号源等；工业高频感应加热设备的正弦交变能源；工业高频感应加热设备的正弦交变能源；医用电疗仪器中的正弦交变能源，等等。医用电疗仪器中的正弦交变能源，等等。 正弦波振荡器的电路特点：正弦波振荡器的电路特点： 无输入信号，自输出信号。无输入信号，自输出信号。 性能要求振荡频率和振幅准确性和稳定性大功率和高效率79.1.1 产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件iUAoUOfUFUAFiUS放大电路放大电路反馈网络反馈网络12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1、 振荡条件的物理意义振荡条

5、件的物理意义+9.1 正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法8ifUU1FA正反馈正反馈幅度平衡条件幅度平衡条件相位平衡条件相位平衡条件1|FA|n2argFA1|FA|起振条件：起振条件：92、 正弦波振荡与负反馈放大电路自激振荡的比正弦波振荡与负反馈放大电路自激振荡的比较较+-AFfXiXXioX负反馈放大电路负反馈放大电路+AFfXiXXioX正反馈放大电路正反馈放大电路109.1.2 正弦波振荡电路的组成和分析步骤正弦波振荡电路的组成和分析步骤正弦波振正弦波振荡荡电路的组电路的组成成放大电路放大电路反馈网络反馈网络选频网络选频网络稳幅环节稳幅环节11一、判断能否产生正弦波振荡

6、一、判断能否产生正弦波振荡1、检查电路是否具有正弦波振荡的组成部分。、检查电路是否具有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、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。电路正常工作。3、分析电路是否满足自激振荡条件。、分析电路是否满足自激振荡条件。相位条件相位条件幅度条件幅度条件n2argFA1|FA|12二、估算正弦波振荡和起振条件二、估算正弦波振荡和起振条件起振条件由幅度平衡条件起振条件由幅度平衡条件 求得求得1|FA|振荡频率由相位平衡条件决定振荡频率由相位平衡条件决定 （n=0,1,2，）即即: A+ F=2nn2argFA139.2 RC正弦波振荡

7、电路正弦波振荡电路9.1.1 RC串并联网络振荡电路串并联网络振荡电路RRRFRCC- A+ OU文氏电桥振荡电路文氏电桥振荡电路放大电路放大电路选频网络选频网络反馈网络反馈网络 A=00fU稳幅环节稳幅环节14一、一、 RC串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性Z2Z1+-URCRC+-fU+-URCfU+-低频低频+-UCRfU+-高频高频15Z2Z1+-OURCRC+-fU)1(1111RCRC3RCRCRRCRZZZUUF212Ofjjjj16)1(1RCRC3Fj令令RC10得：得：)(100j3F17)(100j3F相频特性相频特性幅频特性幅频特性223|F|)(100003ar

8、ctgF18)(100j3F相频特性相频特性幅频特性幅频特性223|F|)(100003arctgF当当= 0时，时， , F=0031|F1/390090000|F| F19二、振荡频率与起振条件二、振荡频率与起振条件2、起振条件、起振条件1、振荡频率、振荡频率RCf210RR1AFuf2RR3A|A|Ffu则若,当当f=f0时，时，31|F|1 |FA|因为因为3|A|则则RRRFRCC- A+ OU20三、振荡电路中的负反馈三、振荡电路中的负反馈RRRFRCC- A+ OUtRT作用作用: 稳幅稳幅电压串联负反馈电压串联负反馈 21四、振荡频率的调节四、振荡频率的调节RCf21C1C2C

9、3C1C2 C3RRRWRW波段波段开关开关粗调粗调同轴电位器同轴电位器细调细调22特点特点:可连续调解振荡频率可连续调解振荡频率, 便于加负反馈来稳幅便于加负反馈来稳幅 振荡波形良好振荡波形良好频率范围为几频率范围为几Hz几十几十KHz239.2.2 其他形式的其他形式的RC振荡电路振荡电路一、移相式振荡电路一、移相式振荡电路RRRFRCC- A+ OUC A=1800 F (002700)24f 270180900振荡频率振荡频率RC32f01起振条件起振条件RF12Rf025缺点缺点: 选频特性差选频特性差, 频率调节不方便频率调节不方便, 输出幅度不输出幅度不够稳定够稳定, 输出波形较

10、差输出波形较差.优点优点: 电路结构简单电路结构简单,经济经济. 应用应用: 振荡频率固定振荡频率固定, 且稳定性要求不高的场合且稳定性要求不高的场合, 频频率范围为几率范围为几Hz几十几十KHz特点特点:26二、双二、双T选频网络振荡电路选频网络振荡电路R3RRFRC- A+ OUCR2C A=1800 F (002700)27振荡频率振荡频率5RC1f0起振条件起振条件R312RR3Q2|Z|Q1Q2Q2Q1Q1Q290Z)1 (12200jQZZ结论：结论：（1）LC并联电路具有选频特性。并联电路具有选频特性。 f=f0时，时， 纯阻性纯阻性ff0时，时， 电容性电容性fQ2|Z|Q1Q

11、2Q2Q1Q1Q290Z43（3） 越大，幅频越大，幅频特性越尖锐，选频特性越特性越尖锐，选频特性越好，好，Z0也越大。也越大。RLQ000Q1Q2|Z|Q1Q2Q2Q1Q1Q290Z44谐振时的电流谐振时的电流|)(|20200ULRLUC |I |C电容电流电容电流输入电流输入电流|)(202ULRR |I |I |Q|I |C则则当当Q1时，时，| I |I |C| I |I |L|I |I |LCUI+-CLR)()(2222LRCLRYLjRRLQ045LC正弦波正弦波振荡电路振荡电路放大网络放大网络三极管放大电路三极管放大电路选频网络选频网络LC并联电路并联电路反馈网络反馈网络变压

12、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正反馈正反馈46反馈电路反馈电路+-fUCN2N1ML+-OU9.3.2变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路47一、电路组成一、电路组成Rb2Rb1CCeRLN3N2N1M+VccLReaiU+-fU+Cb选频网络选频网络放大网络放大网络反馈网络反馈网络48二、振荡频率和起振条件二、振荡频率和起振条件CfL210谐振频率谐振频率起振条件起振条件MCRrbe49三、振荡频率的调节三、振荡频率的调节CL509.3.3电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路反馈电路反馈电路CL1L2123fUOU51一、电路组成一、电路组成Rb2Rb1CC

13、eRLL1+VccL2ReaiU+fU+Cb12352二、振荡频率和起振条件二、振荡频率和起振条件2M)CL(LCf2121210L振荡频率振荡频率起振条件起振条件RrMLMLbe212MLLL21其中其中53电感三点式振荡电路的特点：电感三点式振荡电路的特点：1、线圈、线圈L1和和L2之间耦合紧密，易起振。之间耦合紧密，易起振。2、调解频率方便。、调解频率方便。3、用于产生几十兆赫以下的频率。、用于产生几十兆赫以下的频率。4、由于电感对高次谐波的阻抗较大，不能滤去高次、由于电感对高次谐波的阻抗较大，不能滤去高次谐波，输出波形中含有较大的高次谐波，波形较差。谐波，输出波形中含有较大的高次谐波，

14、波形较差。5、由于波形较差，频率稳定度不高，常用于要求不、由于波形较差，频率稳定度不高，常用于要求不高的设备中。高的设备中。CL2L154反馈电路反馈电路9.3.4电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路C1L123C2fUOU55一、电路组成一、电路组成Rb2Rb1C1CeRL+VccLReaiU+fU+Cb123C2Rc56212102121CCCCLLCf振荡频率振荡频率起振条件起振条件RrCCbe12二、振荡条件和起振条件二、振荡条件和起振条件57CLC1C23、可调解频率，但频率的调解范围窄。、可调解频率，但频率的调解范围窄。2、电容、电容C1、C2的电容值可以很小，振荡频率较高，的电容

15、值可以很小，振荡频率较高，可产生可产生100兆赫以上的频率。兆赫以上的频率。1、由于电容对高次谐波的阻抗很小，反馈电压中高次、由于电容对高次谐波的阻抗很小，反馈电压中高次谐波分量小，输出波形较好。谐波分量小，输出波形较好。电容三点式振荡电路的特点：电容三点式振荡电路的特点：58频率稳定度低。频率稳定度低。电容三点式振荡电路的缺点：电容三点式振荡电路的缺点：Rb2Rb1C1CeRL+VccLRea+Cb123C2Rc599.3.5改进型电容三点式振荡电路改进型电容三点式振荡电路一、电路组成一、电路组成Rb2Rb1C1CeRL+VccLReaiU+fU+Cb123C2RcC60LCL2111112

16、1210CCCf振荡频率振荡频率二、振荡条件和起振条件二、振荡条件和起振条件起振条件起振条件RrCCbe1261三、振荡频率的调节三、振荡频率的调节C1LCC2623、可调解频率，但频率的调解范围窄。、可调解频率，但频率的调解范围窄。2、振荡频率取决于、振荡频率取决于C和和L，基本与，基本与C1、C2无关，可无关，可产生产生100兆赫以上的频率。兆赫以上的频率。1、由于电容对高次谐波的阻抗很小，反馈电压中高次、由于电容对高次谐波的阻抗很小，反馈电压中高次谐波分量小，输出波形较好。谐波分量小，输出波形较好。改进型电容三点式振荡电路的特点：改进型电容三点式振荡电路的特点：4、振荡频率稳定性高，、振

17、荡频率稳定性高，10-4-10-5。63判断下面的电路能否产生正弦波振荡判断下面的电路能否产生正弦波振荡Rb2Rb1RL+VccN1Re+C1C2N2共基放大电路共基放大电路64Rb2Rb1+VccRe+C1C2C365Rb2Rb1+VccReC2C3-+fU66+Vcc+C1R2R1RLN3N1N2能能67+Vcc+C1R2R1RLN3N1N2R3C2+C3能能68作业: P381 9-1、9-6、9-7 699.4 石英晶体正弦波振荡器石英晶体正弦波振荡器CLR1RLQ0L/C LC正弦振荡电路正弦振荡电路 ： 有限制。有限制。Q最高可达最高可达数百。频率稳定度高于数百。频率稳定度高于10

18、-5 石英晶体正弦振荡电路石英晶体正弦振荡电路 ：L/C 值比较高。值比较高。Q值比值比较高较高(10000 500000)。频率稳定度可达。频率稳定度可达10-6 10-8或更小。或更小。00Q1Q2|Z|Q1Q2Q2Q1Q1Q290Z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。709.4.1 石英晶体的基本特性和等效电路石英晶体的基本特性和等效电路一、基本特性一、基本特性压电效应压电效应在外加交变电压的频率为某一特定频率在外加交变电压的频率为某一特定频率 压电谐振压电谐振固有频率固有频率（谐振频率）（谐振频率）极板间加电场极板间

19、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石英晶体石英晶体石英谐振器石英谐振器71二、等效电路二、等效电路符号符号C0CRL等效电路等效电路C0:当晶片不振动时，相当于一个平板电当晶片不振动时，相当于一个平板电容器，数值与晶片的几何尺寸和电极面积容器，数值与晶片的几何尺寸和电极面积有关；有关；C:振动时，用来描写振动的弹性；振动时，用来描写振动的弹性；L:振动时，用来描写振动的惯性；振动时，用来描写振动的惯性；R:用来描写振动时的摩擦损耗。用来描写振动时的摩擦损耗。72由于由于CC0, fs和和fp接近接近0Xffsfp感感性性容性容性容性容性石英谐振器

20、的电抗石英谐振器的电抗-频率特性频率特性73串联谐振频率：串联谐振频率：LCfs21并联谐振频率：并联谐振频率：0121CCfs00pCCCCLf0Xffs fp感感性性容性容性容容性性等效为纯电阻等效为纯电阻等效为电感等效为电感749.4.2 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路一、并联型石英晶体振荡电路一、并联型石英晶体振荡电路C2C1CeRb2Rb1RcRe晶体晶体+VccoU75C1C2RbRcRe晶体晶体oUC0CRL交流等效电路交流等效电路CC0+C 所所以以sfLCf210) (21000CCCCCCLf谐振谐振频率频率2121CCCCc其中其中改进型电改进型电容三点式容三点式振荡电

21、路振荡电路76二、串联型石英晶体振荡电路二、串联型石英晶体振荡电路CRb2Rb1RcRe1晶体晶体+VccoUR+-77集成正弦波振荡器集成正弦波振荡器集成正弦波振荡器如集成正弦波振荡器如CA3005、E1648等，只要外接等，只要外接LC谐谐振回路，就可以构成集成振回路，就可以构成集成LC正弦波振荡器了。正弦波振荡器了。78E1648简介1357810121479E1648增加输出幅度的接法13578101214809.5 非正弦波发生电路非正弦波发生电路9.5.1 矩形波发生电路矩形波发生电路一、电路组成一、电路组成RC充放电充放电回路回路滞回比较器滞回比较器矩形波发生器的一般组成矩形波发

22、生器的一般组成81矩形波发生电路矩形波发生电路- A+RR3R2R1Cuouc滞回比较器滞回比较器82- A+R3R2R1uoucZTURRRU211ZTURRRU211OuI+UZuo-UZ传输特性传输特性83二、工作原理二、工作原理假设假设 t=0时，时，uc=0，uo=+UZZ211URRRu输出电压通过输出电压通过R向电容充电向电容充电uc =u- 。当。当u-=u+时时,滞回比较器的输出端发生跳变，滞回比较器的输出端发生跳变，使使uo=-UZ则则Z211URRRu电容通过电容通过R放电。放电。uc。当。当u-=u+时时,滞回比较器的输滞回比较器的输出端发生跳变，使出端发生跳变，使uo

23、=+UZ- A+RR3R2R1Cuouc84ucuoZ211URRRZ211URRRUZ-UZttt1t22T2T电容充电电容充电电容放电电容放电85三、振荡周期三、振荡周期Z211URRRZ211URRRuc从从 下降到下降到 所需的时间为所需的时间为2T则则2Ttt21ucuoZ211URRRZ211URRRUZ-UZttt1t22T2T86)R2R2RCln(1T21矩形波的振荡周期为矩形波的振荡周期为)(u)(u(0)u(t)uCCCCte电容充放电时电容充放电时, uC的变化为的变化为ucuoZ211URRRZ211URRRUZ-UZttt1t22T2TZ211CURRR)(u0ZC

24、U)(u-把把t=2/T代入上式代入上式,得得Z211CURRR)(u2T87占空比占空比2D1周期周期高电平的宽度高电平的宽度ucuoZ211URRRZ211URRRUZ-UZtt2T2T88四、占空比可调的矩形波发生电路四、占空比可调的矩形波发生电路VD1- A+RR3R2R1CuoucRWRWRWVD2通过通过VD1、VD2和和RW调节电容的充电时间和放电时间。调节电容的充电时间和放电时间。89- A+RR3R2R1CuoucRWRWRWVD2充电途径充电途径-VD2和和RWVD1放电途径放电途径-VD1和和RW =(R+RW)C =(R+RW)C90ucuottt1t2T1T2T)R2

25、R)Cln(1 RRT21W (1)R2R)Cln(1RRT21W (2)R2R)Cln(1RRTTT21W212(占空比占空比WW1R2R R2RTTD919.5.2 三角波发生电路三角波发生电路一、电路组成一、电路组成- A1+R4R3R2R1Cuo- A2+R4uo1u+滞回比较器滞回比较器积分器积分器92二、工作原理二、工作原理假设假设 t=0时，时，uo1=+UZ, uc(0)=0, uO(0)=0o212o1211uRRRuRRRu- A1+R4R3R2R1Cuo- A2+R4uo1u+o212Z211uRRRURRRdtUCdtCZ41411RuRuoouO越来越负越来越负u+随

26、之减小随之减小93uo随时间向正向线性增长，随时间向正向线性增长，u+随之增大。当随之增大。当u+=u_=0时，滞回比较器再次跳变，使时，滞回比较器再次跳变，使uo1=+UZ，同时，同时u+也跳也跳变为正值。变为正值。 当当u+=u_=0时，滞回时，滞回比较器跳变，使比较器跳变，使uo1=-UZ- A1+R4R3R2R1Cuo- A2+R4uo1u+o212o1211uRRRuRRRuo212Z211uRRRURRR负值负值dtUCdtCZ41411RuRuoo94uo1uoUZ-UZtt-UomUom2T95三、输出幅度和振荡周期三、输出幅度和振荡周期三角波输出幅度：三角波输出幅度：Z21omURRUuo1uoUZ-UZtt-UomUom2Tom212Z211URRRURRR096uo1uoUZ-UZtt-UomUom2T三角波振荡周期：三角波振荡周期：241Zom4RCRRUCU4RT4om2TZ2TomoomUURUuRU0401411dtCdtC2TCRUURU4Z2TZom0412dtC979.5.3 锯齿波发生电路锯齿波发