第七章 信号产生电路

1、信号发生电路信号发生电路( (振荡器振荡器Oscillators) )分类：分类：正弦波振荡器正弦波振荡器非正弦波振荡器非正弦波振荡器RC 振荡器振荡器( (1 kHz 1MHz) )LC 振荡器振荡器( (1MHz以上以上) )石英晶体振荡器石英晶体振荡器( (频率稳定度高频率稳定度高) )方波、方波、 三角波、三角波、锯齿波等锯齿波等主要性主要性能要求能要求输出信号的输出信号的幅度准确稳定幅度准确稳定输出信号的输出信号的频率准确稳定频率准确稳定7.1正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法7.2RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.3LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.4石英晶体

2、振荡器石英晶体振荡器7.5非正弦波发生电路非正弦波发生电路本章重点和考点：本章重点和考点：1.重点掌握重点掌握RC正弦波振荡正弦波振荡 工作原理。工作原理。2.重点掌握电压比较器的传输特性。重点掌握电压比较器的传输特性。3.掌握非正弦波发生电路的原理。掌握非正弦波发生电路的原理。7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路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

3、振荡。(电路要引入正反馈电路要引入正反馈)正弦波振荡电路的方框图正弦波振荡电路的方框图一、正弦波振荡的条件一、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：由此知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电路起电路起振的条件：振的条件：1FA二、正弦波振荡电路的组成及分类二、正弦波振荡电路的组成及分类组成组成：放大电路：放大电路：集成运放集成运放选频网络：选频网络：确定电路的振荡频率确定电路的振

4、荡频率反馈网络：反馈网络：引入正反馈引入正反馈稳幅环节：稳幅环节：非线性环节，使输出信号幅值稳定非线性环节，使输出信号幅值稳定：RC正弦波振荡电路，频率较低，在正弦波振荡电路，频率较低，在1MHz以下。以下。LC正弦波振荡电路，频率较高，在正弦波振荡电路，频率较高，在1MHz以上。以上。石英晶体振荡电路，频率较高，振荡频率非常稳定。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；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检查

5、放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正常工作；常工作；3. 分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件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：判断相位平衡条件的方法是：瞬时极性法瞬时极性法。5.估算振荡频率和起振条件估算振荡频率和起振条件4.判断是否满足振幅平衡条件。判断是否满足振幅平衡条件。7.2RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 RC RC串并联网络振荡电路也称串并联网络振荡电路也称RCRC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路或称文氏振荡电路或称文氏振荡电路(Wien(Wien) )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

6、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。7.2.1RC 串并联网络振荡电路串并联网络振荡电路一、一、RC 串并联选频网络串并联选频网络Z1Z2)1)1(1111122112212211222212CRCRCCRRCRCRCRRUUF j(j1jjf取取 R1 = R2 = R ， C1 = C2 = C ，令，令 RC10 则：则： )j(3100 F得得 RC 串并联电路的幅串并联电路的幅频特性为：频特性为：2002)(31 F3arctg00F 相频特性为：相频特性为：时，时，当当RC10 31 F最大，最大， F =

7、 0。 0 0 F0 F 01/3+90- -90二、振荡频率与起振条件二、振荡频率与起振条件1. 振荡频率振荡频率RCf 2102. 起振条件起振条件1 FAf = 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：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即要求：即要求：RRAu Ff1RR 2F三、振荡电路中的负反馈三、振荡电路中的负反馈(稳幅环节稳幅环节)引入电压串联负反馈，可以提高放大倍数的稳定性，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。改善振荡电路的输出波形，提高带负载能力。反馈系数反

8、馈系数改变改变 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，并且满足3 A则电路可以起振，并产生比较稳定而失真较小的正则电路可以起振，并产生比较稳定而失真较小的正弦波信号。弦波信号。RRRF F反馈电阻反馈电阻 RF采用负温度系数采用负温度系数的热敏电阻，的热敏电阻，R采用正温度系数采用正温度系数的热敏电阻，均可实现的热敏电阻，均可实现自动稳幅。自动稳幅。稳幅的其它措施稳幅的其它措施电流增大时，二极管动态电电流增大时，二极管动态电阻减小。电流减小时，动态阻减小。电流减小时，动态电阻增大，加大非线性环节，电阻增大，加大非线性环节，从而使输出电压稳定。从而使输出

9、电压稳定。在在RF回路中串联二个并联的二极管回路中串联二个并联的二极管稳幅的其它措施稳幅的其它措施利用场效应管的非线性特性利用场效应管的非线性特性 四、振荡频率可调的四、振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路用双层波段开关接不同电容，用双层波段开关接不同电容，作为振荡频率作为振荡频率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。RC串、并联网络中，串、并联网络中，如何调节频率？如何调节频率？问题：如何提高频率？问题：如何提高频率？RCf 210动画动画avi11-2.avi2. RC 桥氏振荡电路桥氏振荡电路 A = 2n F = 0 nA2F 2) )

10、电路：电路：3) )振荡频率振荡频率RCf 2104) )振荡条件振荡条件21f RR1f2RR 应使：应使：同相同相放大器放大器1 uuFA 31 F3 A1) ) 组成：组成：8CR1RfRiUoUCRfU5) )稳幅措施稳幅措施热敏电阻稳幅热敏电阻稳幅8CR1RfRiUoUCRfU为使电为使电 Au 为非线性，起振时，应使为非线性，起振时，应使 Au 3，稳幅后，稳幅后 Au = 3。正温度系数正温度系数负温度系数负温度系数 )/1(1fuffRRART二极管稳幅二极管稳幅8R1R2oUV1V2R312.4 k R2 8.1 k 起振时信号小，二极管电阻大起振时信号小，二极管电阻大Au

11、1 + (R2+ R3)/R1 3R2 2R1 R3起振后二极管电阻逐渐减小，起振后二极管电阻逐渐减小， Au 1 + R2/R1 = 3为使失真小：为使失真小： R2 12 R7.2.2其他形式的其他形式的 RC 振荡电路振荡电路一、一、RC 移相式振荡电路移相式振荡电路8CRRfRoUCRC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 RCf6210 对于对于的信号的信号， 180F 180A 0 AF 满足相位平衡条件满足相位平衡条件优点：优点：结构简单结构简单缺点：缺点：选频特性差，输出波形差选频特性差，输出

12、波形差*二、双二、双 T 选频网络振荡电路选频网络振荡电路振荡频率约为：振荡频率约为：RCf510 当当 f = f0 时，双时，双 T 网络的相移为网络的相移为 F = 180；反相比反相比例运放的相移例运放的相移 A = 180，因此满足产生正弦波振荡的相，因此满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。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。起振条件起振条件1 23 FARR，*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

13、路移相式振荡电路双双 T 网络选频振荡电路网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。选选频特性好，适用于频特性好，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 7. 3LC 正弦波振荡电路正弦波振

14、荡电路 一、一、LC 谐振回路的频率特性谐振回路的频率特性当频率变化时，并联电路阻抗的当频率变化时，并联电路阻抗的大小和性质都发生变化。大小和性质都发生变化。并联电路的导纳：并联电路的导纳：当当电路发生电路发生并联谐振并联谐振。 2222)(j)(j1jLRLCLRRLRCY 0)(20200 LRLC 并联谐振角频率并联谐振角频率LCLR11)(1200 令：令：RLQ0 谐振回路的品质因数谐振回路的品质因数当当 Q 1 时时LC10 LCf 210谐振频率：谐振频率：)11(j1)1j(j)1j(j1j)j(1j2LCRLCRLCLRLCLRCLRCZ 回路回路等效阻抗等效阻抗：RCLYZ

15、 001LC 并联回路的阻抗：并联回路的阻抗：发生并联谐振时，发生并联谐振时，LC10 在谐振频率附近，在谐振频率附近，)1(j12200 QZZ可见，可见，Q 值不同，回路的阻抗不同。值不同，回路的阻抗不同。Z 0 不同不同 Q 值时，值时，LC 并联并联电路的幅频特性：电路的幅频特性：Z01Z02Q1 Q2Q1Q2相频特性：相频特性： 0 F+90- -90Q1Q2Q1 Q2感性感性纯阻纯阻容性容性结论：结论：1. 当当 f = f0 时，电路为纯电阻时，电路为纯电阻性，等效阻抗最大；当性，等效阻抗最大；当 f f0 时，电路为时，电路为容性。所以容性。所以 LC 并联电路具有选频并联电路

16、具有选频特性。特性。2. 电路的品质因数电路的品质因数 Q 愈大，愈大，选频特性愈好。选频特性愈好。谐振时谐振时 LC 回路中的电流回路中的电流ULRLUCI20200C)( 电容支路的电流：电容支路的电流：并联回路的输入电流：并联回路的输入电流：ULRRI202)( 所以：所以：IQI C当当 Q 1 时，时，IICIILLCII 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极小。小近似相等，而谐振回路的输入电流极小。若以若以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载并联网络作为共射放大电路的集电极负载beurZA

17、当当f = f0时，电压放大倍时，电压放大倍数的数值最大，且无附数的数值最大，且无附加相移。因而电路称为加相移。因而电路称为选频放大电路选频放大电路若增加若增加正反馈正反馈，并用反馈，并用反馈电压取代输入电压，则电电压取代输入电压，则电路就成为正弦波振荡电路路就成为正弦波振荡电路LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路二、变压器反馈式振荡电路二、变压器反馈式振荡电路1.工作原理工作原理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条件LCf 210振荡频率振荡频率起振条件起振条件MCRr

18、be 变压器反馈式变压器反馈式振荡电路振荡电路三、电感反馈式振荡电路三、电感反馈式振荡电路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 C C+VCCVRERB1RB2C CE EC CB BL L1 1L L2 2C C1 1 )2(2121210CMLLLCf 优点：优点：缺点：缺点：易起振易起振( (L 间耦合紧间耦合紧) )；易调节频率易调节频率( (调

19、调C) )。输出取自电感，对输出取自电感，对高次谐波阻抗大高次谐波阻抗大，输出波形差。输出波形差。M123oUiUfU3.振荡电路的特点振荡电路的特点四、电容反馈式振荡电路四、电容反馈式振荡电路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212102121CCCCLLCf 振荡频率振荡频率起振条件起振条件RrCC be12 - - - - - - -考毕兹振荡器考毕兹振荡器( (Colpitts) )LCCCCLCf212102121 优点：波形较好优点：波形较好缺点

20、：缺点：2) ) V 极间电容影响极间电容影响 f01) ) 调频不便调频不便克拉泼振荡器克拉泼振荡器( (Clapp) ) 3211111CCCC 31C 212130LCLCf +VCCVRERB1RB2C CE EC CB BL LC C1 1C C2 2123L LC3改进改进oUiUfU3.振荡电路的特点振荡电路的特点电容反馈式改进型振荡电路电容反馈式改进型振荡电路210111121CCCLf 振荡频率振荡频率选择选择 C 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，减小了三极管极间电容对振荡频率的影响，适用于适用于产生高频振荡。产生高频振荡。名称名

21、称变压器反馈式变压器反馈式电感反馈式电感反馈式电容反馈式电容反馈式电容反馈式改进型电容反馈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，范围频率可调，范围较宽。较宽。同左同左频率可调，范频率可调，范围较小。围较小。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 几十兆几十兆赫赫同左同左几兆赫几兆赫 一百一百兆赫兆赫同左同左各种各种 LC 振荡电路的比较振荡电路的比较LCf 210CMLLf)2(21210 21

22、21021CCCCLf 210111121CCCLf MCRr be RrMLML eb21 RrCC eb12 7. 4石英晶体振荡器石英晶体振荡器 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 由品质因素的定义可知由品质因素的定义可知 频率稳定度：频率稳定度：一般用频率的相对变化量一般用频率的相对变化量 来表示，来表示，f0为振荡频率，为振荡频率，f为频率偏移，频率稳定度有时也附加时为频率偏移，频率稳定度有时也附加时间条件，如一小时或一日的频率相对变化量。间条件，如一小时或一日的频率相对变化量。 0ff1LQRC7. 4石英晶体振荡器石英晶体振荡器 石英晶体谐振器，简称石英晶体

23、，具有非常石英晶体谐振器，简称石英晶体，具有非常稳定的固有频率。稳定的固有频率。一、一、石英晶体的特点石英晶体的特点压电效应压电效应：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。1.压电效应和压电振荡压电效应和压电振荡 石英是一种各向异性的结晶体，其化学成分是石英是一种各向异性的结晶体，其化学成分

24、是SiO2 。从一块晶体上按一定的方位角切割成的薄片称为晶片。从一块晶体上按一定的方位角切割成的薄片称为晶片。在晶片的两面涂上银层作为电极在晶片的两面涂上银层作为电极，电极上焊出两根引线，电极上焊出两根引线固定在管脚上，就构成了石英晶体谐振器。固定在管脚上，就构成了石英晶体谐振器。 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流交变电流机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，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，共振，振幅最固有频率时

25、，共振，振幅最大，产生的交变电流最大。类似串联谐振。大，产生的交变电流最大。类似串联谐振。压电谐振压电谐振2. 石英谐振器的基本特性石英谐振器的基本特性符号：符号：等效电路中的等效电路中的C0为切片与金属板构成的静电电容；为切片与金属板构成的静电电容；L模拟晶体的质量模拟晶体的质量(代表机械振动的惯性代表机械振动的惯性)；C模拟晶体的弹性；模拟晶体的弹性；电阻电阻R等效晶片振动时因摩擦而造成的损耗。等效晶片振动时因摩擦而造成的损耗。 符号：符号： 电抗频率特性电抗频率特性OfXfsfp容性容性容性容性感性感性220011LCXCCLCC符号：符号：串联谐振频率串联谐振频率LCf 21s并联谐振

26、频率并联谐振频率0s00p121CCfCCCCLf 电抗频率特性电抗频率特性OfXfsfp容性容性容性容性感性感性二、石英晶体正弦波振荡电路二、石英晶体正弦波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 2.串联型石英晶体振荡电路串联型石英晶体振荡电路串联型石英晶体振荡电路串联型石英晶体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s0f

27、f 调节调节 R 可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。7.5非正弦波发生电路非正弦波发生电路非正弦波：非正弦波：矩形波矩形波、三角波三角波、尖顶波尖顶波和和阶梯波阶梯波等等几种常见的非正弦波几种常见的非正弦波7.5.1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滞回比较器比较器滞回比较器：集成运放、滞回比较器：集成运放、R1、R2；充放电回路：充放电回路：R、C；（延迟环节、反馈网络）（延迟环节、反馈网络）钳位电路：钳位电路：VDZ、R3。（稳幅环节）（稳幅环节）二、工作原理二、工作原理设设 t = 0 时，时，uC

28、 = = 0，uO = + UZ则则Z211URRRu tOuCZ211URRR Z211URRR OuOZU ZU tu+u 当当 u = uC = u+ 时，时，t1t2Z211URRRu 则则当当 u = uC = u+ 时，输出又时，输出又一次跳变，一次跳变， uO = + UZ输出跳变，输出跳变， uO = UZ2T2T三、振荡周期三、振荡周期电容的充放电规律：电容的充放电规律： )(e)()0()( CtCCCuuutu 对于放电，对于放电，Z211) 0(URRRuC Z)(UuC RC 解得：解得：)21ln(221RRRCT 结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电结论

29、：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。阻，即可改变振荡周期。t1t22T2TtOuCZ211URRR Z211URRR OuOZU ZU tt3振荡频率振荡频率f=1/TZ211)2(URRRTuC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使电容的充、放电时间常数不使电容的充、放电时间常数不同且可调，即可使矩形波发生器的同且可调，即可使矩形波发生器的占空比可调。占空比可调。tOuCuOtOT1T2T充电时间充电时间 T1放电时间放电时间 T2)21ln()(221W1RRCRRT )21ln()(221W2RRCRRT 占空比占空比 DWW12RRR

30、RTTD 7.5.2三角波发生电路三角波发生电路一、电路组成一、电路组成采用波形变换的方法得到三角波采用波形变换的方法得到三角波uO1为方波为方波电路分析电路分析uO2为三角波为三角波)()( )(d1OO01IOOIOtuttRCUtutuRCu二、工作原理二、工作原理当当 u+ = u = 0 时，滞回比较时，滞回比较器的输出发生跳变。器的输出发生跳变。o2121o211uRRRuRRRu实用电路实用电路Z21TURRU阈值电压左边是同相输入滞回比较器左边是同相输入滞回比较器右边为反向积分运算电路右边为反向积分运算电路R3R4传输特性传输特性 +UT -UT +UZ -UZuOuI二、工作

31、原理二、工作原理OuO1ZU ZU tOuOomU omU t当当 u+ = u = 0 时，滞回比较时，滞回比较器的输出发生跳变。器的输出发生跳变。o2121o211uRRRuRRRuZ21TURRU阈值电压R3R4设设t=0时，时， uO1 = +UZ u0= 0 )()( )(d1OO013IOOI3OtuttCRUtutuCRu三、输出幅度和振荡周期三、输出幅度和振荡周期Z21omURRU 解得三角波的解得三角波的输出幅度输出幅度当当 u+ = u = 0 时，时，uO1 跳变为跳变为 - -UZ， uO 达到最大值达到最大值 Uom 。振荡周期振荡周期231Zom344RCRRUCURT调节电路中的调节电路中的R1 、 R2、R3阻值和阻值和C的容量，可改变振荡频率，的容量，可改变振荡频率，调节调节R1 、 R2的阻值，可改变三角波的幅值。的阻值，可改变三角波的幅值。o2121o211uRRRuRRRu)()(OO013IOtuttCRUu7.5.3锯齿波发生电路锯齿波发生电路一、电路组成一、电路组成OuO1ZU ZU tOuOomU omU tT1T2T二、输出幅度和振荡周二、输出幅度和振荡周期期Z21omURRU 2W112RCRR