第6章 信号产生电路

1、信号产生电路信号产生电路第第 6 章章6.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路6.2非正弦波信号产生电路非正弦波信号产生电路6.3锁相频率合成电路锁相频率合成电路第第6章小结章小结信号产生电路信号产生电路正弦波振荡电路的工作原理正弦波振荡电路的工作原理RC 振荡电路振荡电路LC 振荡电路振荡电路石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路信号产生电路信号产生电路( (振荡器振荡器Oscillators) )分类：分类：正弦波振荡正弦波振荡非正弦波振荡：非正弦波振荡：RC 振荡器振荡器( (1 Hz 1MHz) )LC 振荡器振荡器( (几百几百 kHz 以上以上) )石英晶体振荡器石英晶体振荡器( (频率稳定度

2、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要求能：要求能：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第第 6 章信号产生电路章信号产生电路6.1.1 正弦波振荡电路的工作原理正弦波振荡电路的工作原理一、振荡原理及平衡条件一、振荡原理及平衡条件放大器放大器反馈网络反馈网络UiAuFuUoUfRL微弱的电扰动中，微弱的电扰动中，某一频率成分通过某一频率成分通过正反馈逐渐放大，正反馈逐渐放大，则产生正弦振荡。则产生正弦振荡。;ioUUAu ;ofUUFu 1 uuFA 振幅平衡条件振幅平衡条件2 FAAFn 相位平衡条

3、件相位平衡条件n = 0, 1, 2, 1uuFA第第 6 章信号产生电路章信号产生电路uf 起振起振稳幅稳幅二、起振条件起振条件起振条件起振条件 iouuAu ofuuFu 2AFn 放大器放大器Au反馈网络反馈网络FuUoUfUi*1/FuAu = 1/FuOuiuoAuuoAu Fu 1Au Fu 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 (1fufRRART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 1 + (R2+ R3)/R1 3R2 2R1 R3起振

4、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 2R1f0 = 1.94 kHzRCf 2108.2 k 6.2 k 22 k 4.3 k 0.01 F8.2 k 0.01 F第第 6 章信号产生电路章信号产生电路二、二、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

5、：缺点：选频特性差，输出波形差选频特性差，输出波形差第第 6 章信号产生电路章信号产生电路6.1.3 LC 振荡电路振荡电路类型：类型：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一、变压器反馈式一、变压器反馈式 LC 振荡电路振荡电路LrCIs.L 的等的等效损耗效损耗电阻电阻)j(j1)j(j1LrCLrCZ )1( j1/CrrLrCL 1. 谐振频率谐振频率 f0 1 0，LC LCf210 2. 谐振阻抗谐振阻抗 Z0rCLZ 03. 回路品质因数回路品质因数 Q CLrCrrLQ1100 CQLQZ00 0 0( (一一) ) LC 并联回路的特性并

6、联回路的特性Z第第 6 章信号产生电路章信号产生电路4. 频率特性频率特性)1( j1/rCrLrCLZ )/(j1000ffffQZ 0Z Z 0 Q 大大Q 小小 0 f90 90Q 增大增大幅频特性幅频特性相频特性相频特性第第 6 章信号产生电路章信号产生电路5. 并联谐振的本质并联谐振的本质 电流谐振电流谐振LuCr +iiLiC1) ) Z = Z0 呈纯阻呈纯阻2) )形成形成环流环流，大小是总电流的，大小是总电流的 Q 倍倍IQILLQIZZIILLC 000CLII ICILUI第第 6 章信号产生电路章信号产生电路( (二二) )变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路LC+

7、VCCVRERB1RB2CECB180 A 180 F 0 AF 满足相位平衡条件满足相位平衡条件LCf 210第第 6 章信号产生电路章信号产生电路二、三点式二、三点式 LC 振荡电路振荡电路( (一一) ) 电感三点式电感三点式 振荡电路振荡电路C+VCCVRERB1RB2CECBL1L2C1 )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) )；易调节易调节( (C 可调可调) )。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。M123oUiUfU第第 6 章信号产生电路章信号产生电路( (二二)

8、 ) 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路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：缺点：2) ) V 极间电容影响极间电容影响 f01) ) 调频时易停振调频时易停振克拉泼振荡器克拉泼振荡器( (Clapp) ) 3211111CCCC 31C 212130LCLCf +VCCVRERB1RB2CECBLC1C2123LC3改进改进oUiUfU第第 6 章信号产生电路章信号产生电路( (三三) ) 三点式振荡电路的组成原则三点式振荡电路的组成原则第第 6 章信号产生电路章信号产生电路X1、X2的电抗性质必须相同，

9、X3与X1、X2的电抗性质必须相异。与E相连的为同性质电抗，不与E端相连的为异性质电抗。第第 6 章信号产生电路章信号产生电路Hzk644)2(21210CMLLfa电感三点式MHz63. 5 212121b0 LCCCCf例例 6.1.26.1.2电容三点式6.1.4 石英晶体石英晶体( (Crystal) )振荡电路振荡电路一、石英晶体谐振器的阻抗特性一、石英晶体谐振器的阻抗特性1. 结构和符号结构和符号化学成分化学成分 SiO2结构结构晶片晶片涂银层涂银层焊点焊点符号符号2. 压电效应压电效应形变形变形变形变机械振动机械振动压电谐振压电谐振外加交变外加交变电压的频率等电压的频率等于晶体固

10、有频于晶体固有频率时，机械振率时，机械振动幅度急剧加动幅度急剧加大的现象。大的现象。第第 6 章信号产生电路章信号产生电路3. 等效电路等效电路rqC0CqLqCo 晶片静态电容晶片静态电容( (几几 几十几十 pF) )Lq 晶体的动态电感晶体的动态电感( (10 3 102 H) )( (大大) )Cq 晶体的动态电容晶体的动态电容( ( 0.1 pF) )( (小小) )rq 等效摩擦损耗电阻等效摩擦损耗电阻( (小小) ) 1qqqCLrQ 4. 频率特性和谐振频率频率特性和谐振频率fXfPfS容性容性感性 21 qqSCLf 21 q0q0qPCCCCLf 1 0qSCCf 第第 6

11、 章信号产生电路章信号产生电路5. 使用注意使用注意1) )要要接接一定的负载电容一定的负载电容 CL( (微调微调) )，以以达标称频率。达标称频率。2) )要有合适的激励电平。过大会影响频率稳定度、要有合适的激励电平。过大会影响频率稳定度、 振坏晶片；过小会使噪声影响大，还能停振。振坏晶片；过小会使噪声影响大，还能停振。第第 6 章信号产生电路章信号产生电路二二 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路1. 串联型串联型 f = fs，晶体，晶体呈纯阻呈纯阻+VCCVRERB1RB2CBLC2. 并联型并联型fs f fp，晶体，晶体呈感性呈感性+VCCVRERB1RB2CEC3C1C2RC第第

12、6 章信号产生电路章信号产生电路6.2非非正弦波信号正弦波信号 产生电路产生电路6.2.1 电压比较器电压比较器6.2.2 方波、三角波、锯齿波产生电路方波、三角波、锯齿波产生电路6.2.3 集成压控振荡器集成压控振荡器第第 6 章信号产生电路章信号产生电路6.2.1 电压比较电压比较器器( (Comparer) )一、单限电压比较器一、单限电压比较器功能：功能：类型类型基本比较器基本比较器简单比较器简单比较器( (单门限单门限) )窗口比较器窗口比较器( (双门限双门限) )迟滞比较器迟滞比较器( (施密特触发器施密特触发器) )比较电压信号比较电压信号( (被测试信号与标准信号被测试信号与

13、标准信号) )大小大小8uIuOOuIuO1. 过零电压比较器过零电压比较器uI 0UOmax UOmaxUOHUOL第第 6 章信号产生电路章信号产生电路OuIuO2. 同相输入单门限比较器同相输入单门限比较器8uIUREF UZUZUREFuI UREF门限门限电压电压 UT特点特点:1) )工作在非线性区工作在非线性区2) )不存在虚短不存在虚短 ( (除了除了uI = UREF 时时) ) 3) )存在虚断存在虚断门限电压门限电压 UT = UREF第第 6 章信号产生电路章信号产生电路*窗口比较器窗口比较器uO88U1U2uIV1V2uO1uO2设设 U1 U2 ，比较器采用单电源，

14、比较器采用单电源uIuO1 uO2 V1 V2uO U1U2 uI U1UOmax截止截止 导通导通UZ0UOmax0导通导通 截止截止UZ00截止截止 截止截止0UZOuIuOU1U2第第 6 章信号产生电路章信号产生电路应用举例应用举例 三极管三极管 值分选电路值分选电路885 V2.5 VV1V2V+15 V10 k20 k20 k430 k1 M5 k1.5 k3CG50 100，LED 不亮。不亮。分析电路是否满足要求：分析电路是否满足要求： 100，LED 亮，亮， 解解 IB = (15-0.7 ) /1430= 0.01 mA当当 50 时，时，IC 0.5 mA，UC 100

15、 时，时，IC 1 mA，UC 5 V V1 导通，导通，LED 亮亮当当 50 100时，时，2.5 V UC uP 时，时， uO = UZ当当 uI uP 时，时， uO = +UZ当当 uI = uP 时，时， 状态翻转状态翻转212Z1REFTRRRURUU 212Z1REFTRRRURUU 例：例：R1 = 30 k，R2 =15 k,UZ = 6 V, UREF = 0, 求求 UT。)(V 23015156 V)( 23015156-TTUU，第第 6 章信号产生电路章信号产生电路特点：特点：2) )传输特性传输特性RR18uIUREFR2R3 UZuOOuIuOUT+UT U

16、Z UZ当当 uI 逐渐增大时逐渐增大时 只要只要 uI UT+ ，则，则 uO = UZ当当 uI 逐渐减小时逐渐减小时只要只要 uI U T ，则，则 uO = UZ一旦一旦 uI I01电子开关 当当 Q = 0，S 断开，断开， C 充电充电 (I01) 至至 2/3VCCQ = 1当当 Q = 1，S 闭合，闭合，C 放电放电 (I02 I01) 至至 1/3VCCQ = 0当当 I02 = 2I01，引脚，引脚 9 输出方波，引脚输出方波，引脚 3 输出三角波；输出三角波；当当 I02 2I01，引脚引脚 9 输出矩形波，引脚输出矩形波，引脚 3 输出锯齿波。输出锯齿波。1. 原理

17、原理88+VCCRRRRSCI01I02uC VEE或地或地QQ反相器反相器电压跟随器电压跟随器正弦波变换器正弦波变换器第第 6 章信号产生电路章信号产生电路2. 应用应用12345678ICL803814131211109正弦波正弦波失真度调整失真度调整正弦波失正弦波失真度调整真度调整正弦波输出正弦波输出三角波输出三角波输出矩形波输出矩形波输出调频偏置调频偏置电压输入电压输入调频偏置调频偏置电压输出电压输出接电阻接电阻 RA接电阻接电阻 RB接电容接电容 C+VCC VEE (或地或地)调占空比和正弦波失真调频率调占空比和正弦波失真RP2RP4 RP1+VCC VEERRAICL803845

18、1310 11128RBRP3CC1692第第 6 章信号产生电路章信号产生电路6.3锁相频率锁相频率 合成电路合成电路 6.3.1 锁相环路锁相环路 6.3.2 锁相频率合成器锁相频率合成器第第 6 章信号产生电路章信号产生电路6.3.1 锁相环路锁相环路 PLL ( (Phase-Locked Loop)一一. 组成和工作原理组成和工作原理PLL 是一种利用相位的自动调节消除频率误差，是一种利用相位的自动调节消除频率误差，实现无误差频率跟踪的负反馈系统。实现无误差频率跟踪的负反馈系统。鉴相鉴相器器( (PD) )环路滤波器环路滤波器( (LF) )压控振荡器压控振荡器( (VCO) )ud (t)uI (t)uC (t)uO (t)参考信号参考信号 i i o ouO (t)锁定状态：锁定状态： i i( (t) )- - o o( (t) )= 常数，常数， i i = o o失锁状态：失锁状态： i i o o第第 6 章信号产生电路章信号产生电路跟踪：跟踪：锁相环路锁定时，