第9章信号发生电路(2)

1、Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University9.1 9.1 正弦波信号发生器正弦波信号发生器9.3 9.3 集成函数发生器集成函数发生器9.2 9.2 非正弦信号发生器非正弦信号发生器Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University9.1 9.1 正弦波信号发生器正弦波信号发生器9.1.1 正弦波自激振荡的原理正弦波自激振荡的原理9.1.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.1.3 LC正弦波振荡电

2、路正弦波振荡电路9.1.4 晶体振荡电路晶体振荡电路Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 对放大电路的基本要求：输入对放大电路的基本要求：输入ui=0时，输出时，输出uo=0。 已经知道有些现象不满足这一要求，即可以已经知道有些现象不满足这一要求，即可以 “无中生有无中生有”： 零点漂移零点漂移:放大电路前级工作点的变化被后级传递并逐放大电路前级工作点的变化被后级传递并逐级放大，使得输出端产生较大的漂移电压；级放大，使得输出端产生较大的漂移电压； 负反馈放大电路中由于信号频率达到了通频带

3、的两端，负反馈放大电路中由于信号频率达到了通频带的两端，产生了足够的附加相移，使负反馈变成了正反馈。产生了足够的附加相移，使负反馈变成了正反馈。difxxx负反馈负反馈9.1.1 正弦波自激振荡的原理正弦波自激振荡的原理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9.1.19.1.1正弦波自激振荡的原理正弦波自激振荡的原理Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University xi = 0 xd = + xf 反馈信号取代输入信号，电路维持与开环时一样的输出信反馈信号取代输入信号，电路维持与开环时

4、一样的输出信号，这就是说电路已号，这就是说电路已自激自激。从结构上来看，正弦波振荡电路。从结构上来看，正弦波振荡电路是一个没有输入信号的是一个没有输入信号的正反馈放大器正反馈放大器。 要实现要实现“无中生有无中生有”，必，必须须difxxx因为因为9.1.19.1.1正弦波自激振荡的原理正弦波自激振荡的原理Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University因为因为xo = Axdxf = Fxo = AFxdxd = xf所以，自激振荡的平衡条件为所以，自激振荡的平衡条件为 a+ f = 2n ，n

5、= 0,1,2 幅度平衡条件幅度平衡条件 相位平衡条件相位平衡条件 AF = 1 AF 1 9.1.19.1.1正弦波自激振荡的原理正弦波自激振荡的原理Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 所谓建立振荡，就是要使电路自激，从而产生振荡。所谓建立振荡，就是要使电路自激，从而产生振荡。由于电路的噪声和干扰中有分布很广的频谱，则其中满足由于电路的噪声和干扰中有分布很广的频谱，则其中满足振荡平衡条件的信号就为振荡的建立提供了振荡平衡条件的信号就为振荡的建立提供了初始信号初始信号。 微弱的噪声微弱

6、的噪声(或干扰或干扰)激励信号，经过放大电路和正反馈网络激励信号，经过放大电路和正反馈网络形成闭环。在起振过程中每次循环后信号的幅度都有所增大，形成闭环。在起振过程中每次循环后信号的幅度都有所增大，最终达到所要求的输出幅度。因此，在振荡建立时应有最终达到所要求的输出幅度。因此，在振荡建立时应有AF 1 。 若满足上式，将出现若满足上式，将出现增幅振荡增幅振荡过程。因电路存在过程。因电路存在非线性非线性环节环节，则随着其幅度的增大会减小，则随着其幅度的增大会减小A或或F。初期时振荡幅度较。初期时振荡幅度较小，小，AF 1，振幅将增大；振幅大到一定值后，振幅将增大；振幅大到一定值后，AF=1，幅度

7、，幅度将将自动稳定自动稳定下来。下来。 2 振荡的建立与稳定振荡的建立与稳定9.1.19.1.1正弦波自激振荡的原理正弦波自激振荡的原理Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University选频网络的作用：选出单一频率选频网络的作用：选出单一频率正弦波。正弦波。 RC振荡电路振荡电路:几几Hz到几百到几百kHz的低频信号。的低频信号。 LC振荡电路振荡电路:几几百百kHz以上的高频信号以上的高频信号. .小结：电路的组成和起振的判断小结：电路的组成和起振的判断1. 放大电路放大电路 A2. 正反馈网络正反

8、馈网络 F3. 选频网络选频网络实现单一频率的振荡实现单一频率的振荡4. 稳幅环节稳幅环节使振荡稳定、波形好使振荡稳定、波形好满足振荡满足振荡条件条件 组成组成: :判断判断: :1. 检查电路组成检查电路组成2. “Q”是否合适是否合适3. 是否满足起振条件是否满足起振条件3 正弦波振荡电路的分类与选频网络正弦波振荡电路的分类与选频网络9.1.19.1.1正弦波自激振荡的原理正弦波自激振荡的原理Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University1 RC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路主要特点：主

9、要特点： RC串并联选频网络的频率特性串并联选频网络的频率特性 电路组成电路组成 振荡频率与振荡波形振荡频率与振荡波形 稳幅措施稳幅措施 采用采用RC串、并联网络作为选串、并联网络作为选频和反馈网络。频和反馈网络。 Z1、Z2和和R3、R4形成一个四臂电桥，称为文氏电桥振荡电路。形成一个四臂电桥，称为文氏电桥振荡电路。CCRR111ZZ222o.RR34tU.fU+9.1.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.1.2 RC9.1.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong Un

10、iversity低频时：低频时：(1/ C1) R1，(1/ C2) R2，选频网络可近似地看成，选频网络可近似地看成RC高通电路。高通电路。（1）RC串并联选频网络的频率特性串并联选频网络的频率特性高频时：高频时：(1/ C1) R1，(1/ C2)1(A3)。满足相位平衡条件满足相位平衡条件, a+ f = 0，有可能振荡。，有可能振荡。时时即即当当RCfRC21 100 （3）振荡频率与振荡波形）振荡频率与振荡波形（2）电路组成）电路组成9.1.2 RC9.1.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong Universi

11、tyXian Jiaotong University 温度、电源电压或元件参数温度、电源电压或元件参数的变化会破坏的变化会破坏AF=1的条件。的条件。 当当AF增加时：增加时：将使输出电压将使输出电压产生非线性失真；产生非线性失真； 当当AF减小时：减小时：将使输出波形将使输出波形消失消失(即停振即停振)。 因此，必须采取稳幅措施。因此，必须采取稳幅措施。实现稳幅的一个方案实现稳幅的一个方案 ：R4 正温度系数的热敏电阻。正温度系数的热敏电阻。 电阻的电阻的温度温度 431RRACCRR111ZZ222o.RR34tU.fU+UOIfR4UO（4）稳幅措施）稳幅措施9.1.2 RC9.1.2

12、RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University放大电路放大电路输出输出耦合耦合反馈反馈耦合耦合RL一般按反馈耦合的方式，一般按反馈耦合的方式，LC振荡分为三种。振荡分为三种。 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放大电路一般采用单级晶体管放大电路。放大电路一般采用单级晶体管放大电路。LC振荡电路的基本形式振荡电路的基本形式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

13、式9.1.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.1.3 LC9.1.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University1 LC并联回路的频率特性并联回路的频率特性1(j)1j/(j)1j(j)jRLCZRLCRLC)(/CLRCLZ 1j LC并联回路的等效阻抗为并联回路的等效阻抗为 通常通常R L，忽略分子中，忽略分子中R得得 9.1.3 LC9.1.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong

14、UniversityXian Jiaotong University 回路的谐振频率回路的谐振频率 LC10 LCf 210 或或 谐振时回路的阻抗谐振时回路的阻抗 CQLQRCLZ000 CLRCRRLQ1100 回路品质因数回路品质因数 LC并联谐振回路有以下特点：并联谐振回路有以下特点： 为纯电阻性质，并达到最大值为纯电阻性质，并达到最大值 9.1.3 LC9.1.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 由由LC并联谐振回路的特点可知：并联谐振回路

15、的特点可知： 谐振时，回路电流远比流入或流出谐振时，回路电流远比流入或流出LC回路的电流大得多。回路的电流大得多。因此，若电感因此，若电感L有中间抽头，则中间抽头的瞬时电位一定在首、有中间抽头，则中间抽头的瞬时电位一定在首、尾两端点的瞬时电位之间。即：尾两端点的瞬时电位之间。即：若电感的中间抽头交流接地，则首端与尾端的信号电压相位若电感的中间抽头交流接地，则首端与尾端的信号电压相位相反。相反。 若电感的首端或尾端交流接地，则电感其他两个端点的信号若电感的首端或尾端交流接地，则电感其他两个端点的信号电压相位相同。电压相位相同。9.1.3 LC9.1.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路Xian

16、Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 电路组成电路组成 LC并联回路作为共发射极放大电路并联回路作为共发射极放大电路三极管的集电极负载，起选频作用三极管的集电极负载，起选频作用 由变压器副边绕组上的电压作为反馈信号由变压器副边绕组上的电压作为反馈信号 用瞬时极性法分析振荡相位条件用瞬时极性法分析振荡相位条件 放大电路放大电路: 反馈网络反馈网络: 选频网络选频网络: 三极管共发射极放大电路三极管共发射极放大电路 振荡电路的幅值条件振荡电路的幅值条件只

17、要变压器变比和三极管选择适当，容易起振。只要变压器变比和三极管选择适当，容易起振。 振幅的稳定是利用放大器件的非线性来实现的振幅的稳定是利用放大器件的非线性来实现的 CLufRL+UCC9.1.3 LC9.1.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路+ + + + +Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University频率稳定度频率稳定度 p 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p 石英晶体正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路 RC振荡电路的频率稳定度大于振荡电路的频率稳定度大于103

18、普通普通LC振荡电路也只能达到振荡电路也只能达到104 石英晶体振荡电路的频率稳定度可达石英晶体振荡电路的频率稳定度可达109甚甚至至1011 石英晶体振荡电路之所以具有较好的频率稳定，主要是石英晶体振荡电路之所以具有较好的频率稳定，主要是由于采用了具有极高由于采用了具有极高Q值的石英晶体元件。值的石英晶体元件。 9.1.4 晶体振荡电路晶体振荡电路9.1.4 9.1.4 晶体振荡电路晶体振荡电路Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 1 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

19、效电路 石英晶体是一种各向异性的结石英晶体是一种各向异性的结晶体。晶体。 制造过程：制造过程： 按一定方位角切片，按一定方位角切片，研磨加工成形，两个表面涂敷银研磨加工成形，两个表面涂敷银层作为极板，封装层作为极板，封装 。 l 压电效应：压电效应： 在晶片的两个极板间加一电场，会使晶体产在晶片的两个极板间加一电场，会使晶体产生机械变形；生机械变形；9.1.4 9.1.4 晶体振荡电路晶体振荡电路Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong Universityl 压电谐振压电谐振 当外加交变电压的频率与晶片的固有频

20、率当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(决定于晶片决定于晶片的形状和尽寸的形状和尽寸)相等时，机械振动的幅度就急剧增加相等时，机械振动的幅度就急剧增加 。使用注意：使用注意：要接一定的负载电容要接一定的负载电容 CL(微调微调)，以达标称频率。，以达标称频率。要有合适的激励电平。过大会影响频率稳定度、振坏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。晶片；过小会使噪声影响大，还能停振。l 压电效应：反之，若在变形的方向上施加机械力，又会压电效应：反之，若在变形的方向上施加机械力，又会在极板上产生相应的电场。在极板上产生相应的电场。 9.1.4 9.1.4 晶

21、体振荡电路晶体振荡电路Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityC0：极板间的静电电容：极板间的静电电容 ； L、C：模拟晶片的质量：模拟晶片的质量(代表代表惯性惯性)和弹性；和弹性；R：等效晶片振动时造成的损：等效晶片振动时造成的损耗。耗。石英晶体有两个谐振频率石英晶体有两个谐振频率 n 当当R、L、C支路发生支路发生串联谐振时，串联谐振时，串联串联谐振谐振频率为频率为 LCfs21 n 当频率高于当频率高于fs小于小于fp时，时，R、L、C支路呈感性，当与支路呈感性，当与C0发生发生并联并

22、联谐振时，振荡频率为谐振时，振荡频率为 00P1121CCfCCLCfs 9.1.4 9.1.4 晶体振荡电路晶体振荡电路Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University2 石英晶体正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路基本电路只有两类基本电路只有两类: 并联型并联型 石英晶体工作在接近于并联谐振状态石英晶体工作在接近于并联谐振状态 +UCCVRERB1RB2C CE EC C3 3C C1 1C C2 2RC9.1.4 9.1.4 晶体振荡电路晶体振荡电路Xian Jiaotong Universi

23、tyXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University串联型串联型 石英晶体工作在接近于串联谐振状态石英晶体工作在接近于串联谐振状态 当当f fs时，时，石英晶体呈纯阻性石英晶体呈纯阻性。+UCCRERB1RB2C CB BL LC C9.1.4 9.1.4 晶体振荡电路晶体振荡电路Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University9.2 9.2 非正弦波振荡电路非正弦波振荡电路9.2.1 方波发生器方波发生器9.2.2 三角波发生器三角波发生器9.2.3

24、 锯齿波发生器锯齿波发生器9.2.4 压控振荡器压控振荡器Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University1 电路组成电路组成 2 工作原理工作原理 反相输入的迟滞比较器反相输入的迟滞比较器RC积分电路积分电路 迟滞比较器的迟滞比较器的门限电压门限电压Z212TH1URRRUZ212TH2URRRURC电路起电路起反馈延迟反馈延迟迟滞比较迟滞比较器起开关器起开关作用作用9.2.1 方波发生器方波发生器9.2.1 9.2.1 方波发生器方波发生器Xian Jiaotong UniversityXian

25、 Jiaotong UniversityXian Jiaotong University当输出处于正电压时：当输出处于正电压时：uo=+UZ输出电压对电容充电，输出电压对电容充电，uC 按指数规律增大按指数规律增大uC=UTH1uo=- -UZ触发触发当输出处于负电压时：当输出处于负电压时：uo=- -UZ输出电压对电容反向充电，输出电压对电容反向充电，uC 按指数规律减小按指数规律减小uC=UTH2uo=+ +UZ触发触发9.2.1 9.2.1 方波发生器方波发生器Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong Un

26、iversity如需产生占空比可调的矩形波，只需改变电容如需产生占空比可调的矩形波，只需改变电容C的正、反向充的正、反向充电时间常数，即调节电容的充电（即正向充电）时间常数电时间常数，即调节电容的充电（即正向充电）时间常数1与与放电（即反向充电）时间常数放电（即反向充电）时间常数2不相同，便可改变输出波的占不相同，便可改变输出波的占空比，方波发生电路便成为空比，方波发生电路便成为矩形波发生电路矩形波发生电路。3 可改变占空比的电路可改变占空比的电路 9.2.1 9.2.1 方波发生器方波发生器Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXia

27、n Jiaotong University 由运放由运放A1、电阻、电阻R1、R2组成的同相输入滞回比较器和运组成的同相输入滞回比较器和运放放A2、电阻、电阻R、电容、电容C组成的反相有源积分器闭环组合而成。组成的反相有源积分器闭环组合而成。双向稳压管双向稳压管DZ和限流电阻和限流电阻R3组成稳压电路用于限制组成稳压电路用于限制A1输出输出电压的幅值，即电压的幅值，即uo1=UZ。1 电路组成电路组成 9.2.2 三角波发生器三角波发生器9.2.2 9.2.2 三角波发生器三角波发生器Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Ji

28、aotong University运放运放A1同相输入端的电位同相输入端的电位uP由由uo1及及uo共同决定。共同决定。利用叠加原利用叠加原理求得理求得 2 工作原理工作原理1212Po1oZo12121212RRRRuuuUuRRRRRRRR 9.2.2 9.2.2 三角波发生器三角波发生器Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University+UZ- -UZtuo1-UomuotUomT/2T/29.2.2 9.2.2 三角波发生器三角波发生器1212Po1oZo12121212RRRRuuuUuRR

29、RRRRRR Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 三角波发生器输出电压三角波发生器输出电压uo的幅值的幅值Uom决定于迟滞比较器的输出决定于迟滞比较器的输出电压电压uo1跳变的时刻。而迟滞比较器在跳变的时刻。而迟滞比较器在uP=uN=0时发生跳变，所以时发生跳变，所以uP=uN=0时的时的uo值就是值就是Uom。oPPo112uuuuRR所以所以0mZ1200()uURR 解得解得10mZ2RuUR 改变改变R1或或R2就可改变三角波的幅值。就可改变三角波的幅值。 9.2.2 9.2.2 三角波发生器三角波发生器因为因为 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University9.2.3 锯齿波发生器