信号处理与信号产生电路综述

1、9.1 9.1 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件9.2 RC9.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.3 LC9.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.4 9.4 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路9.5 9.5 集成函数发生器简介集成函数发生器简介 第第9 9章章 信号产生电路信号产生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 kHz 数百数百 kHz) )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

2、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主要性能：性能：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1. 1. 产生自激振荡的条件产生自激振荡的条件fidXXX-=改成正反馈改成正反馈只有正反馈电路才能产生自激振荡。只有正反馈电路才能产生自激振荡。9.1 9.1 正弦波振荡器的振荡条件正弦波振荡器的振荡条件+基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FiX+ dXoXfX如果：如果：,ifXX=则去掉则去掉,iX仍有信号输出。仍有信号输出。基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FdXoXfX反馈信号代替了放大反馈

3、信号代替了放大电路的输入信号。电路的输入信号。基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FiX+ +dXoXfX基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FdXoXfXAF=1Xd=Xf所以，自激振荡条件也可以写成：所以，自激振荡条件也可以写成：自激振荡的条件：自激振荡的条件：（1）振幅条件：）振幅条件：1|=AF（2）相位条件：）相位条件：pjjnFA2=+n是整数是整数1.=FAAAAj=|因为：因为：FFFj=|.fodoXXAFXX=产生正弦波的条件：产生正弦波的条件：正反馈正反馈起振条件起振条件2. 起振和稳幅起振和稳幅电路器件内部噪声以及电源接通扰动电路器件内部噪声以及电源接通扰动

4、1)()( FA2)()(fan= =+ + j j j j 当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加（加（稳幅稳幅），否则波形将出现失真。），否则波形将出现失真。 噪声中，满足相位平衡条件的某一频率噪声中，满足相位平衡条件的某一频率 0 0的噪声信号被的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。放大，成为振荡电路的输出信号。 稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从使振幅平衡条件从 回到回到1 AF。 1= =AF起振过程起振过程起振条件起振条件 iouuAu= =

5、ofuuFu= = 2AFn= =j j放大器放大器Au反馈网络反馈网络FuUoUfUi 1/FuAu = 1/FuOuiuoAuuoAu Fu 1Au Fu 1Ui1Uo1Uf1Ui2Uo2Uf2Ui3Uo3Uf2Ui4Uo4ufuf 起振起振稳幅稳幅1 AF 2. 起振和稳幅起振和稳幅 如何得到如何得到正弦波：正弦波：必须在放大电路里加入必须在放大电路里加入正反馈，因此正反馈，因此放大电路放大电路和和正反馈网络正反馈网络是振荡电是振荡电路的最主要部分。但是，这样两部分构成的振路的最主要部分。但是，这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波，这是由于很难控制正荡器一般得不到正弦波，这是由于很难控

6、制正反馈的量。反馈的量。 如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。生非线性失真。 反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能停振，为此振荡电路要有一个停振，为此振荡电路要有一个稳幅电路稳幅电路。2. 起振和稳幅起振和稳幅 为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络选频网络，选频网络（就是滤波器滤波器）往往和正反馈网络或放大电路合而为一。选频网络由R、C 和L、C 等电抗性元件组成。 正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。2. 起振和稳幅

7、起振和稳幅 “噪声中，满足相位平衡条件的某一频率噪声中，满足相位平衡条件的某一频率 0 0的噪声信号的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。被放大，成为振荡电路的输出信号。”如何做到：如何做到：3.电路的组成和起振的判断电路的组成和起振的判断1. 放大电路放大电路 Au2. 正反馈网络正反馈网络 Fu3. 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 组成组成: :放大器放大器选频正选频正反馈网络反馈网络UoUfUi选频选频放大器放大器正反馈正反馈网络网络UoUfUi 判断判断: :1. 检查电路组成检查电路组成2.“Q”是否

8、合适是否合适3. 是否满足起振条件是否满足起振条件3.电路的组成和起振的判断电路的组成和起振的判断起振过程起振过程稳定振荡稳定振荡9.2 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串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性3. 振荡电路工作原理振荡电路工作原理4. 稳幅措施稳幅措施1. 电路组成电路组成反馈网络兼做选频网络反馈网络兼做选频网络RC桥式振荡电路桥式振荡电路注意：有两个反馈通路1. 电路组成电路组成RC桥式振荡电路桥式振荡电路注意：有两个反馈通注意：有两个反馈通路路一个是一个是负反馈负反馈一个是一个是正反馈正反馈反馈系数反馈系数2. RC串并联选频网络的

9、选频特性串并联选频网络的选频特性)()()(ofsVsVsFV= =幅频响应幅频响应又又212ZZZ+ += =2)(31sCRsCRsCR+ + += = j= =s且令且令RC10= = 则则0013j()VF=+-2002)(31 - -+ += =VF相频响应相频响应3)(arctg00f j j- - -= =2. RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性当当2002)(31 - -+ += =VF幅频响应有最大值幅频响应有最大值3)(arctg00f j j- - -= =RCffRC21 100=或31max= =VF相频响应相频响应0f= =j j即：即：只有只有

10、被反馈的最多，且没有相位的不同（同相被反馈的最多，且没有相位的不同（同相-正反馈正反馈）03. 振荡电路工作原理振荡电路工作原理此时若放大电路的电压增益为此时若放大电路的电压增益为 用瞬时极性法判断可知，电用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件路满足相位平衡条件则振荡电路满足振幅平衡条件则振荡电路满足振幅平衡条件0f= =j j当当RC10= = = 时，时，2fan= =+ +j jj j311f= =+ += =RRAV1313= = = =VVFA电路可以输出频率为电路可以输出频率为 的正弦波的正弦波RCf210= =RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于正弦波振荡电路一般用于产生频

11、率低于 1 MHz 的正弦波的正弦波采用非线性元件采用非线性元件4. 稳幅措施稳幅措施4热敏元件热敏元件热敏电阻热敏电阻起振时，起振时，311f + += =RRAV即即1 VVFA热敏电阻的作用热敏电阻的作用OVOI 功功耗耗 fR 温度温度 fR 阻阻值值 fR3= =VA1= =VVFA稳幅稳幅 VA21f RR1f2RR Rf 不能太大，否则不能太大，否则正弦波将变成方波正弦波将变成方波应使：应使：31= =F3 A采用非线性元件采用非线性元件4. 稳幅措施稳幅措施4场效应管（场效应管（JFET）31DS3p3 + + += =RRRAV稳幅原理稳幅原理 oV )(GS负负值值V DS

12、R1= =VVFA稳幅稳幅 VA34 CRD、整流滤波整流滤波T 压控电阻压控电阻 vDS iD vGS=0V -1V -2V -3V 3= =VA可变电阻区，可变电阻区，斜率随斜率随vGS不不同而变化同而变化采用非线性元件采用非线性元件4二极管二极管稳幅原理稳幅原理OV3= =VA1= =VVFA稳幅稳幅 VA31132 + + += =RRRAV起振时起振时联支路的等效电阻联支路的等效电阻并并和和、是是其中其中2133DD RR 3R4. 稳幅措施稳幅措施稳幅环节稳幅环节例例9.6.1：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

13、 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， = =180Fj j - -= =180Aj j0= =AFj j 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，输出波形差end作业：1、9.6.1（b）2、9.6.29.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路1 LC选频放大电路选频放大电路1 LC选频放大电路选频放大电路LRCLRCZ jj1)j

14、(j1+ + + += =等效损耗电阻等效损耗电阻)1j(CLRCLZ - -+ += =一般有一般有LR 则则CQLQRCLZ000 = = = =当当 时，时，LC10= = = 电路谐振。电路谐振。LC10= = 为谐振频率为谐振频率谐振时谐振时阻抗最大，且为纯阻性阻抗最大，且为纯阻性其中其中CLRRCRLQ1100= = = = 为品质因数为品质因数同时有同时有scIQI= =即即sLcIII （1）. 并联谐振回路并联谐振回路000/1/SOSCCCSSI ZVL RCIIZZjCLjIjQIR=|SCIQ I=0SOSLLLIZVIjQ IZZ= -CLRRCRLQ1100= =

15、= = 1 LC选频放大电路选频放大电路（1）. 并联谐振回路并联谐振回路|SLIQ I=CLII= -1 LC选频放大电路选频放大电路阻抗频率响应阻抗频率响应（a）幅频响应）幅频响应 （b）相频响应）相频响应 )/(j1000-+=QZ)1j(CLRCLZ - -+ += =（1）. 并联谐振回路并联谐振回路2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 虽然波形出现了失真，但由于虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的谐振电路的Q值很高，选值很高，选频特性好，所以仍能选出频特性好，所以仍能选出 0的正弦波信号。的正弦波信号。（1）. 电路结构电路结构（2）. 相位平衡条件相位平衡条件（3

16、）. 幅值平衡条件幅值平衡条件（4）. 稳幅稳幅（5）. 选频选频 通过选择高增益的场效应管和调通过选择高增益的场效应管和调整变压器的匝数比，可以满足整变压器的匝数比，可以满足1 FA使电路可以起振。使电路可以起振。 FET或或BJT进入非线性区，波形出进入非线性区，波形出现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目的。现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目的。（定性分析）（定性分析）3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路仍然由仍然由LC并联谐振电路构成选频网络并联谐振电路构成选频网络A. 若中间点交流接地，则首端与尾端若中间点交流接地，则首端与尾端 相位相反。相位相反。（1）. 三点式三点式LC并联电路

17、并联电路中间端的瞬时电位一定在首、尾端电中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。位之间。三点的相位关系三点的相位关系:B. 若首端或尾端交流接地，则其他两若首端或尾端交流接地，则其他两 端相位相同。端相位相同。C+VCCVRERB1RB2CECBL1L2C1M123oUiUfU3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路（2）. 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路 )2(2121210CMLLLCf+ + +p p= =p p 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。3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路（2）. 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路LCCCCLCf212102121+ +p p= =p p +VCCTRERB1RB2CECBLC1C2123LC3oUiUfU3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路（3）. 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路优点：波形较好优点：波形较