第7章：信号产生电路

1、第第7 7章章 信号产生电路信号产生电路7.1 7.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.2 7.2 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路7.1.1 振荡原理振荡原理7.1.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路基本教学要求基本教学要求: :了解正弦波振荡器自激了解正弦波振荡器自激振荡的条件，理解运算放大器组成的振荡的条件，理解运算放大器组成的RCRC正正弦波振荡电路的工作原理。弦波振荡电路的工作原理。 7.1 7.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.4 石英晶体正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路 定义定义 无需外加输入信号，自身能产生并输出无需外

2、加输入信号，自身能产生并输出一定频率和幅度的正弦交流信号的装置，一定频率和幅度的正弦交流信号的装置，称为正弦波振荡器，亦称称为正弦波振荡器，亦称正弦波发生器。正弦波发生器。 多谐振荡器（无稳态电路）亦称矩多谐振荡器（无稳态电路）亦称矩形波发生器，输出的波形为矩形波，如形波发生器，输出的波形为矩形波，如图图1(b)所示。所示。图(a)正弦波(b) 矩形波图 1 应用应用 正弦波振荡器能产生频率范围宽正弦波振荡器能产生频率范围宽（1Hz-1GHz）、输出功率大）、输出功率大(几几mW-几十几十kW)的正弦波信号，广泛应用于通信、遥的正弦波信号，广泛应用于通信、遥控遥感、航空航天、无线电广播、检测技

3、控遥感、航空航天、无线电广播、检测技术、热处理、电加工等领域。术、热处理、电加工等领域。n 无线电发射机：产生载荷信息的载波信号。无线电发射机：产生载荷信息的载波信号。n 超外差接收机：产生本地振荡信号。超外差接收机：产生本地振荡信号。n 各种电子测量设备和计时仪表：产生频率（或时间）各种电子测量设备和计时仪表：产生频率（或时间）基准信号。基准信号。n 工业生产部门广泛应用的高频电加热设备等。工业生产部门广泛应用的高频电加热设备等。电警棍电警棍超声波振荡器超声波振荡器电脑无线发射器电脑无线发射器 应应 用用微波炉微波炉无线发射机无线发射机一、产生自激振荡的条件：一、产生自激振荡的条件：7.1.

4、1 7.1.1 振荡原理振荡原理在第在第5 5章中，负反馈电路的方框图：章中，负反馈电路的方框图：负反馈电路的方框图负反馈电路的方框图AfAFAXXXAXXXXXXAdfddidoiof1/ )(/自激振荡发生。自激振荡发生。在负反馈放大器中，通常不希望出现自在负反馈放大器中，通常不希望出现自激振荡，例如：扩音器啸叫等现象。激振荡，例如：扩音器啸叫等现象。分析闭环电压放大倍数分析闭环电压放大倍数A Af ffidXXXofdoXXFXXA,而fdiXXXAFAF 0,011时：当负反馈电路的方框图负反馈电路的方框图反馈信号代替了放反馈信号代替了放大电路的输入信号。大电路的输入信号。AFAXXX

5、AXXXXXXAdfddidoiof1/ )(/此时，自激振荡此时，自激振荡发生。发生。分析闭环电压放大倍数分析闭环电压放大倍数A Af f0,011iXAFAF时：当Af正反馈电路的方框图正反馈电路的方框图Xdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXXfdXX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：可见，自激振荡的条件为：可见，自激振荡的条件为：11负反馈电路或正反馈电路AFAFFAFFAA|,而（1）振幅条件：）振幅条件：1|AF（2）相位条件：）相位条件：n是整数是整数nFA2问题：电路接通瞬间振荡是如何产生的？问题：电路接通瞬间振荡是如何产生的？Xdof基本放

6、大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXX二、正弦波振荡器的组成二、正弦波振荡器的组成1.1.起振信号：起振信号：0cit0CI0cit0CIt 电路接通瞬间加于晶体管基极的阶跃输入电压或噪声，包电路接通瞬间加于晶体管基极的阶跃输入电压或噪声，包含许多谐波分量，谐振回路选择满足相位平衡条件的谐波含许多谐波分量，谐振回路选择满足相位平衡条件的谐波分量。分量。t问题：如何得到振荡器的稳定的问题：如何得到振荡器的稳定的f 输出。输出。 只对一个频率信号满足振荡条件，从而获只对一个频率信号满足振荡条件，从而获得单一频率的正弦波信号输出。得单一频率的正弦波信号输出。 常用的选频网络有常用的选频网络有RCRC

7、和和LCLC选频网络。选频网络。2.2.选频网络选频网络3.3.放大放大)( 1|略大于FAt AF 1。只要接通电源，系统将由于只要接通电源，系统将由于微小的电冲激而产生增幅振荡。（微小的电冲激而产生增幅振荡。（起起振条件振条件）起振过程起振过程问题：放大器有饱和、截止区，产生失真。问题：放大器有饱和、截止区，产生失真。 平衡条件：平衡条件：1|FA（1 1）利用放大器自身的非线性特性，但）利用放大器自身的非线性特性，但输出波形有一定失真；输出波形有一定失真；（2 2）在反馈网络中加入非线性稳幅环节，）在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益，输出波形基用以调节放大电路的增益，

8、输出波形基本不失真。本不失真。稳幅措施：稳幅措施：4.4.稳幅环节稳幅环节 使电路易于起振又能稳定振荡，波使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小。形失真小。一、一、LC选频网络选频网络R：电感和回路中的损耗电阻，：电感和回路中的损耗电阻，阻值极小。阻值极小。7 7.1.2 LC1.2 LC正弦波振荡器正弦波振荡器此电路发生并联谐振。此电路发生并联谐振。-+LCRiCiLiuLC10当当时时LC并联谐振并联谐振特点：特点：电路呈阻性，电路呈阻性， ，总阻抗最大，总电流最小，总阻抗最大，总电流最小，电流谐振，电流谐振，ICILI， 功率因数功率因数RCLZZ00。1 cos1/1/00CLCRRL

9、IIIIQ品质因数品质因数LCLC并联谐振电路的并联谐振电路的阻抗频率响应和相频响应阻抗频率响应和相频响应 R值越小，值越小，Q值越大，谐振时的阻抗值就越大，相位随值越大，谐振时的阻抗值就越大，相位随频率变化的程度越急剧，选频效果越好。频率变化的程度越急剧，选频效果越好。 LC振荡电路主要用于产生高频正弦波信号振荡电路主要用于产生高频正弦波信号 ，不宜采用集成运放电路。不宜采用集成运放电路。LCff210+ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU3互感线圈的极性判别互感线圈的极性判别: : 在在LC振荡器中，反馈信振荡器中，反馈信号通过号通过互感线圈互感线圈L2引出。引出。L1、L2线圈处

10、的红点表线圈处的红点表示示同名端同名端。二、变压器反馈式二、变压器反馈式LC振荡电路振荡电路同名端同名端1234初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈124i i+i i 工作原理：工作原理：三极管共射放大器三极管共射放大器的输入输出信号反相，的输入输出信号反相，即：即：利用互感线圈的同名利用互感线圈的同名端实现：端实现：0180A0180F0360AA满足了起振的相位条件满足了起振的相位条件。振荡频率振荡频率:LCf210+ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCUufufuo+ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU瞬时极性法判断是否满足振荡的相位条件：瞬时极性法判断是否满足振荡的相位条件

11、：方法：方法：假设在输入端加入正假设在输入端加入正极性的信号，用瞬时极性极性的信号，用瞬时极性法判定反馈信号的极性。法判定反馈信号的极性。若反馈信号与输入信号同若反馈信号与输入信号同相，则满足正反馈的相位相，则满足正反馈的相位条件；否则不满足。条件；否则不满足。uf+-uouf+ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU假设在输入端假设在输入端（基极）加入正极性（基极）加入正极性（）的信号，（）的信号，通过互感线圈同名端感应后，反馈信号为正通过互感线圈同名端感应后，反馈信号为正极性（），与输入信号同相极性（），与输入信号同相;uf+-uouf据共射极电路输入输据共射极电路输入输出信号反相的结

12、论，输出信号反相的结论，输出端出端(集电极集电极)为负极性为负极性（）。（）。满足正反馈的相位条件。满足正反馈的相位条件。VRReb1ccLCCeC2RcC1Rb2+振荡频率振荡频率LCf210满足相位平衡条件满足相位平衡条件LC正弦波振荡器举例正弦波振荡器举例uoufuo三点式结构：三点式结构：LCLC选频电路中由两个电感或两个电容选频电路中由两个电感或两个电容串联，从而形成的三个端点。串联，从而形成的三个端点。三、三、三点式三点式LC振荡电路振荡电路电感三点式：电感三点式：电容三点式：电容三点式：uuf2o1CCLuf与与uo反相反相uuLCoC12fuf与与uo同相同相uf与与uo反相反

13、相uuCLL12fouuo1LC2Lfuf与与uo同相同相共射电路共射电路VCbRLb2b1ccL1eR2CeCRufufuoVRccCbcRb1Rb2eLe2CRC1Luo1.电感三点式电感三点式LC振荡电路振荡电路振荡频率：振荡频率：CMLLLCf)2(2121210 （ +）（ +）（ -）ufuouf（+）（+）（+）共基电路共基电路优点：优点：易起振，采用可变电容器能在较宽的易起振，采用可变电容器能在较宽的范围内调节振荡频率，从数百千赫兹至数十兆范围内调节振荡频率，从数百千赫兹至数十兆赫兹，用在经常改变频率的场合（例如收音机、赫兹，用在经常改变频率的场合（例如收音机、信号发生器等）。

14、信号发生器等）。 缺点：缺点：反馈电压取自反馈电压取自L2上，上，L2对高次谐波对高次谐波（相对于（相对于f0而言）阻抗较大，因而引起振荡回而言）阻抗较大，因而引起振荡回路输出谐波分量增大，输出波形较差。路输出谐波分量增大，输出波形较差。 1.电感三点式电感三点式LC振荡电路振荡电路V2eRRRb1CCcceb2c1RbCCLuf（ +）ufuouo2. 电容三点式电容三点式LC振荡电路振荡电路振荡频率：振荡频率：212102121CCCCLLCf （ +）（ -）VRRReb21eCcc2CLbb1CCufufuo（+）（+）（+）共基电路共基电路共射电路共射电路振荡频率：振荡频率：0002

15、0102121,LCLCfCCCC?VRRReb21eCcc2CLbb1CCufufuoc0改进型电容三点式：改进型电容三点式：优点：容抗随频率增大而减小，高次谐波优点：容抗随频率增大而减小，高次谐波被抑制，输出波形较好。被抑制，输出波形较好。 缺点：缺点：调节频率时，要求调节频率时，要求C1C1、C2C2同时变，同时变，不方便。可并联一小电容，在小范围内调频。不方便。可并联一小电容，在小范围内调频。常见于调幅和调频接收机中，同轴电容器常见于调幅和调频接收机中，同轴电容器调频。调频。 2. 电容三点式电容三点式LC振荡电路振荡电路例：例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足试判断下图所示三点式

16、振荡电路是否满足相位平衡条件。相位平衡条件。V21CCL+A+RRuo1Rf（ +）（ +）（ -）ufufuo振荡频率振荡频率LCf210满足相位平衡条件满足相位平衡条件振荡频率大约在几千几兆振荡频率大约在几千几兆HzHz之间，若需之间，若需要产生更低频率的正弦波信号，必须增大要产生更低频率的正弦波信号，必须增大L L或或C C值，即选用的电感、电容元件体积、重量和值，即选用的电感、电容元件体积、重量和价格均剧增，得不偿失。价格均剧增，得不偿失。LCLC振荡器的振荡频率振荡器的振荡频率LCf210因此，可采用因此，可采用RCRC振荡器振荡器来产生较低频率来产生较低频率（几几十千（几几十千Hz

17、Hz）的正弦波信号。）的正弦波信号。小小 结结)j/1(111CRZ 222222j1 )j/1/(CRRCRZ R1C1 串联阻抗：串联阻抗：R2C2 并联阻抗：并联阻抗：212oZZZUUFf反馈系数反馈系数+Ru+-o-fu+12RC12C7.1.3 RC正弦波正弦波振荡电路振荡电路一、一、RC 串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性)1j()1(1j1j1j11221211222211222CRCRRRCCCRRCRCRRF 通常，取通常，取R1R2R，C1C2C，则有：，则有：)j(3100 F式中：式中：RC10振荡角频率 F0=Fmax=1/3可见：当可见：当 时，时， F最大

18、，且最大，且RC100F0RfR1RRCCA+-二、二、RC正弦波振荡器的工作原理正弦波振荡器的工作原理从起振和平从起振和平衡条件来看：衡条件来看：uf=ud11231RRRRAff?331,1AFAF?uo注意：注意：RC串并联电串并联电路既是选频网络又作路既是选频网络又作为反馈环节为反馈环节RCRC振荡电路的稳幅过程振荡电路的稳幅过程稳幅元件：稳幅元件：正温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻R4若热敏电阻是负温度系数？若热敏电阻是负温度系数？当输出电压升高，当输出电压升高，R4上温度升高，阻值增加，负上温度升高，阻值增加，负反馈增强，输出幅度下降。反之，输出幅度增加。反馈增强，输出幅度下降。

19、反之，输出幅度增加。例题例题: :R=1k=1k ，C=0.1=0.1 F F，R1 1=10k=10k 。Rf f为多大时才为多大时才能起振？振荡频率能起振？振荡频率f0 0= =？ RCf210=1592 Hz起振条件：起振条件：uRf1RRRCCufA+okRRRRAff202111即取，331,1AFFA?K：双联波段开关，：双联波段开关，切换切换R，用于，用于粗调振荡频率。粗调振荡频率。C：双联可调电容，改变双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。用于细调振荡频率。实例：振荡频率的调节实例：振荡频率的调节_+ + RfuoRCCR1 1KKR1R1R2R2R3R3振荡振荡频率：频率：

20、RCf210电子琴的振荡电路：电子琴的振荡电路：_+ + RF1uoR1CCRfD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R21R22112CRR0f2121RRF12345176功率放功率放大器大器使使R2R121F1fF2RRAF1R2AF 1可调可调A 2RF1+RF2 Rf7.1.4 7.1.4 石英晶体石英晶体2. 基本特性基本特性1. 结构：结构：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压交变电压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