西安交通大学 赵进全 模拟电子技术基础 第八章.ppt

1、8 信号发生器,发生器按产生的波形特点可分为,8.1 正弦波信号发生器,8.1.1 正弦波自激振荡的基本原理,正弦波信号发生器是按照自激振荡原理构成的,信号发生器常称为振荡器,1产生正弦波自激振荡的平衡条件,自激振荡原理方框图,放大环节,A,正反馈网络,F,可在输出端继续维持原有的输出信号,正反馈,工作原理,及,知电路产生自激振荡的平衡条件为,放大环节,A,正反馈网络,F,(1) 幅度平衡条件,(2) 相位平衡条件,上式可分解为,一个振荡器，只在振荡频率f0时满足相位平衡条件。,平衡条件讨论,a. 相位平衡条件,在电路中应包含选频网络,若 ,则电路减幅振荡，最后停止振荡。,若 ，电路增幅振荡。

2、,b. 幅度平衡条件,AF=1是维持等幅振荡的唯一条件,2振荡的建立与稳定,振荡电路的起振条件：,放大电路中还应包含稳幅环节,A,反馈特性,幅度特性,F太小,自激振荡电路的建立过程（线性反馈）,幅度特性,B,幅度特性,非线性反馈,非线性反馈,起振,维持振荡,自激振荡电路的起振过程,3正弦波信号发生器组成,放大环节,正反馈网络,选频网络,稳幅环节,4. 正弦波信号发生器的分类,RC型振荡器,LC型振荡器,晶体振荡器,1文氏电桥振荡器,文氏电桥振荡电路,移相式振荡电路,双T网络式振荡电路,选频网络 反馈网络,放大电路,8.1.2 RC型正弦波信号发生器,2RC串并联网络的选频特性,图中,Z1,Z2

3、,反馈系数,Z1,Z2,令,幅频特性,当0时，F0,当时,F0,当=0时,F=Fmax=1/3,幅频特性分析,相频特性,当0时，F 90,当时, F 90,当=0时, F 0,相频特性曲线,幅频特性曲线,F =0，且反馈最强,可见，当=0时,相频特性分析,3工作原理,(1) 当f= 时,(3) 振荡频率,(2) 当 3 时，满足振荡条件。,A,4稳幅措施,(1) 利用二极管稳幅,Rt为负温度系数的热敏电阻,(2) 利用非线性热敏电阻稳幅,a. 用LC并联谐振回路作为选频网络,8.1.3 LC型正弦波信号发生器,b. 主要用来产生1 MHz以上的高频信号,主要特点,c. 频率稳定性较好,变压器反

4、馈式,电感三点式,电容三点式,LC型正弦波信号发生器类型,1LC并联谐振回路,f0,f0,Q大,Q小,Q大,Q小,阻抗频率特性,相频特性,(1) 谐振频率,(2) 谐振时的等值电阻R0,(3) 电路的品质因数,2选频放大电路,当f = f0（ LC并联谐振频率）时,(1) 输出电压幅值最大,(2) 输出与输入电压反相,工作原理,放大电路只对谐振频率f0的信号有放大作用,LC并联谐振电路,3变压器反馈式LC振荡电路,正反馈的判断,(1) 相位条件,判断的方法瞬时极性法,判断的步骤,b. 断开反馈回路,a. 假设谐振回路发生谐振,f.判断是否满足相位平衡条件,构成正反馈,满足相位平衡条件,(2)

5、起振条件,因为,合理地选择电路参数，及变压器的变比，可使AF1,满足起振条件。,(3) 振荡频率,(4) 电路的特点,a.调节N2方便，起振容易。,g.受变压器分布参数的限制，振荡频率不能很高。,b. 振荡频率高。,c. 电路的品质因数高。,e. 频率稳定性高。,d. 输出波形好。,f. 体积、重量大。,4电感三点式正弦振荡电路,振荡电路的交流通路,忽略RB1/RB2,简化的交流通路,线圈的三个端子分别与T的三个电极B、C、E相连接，故称之为电感三点式振荡电路。,(1) 相位平衡条件的判断,b. 断开反馈回路,a. 假设谐振回路发生谐振,相量图,相量图,(2) 幅度条件,由于反馈信号Uf取自电

6、感L2，改变电感中间抽头位置，调整反馈强弱，容易满足幅度条件。,M为线圈L1与L2之间的互感,(3) 谐振频率,式中,(4) 电路特点,a. 电感L1与L2之间耦合很紧，容易起振。,b. 输出波形中含有高次谐波，波形较差。,5. 电容三点式正弦波振荡电路,电容器的三个端子分别与T的三个电极相连接，故称之为电容三点式振荡电路。,交流通路,简化的交流通路,b. 断开反馈回路,a. 假设谐振回路发生谐振,(1) 相位平衡条件的判断,相量图,相量图,+,_,(2) 幅度条件,反馈电压取自C2， 改变C1/ C2，调整反馈强弱和电路的放大倍数，容易满足幅度条件。,(3) 谐振频率,(4) 电路特点,a.

7、 容易起振。,c. 输出波形中高次谐波少，波形好。,c. 改变电容时，容易停振。,b. 振荡频率高。,改进的电容三点式振荡电路,谐振频率,1. 石英晶体的基本特性与等效电路,(a) 各向异性,(b) 具有压电效应,8.1.4 晶体振荡器,(1) 压电效应,a. 石英晶体的基本特性,当交变电压的频率等于晶片的固有机械振动频率时，振幅急剧增加，这种现象称为压电谐振。,当在晶片的两电极之间加交变电压时，晶片就会产生机械变形振动。,压电谐振,压电效应,在晶片的两侧施加压力，又会产生电场。,在晶片的两面之间加电场，就会产生机械变形。,b. 石英晶体谐振器的结构,适当地切片,加装上外壳,电路符号,(2)

8、等效电路和谐振频率,R 等效晶片振动时内部的摩擦损耗,等效电路,C0 两金属电极间形成的静电电容,L 等效晶片振动时的惯性,C 等效晶片振动时的弹性,电路特点,a. L很大，C和R很小。,b . Q很高，达104106。,c. 频率稳定度（f /f0）很高。,三种振荡电路的频率稳定度,RC振荡器 102,LC振荡 103 104,石英晶体振荡 1091011,当忽略R时，电抗,串联谐振频率,当ffs时，X0，电路呈容性。,当ffs时，X0，电路呈感性。,a. 当 12LC =0 时，X=0,电路发生串联谐振,讨论,并联谐振频率,X=,b. 当j (C0+C2LCC0 ) = 0时,电路发生并联

9、谐振,由于CC0,故,电抗 频率特性,画出石英晶体振荡器的电抗 频率特性,可见,a. 当 fsffp 时，电路呈感性。,b.当 ffp 时，电路呈容性。,2石英晶体振荡电路,(1) 并联型晶体振荡器,晶体呈感性,谐振频率,交流等效电路,谐振频率,式中,由于,故,(2) 串联型晶体振荡器,谐振频率,思 考 题,1. 在正弦波发生器中，如果没有选频网络或没有稳幅环节，那么电路将分别会出现什么情况？,2. 电容三点式与电感三点式正弦波振荡电路相比，哪个电路输出的波形更好，为什么？,8.2 非正弦波信号发生器,主要组成部分,(1) 具有开关特性的器件（如电压比较器、BJT等）,(2) 反馈网络,主要作

10、用 产生高、低电平。,主要作用 将输出电压适当地反馈给开关器件 使之改变输出状态。,(3) 延时环节,主要作用 实现延时，以获得所需要的振荡频率。,主要特点,振荡条件比较简单，只要反馈信号能使比较电路状态发生变化，即能产生周期性的振荡。,8.2.1 方波发生器,1. 电路组成,延迟环节,迟滞比较器,2 工作原理,设t=0时,uC(0)=0,uO= +UZ,则,=+FUZ,uC按指数规律上升,a. 当t0时,电容C充电,iC,uO、uC波形图,uO=+UZ,b. 当uCFUZ 时,uR= FUZ,uO= UZ,- FUZ,+ FUZ,iC,c. 当uO= UZ时,uR= FUZ,uC按指数规律下

11、降,电容C放电,iC,d. 当uC FUZ 时,UR=FUZ,uO=UZ,iC,e. 当uO=+UZ时,UR=FUZ,uC又按指数规律上升,电容C又充电,iC,uO、uC波形图,uO为方波,iC,根据三要素法,3. 主要参数计算,如果选定时间起点为t2，那么,振荡频率,由此得电路的振荡周期,当 t=T/2 时,即,振荡频率,例1 对图示电路如何改进，可改变信号占空比？,答 如果将方波信号发生器中的电容C的充电和放电回路分开,使充电 和放电的时间常数 不相等，即可改变 信号的占空比。,改进电路,例2 在图示电路中，如果电阻R+ R，输出波形的占空比是大于还是小于50%？,答 如果电阻R+ R，那

12、么，电容C的充电时间将大于放电时间，输出波形的占空比大于50%。,8.2.2 三角波和锯齿波发生器,1电路组成,迟滞比较器,积分器,图中,2工作原理,(1) 当 时,输出电压,电容 C充电,uO随时间线性下降,设uC(0)=0,波形图,(2) 当 时,令,UZ,得uO1翻转时的输出电压,波形图,(3) 当 uB0时,电容器放电,输出电压,uO随时间线性上升,UZ,波形图,令,(4) 当 uB0时,t,uO , uO1,O,uO,uO1,UZ,UZ,波形图,得uO1翻转时的输出电压,波形图,uO1 方波,uO 三角波,输出波形,(1) 输出电压幅值,3. 主要参数计算,(a) 三角波幅值,(b)

13、 方波幅值,(2) 振荡频率,三角波从零上升到Uom的时间是T/4,由图可知,由于,故电路的振荡周期,振荡频率,(a),(b),答 输出波形上升和下降的斜率不等。,例3 如果用图(a)示电路替代图(b)示电路的电阻R，那么输出电压uO的波形如何变化？,替代R,例4 在上图示电路中，如果电阻R+ R，画出输出电压的波形。,解 输出信号的波形如右图示。,8.2.3 压控振荡器,1. 原理图,图中模拟开关S受控于uO,a. 当uO=+UZ时，开关S接通+U。,b. 当uO= UZ时，开关S接通U。,(1) 工作原理,图中,(a) 当 时,U通过R向 C充电,S 接电源 +U,uO1随时间线性下降,设

14、uC(0)=0,+,uC,(b) 当 uB0 时,电容反向充电,开关S 接 U,uO1随时间线性上升,uO1,R,C,A2,A1,R1,R2,R3,uO,DZ,B,+,+,U,+U,S,(c) 当 uB 0 时,电容 又正向充电,S又接U,C,uO1又随时间线性下降,+,uC,uO,C,+,uC,uO1 三角波,uO 输出方波,输出波形,(2) 振荡波形图,(3) 振荡频率,而,由波形图知,故,由,得,f0U，实现了电压控制振荡频率的目的。,一种压控振荡电路,电子模拟开关,例1 电路如图所示，图中运放A和二极管D1、D2都是理想器件，稳压管DZ的稳压值为UZ。试证明调节电位器RW改变矩形波占空

15、比时，周期T将保持不变。,练 习 题,解 由题意，画出uO和uC的波形如下图示。,其中,波形图,当uO=UZ时，uO通过D1对电容充电,当uO= UZ时，电容通过D2 放电,可见，在改变RW滑动端位置时，T保持不变。,振荡周期,为常数,例2 在图示矩形波发生电路中，理想运放的最大输出电压Uomax=12 V，最小的输出电压Uomin=0 V 。,(a) 画出输出电压uO和电容电压uC的波形；,(b)求出uC的最大值和最小值;,(c) 当UR的大小超出什么范围时，电路将不再产生矩形波？,解 (a) 方波发生器的输出电压只有高、低两种电平，电容C随输出电压的极性进行充电或放电。当uC大于运放同相端

16、电位u+时，输出为低电平；反之，输出为高电平。,输出电压uO和电容电压uC的波形图,(b) 由图可知，运放同相端电位的最大值和最小值，即为uC的最大值和最小值。,对于同相端，由KCL得,(3) 如果UcmaxU+min，电路不能产生方波。,Ucmax=Uomax/2=6 V,Ucmin=Uomin/2=0 V,由图可知,当UR3U+maxUOmax=6 V,或 UR3U+minUOmin=0 V时,电路不能产生方波,例3 图示电路为一压控振荡器。设输入电压0UI6V，运放A1、A2为理想器件；二极管D的正向压降为0.6V，稳压管DZ的稳定电压为6V，它们的其它性能理想。,(a) 运算放大器A1、A2各组成什么电路？ (b) 画出uO1 和uO 波形； (c) 写出振荡频率f0 与输入电压UI的函数关系式。,解 (a) A1构成反相输入积分电路，A2构成同相输入比较电压比较器。,(b) 当uO6V时，二极管D截止，电容C充电，uO1随时间负向线性增大。,当运放A2的同相端电位u2+过零时，比较器翻转