第七章信號產(chǎn)生電路

信號發(fā)生電路(振蕩器—Oscillators)分類：正弦波振蕩器非正弦波振蕩器RC振蕩器(1kHz~1MHz)LC振蕩器(1MHz以上)石英晶體振蕩器(頻率穩(wěn)定度高)方波、三角波、鋸齒波等主要性能要求輸出信號的幅度準(zhǔn)確穩(wěn)定輸出信號的頻率準(zhǔn)確穩(wěn)定引言第7章信號產(chǎn)生電路7.1正弦波振蕩電路的分析方法7.2RC正弦波振蕩電路7.3LC正弦波振蕩電路7.4石英晶體振蕩器7.5非正弦波發(fā)生電路本章重點和考點：1.重點掌握RC正弦波振蕩工作原理。2.重點掌握電壓比較器的傳輸特性。3.掌握非正弦波發(fā)生電路的原理。7.1正弦波振蕩電路~放大電路反饋網(wǎng)絡(luò)如果反饋電壓uf與原輸入信號ui完全相等，則即使無外輸入信號，放大電路輸出端也有一個正弦波信號——自激振蕩。(電路要引入正反饋)正弦波振蕩電路的方框圖一、正弦波振蕩的條件由此知放大電路產(chǎn)生自激振蕩的條件是：即：所以產(chǎn)生正弦波振蕩的條件是：——幅度平衡條件——相位平衡條件電路起振的條件：二、正弦波振蕩電路的組成及分類

組成：放大電路：集成運放選頻網(wǎng)絡(luò)：確定電路的振蕩頻率反饋網(wǎng)絡(luò)：引入正反饋穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：非線性環(huán)節(jié)，使輸出信號幅值穩(wěn)定分類：RC正弦波振蕩電路，頻率較低，在1MHz以下。LC正弦波振蕩電路，頻率較高，在1MHz以上。石英晶體振蕩電路，頻率較高，振蕩頻率非常穩(wěn)定。三、判斷電路能否產(chǎn)生正弦波振蕩的方法和步驟1.檢查電路是否具備正弦波振蕩的組成部分；2.檢查放大電路的靜態(tài)工作點是否能保證放大電路正常工作；3.分析電路是否滿足自激振蕩的相位平衡條件判斷相位平衡條件的方法是：瞬時極性法。5.估算振蕩頻率和起振條件4.判斷是否滿足振幅平衡條件。7.2RC正弦波振蕩電路RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路也稱RC橋式正弦波振蕩電路或稱文氏振蕩電路(Wien)電路組成：放大電路——集成運放A；選頻與正反饋網(wǎng)絡(luò)——R、C串并聯(lián)電路；穩(wěn)幅環(huán)節(jié)——RF與R組成的負(fù)反饋電路。7.2.1RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路一、RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)Z1Z2取R1=R2=R，C1=C2=C，令

則：得RC串并聯(lián)電路的幅頻特性為：相頻特性為：最大，F(xiàn)=0。0F01/3+90o-90o二、振蕩頻率與起振條件1.振蕩頻率2.起振條件f=f0時，由振蕩條件知：所以起振條件為：同相比例運放的電壓放大倍數(shù)為即要求：三、振蕩電路中的負(fù)反饋(穩(wěn)幅環(huán)節(jié))引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，可以提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性，改善振蕩電路的輸出波形，提高帶負(fù)載能力。反饋系數(shù)改變RF，可改變反饋深度。增加負(fù)反饋深度，并且滿足則電路可以起振，并產(chǎn)生比較穩(wěn)定而失真較小的正弦波信號。反饋電阻RF采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，采用正溫度系數(shù)的熱敏電阻，均可實現(xiàn)自動穩(wěn)幅。穩(wěn)幅的其它措施電流增大時，二極管動態(tài)電阻減小。電流減小時，動態(tài)電阻增大，加大非線性環(huán)節(jié)，從而使輸出電壓穩(wěn)定。在RF回路中串聯(lián)二個并聯(lián)的二極管穩(wěn)幅的其它措施利用場效應(yīng)管的非線性特性

四、振蕩頻率可調(diào)的RC橋式正弦波振蕩電路用雙層波段開關(guān)接不同電容，作為振蕩頻率f0的粗調(diào)；用同軸電位器實現(xiàn)f0的微調(diào)。RC串、并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，如何調(diào)節(jié)頻率？問題：如何提高頻率？動畫avi\11-2.avi2.RC橋氏振蕩電路A

=2nF=0o2)電路：3)振蕩頻率4)振蕩條件應(yīng)使：同相放大器????1)組成：8CR1RfRCR???5)穩(wěn)幅措施熱敏電阻穩(wěn)幅8CR1RfRCR為使電Au為非線性，起振時，應(yīng)使Au>3，穩(wěn)幅后Au=3。正溫度系數(shù)負(fù)溫度系數(shù)二極管穩(wěn)幅8R1R2V1V2R312.4k>R2>8.1k起振時信號小，二極管電阻大Au

1+(R2+R3)/R1>3R2>2R1-R3起振后二極管電阻逐漸減小，Au

1+R2/R1=3為使失真?。篟2<2R1f0=1.94kHz8.2k6.2k22k4.3k0.01F8.2k0.01F電子琴的振蕩電路電路：_++RF1uoR1CCRD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R21右圖是RC正弦波振蕩電路組成的最簡單的電子琴電路。按下不同的琴件（圖中用開關(guān)表示），就能發(fā)出不同的琴音。已知C調(diào)八個基本音階的頻率如下表所示，圖中R1≠R2。試推導(dǎo)出計算其諧振頻率的公式，并求出電阻R21~R28。_++RfR21R22R23R24R21R22R23R24uoR11kΩC10.1μFC10.1μFR43.3kΩ1kΩ功放+UCC音階12345671頻率/Hz264297330352396440495528表C調(diào)八個基本音階的頻率【解】將圖10.17中的正反饋網(wǎng)絡(luò)取出來畫在圖10.18中，其中C1=C2，R2=R21，R21，…R28。UfUo=1jωC2R2∥1jωC2+R2∥1jωC1R1+()=1jωC1R2∥1jωC1+R2∥1jωC1R1+()=R21

+

jωR2C1+1jωC1R1+R21

+

jωR2C1圖10.18R1C1R2C2+Uf－+Uo－=R21

+

jωR2C1jωC1R1(

1

+

jωR2C1)

++R2=R2(

R1+2R2)+

j

(ωC1R1R2－

)1ωC1振蕩時應(yīng)有：ωnC1R1R2－1ωnC1=0即振蕩頻率為：fn=12πC1√R1R2R2=1(2πfnC1)2R1因此：將八個音階的頻率分別代入上式，可求得對應(yīng)的電阻值分別為：R21=36.34kΩR22=28.72kΩR23=23.26kΩR24=20.44kΩR25=16.15kΩR26=13.08kΩR27=10.34kΩR28=9.10kΩ一、移相式振蕩電路集成運放產(chǎn)生的相位移A=180o，如果反饋網(wǎng)絡(luò)再相移180o，即可滿足產(chǎn)生正弦波振蕩的相位平衡條件。振蕩頻率為：0270o180o90o當(dāng)f=f0時，相移180o，滿足正弦波振蕩的相位條件。起振條件：RF>12R7.2.2其他形式的RC振蕩電路一、RC移相式振蕩電路8CRRfRCRC一節(jié)RC環(huán)節(jié)移相90二節(jié)RC環(huán)節(jié)移相180三節(jié)RC環(huán)節(jié)移相270對于的信號，—

滿足相位平衡條件優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單缺點：選頻特性差，輸出波形差*二、雙T選頻網(wǎng)絡(luò)振蕩電路振蕩頻率約為：當(dāng)f=f0時，雙T網(wǎng)絡(luò)的相移為F=180o；反相比例運放的相移A=180o，因此滿足產(chǎn)生正弦波振蕩的相位平衡條件。如果放大電路的放大倍數(shù)足夠大，同時滿足振幅平衡條件，即可產(chǎn)生正弦波振蕩。起振條件*三種RC振蕩電路的比較名稱RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路移相式振蕩電路雙T網(wǎng)絡(luò)選頻振蕩電路電路形式振蕩頻率起振條件電路特點及應(yīng)用場合可方便地連續(xù)調(diào)節(jié)振蕩頻率，便于加負(fù)反饋穩(wěn)幅電路，容易得到良好的振蕩波形。電路簡單，經(jīng)濟方便，適用于波形要求不高的輕便測試設(shè)備中。選頻特性好，適用于產(chǎn)生單一頻率的振蕩波形。7.3LC正弦波振蕩電路

一、LC諧振回路的頻率特性

當(dāng)頻率變化時，并聯(lián)電路阻抗的大小和性質(zhì)都發(fā)生變化。并聯(lián)電路的導(dǎo)納：當(dāng)電路發(fā)生并聯(lián)諧振。并聯(lián)諧振角頻率令：——諧振回路的品質(zhì)因數(shù)當(dāng)Q

>>1時諧振頻率：回路等效阻抗：LC并聯(lián)回路的阻抗：發(fā)生并聯(lián)諧振時，在諧振頻率附近，可見，Q值不同，回路的阻抗不同。不同Q值時，LC并聯(lián)電路的幅頻特性：Z01Z02Q1

>Q2Q1Q2相頻特性：F+90o-90oQ1Q2Q1

>Q2感性純阻容性結(jié)論：1.當(dāng)f=f0時，電路為純電阻性，等效阻抗最大；當(dāng)f

<

f0時，電路為感性；當(dāng)f

>

f0時，電路為容性。所以LC并聯(lián)電路具有選頻特性。2.電路的品質(zhì)因數(shù)Q愈大，選頻特性愈好。諧振時LC回路中的電流電容支路的電流：并聯(lián)回路的輸入電流：所以：當(dāng)Q>>1時，

結(jié)論：諧振時，電容支路的電流與電感支路的電流大小近似相等，而諧振回路的輸入電流極小。若以LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為共射放大電路的集電極負(fù)載當(dāng)f=f0時，電壓放大倍數(shù)的數(shù)值最大，且無附加相移。因而電路稱為選頻放大電路若增加正反饋，并用反饋電壓取代輸入電壓，則電路就成為正弦波振蕩電路LC正弦波振蕩電路變壓器反饋式電感反饋式電容反饋式二、變壓器反饋式振蕩電路1.工作原理用瞬時極性判斷為正反饋，所以滿足自激振蕩的相位平衡條件。-2.振蕩頻率和起振條件振蕩頻率起振條件變壓器反饋式振蕩電路三、電感反饋式振蕩電路1.電路組成用瞬時極性判斷為正反饋，所以滿足自激振蕩的相位平衡條件。---2.振蕩頻率和起振條件振蕩頻率起振條件C+VCCVRERB1RB2CECBL1L2C1×優(yōu)點：缺點：易起振(L間耦合緊)；易調(diào)節(jié)頻率(調(diào)C)。輸出取自電感，對高次諧波阻抗大，輸出波形差。M123???3.振蕩電路的特點四、電容反饋式振蕩電路1.電路組成用瞬時極性判斷為正反饋，所以滿足自激振蕩的相位平衡條件。2.振蕩頻率和起振條件振蕩頻率起振條件----考畢茲振蕩器(Colpitts)×優(yōu)點：波形較好缺點：2)V極間電容影響f01)調(diào)頻不便克拉潑振蕩器(Clapp)

+VCCVRERB1RB2CECBLC1C2123LC3改進(jìn)???3.振蕩電路的特點電容反饋式改進(jìn)型振蕩電路振蕩頻率選擇C<<C1，C<<C2，則：減小了三極管極間電容對振蕩頻率的影響，適用于產(chǎn)生高頻振蕩。名稱變壓器反饋式電感反饋式電容反饋式電容反饋式改進(jìn)型電路形式振蕩頻率起振條件同左頻率調(diào)節(jié)方法及范圍頻率可調(diào)，范圍較寬。同左頻率可調(diào)，范圍較小。同左振蕩波形一般較差好好頻率穩(wěn)定度可達(dá)10-4同左可達(dá)10-4~10-5可達(dá)10-5適用頻率幾千赫~幾十兆赫同左幾兆赫~一百兆赫同左各種LC振蕩電路的比較7.4石英晶體振蕩器正弦波振蕩電路的頻率穩(wěn)定問題由品質(zhì)因素的定義可知頻率穩(wěn)定度：一般用頻率的相對變化量來表示，f0為振蕩頻率，Δf為頻率偏移，頻率穩(wěn)定度有時也附加時間條件，如一小時或一日的頻率相對變化量。7.4石英晶體振蕩器石英晶體諧振器，簡稱石英晶體，具有非常穩(wěn)定的固有頻率。一、石英晶體的特點

壓電效應(yīng)：在石英晶片的兩極加一電場，晶片將產(chǎn)生機械變形；若在晶片上施加機械壓力，在晶片相應(yīng)的方向上會產(chǎn)生一定的電場。

壓電諧振：晶片上外加交變電壓的頻率為某一特定頻率時，振幅突然增加。1.壓電效應(yīng)和壓電振蕩石英是一種各向異性的結(jié)晶體，其化學(xué)成分是SiO2。從一塊晶體上按一定的方位角切割成的薄片稱為晶片。在晶片的兩面涂上銀層作為電極，電極上焊出兩根引線固定在管腳上，就構(gòu)成了石英晶體諧振器。

2.石英諧振器結(jié)構(gòu)極板間加電場極板間加機械力晶體機械變形晶體產(chǎn)生電場壓電效應(yīng)交變電壓機械振動交變電流機械振動的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高當(dāng)交變電壓頻率=固有頻率時，共振，振幅最大，產(chǎn)生的交變電流最大。類似串聯(lián)諧振。壓電諧振2.石英諧振器的基本特性3.等效電路和振蕩頻率符號：等效電路中的C0為切片與金屬板構(gòu)成的靜電電容；L模擬晶體的質(zhì)量(代表機械振動的慣性)；C模擬晶體的彈性；電阻R等效晶片振動時因摩擦而造成的損耗。3.等效電路和振蕩頻率符號：石英晶體諧振器的等效電路可得出石英晶體的總電抗近似為

電抗頻率特性O(shè)fXfsfp容性容性感性3.等效電路和振蕩頻率符號：串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率電抗頻率特性O(shè)fXfsfp容性容性感性二、石英晶體正弦波振蕩電路1.并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路交流等效電路振蕩頻率由于2.串聯(lián)型石英晶體振蕩電路串聯(lián)型石英晶體振蕩電路當(dāng)振蕩頻率等于fS時，晶體阻抗最小，且為純電阻，此時正反饋最強，相移為零，電路滿足自激振蕩條件。振蕩頻率調(diào)節(jié)R可改變反饋的強弱，以獲得良好的正弦波。7.5非正弦波發(fā)生電路非正弦波：矩形波、三角波、尖頂波和階梯波等幾種常見的非正弦波7.5.1矩形波發(fā)生電路一、電路組成RC充放電回路滯回比較器滯回比較器：集成運放、R1、R2；充放電回路：R、C；（延遲環(huán)節(jié)、反饋網(wǎng)絡(luò)）鉗位電路：VDZ、R3。（穩(wěn)幅環(huán)節(jié)）二、工作原理設(shè)t=0時，uC=

0，uO=+UZ則tOuCOuOtu+u-當(dāng)u-=uC

=u+時，t1t2則當(dāng)u-=uC

=u+時，輸出又一次跳變，uO=+UZ輸出跳變，uO=-UZ三、振蕩周期電容的充放電規(guī)律：對于放電，解得：結(jié)論：改變充放電回路的時間常數(shù)及滯回比較器的電阻，即可改變振蕩周期。t1t2tOuCOuOtt3振蕩頻率f=1/T四、占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路使電容的充、放電時間常數(shù)不同且可調(diào)，即可使矩形波發(fā)生器的占空比可調(diào)。tOuCuOtOT1T2T充電時間T1放電時間T2占空比D7.5.2三角波發(fā)生電路一、電路組成采用波形變換的方法得到三角波uO1為方波電路分析uO2為三角波二、工作原理當(dāng)u+=u-

=0時，滯回比較器的輸出發(fā)生跳變。實用電路左邊是同相輸入滯回比較器右邊為反向積分運算電路R3R4傳輸特性+UT-UT+UZ-UZuOuI二、工作原理OuO1tOuOt當(dāng)u+=u-

=0時，滯回比較器的輸出發(fā)生跳變。R3R4設(shè)t=0時，uO1=+UZ

u0=0三、輸出幅度和振蕩周期解得三角波的輸出幅度當(dāng)u+=u-

=0時，uO1跳變?yōu)?UZ，uO達(dá)到最大值Uom。振蕩周期調(diào)節(jié)電路中的R1、

R2、R3阻值和C的容量，可改變振蕩頻率，調(diào)節(jié)R1、

R2的阻值，可改變?nèi)遣ǖ姆怠?.5.3鋸齒波發(fā)生電路一、電路組成OuO1tOuOtT1T2T二、輸出幅度和振蕩周期正向積分時間常數(shù)遠(yuǎn)大于反向積分時間常數(shù)或者相反。7.3.4波形變換電路（自閱）一、三角波變鋸齒波電路二、三角波變正弦波電路1.濾波法2.折線法7.3.5函數(shù)發(fā)生器函數(shù)發(fā)生器是一種可以同時產(chǎn)生方波、三角波和正弦波的專用集成電路；當(dāng)調(diào)節(jié)外部電路參數(shù)時，還可獲得占空比可調(diào)的矩形波和鋸齒波。一、電路結(jié)構(gòu)（ICL8038）1.二個電流源2.二個單限比較器3.RS觸發(fā)器4.二個緩沖電路5.三角波變正弦波電路當(dāng)Q=0，S斷開，C充電(IS1)至2/3VCCQ=1當(dāng)Q=1，S閉合，C放電(IS2

-IS1)至1/3VCCQ=0當(dāng)IS2

=2IS1，引腳9輸出方波，引腳3輸出三角波；當(dāng)IS2

<2IS1，引腳9輸出矩形波，引腳3輸出鋸齒波。二、工作原理Qn+1=S+RQn三、性能特點12345678ICL803814131211109正弦波失真度調(diào)整正弦波失真度調(diào)整正弦波輸出三角波輸出矩形波輸出調(diào)頻偏置電壓輸入調(diào)頻偏置電壓輸出接電阻RA接電阻RB接電容C+VCC-VEE

(或地)ICL8038的引腳圖ICL8038可單電源供電，也可雙電源供電。四、常用接法調(diào)占空比和正弦波失真調(diào)頻率調(diào)占空比和正弦波失真RW1RP4

RW2+VCC-VEERRAICL803845131011128RBRP3CC1692失真度減小和頻率可調(diào)電路方波發(fā)生電路(AstableMultivibrator)1.電路組成和輸出波形R1C8R