7章 振蕩器與信號(hào)源.ppt

1、第七章 振蕩器與信號(hào)源,第一節(jié) 振蕩電路的作用和分類 第二節(jié) 正弦波振蕩電路的基本原理 第三節(jié) 非正弦波振蕩器的組成 第四節(jié) 集成波形發(fā)生器,振蕩電路是通過(guò)自激方式把直流電 壓變換為按一定規(guī)律變化的電壓（如正 弦波、方波、鋸齒波等）的一種電子電 路，它不需外加信號(hào)的控制。本章介紹 了正弦波、非正弦波振蕩器以及集成波 形發(fā)生器。,7.1 振蕩電路的作用和分類,能量的傳遞 直流電能振蕩電路交流電能 信號(hào)的處理 直流電壓振蕩電路各種波形電壓 電子鐘： 1.5V電池振蕩電路微型電機(jī)表針 （使用的是1.5V直流電池提供電能，由振蕩電路產(chǎn)生精確的方波頻率信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)再帶動(dòng)表針轉(zhuǎn)動(dòng)）,無(wú)線電技術(shù)

2、中，超外差接收機(jī)中（如收音機(jī)）振蕩電路可以接收無(wú)線電信號(hào)； 在自動(dòng)控制中，振蕩電路用來(lái)完成監(jiān)控、報(bào)警、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制以及定時(shí)控制； 在遙控技術(shù)中，振蕩電路產(chǎn)生各種頻率的振蕩電壓，接收后經(jīng)過(guò)識(shí)別，達(dá)到遙控目的； 在機(jī)械加工中可用振蕩電路產(chǎn)生的超聲波進(jìn)行材料探傷。,按振蕩器工作原理分類：,按電路元件分類：,按振蕩器輸出頻率分類：,按振蕩器輸出波形分類：正弦波振蕩器和 非正弦波振蕩器（矩形波、鋸齒波、尖脈沖、 梯形波、階梯波振蕩器）。,第一節(jié) 振蕩電路的作用和分類,振蕩電路 一種不需外加信號(hào)激勵(lì)而能自動(dòng)將直流能量變換為周期性交變能量的電子電路。 。,一 振蕩電路的作用,無(wú)線電發(fā)射機(jī)用它產(chǎn)生載荷信息的

3、載波信號(hào)。,超外差接收機(jī)用它產(chǎn)生本地振蕩信號(hào)。,各種電子測(cè)量設(shè)備和計(jì)時(shí)儀表用它產(chǎn)生頻率（或時(shí)間）基準(zhǔn)信號(hào)。,工業(yè)生產(chǎn)部門廣泛應(yīng)用的高頻電加熱設(shè)備等。,二 分類,按波形分：正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器（矩形波、鋸齒波、尖脈沖、梯形波、階梯波振蕩器 ）,按工作方式：負(fù)阻型振蕩器和反饋型振蕩器,按選頻網(wǎng)絡(luò)所采用的原件分： LC振蕩器、RC振蕩器和晶體振蕩器等類型,按電路元件分類：,按振蕩器輸出頻率分類：,第二節(jié) 正弦波振蕩電路的基本原理,Uf為反饋電壓 F為反饋系數(shù)，Uf=FUo，A為電壓放大倍數(shù)， Uo=AUi， 由于沒(méi)有輸入信號(hào)，所以Ui=Uf。,問(wèn)題：在沒(méi)有外加信號(hào)的條件下，電路如何能有輸出信

4、號(hào)呢？,這是因?yàn)樵诮油娫此查g，放大電路中總存在著一定的噪聲電壓或瞬時(shí)干擾，盡管這些干擾信號(hào)的幅值十分微弱，但它們的頻率分布很寬。當(dāng)輸出端產(chǎn)生一個(gè)幅值很小頻率為f0的電壓信號(hào)時(shí)，它將以正反饋方式送回到輸入端，其余頻率的信號(hào)逐漸衰減為零。這樣頻率為f0的Uo越來(lái)越大。,由于放大電路固有的非線性特性以及放大管的非線性，當(dāng)Uo增大到一定程度時(shí)，放大電路的工作范圍將進(jìn)入非線性區(qū)從而使Uo下降，因此，振幅增長(zhǎng)是受到限制的。此時(shí)，Uo=AUi=A Uf= A FUo。即AF=1 為使電路通電后Uo能夠有一個(gè)逐漸增大直至平衡于某一數(shù)值的過(guò)程，也就是說(shuō)補(bǔ)充的能量大于消耗的能量，要求電路起振的幅值條件為，AF1

5、。,（1）控制能量轉(zhuǎn)換的有源器件（如晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、集成放大器等）：常以基本放大電路代替，其作用是保證電路從起振到有一定幅值的輸出電壓。 （2）選頻網(wǎng)絡(luò)：由RC、LC、石英晶體等電路組成。它決定了振蕩頻率f0 （3）正反饋網(wǎng)絡(luò)：由變壓器、R、L、C及其組合電路組成，保證Ui=Uf。在起振過(guò)程中使Uo從很小逐漸增大到穩(wěn)定的幅值。 （4）限幅環(huán)節(jié),正弦波振蕩電路的組成,振蕩器的起振條件,基本反饋環(huán),如右圖：,若在某種情況下1- =0時(shí)，此時(shí)即使沒(méi) 有輸入信號(hào)(vi=0)時(shí)，放大器仍有輸出 電壓放大器變?yōu)檎袷幤鳌?要維持一定振幅的振蕩，反饋系數(shù)F應(yīng)設(shè)計(jì)得大一 些。一般取,這樣就可以使得在 1時(shí)的情

6、況下起振。,由上分析知，反饋型正弦波振蕩器的起振條件是：,1,其物理意義是：振幅起振條件要求反饋電壓幅度vf要一次比一次大，而相位起振條件則要求環(huán)路保持正反饋。,振蕩器的平衡條件,所謂平衡條件是指振蕩已經(jīng)建立，為了維持自激振蕩必須滿足的幅度與相位關(guān)系。,振蕩器的平衡條件為,=1,在平衡條件下，反饋到放大管的輸入信號(hào)正好等于放大管維持及所需要的輸入電壓，從而保持反饋環(huán)路各點(diǎn)電壓的平衡，使振蕩器得以維持。,振蕩器的頻率穩(wěn)定問(wèn)題,頻率穩(wěn)定，就是在各種外界條件發(fā)生變化的情況下，要求振蕩器的實(shí)際工作頻率與標(biāo)稱頻率間的偏差及偏差的變化最小。,振蕩器的頻率穩(wěn)定度則是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，由于各種因素變化，引起

7、的振蕩頻率相對(duì)于標(biāo)稱頻率變化的程度。,絕對(duì)準(zhǔn)確度,相對(duì)準(zhǔn)確度,1、短期頻率穩(wěn)定度主要與溫度變化、電源電壓變化和電路參數(shù)不穩(wěn)定性等因素有關(guān)。 2、長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度主要取決于有源器件和電路元件及石英晶體的老化特性，與頻率的瞬間變化無(wú)關(guān)。 3、瞬間頻率穩(wěn)定度主要是由于頻率源內(nèi)部噪聲而引起的頻率起伏，它與外界條件和長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度無(wú)關(guān)。,一、影響頻率穩(wěn)定度的因素,1. 振蕩回路參數(shù)對(duì)頻率的影響,2. 回路品質(zhì)因素Q值對(duì)頻率的影響,Q值越高，則相同的相角變化引起頻率偏移越小。,二、振蕩器穩(wěn)定頻率的方法,1. 減小外因變化，根除“病因”,減小溫度的變化，可將振蕩器放在恒溫槽內(nèi)；另使振 蕩器遠(yuǎn)離熱源，如采用正、

8、負(fù)溫度系數(shù)不同的L、C，抵消L、C。,減小電源的變化，采用二次穩(wěn)壓電源供電；或者振蕩器采取單獨(dú)供電。,3) 減小濕度和大氣壓力的影響，通常將振蕩器密封起來(lái)。,4) 減小磁場(chǎng)感應(yīng)對(duì)頻率的影響，對(duì)振蕩器進(jìn)行屏蔽。,5) 消除機(jī)械振動(dòng)的影響 通?？杉酉鹌|圈作減振器。,減小負(fù)載的影響，在振蕩器和下級(jí)電路之間加緩沖 器，提高回路Q值,2. 提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性,所謂回路的標(biāo)準(zhǔn)性即指振蕩回路在外界因素變化時(shí)保持其固有諧振頻率不變的能力。,要提高回路標(biāo)準(zhǔn)性即要減小，因此可采取優(yōu)質(zhì)材料的器件。,3. 減小相角及其變化量,為使振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，則要求相角的數(shù)值小，且變化量小。,（一）RC正弦波振蕩器的組成,1

9、RC串并聯(lián)電路的選頻特性,當(dāng)R1=R2=R，C1=C2=C時(shí),f0=1/2 RC得：,相頻特性：,幅頻特性：,2文氏電橋振蕩器,振蕩頻率計(jì)算：,RC型正弦波振蕩器適合于產(chǎn)生幾赫幾百千赫的低頻正弦信號(hào)。要提高振蕩頻率，就要降低R和C的數(shù)值。但是R值取得過(guò)小會(huì)使放大電路負(fù)載加重，C值的降低，電路中的寄生電容的影響就不容忽視，它們會(huì)影響振蕩頻率的穩(wěn)定性。所以超過(guò)1MHz的振蕩頻率常采用LC型正弦波振蕩器。,3.晶體振蕩器,壓電和反壓電效應(yīng)：石英是一種具有晶體結(jié)構(gòu)、外形呈角椎 形六棱體的礦物質(zhì)。當(dāng)按某種方式將其切割成一定厚度的薄 片時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)它具有一種特殊的物理現(xiàn)象。,石英晶體的物理性能和化學(xué)性能十

10、分穩(wěn)定，對(duì)周圍環(huán)境條件 （如溫度、濕度、大氣壓力）的變化不敏感。,晶體振蕩器突出的優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度很高 的正弦波振蕩。,晶體振蕩器則可以比較容易地實(shí)現(xiàn)10-410-6。 對(duì)晶體施加恒溫控制，還可提高到10-710-8數(shù)量級(jí)。 目前晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度的極限是10-1210-13。,利用基音振動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率控制的晶體稱為基音晶體，其余 稱為泛音晶體。采用AT切割石英片的基頻頻率一般都限制 在20MHz以下。因?yàn)榇藭r(shí)石英片的厚度僅有0041mm，頻 率再高，石英片的厚度太薄，不足以提供必要的強(qiáng)度。,石英諧振器的基本特性,1. 石英諧振器的等效電路,晶體,其中： 大體反映石英片的質(zhì)量；

11、,幾十幾百亨；,反映其材料的剛性； ；,等效石英片產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)材料的能耗；幾百歐；,稱為石英諧振器的并聯(lián)電容，它相當(dāng)于以石英片為 介質(zhì)、以兩電極為極板的平板電容器的電容量和支 架電容、引線電容的總和。幾幾十 。,晶體振蕩電路,第三節(jié) 非正弦波振蕩器的組成,非正弦波振蕩電路包括矩形波振蕩電路、三角波及鋸齒波振蕩電路、階梯波振蕩電路等 。 矩形波振蕩器（多諧振蕩器 ）應(yīng)用最為廣泛,矩形波發(fā)生器,獲得矩形波方法有兩種： 一種是矩形波發(fā)生器，可以直接產(chǎn)生所需矩形波； 另一種是利用已有的周期性波形，通過(guò)整形電路變換為所需的矩形波。 矩形波振蕩電路一般應(yīng)具有下列幾個(gè)環(huán)節(jié)：開(kāi)關(guān)器件、反饋網(wǎng)絡(luò)、延時(shí)環(huán)節(jié),1

12、、由集成放大器組成的矩形波發(fā)生器,原理：充放電 周期,參數(shù)的調(diào)整,振蕩周期：改變RC或R1/RF參數(shù)。 輸出電壓的幅值：穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值。 占空比：可利用二極管的單向?qū)щ娦?，使電容充電和放電回路時(shí)間常數(shù)不同。,矩形波發(fā)生器的特殊應(yīng)用,方波本身除包含基波之外，還有大量的高次諧波，其頻譜極為豐富 應(yīng)用 1.可檢查低頻、中頻、甚至高頻放大器的失真。方波中平坦的段主要包含低頻分量，而上升沿和下降沿主要是高頻分量；只需用示波器觀察放大后的波形中哪一部分失真了，即可判定該放大器有無(wú)失真以及屬于低頻失真還是高頻失真。,2.利用它還能迅速確定頻率失真、相位失真、振幅失真。 3.可用較低頻率的方波信號(hào)來(lái)檢查較寬的

13、通頻帶，例如利用1kHz方波去檢查020kHz的通頻帶，或用40kHz方波來(lái)檢查0800kHz的通頻帶。一般講，如果被測(cè)放大器能將頻率為f的方波不失真地放大，那么該放大器的頻率響應(yīng)便可達(dá)20f,2三角波和鋸齒波發(fā)生器,原理 第一級(jí)組成滯回比較器（起開(kāi)關(guān)作用），第二級(jí)組成反相積分器（起延遲作用），兩級(jí)之間由電阻R2構(gòu)成反饋，形成振蕩。,若uo1為+uZ，則給電容C充電，輸出電壓uo線性下降，當(dāng)uo下降到零以后再下降到R2UZ/R1值，使A1的同相輸入端電位超過(guò)門限電壓，uo1從+uZ跳變到uZ。在uo1變?yōu)閡Z后，電容C放電，uo將線性上升，當(dāng)uo上升到R2UZ/R1之后，uo1從uZ跳變到+u

14、Z，如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩。,u+=u-時(shí)：,參數(shù),（1）三角波幅值 （2）三角波周期,鋸齒波發(fā)生電路,在三角波電路的基礎(chǔ)上，只要對(duì)電路稍加改動(dòng)，即可構(gòu)成鋸齒波發(fā)生電路，其中電路的電容充、放電時(shí)間常數(shù)是不同的。,第四節(jié) 集成波形發(fā)生器,波形發(fā)生器除了可以采用集成放大器和門電路以及一些分立元件構(gòu)成外，還可利用單片函數(shù)發(fā)生器8038，集成壓控振蕩器MC1648、LM566及集成時(shí)基電路555/556等靈活地組成各種波形發(fā)生電路，具有工作穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)以及工作可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)化控制和測(cè)量、通信等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。,1集成函數(shù)發(fā)生器8038,8038不僅可以產(chǎn)生正弦波信號(hào)，而且可以產(chǎn)生

15、方波信號(hào)，此外它還有三角波信號(hào)輸出。,2集成壓控振蕩器,它由積分器和同相滯回比較器組成,例如：LM566是通用集成壓控振蕩器。它可以產(chǎn)生方波和三角波輸出，輸出信號(hào)頻率是控制電壓的線性函數(shù)。,3555集成定時(shí)電路組成的波形發(fā)生器,555時(shí)基電路是一種能產(chǎn)生定時(shí)信號(hào)（或稱時(shí)鐘信號(hào)），能完成各種定時(shí)或延時(shí)功能的集成電路。它是將模擬功能和數(shù)字邏輯功能巧妙結(jié)合在一起的中規(guī)模集成電路。電路功能靈活、適用范圍廣，只要在外部配上幾個(gè)阻容元件，就可以構(gòu)成性能穩(wěn)定而精確的矩形波發(fā)生器（多諧振蕩器）。,（1）555多諧振蕩器,（2）應(yīng)用,溫度控制電路 觸摸電子開(kāi)關(guān) 溫度頻率變換器。,光電報(bào)警,1、設(shè)計(jì)一信件電子報(bào)訊裝置； 2、設(shè)計(jì)一光電報(bào)警裝置，當(dāng)光線被遮擋后，立即聲報(bào)警或光報(bào)警。,紅外發(fā)光二極管LED發(fā)出的1KHz的光脈沖,穿過(guò)闖入?yún)^(qū),被光敏三極管接收,運(yùn)放A1組成同相放大器，A2組成了帶通濾波器，中心頻率為1KHz,目的是為了減小噪聲干擾。二極管組成了檢波電路，當(dāng)無(wú)人闖入（光未被遮?。r(shí)，檢波電容上充有電荷，施密特與非門的輸入為高電平，振蕩器不工作，