第09章波形发生电路

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1、教学内容教学内容第九章 波形发生电路9.1 9.1 正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法9.2 9.2 RC RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.39.3 LCLC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.49.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器9.59.5 非正弦波发生电路非正弦波发生电路第九章 波形发生电路 波形发生电路也称振荡器，指能在不加输入信波形发生电路也称振荡器，指能在不加输入信号时，稳定地输出特定频率或特定形状的交变信号时，稳定地输出特定频率或特定形状的交变信号。号。正弦波振荡器正弦波振荡器产生产生单一频率单一频率的正弦波信号。的正弦波信号。非正弦波振荡器非正弦波振荡器包括矩

2、形波、三角波、锯包括矩形波、三角波、锯齿波、阶梯波等。齿波、阶梯波等。9.1 正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法9.1.1 产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件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。改成正反馈改成正反馈fiiXXX + S接接1端端，加一正弦波电压加一正弦波电压ui，则输出得到同样则输出得到同样频率的正弦波电压频率的正弦波电压uo，经反馈网络后经反馈网络后uf接到接到2端，端，若若uf与与ui 幅度、相位都相等，则撤去幅度、相位都相等，则撤去ui，S倒向倒向2，uo不会改变。此时，没有输入信号，而输出端却不会改变。此时，没有输入信号，

3、而输出端却得到了一个正弦波信号。得到了一个正弦波信号。9.1.1 产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件当当Uf=Ui时，时，可产生自激可产生自激iofUAFUFU 产生正弦波振荡的条件：产生正弦波振荡的条件：1 FA产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件幅度条件：幅度条件：1| FA相位条件：相位条件：)2 , 1 , 0(2 nnFA 相位条件：相位条件：意味着振荡电路必须是正反馈。意味着振荡电路必须是正反馈。幅度条件：幅度条件：可以通过调整放大电路的放大倍数达到。可以通过调整放大电路的放大倍数达到。与负反馈放大电路产生自激振荡的区别与负反馈放大

4、电路产生自激振荡的区别负反馈放大电路产生自激振荡的条件：负反馈放大电路产生自激振荡的条件：当在低频或高频区的某一频率下，满足该条件时，当在低频或高频区的某一频率下，满足该条件时，即附加相移为即附加相移为（2n+1) (n=0,1,2),此时反馈信号此时反馈信号相位与中频时相反，负反馈变成了正反馈，从而相位与中频时相反，负反馈变成了正反馈，从而产生了自激振荡，这种现象应设法消除。而正弦波产生了自激振荡，这种现象应设法消除。而正弦波振荡是有意识地接成正反馈，使反馈信号与输入振荡是有意识地接成正反馈，使反馈信号与输入得到信号的符号相同得到信号的符号相同， 即即ifUU 1 FA1 FA 起振的条件：

5、起振的条件：1 FA9.1.2 正弦波振荡电路的组成和分析步骤正弦波振荡电路的组成和分析步骤一、正弦波振荡电路的组成：一、正弦波振荡电路的组成： 1. 1.放大电路放大电路：提供环路增益，以满足起振条件和：提供环路增益，以满足起振条件和幅度平衡条件；幅度平衡条件； 2.2.反馈网络反馈网络：引入正反馈，使放大电路的输入信：引入正反馈，使放大电路的输入信号等于反馈信号；号等于反馈信号； 3.3.选频网络选频网络：确定振荡频率，产生单一频率的正：确定振荡频率，产生单一频率的正弦波；弦波； 4.4.稳幅环节稳幅环节：利用非线性元器件稳定输出正弦电：利用非线性元器件稳定输出正弦电压的幅值。压的幅值。9

6、.1.2 正弦波振荡电路的组成和分析步骤正弦波振荡电路的组成和分析步骤二、正弦波振荡电路的分类：二、正弦波振荡电路的分类：选频网络组成：选频网络组成：R、C 和和L、C正弦波振荡器命名正弦波振荡器命名RCLC （石英晶体石英晶体）低频低频高频高频1MHZ以下以下1MHZ以上以上振荡频率非常振荡频率非常稳定稳定9.1.2 正弦波振荡电路的组成和分析步骤正弦波振荡电路的组成和分析步骤三、判断能否产生正弦波振荡：三、判断能否产生正弦波振荡： 1. 1.观察电路是否包含了观察电路是否包含了四个主要部分四个主要部分。 2.2.检查放大电路是否工作在检查放大电路是否工作在放大状态放大状态。三极管放。三极管

7、放大电路必须有合适的静态工作点；集成运放应有负大电路必须有合适的静态工作点；集成运放应有负反馈，使其工作在线性区。反馈，使其工作在线性区。 3.3.利用瞬时极性法判断选频或反馈网络是否引入利用瞬时极性法判断选频或反馈网络是否引入了了正反馈正反馈，即满足，即满足相位平衡条件相位平衡条件。 4.4.检查是否满足检查是否满足幅度平衡幅度平衡和和起振条件起振条件，尤其是起，尤其是起振条件。振条件。问题问题1: 1: 如何起振？如何起振？Uo-振荡器的电压输出幅度；振荡器的电压输出幅度；B-要求输出的幅度。要求输出的幅度。起振时，起振时， Uo0；电路稳定后，电路稳定后， UoB。 放大电路中存在噪声即

8、瞬态扰动，这些扰动可分放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分解为各种频率的分量，其中包括有解为各种频率的分量，其中包括有 f0 分量。分量。选频网络：选频网络：把把 f0 分量选出，把其他频率的分量衰分量选出，把其他频率的分量衰减掉。这时，只要减掉。这时，只要 ，且且即可起振。即可起振。1 FA nFA2 问题问题2: 2: 如何稳幅？如何稳幅？ 起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅， 仍大于仍大于1 1，则输出将会饱和失真，则输出将会饱和失真。 FA 达到需要的幅值后，将参数调整为达到需要的幅值后，将参数调整为1 FA起振并能稳定振荡的条件：起振并能稳

9、定振荡的条件：UoB 时时，1 FA9.2 RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.2.1 文氏电桥振荡电路文氏电桥振荡电路RF、R构成构成负反馈负反馈支路，保证集成运支路，保证集成运放工作在线性区放工作在线性区RC选频网络，选频网络，并构成正反馈。并构成正反馈。稳幅环节由温度稳幅环节由温度系数为负的热敏系数为负的热敏电阻代替电阻代替RF.一、一、RC串并联网络的选频特性：串并联网络的选频特性：1.1.定性分析：定性分析：取取 R1=R2=R C1=C2=C当信号当信号频率足够低频率足够低时，时，RC 1输输出出 超前输入超前输入fUoU2, 0, 0 fUf低频等效电路低频等效电路9.2.1

10、9.2.1 文氏电桥振荡电路文氏电桥振荡电路当信号当信号频率足够高频率足够高时时，RC 1输出输出 滞后输入滞后输入fUoU2, 0, fUf 当信号频率从当信号频率从0逐渐变化到逐渐变化到时时，Uf的相位的相位将从将从+/2逐渐变化到逐渐变化到 /2，而且频率很低或而且频率很低或很高时，输出电压很高时，输出电压Uf的幅值都要减小，因此，必的幅值都要减小，因此，必定存在一个中间频率定存在一个中间频率f0，使得输出电压幅值最大，使得输出电压幅值最大，相移为零。相移为零。高频等效电路高频等效电路一、一、RC串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性1.1.定性分析：定性分析：取取 R1=R2=R C

11、1=C2=C2.定量分析：定量分析： （R1=R2=R C1=C2=C）)j/1(111CRZ 222222j1 )j/1/(CRRCRZ )1(3111122211222212ofRCRCjCRjRCjRCRjRZZZUUF 令令RC10 则则)(3100 jF一、一、RC串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性幅频特性：幅频特性：2002)(31 F相频特性：相频特性： 300 arctgFRC10 时时, ,31max F0 F 即即CRf 210 2.定量分析：定量分析： （R1=R2=R C1=C2=C）一、一、RC串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性RC串并联网络的频率特性曲线

12、串并联网络的频率特性曲线具具有有选选频频功功能能一、一、RC串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性二、振荡频率与起振条件二、振荡频率与起振条件CRf 210 1.1.振荡频率：振荡频率：2.2.起振条件：起振条件：已知当已知当 f = f0 时时， ，为满足起振的条件为满足起振的条件 要求电路的要求电路的 。1 FA31 F3 A同相比例运算电路的电压放大倍数为同相比例运算电路的电压放大倍数为RRAFuf 131 RRAAFufRRF 20 A 在在 f0 处处,0 F 满足相位条件：满足相位条件：因为：因为： nFA2 例题例题: :R R =1k=1k ，C C =0.1=0.1 F F

13、，R R1 1=10k=10k 。R Rf为多大时才能为多大时才能起振？振荡频率起振？振荡频率f0 0= =？ 起振条件：起振条件：AF 1，11fRRARCf 210 =1592 Hz31F=2 10=20k k 12RRf 振荡频率振荡频率: :例例 子子三、能自动稳幅的振荡电路三、能自动稳幅的振荡电路半导体热敏电阻半导体热敏电阻(负温度系数）负温度系数）起振时起振时R RT T22R R, , 使使A3,A3,易起振易起振。当当u uo o幅度自激增长幅度自激增长达某一值时达某一值时， R RT T=2=2R R，A=3A=3。当当u uo o进一步增大时进一步增大时， R RT T22

14、R R,使使A3A 1 时时LC10 LCf 210LC10LCf210谐振频率谐振频率品质因数品质因数CLRRCRLQ1100R越小越小，Q越大，选频特性越好，同时越大，选频特性越好，同时Z0 越大。越大。(阻性阻性)等效阻抗等效阻抗CLQCQLQRCLZ0009.3.1 LC 并联电路的特性并联电路的特性RCLQRLLRRLRLRYZ) 11()() 1)()()(1220 20 220 20 200Z 0 不同不同 Q 值时，值时，LC 并联电并联电路的幅频特性：路的幅频特性：Z01Z02Q1 Q2Q1Q2 0 F+90- -90Q1Q2Q1 Q2感性感性纯阻纯阻容性容性结论结论：1.

15、当当 f = f0 时，电路为纯电阻性，时，电路为纯电阻性，等效阻抗最大；当等效阻抗最大；当 f f0 时，电路为容性。时，电路为容性。所以所以 LC 并联电路具有选频特性。并联电路具有选频特性。2. 电路的品质因数电路的品质因数 Q 愈大，选愈大，选频特性愈好。频特性愈好。9.3.1 LC 并联电路的特性并联电路的特性9.3.2 变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路振荡频率振荡频率:LCf210用用瞬时极性法瞬时极性法判断判断是否是是否是正反馈正反馈优缺点：优缺点：优点：易于产生振荡，输出电压波形失真不大，优点：易于产生振荡，输出电压波形失真不大，应用范围广泛。应用范围广泛。缺点：耦合不

16、紧密，损耗较大。缺点：耦合不紧密，损耗较大。 某同学按下图方式安装了一个正弦波电路，但发某同学按下图方式安装了一个正弦波电路，但发现电路不能正常工作，请找出错误并改正。现电路不能正常工作，请找出错误并改正。变压器同名端错；变压器同名端错；N2与与T基极之间应基极之间应加一隔直电容。因为加一隔直电容。因为T基极被基极被N2对地直流对地直流短路，管子截止。短路，管子截止。9.3.2 变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路振荡频率：振荡频率：CMLLLCf)2(21212109.3.3 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路特点：特点：1.线圈线圈L1、L2之间耦合紧密，比较容易起振。之间耦合紧密，

17、比较容易起振。2.调节频率方便。调节频率方便。3.一般用于产生几十一般用于产生几十MHz以下的频率。以下的频率。4.输出波形中含有较大的高次谐波，波形较差。输出波形中含有较大的高次谐波，波形较差。5.通常用于要求不高的设备中。通常用于要求不高的设备中。9.3.3 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路9.3.3 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路振荡频率：振荡频率：212102121CCCCLLCf特点：特点：1.反馈电压中谐波分量很小，输出波形较好。反馈电压中谐波分量很小，输出波形较好。2.振荡频率较高，一般可达到振荡频率较高，一般可达到100MHz以上以上。3.适用于产生固定频率的振荡，若

18、要改变频率，可适用于产生固定频率的振荡，若要改变频率，可进行改进。进行改进。210111121CCCLf使使CC1，C u+ , 即即 uc UT+时时 ,uo 立即由立即由Uz变成变成Uz u-= uc 此时此时u- u+ , u uo o 保持保持+ +U Uz z不变不变+RR1R2CucuoA+-9.5.1 矩形波发生电路矩形波发生电路9.5.1 矩形波发生电路矩形波发生电路(2) 当当uo = -Uz 时时， u+=UT-。 此时，此时，C 经输出端放电经输出端放电, , uc逐渐降低，下降到逐渐降低，下降到UT-时时，uo再次跳变再次跳变上翻。上翻。+RR1R2CucuoA0UT+

19、uctUT-Uzuo0t- UzT)21ln(221RRRCT+-9.5.1 矩形波发生电路矩形波发生电路占空比可调的矩形波发生电路占空比可调的矩形波发生电路使电容的充、放电时间常数不同使电容的充、放电时间常数不同且可调，即可使矩形波发生器的占且可调，即可使矩形波发生器的占空比可调。空比可调。tOuCuOtOT1T2T充电时间充电时间 T1放电时间放电时间 T2)21ln()(21W1RRCRRT )21ln()(21W2RRCRRT占空比占空比 DWW12RRRRTTD 滞回比较器滞回比较器积分电路积分电路oouRRRuRRRu21212119.5.2 三角波发生电路三角波发生电路24144

20、4RCRRUCURTzom设初始时设初始时uo1=+Uz,则积则积分电路分电路C充电充电，uo随时随时间负方向线性增长，间负方向线性增长， u+减小减小；当当u+=u-=0时时，uo1跳变为跳变为Uz，同时同时u+变负变负，积分电路输出积分电路输出随时间向正方向线性增随时间向正方向线性增长长，u+增大，当增大至增大，当增大至u+=u-=0时时，uo1跳变为跳变为+Uz，同时同时u+变正，重变正，重复以上过程。复以上过程。oouRRRuRRRu21212119.5.2 三角波发生电路三角波发生电路9.5.3 锯齿波发生电路锯齿波发生电路 如果在三角波发生电路中，有意识地使积分电如果在三角波发生电路中，有意识地使积分电容充电和放电的时间常数相差悬殊，则可得到锯容充电和放电的时间常数相差悬殊，则可得到锯齿波。齿波。使积分电容的充电使积分电容的充电和放电回路分开和放电回路分开 结结 束束第九章 波形发生电路