工学信号产生电路课件.pptx
9.1 正弦波信号发生器正弦波振荡电路的基本概念-自激振荡 正弦波信号发生器是按照自激振荡原理构成的。1产生正弦波自激振荡的平衡条件.正反馈网络放大环节.XoAF.XidXf自激振荡原理方框图自激振荡：定义及影响不同于零漂：第1页/共149页输入Xid.反馈Xf=FXo.输出Xo=AXid.放大环节A正反馈网络F如果Xf=Xid.可在输出端继续维持原有的输出信号正反馈工作原理第2页/共149页由.及知电路产生自激振荡的平衡条件为 输入Xid.反馈Xf=FXo.输出Xo=AXid.放大环节A正反馈网络F如果Xf=Xid.第3页/共149页（1）幅度平衡条件 （2）相位平衡条件 上式可分解为 式中第4页/共149页一个振荡器，只在振荡频率f0时满足相位平衡的条件。平衡条件讨论a.相位平衡条件在电路中应包含选频网络放大环节A正反馈网络F.Xf.Xid.Xo第5页/共149页若 则电路减幅振荡，最后停振荡。若 ，电路增幅振荡。b.幅度平衡条件AF=1维持等幅振荡的唯一条件放大环节A正反馈网络F.Xf.Xid.Xo第6页/共149页2振荡的建立与稳定 振荡电路的起振条件AF1AF 1 AF=1只能维持振荡，但不能建立振荡AF1将使输出幅值越来越大，直至出现非线性失真。放大电路中还应包含稳幅环节第7页/共149页AF=1AF 1起振维持振荡自激振荡电路的建立过程第8页/共149页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）第9页/共149页幅度特性B幅度特性非线性反馈非线性反馈第10页/共149页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组成4.正弦波信号发生器的分类 根据选频网络所用元件分RC型振荡器LC型振荡器晶体振荡器第11页/共149页文氏电桥振荡器*文氏电桥振荡电路移相式振荡电路主要类型双T网络式振荡电路选频网络反馈网络放大电路9.2 RC型正弦波信号发生器UoRRCCAR1R2+1.电路结构及工作原理分析注重四个组成部分第12页/共149页2RC串并联网络的选频特性图中选频网络选频网络Z1Z2RRCCUoUf+UoRRCCAR1R2+第13页/共149页反馈系数Z1Z2RRCCUoUf+第14页/共149页令由此可得F 的幅频特性与相频特性即第15页/共149页幅频特性当0时，F0当时,F0当=0时,F=Fmax=1/3f031/Ff0幅频特性曲线第16页/共149页相频特性当0时，F 90当时,F 90当=0时,F 00ff0相频特性曲线f031/Ff0幅频特性曲线F=0，且反馈最强可见，当=0时第17页/共149页3工作原理（1）要满足相位相同当f=时（3）振荡频率与同相位UoUf 的幅值最大Uf=/3UoUf即（2）当时，满足振荡条件UoRRCCAR1R2+第18页/共149页Rt为负温度系数的热敏电阻RRCCARWUoRt+利用非线性热敏电阻稳幅4稳幅措施 第19页/共149页a.用LC并联谐振回路作为选频网络。9.3 LC型正弦波信号发生器型正弦波信号发生器b.主要用来产生1MHZ以上的高频信号。主要特点:c.频率稳定性好。第20页/共149页按照反馈方式变压器反馈式电感三点式电容三点式LC型正弦波信号发生器类型第21页/共149页1LC并联谐振回路RCLZ+0|Z|ff00ff0Q大Q小Q大Q小阻抗频率特性相频特性第22页/共149页(1)谐振频率(2)谐振时的等值电阻R0(3)电路的品质因数RCLZ+第23页/共149页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C+LT+第24页/共149页3变压器反馈式LC振荡电路+T+N1N2N3第25页/共149页正反馈的判断(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+T+N1N2N3第26页/共149页c.加入瞬时极性为输入电压Ui+T+N1N2N3d.输出电压Uo极性为UiUo第27页/共149页e.反馈电压极性Uf为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+T+N1N2N3UfUiUo第28页/共149页（2）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。+T+N1N2N3第29页/共149页(3)振荡频率LL(4)电路的特点a.调节N2方便，起振容易。+T+N1N2N3第30页/共149页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+T+N1N2N3第31页/共149页4电感三点式正弦振荡电路 C+T+N2N1L1L2第32页/共149页TL1RB1/RB2L2C振荡电路的交流通路C+T+N2N1L1L2第33页/共149页TL1L2C忽略RB1/RB2简化的交流通路TL1RB1/RB2L2C第34页/共149页(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TL1L2C第35页/共149页UiUo相量图Uod.输出电压Uo极性为c.加入瞬时极性为输入电压UiTL1L2C第36页/共149页UiUo相量图ICLUff.电压Uf超前ICL90ICLUfUf与Ui同相，满足相位平衡条件UoTe.电流ICL超前Uo90L1L2C第37页/共149页TL1L2CUoICLUf(2)幅度条件Uf来自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。第38页/共149页M为线圈L1与L2之间的互感(3)谐振频率式中TL1L2C第39页/共149页(4)电路特点a.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。b.容易起振。c.输出波形中含有高次谐波，波形较差。UfTL1L2C第40页/共149页（5）电容三点式正弦波振荡电路+T+L第41页/共149页+T+LTL交流通路第42页/共149页TL简化的交流通路TL第43页/共149页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TL第44页/共149页c.加入瞬时极性为输入电压Ui相量图UiUoTLUod.输出电压 Uo极性为第45页/共149页UiUoICLILCf.电压Uf滞后ICL90UfUi与Uf同相，满足相位平衡条件e.电流ILC滞后Uo90相量图UfTLUo第46页/共149页(2)幅度条件Uf来自C2，改变C2的大小，调整反馈强弱，容易满足幅度条件。UfTL第47页/共149页(3)谐振频率TL第48页/共149页(4)电路特点a.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。b.容易起振。c.输出波形中高次谐波少，波形好。d.改变电容C2时，容易停振。TL第49页/共149页改进的电容三点式振荡电路谐振频率L+T+第50页/共149页1.石英晶体的基本特性（1）各向异性（2）具有压电效应 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。9.4 晶体振荡器压电效应：第51页/共149页 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。压电谐振第52页/共149页石英晶体谐振器的结构适当地切片涂上银层涂上银层引出两个电极引出两个电极加装上外壳第53页/共149页电路符号第54页/共149页（2）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C0两金属电极间构成的静电电容L 等效晶片振动时的惯性C 等效晶片振动时的弹性RCLC0第55页/共149页电路特点：a.L很大，C和R很小b.Q很高，达104106c.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：10-2LC振荡:10-310-4石英晶体振荡：10-910-11RCLC0第56页/共149页当忽略R时，电抗XRCLC0X第57页/共149页串联谐振频率 当ffs时，Xfs时，X0,电路呈感性a.当1-2LC=0时，X=0RCLC0X电路发生串联谐振第58页/共149页并联谐振频率RCLC0XX=b.当j(C0+C2LCC0)=0时电路发生并联谐振第59页/共149页由于CC0故RCLC0X第60页/共149页电抗频率特性fX0感性容性fsfp当时，当时，由式知RCLC0X第61页/共149页a.当 fsffp时，电路呈感性。b.当 ffp时，电路呈容性。可见:电抗频率特性fX0感性容性fsfp第62页/共149页2石英晶体振荡电路（1）并联型晶体振荡器 并 联晶体呈感性谐振频率T+C1C2RCRE+VCCRB1RB2CB第63页/共149页交流等效电路CTRLREC1C2C0RCT+C1C2RCRE+VCCRB1RB2CB第64页/共149页谐振频率式中由于故CTRLREC1C2C0RC第65页/共149页（2）串联型晶体振荡器谐振频率CBC+R+T1T2RE2RC1RB1RB2uo+VCCRE1+第66页/共149页思 考 题1.如果在正弦波发生器中，没有选频网络或稳幅环节，那么电路将会出现什么情况？2.电容三点式和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？第67页/共149页9.5 非正弦信号发生器非正弦信号发生器主要特点：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。第68页/共149页非正弦信号发生器的主要组成：（1）具有开关特性的器件（如电压比较器、BJT等）（2）反馈网络（3）延时环节主要作用：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。主要作用：实现延时，以获得所需要的振荡频率。第69页/共149页集成运放的非线性应用：是指由运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系 uo=f(ui)是非线性函数。由运放组成的非线性电路有以下三种情况：1.电路中的运放处于非线性状态。+Auo比如：运放开环应用uo运放电路中有正反馈，运放处于非线性状态。运算放大器的非线性运用运算放大器的非线性运用第70页/共149页2.电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非线性元件（二极管、三极管、稳压管等）。ui0时：uiUR时,uo=+Uom当uiUR时,uo=-Uom一、若ui从同相端输入电压比较器第76页/共149页+uouiURuoui0+Uom-UomUR当uiUR时,uo=-Uom二、若ui从反相端输入第77页/共149页uoui0+UOM-UOM+uoui三、过零比较器:(UR=0时)+uouiuoui0+UOM-UOM第78页/共149页+uouitui例：利用电压比较器将正弦波变为方波。uot+Uom-Uom总结作用：1.波形变换 2.模拟信号转换为数字信号第79页/共149页+uiuoui0+UZ-UZ限幅过零电压比较器电路改进：用稳压管稳定输出电压。uoUZ电压比较器的另一种形式 将双向稳压管接在负反馈回路上+uiuoUZRR+第80页/共149页比较器的特点1.电路简单。2.当Ao不够大时，输出边沿不陡。3.容易引入干扰。tuiuot过零附近仍处于放大区第81页/共149页一、下行迟滞比较器分析1.因为有正反馈，所以输出饱和。2.当uo正饱和时(uo=+UOM)：U+3.当uo负饱和时(uo=UOM)：+uoRR2R1ui参考电压由输出电压决定特点：电路中使用正反馈，运放处于非线性状态。1.没加参考电压的下行迟滞比较器2 迟滞比较器迟滞比较器第82页/共149页分别称UH和UL上下门限电压。称(UH-UL)为回差。当ui 增加到UH时，输出由Uom跳变到-Uom；+uoRR2R1ui当ui减小到UL时，输出由-Uom跳变到Uom。传输特性：uoui0Uom-UomUHUL小于回差的干扰不会引起跳转。跳转时，正反馈加速跳转。第83页/共149页tuiUom-UomtuiUHUL例：下行迟滞比较器的输入为正弦波时，画出输出的波形。+uoRR2R1ui第84页/共149页2.加上参考电压后的下行迟滞比较器加上参考电压后的上下限：用叠加原理计算：+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL第85页/共149页下行迟滞比较器两种电路传输特性的比较:+uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL第86页/共149页例：R1=10k，R2=20k ，UOM=12V，UR=9V当输入 ui 为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL5V10Vuit0第87页/共149页首先计算上下门限电压：+uoRR2R1uiUR第88页/共149页+UOM-UOM根据传输特性画输出波形图。+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHULuiuott10V5V002V第89页/共149页u+=0 时翻转，可以求出上下门限电压。二、上行迟滞比较器+uoRR2R1ui当u+u-=0时,uo=+UOM当u+0时电容C充电uOuC0tuO,uC+UZUZ FUZ+FUZicuO、uC波形图 uO=+UzRAURCR1R2R3uOUZDZu+uuC+第98页/共149页b.当uCFUZ时uOuCUR=-FUz uO=-Uz FUZ+FUZ0tuO,uC+UZUZuO、uC波形图icRAURCR1R2R3uOUZDZu+uuC+第99页/共149页c.当uO=-Uz时UR=-FUzuOuC0tuO,uC+UZUZ FUZ+FUZuO、uC波形图uC按指数规律下降电容C放电icRAURCR1R2R3uOUZDZu+uuC+第100页/共149页d.当uCR，输出波形具有什么特点？第110页/共149页答：如果电阻R+R，那么，电容C的充电时间将大于放电时间，输出波形的占空比增大。AURCR1R2R3uOUZDZu+uuC+R+R-D1D2第111页/共149页三角波和锯齿波发生器三角波和锯齿波发生器1电路组成迟滞比较器积分器uO1RCA1A2R1R2R3uODZB+第112页/共149页图中2工作原理 uO1RCA1A2R1R2R3uODZB+应用叠加原理第113页/共149页(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tuO,uO10uOuO1UZuO1RCA1A2R1R2R3uODZB+第114页/共149页(2)当时令得波形图tuO,uO10uOuO1UZ-UZuO1RCA1A2R1R2R3uODZB+第115页/共149页(3)当uB0时tuO,uO10uOuO1UZ-UZuO1RCA1A2R1R2R3uODZB+第117页/共149页uO输出三角波uO1输出方波tuO,uO10uOuO1UZ-UZuO1RCA1A2R1R2R3uODZB+第118页/共149页(1）输出电压幅值2.主要指标(a)三角波幅值(b)方波幅值tuO,uO10uO1uOUZ-UZ第119页/共149页（2）振荡频率三角波从零上升到UOm的时间T/4。由图可知uO1t+UZ0uO0+Uomt-Uom-UZ而第120页/共149页故电路的振荡周期振荡频率第121页/共149页R+R-D1D2uO1RCA1A2R1R2R3uODZB+1.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的波形有何特点？(a)(b)答：三角波两边斜率不同，即三角波变成为锯齿波。第122页/共149页t0u替代RuO1RCA1A2R1R2R3uODZB+R+R-D1D22、在上图示电路中，如果电阻R+R，画出输出信号的波形。第123页/共149页 压控振荡器原理图uO=+UZ时，开关S接通+UuO=-UZ时，开关S接通UuO1RCA2A1R1R2R3uODZB+-U+US第124页/共149页(1)工作原理图中uO1RCA2A1R1R2R3uODZB+-U+US第125页/共149页(a)当时U通过R向C充电S接电源+UuO1随时间线性下降设uC(0-)=0+uCuO1RCA2A1R1R2R3uODZB+-U+US第126页/共149页(b)当uB0时电容反向充电开关S接UuO1随时间线性上升uO1RCA2A1R1R2R3uODZB+-U+US第127页/共149页(c)当uB0时电容又正向充电S又接UCuO1又随时间线性下降+uCuO1RCA2A1R1R2R3uODZB+-U+US第128页/共149页uO输出方波uOuO1输出三角波C+uCuO1RCA2A1R1R2R3uODZB+-U+US第129页/共149页(2)振荡波形图(3)振荡频率tt0uO0+UZt1t2-UZuO1t1t2振荡波形图而由波形图知当时故第130页/共149页由得f0U，实现了电压控制振荡频率的目的第131页/共149页一种压控振荡电路电子模拟开关UD1RFuO3RRD2uO1RA2A1R1R3uODZ+A3+A4+uO4CR2第132页/共149页例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改变矩形波占空比时，周期T将保持不变。A+_RCR1R2R3DZD2D1uORW+_uFuC练习题第133页/共149页解 由题意，画出uO和uC的波形图。其中波形图A+_RCR1R2R3DZD2D1uORW+_uFuCT1T2TUZ-UZUF-UFtuOuC0uO，uC第134页/共149页当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A+_RCR1R2R3DZD2D1uORW+_uFuC第135页/共149页例2在图所示矩形波发生电路中，理想运放的最大输出电压Uomax=12V，最小的输出电压Uomin=0V。uOCA+R4R5100k+15V100k0.01mF100k100k100kR1R3R2+uCUR（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？第136页/共149页解（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大于运放同相端电位u+时，输出为低电平；反之，输出为高电平。uOCA+R4R5100k+15V100k0.01mF100k100k100kR1R3R2+uCUR第137页/共149页t015012uO/VuC/Vt输出电压uO和电容电压uC的波形图uOCA+R4R5100k+15V100k0.01mF100k100k100kR1R3R2+uCUR第138页/共149页（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。对于运放同相端，由KCL得当时当时uOCA+R4R5100k+15V100k0.01mF100k100k100kR1R3R2+uCUR第139页/共149页（c）如果UcmaxU+mim，电路不能产生方波。UCmax=UOmax/2=6VUCmim=UOmim/2=0V由图可知由知即当UR3U+max-UOmax=6V或UR3U+mim-UOmim=0V时电路不能产生方波uOCA+R4R5100k+15V100k0.01mF100k100k100kR1R3R2+uCUR第140页/共149页例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，它们的其他性能理想。+_+_A1A2第141页/共149页（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。+_+_A1A2第142页/共149页（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，uO2=-6V。+_+_A1A2第143页/共149页此时，D导通，uO2=0.6V。C迅速放电，uO1快速正向增大。当u2+再次过零时，比较器再次翻转，uO2=6V，二极管再次截止。如此周而复始，形成周期性振荡。+_+_A1A2第144页/共149页由图可知，运放A2同相端电位令u2+=0得+_+_A1A2第145页/共149页由式知当uO6V时，uO1-5V，比较器状态翻转。当uO0.6V时，uO1-0.5V，比较器状态翻转。tt00-5-0.60.56uO1/VT1uO/VTuO1和uO2的波形第146页/共149页（c）由于二极管的导通电阻很小，电容放电时间极短，所以，TT1。由于tt00-5-0.60.56uO1/VT1uO/VT第147页/共149页故当时，电容充电结束，此时第148页/共149页感谢您的观看。第149页/共149页
