第八章波形发生电路精选文档.ppt

第八章波形发生电路本讲稿第一页，共四十页本章重点和考点本章重点和考点1.重点掌握重点掌握RC正弦波振荡电路的工作原理、正弦波振荡电路的工作原理、振荡频振荡频 率、起振条件以及电路的特点。率、起振条件以及电路的特点。2.理解各种非正弦波发生电路理解各种非正弦波发生电路(矩形波、三角矩形波、三角 波和锯齿波波和锯齿波)的工作原理。的工作原理。本讲稿第二页，共四十页8.1正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法8.1.1产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件放大电路放大电路反馈网络反馈网络如如果果反反馈馈电电压压 uf 与与原原输输入入信信号号 ui 完完全全相相等等，则则即即使使无无外外输输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号自激振荡自激振荡。图图 8.1.1反馈放大电路产生自激振荡的条件反馈放大电路产生自激振荡的条件本讲稿第三页，共四十页由此知放大电路产生自激振荡的条件是：由此知放大电路产生自激振荡的条件是：即：即：所以产生正弦波振荡的条件是：所以产生正弦波振荡的条件是：幅度平衡条件幅度平衡条件相位平衡条件相位平衡条件本讲稿第四页，共四十页8.1.2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组成组成：放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。：放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。分析步骤分析步骤：一、判断能否产生正弦波振荡一、判断能否产生正弦波振荡1.检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分；检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分；2.检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正 常工作；常工作；3.分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件和振幅分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件和振幅 平衡条件。平衡条件。判断相位平衡条件的方法是：判断相位平衡条件的方法是：瞬时极性法瞬时极性法。本讲稿第五页，共四十页二、估算振荡频率和起振条件二、估算振荡频率和起振条件振荡频率由相位平衡条件决定。振荡频率由相位平衡条件决定。3.令令f=f0 时时的的 ，即得起振条件。，即得起振条件。2.2.令令 ，即可求得满足该条件的，即可求得满足该条件的f0 ，此频率即为振荡频率；此频率即为振荡频率；1.1.写出回路增益写出回路增益AFAF的表示式的表示式本讲稿第六页，共四十页8.2RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路(文氏电桥文氏电桥)8.2.1RC 串并联网络振荡电路串并联网络振荡电路电路组成：电路组成：放大电路放大电路 集成运放集成运放 A；选频与正反馈网络选频与正反馈网络 R、C 串并联电路；串并联电路；稳幅环节稳幅环节 RF 与与 R 组成的负反馈电路。组成的负反馈电路。图图 8.2.1本讲稿第七页，共四十页图图 8.2.2一、一、RC 串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性Z1Z2取取 R1=R2=R，C1=C2=C，令，令 则：则：本讲稿第八页，共四十页得得 RC 串并联电路的幅频串并联电路的幅频特性为：特性为：相频特性为：相频特性为：最大，最大，F=0。0 F01/3+90-90图图 8.2.3本讲稿第九页，共四十页二、振荡频率与起振条件二、振荡频率与起振条件1.振荡频率振荡频率2.起振条件起振条件f=f0 时，时，由振荡条件知：由振荡条件知：所以起振条件为：所以起振条件为：同相比例运放的电压放大倍数为同相比例运放的电压放大倍数为即要求：即要求：本讲稿第十页，共四十页三、振荡电路中的负反馈三、振荡电路中的负反馈(自动稳幅自动稳幅)引引入入电电压压串串联联负负反反馈馈，可可以以提提高高放放大大倍倍数数的的稳稳定定性性，改改善善振振荡电路的输出波形，提高带负载能力。荡电路的输出波形，提高带负载能力。反馈系数反馈系数改改变变 RF，可可改改变变反反馈馈深深度度。增加负反馈深度，并且满足增加负反馈深度，并且满足则电路可以起振，并产生比较稳定而失真较小的正弦波信号。则电路可以起振，并产生比较稳定而失真较小的正弦波信号。采采用用具具有有负负温温度度系系数数的的热热敏敏电电阻阻 RT 代代替替反反馈馈电电阻阻 RF，可可实实现现自动稳幅自动稳幅。(还有什么措施自动稳幅？还有什么措施自动稳幅？)RT图图 8.2.4本讲稿第十一页，共四十页四、振荡频率的调节四、振荡频率的调节调节电阻调节电阻R或电容或电容C的值，即可调节振荡频率的值，即可调节振荡频率电路图：电路图：P417图图8.2.5利用波段开关换接不同容量的电容，对频率进行粗调；利用波段开关换接不同容量的电容，对频率进行粗调；利用同轴电位器，对振荡频率进行细调。利用同轴电位器，对振荡频率进行细调。本讲稿第十二页，共四十页8.2.2其他形式的其他形式的 RC 振荡电路振荡电路一、移相式振荡电路一、移相式振荡电路集集成成运运放放产产生生的的相相位位移移 A=180，如如果果反反馈馈网网络络再再相相移移 180，即即可可满满足足产产生生正正弦弦波波振振荡荡的的相相位位平衡条件。平衡条件。振荡频率为：振荡频率为：0 27018090当当 f=f0 时时，相相移移 180，满满足足正弦波振荡的相位条件。正弦波振荡的相位条件。起振条件：起振条件：RF 12 R图图 8.2.6本讲稿第十三页，共四十页二、双二、双 T 选频网络振荡电路选频网络振荡电路振荡频率约为：振荡频率约为：当当 f=f0 时时，双双 T 网网络络的的相相移移为为 F=180；反反相相比比例例运运放放的相移的相移 A=180，因此满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。，因此满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。如如果果放放大大电电路路的的放放大大倍倍数数足足够够大大，同同时时满满足足振振幅幅平平衡衡条条件，即可产生正弦波振荡。件，即可产生正弦波振荡。图图 8.2.8起振条件起振条件本讲稿第十四页，共四十页表表 8-1三种三种 RC 振荡电路的比较振荡电路的比较名称RC 串并联网络振荡电路移相式振荡电路双 T 网络选频振荡电路电路形式振荡频率起振条件电路特点及应用场合可方便地连续调节振荡频率，便于加负反馈稳幅电路，容易得到良好的振荡波形。电路简单，经济方便，适用于波形要求不高的轻便测试设备中。选频特性好，适用于产生单一频率的振荡波形。本讲稿第十五页，共四十页8.3LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 8.3.1LC 并联电路的特性并联电路的特性当频率变化时，并联电路阻抗的大当频率变化时，并联电路阻抗的大小和性质都发生变化。小和性质都发生变化。并联电路的导纳：并联电路的导纳：当当电路发生电路发生并联谐振并联谐振。图图 8.3.1本讲稿第十六页，共四十页并联谐振角频率并联谐振角频率令：令：谐振回路的品质因数谐振回路的品质因数当当 Q 1 时时谐振频率：谐振频率：本讲稿第十七页，共四十页回路回路等效阻抗等效阻抗：LC 并联回路的阻抗：并联回路的阻抗：发生并联谐振时，发生并联谐振时，在谐振频率附近，在谐振频率附近，可见，可见，Q 值不同，回路的阻抗不同。值不同，回路的阻抗不同。本讲稿第十八页，共四十页不同不同 Q 值时，值时，LC 并联电路的并联电路的 幅频特性：相频特性：幅频特性：相频特性：Z01Z02Q1 Q2Q1Q2 F+90-90Q1Q2Q1 Q2感性感性纯阻纯阻容性容性结论：结论：1.当当 f=f0 时时，电电路路为为纯纯电电阻阻性性，等等效效阻阻抗抗最最大大；当当 f f0 时时，电电路路为为容容性性。所所以以 LC 并并联电路具有选频特性。联电路具有选频特性。2.电电路路的的品品质质因因数数 Q 愈愈大大，选选频频特性愈好。特性愈好。图图 8.3.2本讲稿第十九页，共四十页谐振时谐振时 LC 回路中的电流回路中的电流电容支路的电流：电容支路的电流：并联回路的输入电流：并联回路的输入电流：所以：所以：当当 Q 1 时，时，结结论论：谐谐振振时时，电电容容支支路路的的电电流流与与电电感感支支路路的的电电流流大大小小近近似似相等，而谐振回路的输入电流极小。相等，而谐振回路的输入电流极小。本讲稿第二十页，共四十页8.3.2变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路一、电路组成一、电路组成用用瞬瞬时时极极性性判判断断为为正正反反馈馈，所所以以满满足足自自激激振振荡荡的的相相位位平平衡衡条条件。件。(瞬时极性法瞬时极性法)-二、振荡频率和起振条件二、振荡频率和起振条件振荡频率振荡频率起振条件起振条件图图 8.3.3变压器反馈式变压器反馈式振荡电路振荡电路Xui本讲稿第二十一页，共四十页8.3.3电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路(Hartley)一、电路组成一、电路组成用用瞬瞬时时极极性性判判断断为为正正反反馈馈，所所以以满满足足自自激激振振荡的相位平衡条件。荡的相位平衡条件。-二、振荡频率和起振条件二、振荡频率和起振条件振荡频率振荡频率起振条件起振条件图图 8.3.4本讲稿第二十二页，共四十页电感三点式振荡电路的特点电感三点式振荡电路的特点1.由于二线圈之间耦合很紧，因此容易起振。由于二线圈之间耦合很紧，因此容易起振。2.调节频率方便。调节频率方便。3.一般用于产生几十兆赫以下的频率。一般用于产生几十兆赫以下的频率。4.输出波形中含有较大的高次谐波，故波形较差。输出波形中含有较大的高次谐波，故波形较差。5.频率稳定度不高。频率稳定度不高。本讲稿第二十三页，共四十页8.3.4电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路(Colpitts)一、电路组成一、电路组成用用瞬瞬时时极极性性判判断断为为正正反反馈馈，所所以以满满足足自自激激振荡的相位平衡条件。振荡的相位平衡条件。二、振荡频率和起振条件二、振荡频率和起振条件振荡频率振荡频率起振条件起振条件 图图 8.3.5 -本讲稿第二十四页，共四十页8.3.5电容三点式改进型振荡电路电容三点式改进型振荡电路振荡频率振荡频率选择选择 C C1，C C2，则：则：减减小小了了三三极极管管极极间间电电容容对对振振荡荡频频率率的的影影响响，适适用用于于产产生生高高频振荡。频振荡。图图 8.3.6本讲稿第二十五页，共四十页名称变压器反馈式电感三点式电容三点式电容三点式改进型电路形式振荡频率起振条件同左频率调节方法及范围频率可调，范围较宽。同左频率可调，范围较小。同左振荡波形一般较差好好频率稳定度可达 10-4同左可达 10-4 10-5可达 10-5适用频率几千赫 几十兆赫同左几兆赫 一百兆赫同左表表 8-2各种各种 LC 振荡电路的比较振荡电路的比较本讲稿第二十六页，共四十页复习：复习：1.正弦波振荡电路的组成部分正弦波振荡电路的组成部分2.文氏振荡电路文氏振荡电路振荡频率振荡频率起振条件起振条件 如何自动稳幅如何自动稳幅如何调节频率如何调节频率 振荡频率大致范围振荡频率大致范围本讲稿第二十七页，共四十页3.LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路变压器反馈式变压器反馈式电感三点式电感三点式电容三点式电容三点式电容三点式改进型电容三点式改进型品质因素愈大，选频特性愈好，频率稳定度愈高。品质因素愈大，选频特性愈好，频率稳定度愈高。本讲稿第二十八页，共四十页8.4石英晶体振荡器石英晶体振荡器 一、基本特性一、基本特性压压电电效效应应：在在石石英英晶晶片片的的两两极极加加一一电电场场，晶晶片片将将产产生生机机械械变变形形；若若在在晶晶片片上上施施加加机机械械压压力力，在在晶晶片片相相应应的的方方向向上上会会产生一定的电场。产生一定的电场。压压电电谐谐振振：晶晶片片上上外外加加交交变变电电压压的的频频率率为为某某一一特特定定频频率率时时，振幅突然增加。振幅突然增加。8.4.1石英晶体的基本特性和等效电路石英晶体的基本特性和等效电路本讲稿第二十九页，共四十页二、等效电路二、等效电路符号：符号：串联谐振频率串联谐振频率并联谐振频率并联谐振频率电抗频率特性电抗频率特性OfXfsfp容性容性容性容性感感性性图图 8.4.1图图 8.4.2静电电容：静电电容：C0机械振动惯性：机械振动惯性：L晶片弹性：晶片弹性：C磨擦损耗：磨擦损耗：R本讲稿第三十页，共四十页8.4.2石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路一、并联型石英晶体振荡电路一、并联型石英晶体振荡电路交流等效电路交流等效电路振荡频率振荡频率由于由于图图 8.4.3本讲稿第三十一页，共四十页二、串联型石英晶体振荡电路二、串联型石英晶体振荡电路图图 8.4.4串联型石英晶体振荡串联型石英晶体振荡电路电路当当振振荡荡频频率率等等于于 fS 时时，晶晶体体阻阻抗抗最最小小，且且为为纯纯电电阻阻，此此时时正正反反馈馈最最强强，相相移移为为零零，电路满足自激振荡条件。电路满足自激振荡条件。振荡频率振荡频率调节调节 R 可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。本讲稿第三十二页，共四十页8.5非正弦波发生电路非正弦波发生电路 8.5.1矩形波发生电路矩形波发生电路一、电路组成一、电路组成RC 充放电充放电回路回路滞回滞回比较器比较器图图 8.5.1图图 8.5.2滞回比较器：集成运放、滞回比较器：集成运放、R1、R2；充放电回路：充放电回路：R、C；钳位电路：钳位电路：VDZ、R3。本讲稿第三十三页，共四十页二、工作原理二、工作原理设设 t=0 时，时，uC=0，uO=+UZ则则tOuCOuOtu+u-当当 u-=uC=u+时，时，t1t2则则当当 u-=uC=u+时，输出又一时，输出又一次跳变，次跳变，uO=+UZ输出跳变，输出跳变，uO=-UZ图图 8.5.3本讲稿第三十四页，共四十页三、振荡周期三、振荡周期电容的充放电规律：电容的充放电规律：对于放电，对于放电，解得：解得：结结论论：改改变变充充放放电电回回路路的的时时间间常常数数及及滞滞回回比比较较器器的的电电阻阻，即可改变振荡周期。矩形波的幅度与即可改变振荡周期。矩形波的幅度与R1、R2和和UZ有关。有关。t1t2tOuCOuOtt3图图 8.5.3本讲稿第三十五页，共四十页四、占空比可调的矩形波发生电路四、占空比可调的矩形波发生电路图图 8.5.4使电容的充、放电时间常数不同且使电容的充、放电时间常数不同且可调，即可使矩形波发生器的占空比可可调，即可使矩形波发生器的占空比可调。调。tOuCuOtOT1T2T充电时间充电时间 T1放电时间放电时间 T2占空比占空比 D图图 8.5.5本讲稿第三十六页，共四十页图图 8.5.6一、电路组成一、电路组成8.5.2三角波发生电路三角波发生电路二、工作原理二、工作原理OuO1tOuOt当当 u+=u-=0 时时，滞滞回回比比较较器的输出发生跳变。器的输出发生跳变。图图 8.5.7A1 滞回比较器滞回比较器A2 反向积分电路反向积分电路设设 t=0 时，时，uO1=+UZ uC=0本讲稿第三十七页，共四十页三、输出幅度和振荡周期三、输出幅度和振荡周期解得三角波的解得三角波的输出幅度输出幅度当当 u+=u-=0 时，时，uO1 跳变为跳变为-UZ，uO 达到最大值达到最大值 Uom。振荡周期振荡周期OuOt本讲稿第三十八页，共四十页图图 8.5.88.5.3锯齿波发生电路锯齿波发生电路一、电路组成一、电路组成OuO1tOuOtT1T2T二、输出幅度和振荡周期二、输出幅度和振荡周期图图 8.5.9在三角波的基础上，将积分电容在三角波的基础上，将积分电容的充电、放电时间常数变为相差的充电、放电时间常数变为相差悬殊则可。悬殊则可。本讲稿第三十九页，共四十页复习：复习：1.LC正弦波振荡电路的类别正弦波振荡电路的类别2.如何判断如何判断LC电路会发生振荡？电路会发生振荡？3.比较比较RC、LC和石英晶体振荡电路的和石英晶体振荡电路的 频率、稳定度的差异。频率、稳定度的差异。本讲稿第四十页，共四十页