正弦波振荡电路基本原理ppt课件.ppt

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1、第九章第九章 振荡电路振荡电路9.19.1振荡电路的作用及分类振荡电路的作用及分类9.29.2正弦波振荡电路基本原理正弦波振荡电路基本原理9.39.3非正弦波信号发生器基本原理非正弦波信号发生器基本原理9.49.4集成信号发生器集成信号发生器12022-7-289.19.1振荡电路的作用与分类振荡电路的作用与分类【振荡电路振荡电路 ( (也称为振荡器也称为振荡器) )的作用的作用】一是能一是能量的传递，二是信号的处理。量的传递，二是信号的处理。【振荡器的分类振荡器的分类】按振荡器工作原理分类：按振荡器工作原理分类：）件的负阻效应维持振荡非正弦波振荡器（用器的负阻效应维持振荡）正弦波振荡器（用器

2、件负阻振荡器定时强制正反馈方式）非正弦波振荡器（采用幅度、相位平衡条件）正弦波振荡器（需满足反馈振荡器按电路元件分类：按电路元件分类：石英晶体）晶体振荡器（物理器件大器和门电路组成）集成振荡器（由集成放件构成）、三极管、变压器的元、分立元件振荡器（由CLR按振荡器输出频率分类：按振荡器输出频率分类：以上）超高频振荡器（）高频振荡器（）低频振荡器（以下）超低频振荡器（MHz3MHz3KHz3KHz3Hz1Hz19.29.2正弦波振荡电路基本原理正弦波振荡电路基本原理【振荡电路的特点振荡电路的特点】（1 1）无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号；）无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号；（2 2

3、）电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控；）电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控；（3 3）在电扰动下，对于某一特定频率的信号形成正反）在电扰动下，对于某一特定频率的信号形成正反 馈；馈；（4 4）由半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，）由半导体器件的非线性特性及供电电源的限制， 最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。【正弦波振荡的条件正弦波振荡的条件】正弦波振荡电路平衡条件：正弦波振荡电路平衡条件：U Uf f：反馈电压：反馈电压F F：反馈系数：反馈系数Uf = = FU FUo oU Uo = o = AUAUi i正弦波振荡电路框图正弦波振荡电路框图

4、相位平衡幅度平衡没有输入信号时，没有输入信号时，此时，此时，Uo=AUi=Auf=AFUoUo=AUi=Auf=AFUo即：即：正弦波振荡电路起振副度条件正弦波振荡电路起振副度条件: :=fiUU=+=211FAnFAFAjj=+211FAnFAFAjj【正弦波振荡电路的组成正弦波振荡电路的组成】（1) 1) 放大电路：放大作用放大电路：放大作用（2) 2) 正反馈网络：满足相位条件正反馈网络：满足相位条件（3) 3) 选频网络：确定，保证电路产生选频网络：确定，保证电路产生 正弦波振荡正弦波振荡（4) 4) 非线性环节（稳幅环节）：稳幅非线性环节（稳幅环节）：稳幅【正弦波振荡的分析方法正弦波

5、振荡的分析方法】（1 1）电路的组成是否具备正弦波振荡电路的四个基本）电路的组成是否具备正弦波振荡电路的四个基本环节；环节；（2 2）判断基本放大电路能否正常工作，是否建立起合）判断基本放大电路能否正常工作，是否建立起合适的静态工作点并能正常放大；适的静态工作点并能正常放大；（3 3）利用瞬时极性法判断电路是否引入正反馈；）利用瞬时极性法判断电路是否引入正反馈；（4 4）分析是否满足幅值条件。）分析是否满足幅值条件。9.2.1 RC9.2.1 RC型正弦波振荡器型正弦波振荡器 1.RC 1.RC串并联电路的选频特性串并联电路的选频特性RC串并联选频电路串并联选频电路)( j31 21000ff

6、ffFRCf+=，则令0,31 21MAX0=fFRCffj，则若CRCRCRUUF j1 j1 j1of+=RC正弦波振荡电路副频特性正弦波振荡电路副频特性RC正弦波振荡电路相频特性正弦波振荡电路相频特性2 2RCRC桥式正弦波振荡电路组成桥式正弦波振荡电路组成 为为RC RC 串并联网路配一个电压放大倍数略串并联网路配一个电压放大倍数略大于大于3 3、输入电阻趋于无穷大、输出电阻趋于、输入电阻趋于无穷大、输出电阻趋于0 0的放大电路。的放大电路。RC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路3 3振荡的建立与稳定振荡的建立与稳定 当电路接通电源后，电路中的噪声当电路接通电源后，电路中的噪声和干扰

7、信号沿放大电路和反馈网络的环和干扰信号沿放大电路和反馈网络的环路环行，不同的频率分量获得了不同的路环行，不同的频率分量获得了不同的环路增益和相移。环路增益和相移。4 4稳幅措施稳幅措施 振荡达到一定幅度后，环路增益从大于振荡达到一定幅度后，环路增益从大于1 1，自动，自动减小到减小到1 1，维持等幅输出。，维持等幅输出。 一般有两类稳幅措施：（一般有两类稳幅措施：（1 1）利用放大器件本身）利用放大器件本身的非线性；（的非线性；（2 2）采用正温度系数的热敏电阻稳）采用正温度系数的热敏电阻稳幅。幅。5 5振荡频率计算振荡频率计算 RC RC型正弦波振荡器适合产生几赫兹至几百千赫型正弦波振荡器适

8、合产生几赫兹至几百千赫兹的低频信号。兹的低频信号。 振荡频率振荡频率: :RCf21=)()(12222LRLCjLRRCjLjRY+=+=+=9.2.2 9.2.2 正弦波振荡器正弦波振荡器1.1.LCLC并联回路的选频特性并联回路的选频特性LC并联网络并联网络22)(LRLC+=发生并联谐振的条件为：发生并联谐振的条件为： 谐振角频率为：谐振角频率为：LCfLC21100=或必须有合适的同名端！必须有合适的同名端！2.2.变压器反馈式变压器反馈式LCLC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LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路分析电路的步骤：分析电路的步骤：（1)1)组成部分是否

9、完整组成部分是否完整（2) 2) 放大电路是否能正常工作放大电路是否能正常工作（3) 3) 是否满足相位条件是否满足相位条件电路特点：电路特点： 优点：优点：易振，波形较好；易振，波形较好； 缺点：缺点：耦合不紧密，损耗大，耦合不紧密，损耗大， 频率稳定性不高。频率稳定性不高。 3.3.电感反馈式电感反馈式LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路电感反馈式电感反馈式LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 电感的三个抽头分别接晶体管的三个电感的三个抽头分别接晶体管的三个极，故称之为电感三点式电路。极，故称之为电感三点式电路。电路特点：电路特点：优点：优点：耦合紧密，易振，振幅大，耦合紧密，易振，振幅大，C

10、 C 用可调用可调 电容可获得较宽范围的振荡频率。电容可获得较宽范围的振荡频率。缺点：缺点：波形较差，常含有高次谐波。为使振波形较差，常含有高次谐波。为使振 荡波形好，采用电容反馈式电路。荡波形好，采用电容反馈式电路。4.4.电容反馈式电容反馈式LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路电容反馈式电容反馈式LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路)(2121210CCCCLf+LCfCCCC21 021，则且若电路特点：电路特点：波形好，振荡频率调整范围小，适于频波形好，振荡频率调整范围小，适于频 率固定的场合。率固定的场合。 用用LCLC并联回路担任选频网络的正弦波振器。其并联回路担任选频网络的正弦波振器

11、。其振荡频率一般在振荡频率一般在MHzMHz以上，甚至可高达以上，甚至可高达1000MHz1000MHz。262022-7-289.2.3 9.2.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 1. 1.石英晶体的基本特点石英晶体的基本特点SiO2SiO2结晶体按一定方向切割的晶片。结晶体按一定方向切割的晶片。压电效应和压电振荡：压电效应和压电振荡：机械变形和电场的关系机械变形和电场的关系固有频率取决于其几何尺寸，故非常稳定。固有频率取决于其几何尺寸，故非常稳定。2.2.石英晶体等效电路石英晶体等效电路石英晶体符号石英晶体符号石英晶体等效电路石英晶体等效电路石英晶体电抗频率特性石英晶体电抗频率特性2820

12、22-7-28LCfs21=01CCfsfp+=fp电路有两个特定的谐振频率。电路有两个特定的谐振频率。当当L L，C C，R R支路发生串联谐振时，谐振频率为支路发生串联谐振时，谐振频率为: : 当频率高于当频率高于fsfs时，时，L L，C C，R R支路呈感性，可支路呈感性，可与电容与电容CoCo发并联谐振，并联谐振频率为发并联谐振，并联谐振频率为: :fsfs与与fpfp值非接近。值非接近。29292022-7-28sff =3.3.石英晶体振荡器电路类型石英晶体振荡器电路类型（1 1）串联型石英晶体振荡器：当石英晶体发生）串联型石英晶体振荡器：当石英晶体发生串联谐振，即串联谐振，即时

13、，呈纯阻性，相移为零。此时若把石英晶时，呈纯阻性，相移为零。此时若把石英晶 体作为放大电路的反馈网络，并起选频作用，体作为放大电路的反馈网络，并起选频作用，只要满足相位条件就构成了串联型石英晶体振只要满足相位条件就构成了串联型石英晶体振荡器。荡器。30302022-7-28串联型石英串联型石英晶体振荡器晶体振荡器并联型石英并联型石英晶体振荡器晶体振荡器312022-7-28 之间呈感性特点，与外接电容器可构成之间呈感性特点，与外接电容器可构成并联晶体振荡器，又称电容三点式振荡器。由并联晶体振荡器，又称电容三点式振荡器。由于于sfpfsfpf（2 2）并联型石英晶体振荡器：利用石英晶体在频率）并

14、联型石英晶体振荡器：利用石英晶体在频率 为为 和和和和 非常接近，故其振荡器频率高度稳定。非常接近，故其振荡器频率高度稳定。9.39.3非正弦波信号发生器基本原理非正弦波信号发生器基本原理322022-7-28【常用的非正弦波常用的非正弦波】矩形波矩形波三角波三角波锯齿波锯齿波尖顶波尖顶波阶梯波阶梯波332022-7-289.3.1 9.3.1 矩形波发生器矩形波发生器1. 1. 工作状态工作状态输出无稳态，有两个暂态；输出无稳态，有两个暂态；定义为第一暂态与第二暂态。定义为第一暂态与第二暂态。2. 2. 电路组成电路组成（1 1）开关电路：开关电路：输出只有高电平和低电平两种状输出只有高电平

15、和低电平两种状态，采用电压比较器。态，采用电压比较器。（2 2）反馈网络：反馈网络：自控，在输出为某一状态时孕育自控，在输出为某一状态时孕育翻转成另一状态的条件。应引入反馈。翻转成另一状态的条件。应引入反馈。矩形波发生器矩形波发生器352022-7-28（3 3）延迟环节：延迟环节：使得两个状态均维持一定的时使得两个状态均维持一定的时 间，决定振荡频率。利用间，决定振荡频率。利用RCRC电路实现。电路实现。 电容上的波形电容上的波形输出波形输出波形3.3.原理分析原理分析（1 1）电容初始电压为零，设电源接通瞬间电压比较）电容初始电压为零，设电源接通瞬间电压比较 器输出高电平器输出高电平 （第

16、一暂态），电压比较器同相（第一暂态），电压比较器同相 输入端的电位为输入端的电位为 362022-7-28ZU+ZFURRRu+=+110uCu此时，此时， 通过电阻通过电阻R R向电容向电容C C充电，电容电压充电，电容电压 以以时间常数时间常数=RC=RC的指数规律上升。的指数规律上升。 时，比较器翻转，时，比较器翻转，输出低电平输出低电平 （第二暂态），电压比较（第二暂态），电压比较器同相输入端电位变为器同相输入端电位变为372022-7-28CuCu+uZU（2 2）当）当上升到上升到ZFURRRu+=+11此时，电容以时间常数此时，电容以时间常数=RC=RC的规律放电，的规律放电，U

17、cUc下降下降, ,当当UcUc下降到下降到UVUV 时，比较器又一次改变状态，时，比较器又一次改变状态，输出电压跳变为，高平输出电压跳变为，高平 . .ZU+382022-7-284.4.输出方波周期输出方波周期 )21ln(1fRRRCT+= 若利用二极管的单向导点性，使电容充电和放若利用二极管的单向导点性，使电容充电和放电回路时间常数不同，便可得到占空比可调的电回路时间常数不同，便可得到占空比可调的矩波信号发生器。矩波信号发生器。392022-7-289.3.2 9.3.2 三角波和锯齿波发生器三角波和锯齿波发生器1. 1. 电路组成电路组成用积分运算电路可将方波变为三角波。用积分运算电

18、路可将方波变为三角波。三角波发生器三角波发生器三角波形图三角波形图2.2.原理分析原理分析A1A1同相输入端电位可根据叠加原理求出，即同相输入端电位可根据叠加原理求出，即 U1+ =U1+ =212RRR+0u+ +0211uRRR+ 由于由于A1A1反相输入端电压反相输入端电压U1_=0,U1_=0,有有U1+=0U1+=0，所以，所以zURRuRR120,120=U在三角波信号发生器的基础上，只要对电路稍加在三角波信号发生器的基础上，只要对电路稍加改动，即可构成锯齿波信号发生电路。改动，即可构成锯齿波信号发生电路。9.49.4集成信号发生器集成信号发生器9.4.19.4.1集成函数发生器及

19、其应用集成函数发生器及其应用1. 5G80381. 5G8038的原理框图、封装外形的原理框图、封装外形5G8038结构框图结构框图5G8038引脚图引脚图2 25G80385G8038主要特点主要特点（1 1）同时有三种波形输出：正弦波、三角波、）同时有三种波形输出：正弦波、三角波、 方波。方波。（2 2）工作频率范围：）工作频率范围：0 0。001Hz001Hz500kHz 500kHz 。（3 3）失真度低：）失真度低：1%1%。（4 4）使用简单，外接元件少。）使用简单，外接元件少。3 3集成函数发生器应用集成函数发生器应用 如图所示是产生正弦波、三角波和方波信号的函如图所示是产生正弦

20、波、三角波和方波信号的函 数发生器的典型电路图。输出信号可直接从数发生器的典型电路图。输出信号可直接从2 2、 3 3、9 9脚高阻输出或经一个集成放大器低阻输出。脚高阻输出或经一个集成放大器低阻输出。5G8038典型应用电路典型应用电路函数发生器所产生的振荡频率为：函数发生器所产生的振荡频率为：+=PBPAPBTPAoRRRCRf2166. 119.4.2 5559.4.2 555集成信号发生器集成信号发生器1. 1. 电路结构电路结构555 定时电路由电阻分压器、比较器、定时电路由电阻分压器、比较器、基本基本RSRS触发器、触发器、MOSMOS开关及输出缓冲器开关及输出缓冲器五个基本单位组

21、成。五个基本单位组成。555内部框图内部框图555引脚功能引脚功能2.2.应用电路实例应用电路实例（1 1）多谐振荡器：）多谐振荡器：多谐电路多谐电路工作波形工作波形输出信号周期：输出信号周期： CRRTTT)2(7 . 02121+=+=振荡频率和占空比分别为振荡频率和占空比分别为：CRRTf21243. 11+=212112RRRRTTq+= （2 2）施密特触发器：）施密特触发器： 施密特触发器施密特触发器工作波形工作波形【施密特触发器的应用施密特触发器的应用】（1 1）将正弦波（或三角波）变换成矩形波；）将正弦波（或三角波）变换成矩形波；（2 2）波形的整形；）波形的整形； （3 3）幅度鉴别。）幅度鉴别。 作业作业 1 1、4 4、7 7、9 9