模拟电子技术第八章.ppt

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1、上页下页后退模拟电子8.1 8.1 正弦波信号发生器正弦波信号发生器 第第8 8章章 信号发生器信号发生器 信信号号发发生生器器：不不需需要要输输入入控控制制信信号号就就能能产产生生周周期期性性的的波形输出。波形输出。按按照照所所产产生生波波形形的的特特点点：分分为为正正弦弦波波和和非非正正弦弦波波两两种种信号发生器。信号发生器。正正弦弦波波信信号号发发生生器器是是按按自自激激振振荡荡原原理理构构成成的的，常常称称为为振荡器。振荡器。信信号号发发生生器器在在测测量量，控控制制，通通讯讯和和广广播播电电视视系系统统中中得得到了广泛应用。到了广泛应用。上页下页后退模拟电子1 1产生正弦波自激振荡的

2、平衡条件产生正弦波自激振荡的平衡条件 正正反馈网络反馈网络放大环节放大环节.fX.idX.oXAF8.1.1 8.1.1 正弦波自激振荡的基本原理正弦波自激振荡的基本原理 上页下页后退模拟电子正正反馈网络反馈网络放大环节放大环节.fX.idX.oXAF可在输出端继续维持原有的输出信号可在输出端继续维持原有的输出信号 当当.fX.idX=时时上页下页后退模拟电子（1 1）幅度平衡条件）幅度平衡条件 （2 2）相位平衡条件）相位平衡条件 可知电路产生自激振荡的平衡条件为：可知电路产生自激振荡的平衡条件为：式中：式中：由由.fX.idX=AF.oX.fX.idX=F即必须将反馈电路接成正反馈。即必须

3、将反馈电路接成正反馈。上页下页后退模拟电子 一个正弦波振荡器，只可能在一个频率（即振一个正弦波振荡器，只可能在一个频率（即振荡频率荡频率f0）下满足相位平衡的条件。）下满足相位平衡的条件。正正反馈网络反馈网络放大环节放大环节.fX.idX.oXAF 因因此此，在在反反馈馈环环路路中中应应包包含含一一个个具具有有选选频频特特性性的网络，简称选频网络。的网络，简称选频网络。上页下页后退模拟电子若若AF1，电路输出愈来愈大，称为增幅振荡。，电路输出愈来愈大，称为增幅振荡。可可见见维维持持等等幅幅振振荡荡（或或振振荡荡电电路路已已进进入入稳稳态态）的的唯唯一一条件是条件是AFAF=1=1。正正反馈网络

4、反馈网络放大环节放大环节.fX.idX.oXAF上页下页后退模拟电子2 2振荡的建立与稳定振荡的建立与稳定 振荡电路的起振条件：振荡电路的起振条件：放放大大电电路路中中有有一一定定的的干干扰扰和和噪噪声声存存在在，经经过过选选频频网网络络将将其其中中频频率率为为f0的的分分量量选选出出后后，由由于于其其幅幅值值较较小小，必必须使须使AFAF11，才能建立起稳定的振荡。，才能建立起稳定的振荡。上页下页后退模拟电子AF1AF=1自激振荡电路的起振过程自激振荡电路的起振过程 上页下页后退模拟电子自激振荡电路的起振过程自激振荡电路的起振过程上页下页后退模拟电子3 3正弦波信号发生器的电路组成正弦波信号

5、发生器的电路组成（1）放大环节：放大环节：为了从幅度很小的扰动逐渐建立为了从幅度很小的扰动逐渐建立和维护振荡。和维护振荡。（3 3）正正反反馈馈网网络络：为为了了满满足足建建立立和和维维持持正正弦弦波波振振荡的相位条件。荡的相位条件。（2 2）选频网络选频网络：为了从干扰和噪声等频域极宽的：为了从干扰和噪声等频域极宽的扰动信号中，产生所需的单一频率的正弦波振荡扰动信号中，产生所需的单一频率的正弦波振荡输出。输出。（4 4）稳幅环节稳幅环节：保证振荡器由建立到稳定。：保证振荡器由建立到稳定。上页下页后退模拟电子4.4.正弦波信号发生器的分类正弦波信号发生器的分类 （1 1）RCRC型型正正弦弦波

6、波信信号号发发生生器器 用用来来产产生生1MHz1MHz以以下下的低频信号的低频信号（2 2）LCLC型型正正弦弦波波信信号号发发生生器器 用用来来产产生生1MHz1MHz以以上上的的高频信号高频信号（3 3）晶晶体体振振荡荡器器 用用来来产产生生高高频频率率稳稳定定度度的的高高频频信号信号上页下页后退模拟电子1 1文氏电桥振荡的电路构成文氏电桥振荡的电路构成 8.1.2 8.1.2 RC型正弦波信号发生器型正弦波信号发生器 类型：文氏电桥、移相式、双类型：文氏电桥、移相式、双T T网络式振荡电路等。网络式振荡电路等。RRCCA0R1R2UoZ1Z2上页下页后退模拟电子2 2RC串并联网络的选

7、频特性串并联网络的选频特性 RRCCUoUfZ1Z2+图中图中反馈系数反馈系数令令上页下页后退模拟电子f 90-90 45-4500fj jf031/0fF幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：上页下页后退模拟电子3 3工作原理工作原理 （2）当）当 时，即可产生振荡。时，即可产生振荡。（3）振荡频率）振荡频率RRCCA0R1R2UoUf（1）当当f=f0时时Uf与与Uo 同相位。同相位。Uf的幅值最大。的幅值最大。上页下页后退模拟电子4 4稳幅措施稳幅措施 在文氏电桥正弦波振荡电路中，常用非线性元件（如在文氏电桥正弦波振荡电路中，常用非线性元件（如二极管和热敏电阻等）实现稳幅。二极管和热敏

8、电阻等）实现稳幅。稳幅实例稳幅实例二极管稳幅的文氏电桥振荡电路二极管稳幅的文氏电桥振荡电路 RRCC0ARWD1D 2R1U o上页下页后退模拟电子热敏电阻稳幅的文氏电桥振荡电路热敏电阻稳幅的文氏电桥振荡电路 RRCC0ARWUoRtR Rt t为负温度系数的热敏电阻为负温度系数的热敏电阻 上页下页后退模拟电子a.a.用用LC并联谐振回路作为选频网络。并联谐振回路作为选频网络。8.1.3 LC8.1.3 LC型正弦波信号发生器型正弦波信号发生器 振振荡荡电电路路按照反馈方式按照反馈方式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LCb.b.主要用来产生主要用来产生1MHZ以

9、上的高频信号。以上的高频信号。特点特点:上页下页后退模拟电子1 1LC并联谐振回路并联谐振回路 RCLIsIcIRLUs-+(a)f000fZj j)(b)(c0ffQ Q大大Q Q小小Q Q大大Q Q小小上页下页后退模拟电子（1 1）谐振频率）谐振频率 （2 2）谐振时的等值电阻）谐振时的等值电阻R0（3 3）谐振回路的品质因数）谐振回路的品质因数RCLIsIcIRLUs-+(a)品质因数很大品质因数很大上页下页后退模拟电子2 2选频放大电路选频放大电路 C+LT+RB1RB2RECEUiUoCBVCCCc当当f=f0时时(1)(1)输出电压幅值最大。输出电压幅值最大。(2)(2)输输出出电

10、电压压与与输输入入电电压压反相。反相。放大电路只对谐振频率放大电路只对谐振频率f0的信号有放大作用，它的信号有放大作用，它是构成是构成LCLC振荡电路的基振荡电路的基础。础。上页下页后退模拟电子3 3变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 C+T+UiUfRLVCCCBRB1RB2RECEN1N2N3上页下页后退模拟电子C+T+UiUfRLVCCCBRB1RB2RECEN1N2N3正反馈的判断正反馈的判断（1 1）相位条件）相位条件上页下页后退模拟电子C+T+UiUfRLVCCCBRB1RB2RECEN1N2N3上页下页后退模拟电子C+T+UiUfRLVCCCBRB1RB2RECEN1N

11、2N3上页下页后退模拟电子C+T+UiUfRLVCCCBRB1RB2RECEN1N2N3上页下页后退模拟电子VC+T+UiUfRLCCCBRB1RB2RECEN1N2N3上页下页后退模拟电子a.a.选择变压器的变比选择变压器的变比N N1 1N N2 2，得到一定的，得到一定的反馈系数反馈系数F F 振荡频率振荡频率C+T+UiUfRLVCCCBRB1RB2RECEN1N2N3（2 2）起振条件）起振条件b.b.选选择择电电路路参参数数，使使AF1即可振荡。即可振荡。上页下页后退模拟电子a.a.调节副边线圈的匝数调节副边线圈的匝数N2 2，起振容易。起振容易。变压器反馈式振荡电路的特点：变压器

12、反馈式振荡电路的特点：b.b.由由于于变变压压器器分分布布参参数数的的限限制制，振振荡荡频频率率不不能能很高，一般在几千赫兹到几兆赫兹。很高，一般在几千赫兹到几兆赫兹。上页下页后退模拟电子4 4电感三点式正弦振荡电路电感三点式正弦振荡电路 C+T+UiCBRB1RB2RECEVCCL1L2N2N1电电感感线线圈圈的的三三个个端端子子分分别别与与三三极极管管的的三三个个电电极极B B、C C、E E相相连连接接，因因此此称称为为电电感感三三点点式式振振荡荡电电路。路。上页下页后退模拟电子TCBCEL1L2UiUoUfC+T+UiCBRB1RB2RECEVCCL1L2N2N1简化的交流通路简化的交

13、流通路上页下页后退模拟电子相位平衡条件相位平衡条件TCBCEL1L2UiUoUfIcUiUoIcUfM为线圈为线圈L1与与L2之间的互感。之间的互感。谐振频率谐振频率上页下页后退模拟电子（5 5）电容三点式正弦波振荡电路）电容三点式正弦波振荡电路 +T+LCBUfUiUoRB1RB2RCRECEC1C2VCC上页下页后退模拟电子TLUfUo1C2CU iIL+T+LCBUfUiUoRB1RB2RCRECEC1C2VCC简化的交流通路简化的交流通路上页下页后退模拟电子相位平衡条件相位平衡条件UiUoILUfTLUfUo1C2CU iIL谐振频率谐振频率上页下页后退模拟电子TLCRB1RB2RcR

14、ECEC1C2CBVCC电电容容三三点点式式改改进进电电路路上页下页后退模拟电子1.1.石英晶体的基本特性石英晶体的基本特性8.1.4 8.1.4 晶体振荡器晶体振荡器电路符号电路符号 将一块石英晶体以一定方位角切成晶片，在晶片将一块石英晶体以一定方位角切成晶片，在晶片的两面涂上银层作为两个电极，焊上引线固定在引脚的两面涂上银层作为两个电极，焊上引线固定在引脚上，再加装上外壳就构成了石英晶体谐振器上，再加装上外壳就构成了石英晶体谐振器。RQ上页下页后退模拟电子（1 1）压电效应）压电效应 若在晶片的两侧施加机械压力，又会在相应的方若在晶片的两侧施加机械压力，又会在相应的方向产生电场，这种物理现

15、象称为向产生电场，这种物理现象称为压电效应压电效应。当当在在晶晶片片的的两两个个电电极极之之间间加加上上电电场场时时，晶晶片片就就会产生机械变形；会产生机械变形；如如果果外外加加交交变变电电压压的的频频率率等等于于晶晶片片的的固固有有机机械械振振动动频频率率时时，机机械械振振动动的的振振幅幅急急剧剧增增加加，晶晶体体的的这这种种现现象称为象称为压电谐振。压电谐振。当当在在晶晶片片的的两两电电极极之之间间加加交交变变电电压压时时，晶晶片片就就会会产产生生机机械械变变形形振振动动，同同时时晶晶片片的的机机械械变变形形振振动动又又会会产产生交变电场。生交变电场。上页下页后退模拟电子RQRCLC0（2

16、 2）等效电路和谐振频率）等效电路和谐振频率C0 两金属电极间构成的静电电容两金属电极间构成的静电电容L 等效晶片振动时的惯性等效晶片振动时的惯性C 等效晶片振动时的弹性等效晶片振动时的弹性R 等效晶片振动时内部的摩擦损耗等效晶片振动时内部的摩擦损耗等效电路等效电路 上页下页后退模拟电子RCLC0振荡电路特点：振荡电路特点：a.晶片晶片L很大，很大，C和和R很小很小b.Q可达可达104106c.振荡电路的频率稳定度（振荡电路的频率稳定度（）很高，可达）很高，可达1010-9-91010-11-11数量级。数量级。频率稳定度：频率稳定度：RC:10-2;LC:10-3 10-4.上页下页后退模拟

17、电子RCLC0（2 2）谐振频率）谐振频率 串联谐振频率串联谐振频率 ：并联谐振频率并联谐振频率 ：Xf0sfpf电电感感性性容容性性容容性性上页下页后退模拟电子RCLC0X当忽略当忽略R时，电抗时，电抗X上页下页后退模拟电子RCLC0Xa.a.当回路发生串联谐振时当回路发生串联谐振时X=0，得串联谐振频率得串联谐振频率 b.b.当回路发生并联谐振时当回路发生并联谐振时X=，得并联谐振频率，得并联谐振频率 上页下页后退模拟电子由于由于C0时，电容时，电容C通过电阻通过电阻R充电，充电，uC按指数规律上升。按指数规律上升。uR=R1/(R1+R2)Uz那么此时那么此时RAURCR1R2R3uOU

18、ZDZu+u-ucic上页下页后退模拟电子b.当当uC uR时，时，uo=-Uz,uR=-R1/(R1+R2)Uz此后，电容此后，电容C通过电阻通过电阻R充电，充电，uC按指数规律降低按指数规律降低RAURCR1R2R3uOUZDZu+u-ucic如此周而复始如此周而复始上页下页后退模拟电子电路的工作波形图电路的工作波形图T/2T/2上页下页后退模拟电子根据三要素法根据三要素法2.主要参数计算主要参数计算 T/2T/2如果选定时间起点为如果选定时间起点为t t2 2，那么，那么上页下页后退模拟电子由此得电路的振荡周期由此得电路的振荡周期T/2T/2当当 t=T/2 时时即即上页下页后退模拟电子

19、振荡频率：振荡频率：如果将电容器如果将电容器C的充电和放电回路分开，使充电和的充电和放电回路分开，使充电和放电的时间常数不相等，便可获得矩形波信号。放电的时间常数不相等，便可获得矩形波信号。上页下页后退模拟电子8.2.2 8.2.2 三角波和锯齿波发生器三角波和锯齿波发生器A1迟滞比较器迟滞比较器A2积分器积分器1 1电路组成电路组成uRCA1A2R1R2R3uoo1DZB上页下页后退模拟电子uRCA1A2R1R2R3uoo1DZB2 2工作原理工作原理 图中图中上页下页后退模拟电子即即uo随时间线性下降随时间线性下降uRCA1A2R1R2R3uoo1DZB(1)当当 时，时，输出电压输出电压

20、电容电容 C充电充电上页下页后退模拟电子uRCA1A2R1R2R3uoo1DZB(2)当当 uB小于零时小于零时uo随时间线性上升随时间线性上升电容电容 反向充电反向充电输出电压输出电压上页下页后退模拟电子uRCA1A2R1R2R3uoo1DZBuo又随时间线性下降又随时间线性下降.(3)当当 uB大于零时大于零时周而复始周而复始,uo输出三角波，输出三角波，uo1输出方波输出方波上页下页后退模拟电子输出波形图输出波形图t tzU+zU-0 0o1u4Tou0 0omU+omU-t t上页下页后退模拟电子1）输出电压幅值输出电压幅值令令得得故故2.主要指标主要指标上页下页后退模拟电子t tzU

21、+zU-0 0o1u4Tou0 0omU+omU-t t三角波从零上升到三角波从零上升到UOm所需的时间是振荡所需的时间是振荡周期的周期的1/41/4，此时，此时uo1=-UZ 2）振荡频率）振荡频率由图可知由图可知上页下页后退模拟电子因而因而t tzU+zU-0 0o1u4Tou0 0omU+omU-t t由此可得振荡周期由此可得振荡周期上页下页后退模拟电子故振荡频率故振荡频率如果使电容如果使电容C C的充、放电时间常数不相等，的充、放电时间常数不相等，R+R-D1D2R的替代电路的替代电路t t0 0u锯齿波锯齿波可产生锯齿波。可产生锯齿波。上页下页后退模拟电子RC-U+USR1R2R3A

22、1A2DZuouo1 8.2.3 8.2.3 压控振器压控振器当当uo=+UZ时，开关时，开关S接通接通+U原原理理图图当当uo=-UZ时，开关时，开关S接通接通U上页下页后退模拟电子1)工作原理工作原理图中图中RC-U+USR1R2R3A1A2DZuouo1B上页下页后退模拟电子uo1随时间线性下降随时间线性下降(a)当当 时，时，U通过电阻通过电阻R向电容向电容 C充电充电RC-U+USR1R2R3A1A2DZuouo1B开关开关 S 接电源接电源 U上页下页后退模拟电子(b)当当 uB小于零时小于零时uo1随时间线性上升随时间线性上升电容电容 反向充电反向充电开关开关 S 接接 URC-

23、U+USR1R2R3A1A2DZuouo1B上页下页后退模拟电子周而复始周而复始,uo1输出三角波，输出三角波，uo输出方波输出方波RC-U+USR1R2R3A1A2DZuouo1B上页下页后退模拟电子t tzU+zU-0 0ou2To1u0 0t t1t2t1t2tz21URRz21URR-振荡波形图振荡波形图振荡频率振荡频率振荡频率振荡频率f0随随U成正比的变化，实现了电压控制振荡频率成正比的变化，实现了电压控制振荡频率的目的。的目的。上页下页后退模拟电子RRRCD1D2DZuoR1R2R3RFuo1A1A2A3A4Uuo4uo3一种压控振荡电路一种压控振荡电路 上页下页后退模拟电子1 1

24、正弦波振荡电路由放大器、正反馈网络、选频网正弦波振荡电路由放大器、正反馈网络、选频网络、稳幅环节等四个功能部件组成。产生振荡的幅度平络、稳幅环节等四个功能部件组成。产生振荡的幅度平衡条件是衡条件是AFAF=1=1、相位平衡条件是、相位平衡条件是 （n n为整为整数）。当满足数）。当满足AFAF11（起振条件）时，振荡比较容易建（起振条件）时，振荡比较容易建立起来。立起来。2 2分分析析电电路路是是否否有有可可能能产产生生振振荡荡时时，首首先先判判断断放放大大器器件件能能否否工工作作在在放放大大状状态态，其其次次用用瞬瞬时时极极性性法法判判断断电电路路是是否否满满足足相相位位平平衡衡条条件件（即

25、即是是否否构构成成正正反反馈馈），必必要要时时再分析电路是否满足起振条件。再分析电路是否满足起振条件。3 3按按照照选选频频网网络络所所用用元元件件不不同同，振振荡荡电电路路有有RCRC、LCLC和和石石英英晶晶体体振振荡荡电电路路之之分分。常常用用的的RCRC正正弦弦波波振振荡荡电电路路是是文文氏氏电电桥桥振振荡荡器器，其其振振荡荡频频率率（）一一般般不不超超过过1MHz1MHz。本章小结本章小结 上页下页后退模拟电子4 4LCLC正正弦弦波波振振荡荡电电路路的的振振荡荡频频率率比比较较高高，它它可可分分为为变变压压器器耦耦合合式式、电电感感三三点点式式、电电容容三三点点式式三三种种，其其振

26、振荡荡频频率率 、谐谐振振回回路路的的品品质质因因数数 ，值值越越大大，电路的选频特性越好。电路的选频特性越好。5 5石英晶体振荡器的频率稳定性很高，应用十分广泛石英晶体振荡器的频率稳定性很高，应用十分广泛6 6利用比较器和利用比较器和RCRC延时电路可构成方波、三角波等非延时电路可构成方波、三角波等非正弦波信号发生器，一般通过改变正弦波信号发生器，一般通过改变RCRC电路的时间常数来电路的时间常数来改变电路的振荡频率、通过改变比较器的阈值电压来改改变电路的振荡频率、通过改变比较器的阈值电压来改变三角波的幅值。当变三角波的幅值。当RCRC电路的正向充电和反向充电时间电路的正向充电和反向充电时间

27、常数不同时，方波就会变成矩形波、三角波就会变成锯常数不同时，方波就会变成矩形波、三角波就会变成锯齿波。齿波。上页下页后退模拟电子7 7非非正正弦弦波波信信号号发发生生电电路路产产生生振振荡荡的的条条件件是是：只只要要比比较较器器的的输输出出电电压压经经过过RCRC延延时时电电路路后后，反反馈馈到到比比较较器器的的输输入入端端能能使使比比较较器器输输出出状状态态发发生生变变化化，就就能能产产生生振振荡荡。它它与正弦波振荡电路的振荡条件不同。与正弦波振荡电路的振荡条件不同。8 8通过改变控制电压可以改变压控振荡器的频率，即通过改变控制电压可以改变压控振荡器的频率，即实现了电压实现了电压频率变换，它广泛应用于测控系统之中。频率变换，它广泛应用于测控系统之中。