模拟电子技术 CH9-4石英晶体振荡电路.ppt

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1、Q值越高，幅频特性越尖锐，选频特性越好，频率越稳定。值越高，幅频特性越尖锐，选频特性越好，频率越稳定。9.3.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路1.振荡电路的频率稳定问题振荡电路的频率稳定问题频率稳定度一般由频率稳定度一般由 来衡量来衡量频率偏移量。频率偏移量。振荡频率。振荡频率。LC振荡电路振荡电路 Q 数百数百石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 Q 104 106 有很高的频率稳定性。有很高的频率稳定性。影响影响LC振荡电路频率振荡电路频率f0的因素主要是的因素主要是LC并联回路的参数并联回路的参数L、C、R（某一时间段）某一时间段）LC振荡电路振荡电路频率稳定度：频率稳定度：10-5而而

2、石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 可达：可达：10-1010-112.石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效电路 结构结构压电效应压电效应一定一定f的机械振动的机械振动感应一定感应一定f的交变电场的交变电场机械振动的固有频率只与晶片本身尺寸有关，机械振动的固有频率只与晶片本身尺寸有关，石英晶体组成的振荡电路石英晶体组成的振荡电路 f 稳定性高稳定性高当当交交变变电电场场频频率率=晶晶体体固固有有频频率率时时，发发生生共共振振，机机械械振振动动振振幅幅最最大，随之产生的交变电场的幅值也最大。大，随之产生的交变电场的幅值也最大。压电谐振压电谐振两两 极板间加交变电场极板间加交变电场C

3、0：无振荡时晶体极板间的静电容（几十：无振荡时晶体极板间的静电容（几十pf）；）；L：模拟晶体惯性的电感（：模拟晶体惯性的电感（10-310 2 H很大）；很大）；C：模拟晶体弹性的电容（模拟晶体弹性的电容（10-210-1 pf很小）；很小）；R：模拟晶体振动摩擦损耗的电阻（模拟晶体振动摩擦损耗的电阻（100左右左右 可忽略）。可忽略）。等效电路：等效电路：晶体振荡时，可用下面的电路模型描述。晶体振荡时，可用下面的电路模型描述。惯性与弹性比惯性与弹性比L/C很大，很大，Q值很高。值很高。频率稳定度极高！频率稳定度极高！*晶体有两个谐振频率晶体有两个谐振频率L、C、R支路可发生支路可发生串联谐

4、振串联谐振串联谐振时，支路阻抗最小，且为纯阻性串联谐振时，支路阻抗最小，且为纯阻性 R。且且石英晶体也呈阻性，等效电阻为石英晶体也呈阻性，等效电阻为R。0C01R*ffs时，串联支路呈感性时，串联支路呈感性通常通常所以所以ffp时，石英晶体呈容性。时，石英晶体呈容性。可与可与Co发生并联谐振，晶体又呈阻性；发生并联谐振，晶体又呈阻性；即：即：1)晶体有两个谐振频率晶体有两个谐振频率f fs s 、f fp p 2)只在只在f fs s f fp p 间间很窄的频带内，石英晶体呈感性。很窄的频带内，石英晶体呈感性。3)实际使用时，外接一微调电容实际使用时，外接一微调电容Cs新的串联谐振频率新的串

5、联谐振频率由此看出由此看出调整调整*且且此时石英晶体呈感性此时石英晶体呈感性令复数阻抗的电抗部分（虚部）令复数阻抗的电抗部分（虚部）为为0，有，有并联石英晶体振荡电路并联石英晶体振荡电路3.石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路在石英晶体的在石英晶体的f fs s f fp p 间，间，石英晶体为感性。将其取代电容石英晶体为感性。将其取代电容三点式电路中的三点式电路中的L由于由于C1、C2 Cs，振荡频率取决于振荡频率取决于石英晶体石英晶体与与Cs的的谐振频率谐振频率 fs。*fs 与与 C1、C2无关，杂散电容对其无影响无关，杂散电容对其无影响CS很小，很小，fs更接近于更接近于fp调整调整（2）

6、串联石英晶体振荡电路串联石英晶体振荡电路石英晶体与石英晶体与 Rf 构成正反馈支路，构成正反馈支路，当晶体当晶体串联串联谐振时，阻抗最小，且谐振时，阻抗最小，且为纯阻性。为纯阻性。电路才满足正反馈相位平衡条件且电路才满足正反馈相位平衡条件且正反馈作用最强。正反馈作用最强。振荡频率为石英晶体的串联谐振振荡频率为石英晶体的串联谐振频率频率f fs s 。T1共基组态，共基组态，T2共集组态共集组态*end*9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路9.8.1 电压比较器电压比较器9.8.3 方波方波三角波产生电路三角波产生电路9.8.2 方波产生电路方波产生电路单门限电压比较器单门限电压比较器迟

7、滞比较器迟滞比较器矩形波矩形波锯齿波产生电路锯齿波产生电路1.单门限电压比较器单门限电压比较器运放处于开环状态运放处于开环状态运放差模增益运放差模增益A0105 9.8.1 电压比较器电压比较器vI、VREF（参考电压）分别加在集成运放的同相和反相输入端。参考电压）分别加在集成运放的同相和反相输入端。这里，这里，VREF接在反相输入端（可正可负），接在反相输入端（可正可负），vI接在同相输入端。接在同相输入端。构成同相输入的电压比较器。构成同相输入的电压比较器。两种状态翻转的临界点是两种状态翻转的临界点是vI=vREF 当当vI略略 VREF，输出为接近输出为接近正电源值正电源值当当vI略略

8、VREF，输出为接近输出为接近负电源值负电源值输出只有这两种状态输出只有这两种状态门限电平、阈值电平门限电平、阈值电平单门限电平单门限电平(2)传输特性曲线传输特性曲线vI 与与VREF的输入端互换的输入端互换若若vREF=0（接地），则接地），则vI 每次过零时，每次过零时，vo翻转。翻转。称为过零比较器。称为过零比较器。*输入为正弦波时输入为正弦波时*门限电平门限电平Vth=0(a)VREF0时时(b)VREF2V时时 (c)VREF4V时时 vI为峰值为峰值6V的三角波，设的三角波，设VCC12V，运放为理想器件。，运放为理想器件。例例9.8.1解：解：图图示示为为另另一一种种形形式式的

9、的单单门门限限电电压压比比较较器器，试试求求出出其其门门限限电电压压(阈阈值值电电压压)VT，画画出出其其电电压压传传输输特特性性。设设运运放放输输出出的的高高、低电平分别为低电平分别为VOH和和VOL。利用叠加定理可得利用叠加定理可得输出电压发生跳变时对应的输出电压发生跳变时对应的vi 值为阈值值为阈值此时，此时，vPvN0，即即门限电压门限电压例例9.8.2单门限电压比较器的缺点：单门限电压比较器的缺点：抗干扰能力差抗干扰能力差在在vI=Vth=VREF附近出现干扰时，附近出现干扰时，vo不稳定，不稳定，vo在在VOH和和VOL之间频繁变化。之间频繁变化。若以此去控制电机，则将出现频若以此

10、去控制电机，则将出现频繁起繁起 停现象。停现象。2、双门限电压比较器（迟滞比较器）、双门限电压比较器（迟滞比较器）与施密特触发器类似，传输特性有迟滞环与施密特触发器类似，传输特性有迟滞环(1)电路组成电路组成并经分压器并经分压器R1、R2把把v0的一部分引回同相输入端（正反馈）。的一部分引回同相输入端（正反馈）。为便于分析，给出参数，并设为便于分析，给出参数，并设VOH=VOL=5V，VREF=1V。(2)工作原理工作原理 vI vP 时，时，vo=+5V，根据叠加原理，此时根据叠加原理，此时vP=设设vI 从小逐渐从小逐渐，在，在vI ，vo 保持保持 不变。不变。VT-5V vI 时，时，

11、vo 从从-5V+5V，VT-Vi ，例例9.8.3 电路和参数及输入波形如图，电路和参数及输入波形如图，求传输特性和输出电压求传输特性和输出电压vo波形。波形。解：解：（1）求门限电压）求门限电压-传输特性如图传输特性如图*反相端输入的滞回比较器，反相端输入的滞回比较器，VREF=0R4、DZ 组成双向限幅电路组成双向限幅电路（2）输出电压波形输出电压波形虽然虽然vI 波形有顶部干扰，波形有顶部干扰，但但vo 波形近似为矩形波。波形近似为矩形波。整形整形通过上述几种电压比较器的分析，可得出如下结论：通过上述几种电压比较器的分析，可得出如下结论：（1）用用于于电电压压比比较较器器的的运运放放，

12、通通常常工工作作在在开开环环或或正正反反馈馈状状态态非非线性区，其输出电压只有线性区，其输出电压只有VOH和和VOL两种情况。两种情况。（2）一一般般用用电电压压传传输输特特性性来来描描述述输输出出电电压压与与输输入入电电压压的的函函数数关系。关系。（3）电压传输特性的关键要素）电压传输特性的关键要素 输出电压的最高电平输出电压的最高电平VOH和最低电平和最低电平VOL 门限电压门限电压 输出电压的跳变方向输出电压的跳变方向门限电压等于输出电压发生跳变所对应的门限电压等于输出电压发生跳变所对应的vI跳变方向取决于是同相输入方式还是反相输入方式跳变方向取决于是同相输入方式还是反相输入方式9.8.

13、2 方波产生电路方波产生电路 1、电路组成：、电路组成：A、R1、R2：反相端输入的迟滞比较器，反相端输入的迟滞比较器，R3、C：积分环节，积分环节，R4、DZ：双向限幅电路双向限幅电路2、工作原理：、工作原理：(1)设电源合闸瞬间设电源合闸瞬间vo=+VZ则此时则此时 vP=VT+=+FVZ 上门限值上门限值(2)vo 经经R3向向C 充电，充电，vc 以指数规律以指数规律(3)当当vc VT+时，时，A翻转，翻转，vo 从从+VZ VZ，则此时则此时vP=VT=FVZ 下门限值下门限值(4)vc 经经R3放电，放电，vc 以指数规律以指数规律(5)当当vc VT时，时，A翻转，翻转，vo

14、从从 VZ+VZ，C充电充电重复上述过程重复上述过程vo输出方波。输出方波。F=R1+R2R1*3、波形图：、波形图：4、振荡频率：、振荡频率：根据过渡过程三要素法有根据过渡过程三要素法有电容充、放电电容充、放电 值相同值相同占空比不可调占空比不可调*Vc(0+)-Vc()Vc(t)-Vc()t=RClnt上升上升=-FVZ-VZ FVZ-VZR3Cln1+F 1-FR3Cln=t下降下降=FVZ (-VZ)-FVZ-(-VZ)R3Cln1+F 1-FR3Cln=1/2占空比可调的矩形波产生电路占空比可调的矩形波产生电路调整调整R的滑动端，的滑动端，可以改变占空比，可以改变占空比，但振荡周期不

15、变。但振荡周期不变。*9.8.3 方波方波-三角波产生电路三角波产生电路A1：同相输入滞回比较器同相输入滞回比较器A2：反向积分运算电路：反向积分运算电路方波方波-三角波产生电路三角波产生电路1、电路组成：、电路组成：*首尾相连首尾相连迟滞比较器迟滞比较器A的输出电压的输出电压vo1=VZ，vP1是是vo与与vo1作用的作用的叠加叠加，即，即令令vP1=vN1=0，得，得*迟滞比较器迟滞比较器A的电压传输特性为的电压传输特性为则则阈值电压阈值电压2、工作原理：、工作原理：而反向积分电路的输入为而反向积分电路的输入为vo1=VZ，当当vo1=+VZ时，积分器负向线性积分，时，积分器负向线性积分，

16、vo 以线性规律以线性规律而而当当vo1 =VZ时，积分器正向线性积分，时，积分器正向线性积分，vo 以线性规律以线性规律则，则，vo1输出方波，输出方波，vo输出三角波。输出三角波。*3、波形图：、波形图：振荡周期振荡周期或振荡频率或振荡频率*4、振荡频率：、振荡频率：注意方波、三角波之间的相位关系注意方波、三角波之间的相位关系矩形波矩形波锯齿波产生电路锯齿波产生电路 波形发生电路如图选择波形发生电路如图选择增大、增大、不变或不变或减小填入空内：减小填入空内：当当R1增大时，增大时，uO1的占空比将的占空比将 ，振荡频率将，振荡频率将 ，uO2的幅值将的幅值将 ；若若RW1的滑动端向上移动，则的滑动端向上移动，则uO1的占空比将的占空比将 ，振荡频率将，振荡频率将 ，uO2的幅值将的幅值将 ；若；若RW2的滑动端向上移动，则的滑动端向上移动，则uO1的占空比将的占空比将 ，振荡频率将振荡频率将 ，uO2的幅值将的幅值将 。阀值阀值充放电充放电I占空比占空比作业：作业：P481 9.8.9 9.8.10