信號發(fā)生器-模電講義

1、9 信號發(fā)生器信號發(fā)生器 本章介紹幾種信號發(fā)生器的組成及工作原理。它們既可用本章介紹幾種信號發(fā)生器的組成及工作原理。它們既可用分立元件構成，也可用集成電路組成，也有專用信號發(fā)生器分立元件構成，也可用集成電路組成，也有專用信號發(fā)生器組件。組件。9 .1 正弦波振蕩電路的振蕩條件正弦波振蕩電路的振蕩條件 輸出電壓為正弦波的振蕩電路，叫做正弦波振蕩器，在輸出電壓為正弦波的振蕩電路，叫做正弦波振蕩器，在不同的使用場合，對正弦波的頻率、功率要求不同。下面首不同的使用場合，對正弦波的頻率、功率要求不同。下面首先分析自激振蕩原理，然后再介紹典型的振蕩電路。先分析自激振蕩原理，然后再介紹典型的振蕩電路。 不加

2、輸入信號而有輸出信號的電路，叫做信號發(fā)生器。不加輸入信號而有輸出信號的電路，叫做信號發(fā)生器。 1. 振蕩條件振蕩條件 振蕩原理如圖振蕩原理如圖 9.1.1所示，它由放大電路和反饋電路組所示，它由放大電路和反饋電路組成。成。( 維持）自激振蕩的條件為維持）自激振蕩的條件為： afXFAX afXX 1 FA12 FAnfa幅度平衡條件幅度平衡條件相位平衡條件相位平衡條件 振蕩頻率由相位平衡條件確定，電路僅在一個頻率處滿足振蕩頻率由相位平衡條件確定，電路僅在一個頻率處滿足相位條件，此頻率為輸出信號的頻率相位條件，此頻率為輸出信號的頻率 fo 。 2. 起振和穩(wěn)幅起振和穩(wěn)幅 振蕩電路總存在微弱的噪聲

3、或干擾信號，它們的頻譜很振蕩電路總存在微弱的噪聲或干擾信號，它們的頻譜很寬，利用選頻網絡把所需頻率的信號挑選出來，經過放大寬，利用選頻網絡把所需頻率的信號挑選出來，經過放大電路和正反饋網絡，只要電路和正反饋網絡，只要 , 輸出就會逐漸變大輸出就會逐漸變大 1 FA 起振的幅值條件為起振的幅值條件為1 FA 穩(wěn)幅：穩(wěn)幅：因因 AF 1 ，起振后，輸出信號幅值逐漸增，起振后，輸出信號幅值逐漸增大，需采取穩(wěn)幅措施限幅，使輸出波形為正弦波。大，需采取穩(wěn)幅措施限幅，使輸出波形為正弦波。一般可用放大器件的非線性穩(wěn)幅或專門的穩(wěn)幅電路一般可用放大器件的非線性穩(wěn)幅或專門的穩(wěn)幅電路實現穩(wěn)幅實現穩(wěn)幅.3. 分析方法

4、分析方法 判斷電路能否產生正弦振蕩的一般方法：判斷電路能否產生正弦振蕩的一般方法： 1）電路是否具有放大電路、反饋網絡、選頻網絡和穩(wěn)）電路是否具有放大電路、反饋網絡、選頻網絡和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，這幅環(huán)節(jié)，這4個基本組成部分。一般選頻網絡兼作反饋網個基本組成部分。一般選頻網絡兼作反饋網絡，放大器件的非線性自動地起穩(wěn)幅作用。絡，放大器件的非線性自動地起穩(wěn)幅作用。 2）是否滿足相位平衡條件。一般用瞬時極性法判斷，）是否滿足相位平衡條件。一般用瞬時極性法判斷，若是正反饋電路就能振蕩，振蕩頻率由相位條件決定。若是正反饋電路就能振蕩，振蕩頻率由相位條件決定。 3）是否滿足幅度平衡條件。振蕩電路的幅度條件一般容）是

5、否滿足幅度平衡條件。振蕩電路的幅度條件一般容易滿足，因此，只要相位條件滿足就能振蕩。起振條件由易滿足，因此，只要相位條件滿足就能振蕩。起振條件由 AF 1 決定。決定。 正弦波振蕩器按選頻網絡所用元件類型的不同，分為正弦波振蕩器按選頻網絡所用元件類型的不同，分為RC振蕩器，振蕩器，LC振蕩器和振蕩器和石英晶體石英晶體振蕩器。振蕩器。 9. 2 RC正弦波振蕩器正弦波振蕩器 RC振蕩器有振蕩器有RC串并聯型，串并聯型，RC移相型和移相型和RC雙雙T型等電路，它們的共同型等電路，它們的共同特點是反饋網絡兼作選頻網絡，下面介紹常見的特點是反饋網絡兼作選頻網絡，下面介紹常見的RC串、并聯型。串、并聯型

6、。1. RC串并聯網絡的選頻特性串并聯網絡的選頻特性 )1(311/)1(1/RCCRjCjRCjRCjRVVFofV RCjFV1,)(31000 由圖由圖9.2.2所示頻率特性可知所示頻率特性可知 , 當當RCff 210。為為最最大大值值； 0,31FVF 2RC振蕩電路振蕩電路 由由RC串、并聯網絡的選頻特性可知，為了滿足振蕩電路的串、并聯網絡的選頻特性可知，為了滿足振蕩電路的自激條件，放大器應有自激條件，放大器應有 AV = 3 , A =0 ，即輸出與輸入同，即輸出與輸入同相，為此應選用同相比例運算電路或兩級共射放大電路相，為此應選用同相比例運算電路或兩級共射放大電路. 振蕩電路見

7、圖振蕩電路見圖 9.2.1。由于。由于 Z1、Z2、與、與 R1、Rf 正好形成一正好形成一個四臂電橋，因此又叫做個四臂電橋，因此又叫做文氏電橋振蕩器文氏電橋振蕩器。 3. 振蕩的建立與穩(wěn)定振蕩的建立與穩(wěn)定 由起振條件由起振條件 AF 1可可 知，同相比例電路的參數選取應知，同相比例電路的參數選取應滿足滿足 3/11 RRAfV 為了使輸出波形失真小，為了使輸出波形失真小，AV 取約大于取約大于 3。4 振蕩頻率與波形振蕩頻率與波形RCff210 無無輸輸出出；, 3/1)11 RRAfV輸輸出出正正弦弦波波；約約大大于于 ,3/1)21RRAfV 輸輸出出失失真真的的正正弦弦波波；遠遠大大于

8、于 ,3/1)31RRAfV 5 穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施 在放大電路的反饋回路里采用非線性元件來自動調整在放大電路的反饋回路里采用非線性元件來自動調整負反饋的強弱以維持輸出電壓恒定。負反饋的強弱以維持輸出電壓恒定。 1） 將反饋回路中的將反饋回路中的 Rf 用一負溫度系數的熱敏電阻代替用一負溫度系數的熱敏電阻代替，當輸出電壓幅值增大時，電路溫度增高，當輸出電壓幅值增大時，電路溫度增高， Rf 將減小，放將減小，放大電路的增益大電路的增益 AV =1+ Rf / R1 減小，輸電壓幅值減小，從減小，輸電壓幅值減小，從而穩(wěn)定輸出電壓。而穩(wěn)定輸出電壓。 2）也可將反饋回路中的）也可將反饋回路中的 R1 用

9、一正溫度系數的熱敏電阻用一正溫度系數的熱敏電阻代替，同樣可從而穩(wěn)定輸出電壓。代替，同樣可從而穩(wěn)定輸出電壓。 3） 利用二極管或場效應管的可變電阻特性來穩(wěn)幅。利用二極管或場效應管的可變電阻特性來穩(wěn)幅。kHzHzf20200 例例 9.2.1 圖圖 9.2.4 所示為一所示為一RC橋式正弦波振蕩電路，已知橋式正弦波振蕩電路，已知 A 為運放為運放 741，其，其最大輸出電壓為最大輸出電壓為14 V 。（。（1）圖中二極管）圖中二極管D1 , D2作為自動穩(wěn)幅元件，試分作為自動穩(wěn)幅元件，試分析其穩(wěn)幅原理；（析其穩(wěn)幅原理；（2）設電路已產生穩(wěn)幅正弦波振蕩，當輸出電壓達到正弦）設電路已產生穩(wěn)幅正弦波振蕩

10、，當輸出電壓達到正弦波峰值時，二極管正向壓降約為波峰值時，二極管正向壓降約為0.6V, 試估算輸出電壓的峰值試估算輸出電壓的峰值Vom ; (3)試定試定性說明因不慎性說明因不慎 使使 R2 短路時，輸出電壓的波形；（短路時，輸出電壓的波形；（4）定性畫出）定性畫出R2 不慎開路不慎開路時，輸出電壓的波形。（并標明振幅時，輸出電壓的波形。（并標明振幅） 解：解：（1）穩(wěn)幅原理）穩(wěn)幅原理 vo 的幅值較小時，的幅值較小時， D1 , D2 截止，放大電路增益截止，放大電路增益 33 . 3/ )(1132 RRRAV有利于起振；當有利于起振；當 vo 的幅值較大時，的幅值較大時， D1 , D2

11、 導通，并聯等效電阻減小，導通，并聯等效電阻減小， AV 下降，下降，vo 幅值趨于穩(wěn)定。幅值趨于穩(wěn)定。 （2） 估算估算 Vom 由穩(wěn)幅振蕩時，由穩(wěn)幅振蕩時，VVVvFADomoVV6 . 0, 3/13 時，時，及及omomVRRRV316 . 0121 VVom35. 8 重重合合的的直直線線。與與時時間間軸軸電電路路停停振振，輸輸出出為為一一條條，當當3,02 VAR輸出波形如圖所示。輸出波形如圖所示。，當當 VAR,2并由電路可列出方程并由電路可列出方程 解之可得解之可得（3）（4）9.3 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 LC振蕩器可產生振蕩器可產生1MHz以上頻率的正弦波，由以上

12、頻率的正弦波，由于普通運放頻帶較窄，一般由分立元件放大器組成，于普通運放頻帶較窄，一般由分立元件放大器組成，常見的有變壓器反饋式，電感三點式和電容三點式。常見的有變壓器反饋式，電感三點式和電容三點式。LjRCjLjRCjZ 1)(19. 3. 1 LC 選頻放大電路選頻放大電路 1LC并聯回路的選頻特性并聯回路的選頻特性 通常有通常有 , 所以所以由上式可知，并聯諧振回路具有如下特點由上式可知，并聯諧振回路具有如下特點： (1) 并聯諧振頻率為并聯諧振頻率為 (2) 諧振時，回路等效阻抗為純電阻性質，其值最大，即諧振時，回路等效阻抗為純電阻性質，其值最大，即其中其中 Q 為品質因數為品質因數,

13、是用來評價回路損耗大小的指標，其值是用來評價回路損耗大小的指標，其值在幾十至幾百范圍內在幾十至幾百范圍內。 LC10 LCf 210或或LR )1(/)1(1CLjRCLCLjRLjCjZ CQLQRCLZ000 200220)(1)1(1 RLjRCLRLjRCLZ(4) 頻率特性頻率特性 0000,/,2,QRL 則上式改寫為則上式改寫為 021 jQRCLZ200)2(11 QZZ)2(01 Qtg 2 選頻放大器選頻放大器 圖圖 9.3.3 為一選頻放大電路，該電路僅對為一選頻放大電路，該電路僅對 回路的并聯諧振回路的并聯諧振頻率的信號有放大作用，對其它頻率的信號均是衰減的。頻率的信號

14、有放大作用，對其它頻率的信號均是衰減的。 9. 3. 2 變壓器反饋式變壓器反饋式 LC 振蕩電路振蕩電路 圖圖 9. 3. 6中，中，LC并聯回路作放并聯回路作放大電路中晶體管集電極的負載，大電路中晶體管集電極的負載，起選頻作用，變壓器副邊繞組實起選頻作用，變壓器副邊繞組實現反饋，稱為變壓器反饋式正弦現反饋，稱為變壓器反饋式正弦波振蕩器。振蕩電路中電容波振蕩器。振蕩電路中電容C1，射極旁路電容射極旁路電容Ce ，通常足夠大，通常足夠大，視為交流短路，因此視為交流短路，因此LC回路諧振回路諧振時，呈電阻性，放大電路的輸出時，呈電阻性，放大電路的輸出和輸入間相位相反，如果變壓器和輸入間相位相反，

15、如果變壓器繞組的極性合適（圖中同名端用繞組的極性合適（圖中同名端用*號表示），反饋網絡的相位，號表示），反饋網絡的相位，則滿足振蕩的相位平衡條件，則滿足振蕩的相位平衡條件，180f180A(-)(+)(+) 振蕩頻率為振蕩頻率為式中式中 L 為回路的等效電感。為回路的等效電感。 通常采用瞬時極性法分析，通常采用瞬時極性法分析，各處極性見圖中標注，可判斷各處極性見圖中標注，可判斷電路為正反饋，滿足相位平衡電路為正反饋，滿足相位平衡條件。條件。 起振的幅值條件為起振的幅值條件為 ，只要變壓器變比恰當，一般都可只要變壓器變比恰當，一般都可滿足。滿足。CLfo 21FA1 9. 3. 3 三點式三點式

16、 LC 弦波振蕩器弦波振蕩器 電感三點式振蕩器電感三點式振蕩器(圖圖 9. 3. 7 )，把，把LC諧振回路中的電感分諧振回路中的電感分成成 L1和和 L2 兩個部分，通常為順接，彼此之間具有互感兩個部分，通常為順接，彼此之間具有互感M，等，等效電感效電感 L= L1+ L2 +2M 由于由于 L 有有3個端點（個端點（1）、（、（2）、（）、（3）被稱為）被稱為電感三點式電感三點式. 利用瞬時極性法，可利用瞬時極性法，可判斷電路為正反饋，振蕩判斷電路為正反饋，振蕩頻率為頻率為 LCfo 21 電感三點式，用可變電容雖然能在較寬范圍內調節(jié)振蕩頻電感三點式，用可變電容雖然能在較寬范圍內調節(jié)振蕩頻

17、率，但是，由于反饋電壓取自電感率，但是，由于反饋電壓取自電感L1，感抗隨頻率升高而增，感抗隨頻率升高而增加，反饋電壓中高次諧波比重增加，使輸出波形變壞。為此加，反饋電壓中高次諧波比重增加，使輸出波形變壞。為此，用電容三點式振蕩電路。，用電容三點式振蕩電路。2121CCCCC CLfo 21 9. 3. 4 石英晶體正弦波振蕩器石英晶體正弦波振蕩器 如果對振蕩頻率的穩(wěn)定性要求更高，可采用石英晶體振蕩器。石英晶體振如果對振蕩頻率的穩(wěn)定性要求更高，可采用石英晶體振蕩器。石英晶體振蕩器是在振蕩電路中用石英晶體取代蕩器是在振蕩電路中用石英晶體取代LC元件，構成正弦波振蕩器。其頻率穩(wěn)元件，構成正弦波振蕩器

18、。其頻率穩(wěn)定度可達定度可達10-9甚至到甚至到10-11。 1石英晶體的特性石英晶體的特性 石英晶體是一種各向異性的結晶體（二氧化硅），按一定的石英晶體是一種各向異性的結晶體（二氧化硅），按一定的方位角切下薄片，簡稱晶片（可以是正方形、矩形或圓形等）方位角切下薄片，簡稱晶片（可以是正方形、矩形或圓形等）。在兩個對應表面上涂敷銀層作電極，加上外殼封裝，就是石。在兩個對應表面上涂敷銀層作電極，加上外殼封裝，就是石英晶體產品，如圖英晶體產品，如圖 9.3. 9所示所示。 壓電效應壓電效應: 在晶片的兩個電極間加電場，晶片就會產生機械變形在晶片的兩個電極間加電場，晶片就會產生機械變形; 在晶片在晶片兩

19、側施加機械壓力兩側施加機械壓力，則在晶片相應的方向上產生電場的現象則在晶片相應的方向上產生電場的現象。 壓電諧振：壓電諧振：晶片兩極加上交變電場，晶片就會產生機械振動，此機械振晶片兩極加上交變電場，晶片就會產生機械振動，此機械振動又會產生交變電場，不過其振幅非常小，但是當外加交變電壓的頻率為晶動又會產生交變電場，不過其振幅非常小，但是當外加交變電壓的頻率為晶片的固有頻率時，振幅將急劇增加。片的固有頻率時，振幅將急劇增加。 固有頻率：固有頻率：即諧振頻率，和晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關，這即諧振頻率，和晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關，這些可以制作得很精確，因而頻率穩(wěn)定度很高。些可以制作

20、得很精確，因而頻率穩(wěn)定度很高。 Co 為切片與金屬板構成的靜電電容，一般為幾皮法到幾十皮為切片與金屬板構成的靜電電容，一般為幾皮法到幾十皮法。法。 L 模擬機械振動的慣性，一般為幾十毫亨到幾百亨。模擬機械振動的慣性，一般為幾十毫亨到幾百亨。 C 模擬晶片的彈性，一般只有模擬晶片的彈性，一般只有0.00020.1pF。 R 表示晶片振動時摩擦而造成的損耗，一般為。表示晶片振動時摩擦而造成的損耗，一般為。 因為因為 L 很大，很大，R、C很小，回路很小，回路Q值極高，可達值極高，可達104106。由等效。由等效電路可推導出其諧振頻率有兩個：電路可推導出其諧振頻率有兩個： 1) 串聯諧振頻率。此時回

21、路阻抗最小，近似為電阻串聯諧振頻率。此時回路阻抗最小，近似為電阻R。 2) 并聯諧振頻率并聯諧振頻率 LCfs 21000121CCfCCCCLfsp 實際給出的固有頻率既不是串聯也不是并聯諧振頻率，在實際給出的固有頻率既不是串聯也不是并聯諧振頻率，在兩者之間兩者之間 pssfff 2石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路 1）串聯型石英振蕩器）串聯型石英振蕩器 石英晶體接在放大器的反饋網絡中起選頻作用，可構成正弦石英晶體接在放大器的反饋網絡中起選頻作用，可構成正弦波振蕩器，串聯型石英振蕩器。當電路的振蕩頻率為波振蕩器，串聯型石英振蕩器。當電路的振蕩頻率為 fS 時，石時，石英晶體的電抗最小，呈電阻

22、性，相移為零，滿足相位平衡條件，英晶體的電抗最小，呈電阻性，相移為零，滿足相位平衡條件，產生振蕩，振蕩頻產生振蕩，振蕩頻 率為率為 fS 。 2）并聯型石英振蕩器）并聯型石英振蕩器 石英晶體在此窄小范圍內呈感性。石英晶體在此窄小范圍內呈感性。 當頻率在當頻率在 fS 和和 fP 之間時，石英晶體可代替電容之間時，石英晶體可代替電容3點式點式中的電感，構成正弦波蕩器，圖中的電感，構成正弦波蕩器，圖 9. 3.12所示。振蕩頻率由諧所示。振蕩頻率由諧振回路的參數決定。但因為振回路的參數決定。但因為 C1 、C2 CS, 所以振蕩頻率主所以振蕩頻率主要取決于石英晶體與要取決于石英晶體與 CS 的諧振

23、頻率。的諧振頻率。9. 4 非正弦信號產生電路非正弦信號產生電路 9. 4. 1 比較器比較器 電壓比較器電壓比較器: 用于模擬輸入電壓與基準電壓間進行比較的用于模擬輸入電壓與基準電壓間進行比較的電路。比較結果在輸出端用高電平或低電平表示出來。電路。比較結果在輸出端用高電平或低電平表示出來。 電壓比較器是集成運放的非線性應用?？梢杂赏ㄓ眯瓦\放處電壓比較器是集成運放的非線性應用。可以由通用型運放處于于開環(huán)工作狀態(tài)開環(huán)工作狀態(tài)或加有或加有正反饋正反饋構成。構成。 輸入信號加在運放同相端的稱為同相電壓比較器；輸入信號輸入信號加在運放同相端的稱為同相電壓比較器；輸入信號加在運放反相端的稱為反相電壓比較

24、器。電壓比較器也可采加在運放反相端的稱為反相電壓比較器。電壓比較器也可采用專用集成芯片。用專用集成芯片。 1. 單門限電壓比較器單門限電壓比較器 運算放大器工作在開環(huán)狀態(tài)，基準電壓運算放大器工作在開環(huán)狀態(tài)，基準電壓VREF 加在運放反相（同加在運放反相（同相）端，輸入信號相）端，輸入信號v I 加在運放同相加在運放同相(反相）端。反相）端。 比較器輸出只可能有比較器輸出只可能有兩種電平。高電平兩種電平。高電平 VoH ，低電平低電平 VoL。 門限電壓門限電壓Vth ：比較比較器輸出電壓從一器輸出電壓從一 個電平個電平跳到另一電平所對應的輸跳到另一電平所對應的輸入電壓。入電壓。 Vth= VR

25、EF 過零比較器過零比較器 ：Vth= VREF =0 時時， 輸入信號電壓每次過輸入信號電壓每次過零，輸出都要產生跳變的比較器零，輸出都要產生跳變的比較器。 例例 9.4 .1 電路如圖電路如圖 9.4.2a 所示所示, 當輸入信號當輸入信號 vI 如圖如圖 c 所示的所示的正弦波時，定性畫出圖中正弦波時，定性畫出圖中vo 、vo、 vL 的波形。的波形。 解解： 2. 遲滯比較器遲滯比較器 簡單電壓比較器是當輸入信號達到某一給定基準電平時，簡單電壓比較器是當輸入信號達到某一給定基準電平時，立即翻轉，用來檢測未知電壓，具有較高的靈敏度。但是它立即翻轉，用來檢測未知電壓，具有較高的靈敏度。但是

26、它易受漂移、噪聲及干擾的影響，造成誤動作。易受漂移、噪聲及干擾的影響，造成誤動作。 （1）電路組成）電路組成 具有遲滯回環(huán)傳輸特性的比較器具有遲滯回環(huán)傳輸特性的比較器。 具有兩個門限電壓：上門限電壓和下門限電壓。具有兩個門限電壓：上門限電壓和下門限電壓。 遲滯電壓比較器雖然靈敏度低一些，但抗干擾的能力大大遲滯電壓比較器雖然靈敏度低一些，但抗干擾的能力大大 提高。提高。 電路為正反饋電路。電路為正反饋電路。 有反相和同相有反相和同相 兩種兩種。（2） 門限電壓的估算門限電壓的估算 ;,;,oHoPIoLoPINVvvvVvvvv INPvvv 輸出電壓跳變的臨界條件輸出電壓跳變的臨界條件這里的這

27、里的 vP 值就是門限電壓值就是門限電壓 Vth , 假定運放是理想的，由圖假定運放是理想的，由圖 9.4.4 利用疊加原理有利用疊加原理有oREFthPvRRRVRRRVv122211 oHREFTVRRRVRRRV122211 oLREFTVRRRVRRRV122211 )(122oLoHTTTVVRRRVVV 根據輸出電壓根據輸出電壓 vo的不同值（的不同值（ VoH 或或 VoL ) 可求出上門限電壓可求出上門限電壓 VT+ 和下門限電壓和下門限電壓 VT- 門限寬度或回差電壓門限寬度或回差電壓（3）傳輸特性）傳輸特性 電路參數如圖電路參數如圖 9.4.4 所示，所示， 設設 VoH

28、= - VoL =5V，則，則VT+ =1.04V, VT- =0.94V, VT =0.1V, 傳輸特性有兩條：傳輸特性有兩條： a) vI 由小于由小于VT- 增加增加 b) vI 由大于由大于 VT+ 減小減小 綜合兩條傳輸特性的電路的綜合兩條傳輸特性的電路的傳輸特性。傳輸特性。 例例 9.4 .2 設電路參數如圖設電路參數如圖 9.4.6a ，輸入信號，輸入信號 vI 的波形如圖的波形如圖 9.4.6c 所示。試畫出其傳輸特性和輸出電壓所示。試畫出其傳輸特性和輸出電壓 vo 的波形。的波形。 解解： （1）求門限電壓）求門限電壓 由限幅電路的參數得由限幅電路的參數得 VVRRRVoHT5122 VVRRRVoLT5122 VVVoLoH10 （2）畫傳輸特性）畫傳輸特性（3） 畫畫 vo 的波形的波形 利用電壓比較器和利用電壓比