模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)8振蕩器及波

1、1/2/2022 7:42:03 AM第8章 振蕩器及波形產(chǎn)生電路1/2/2022 7:42:03 AM基本要求基本要求 1)掌握正弦波振蕩器的振蕩條件、電路組成、工作原理及分析方法；RC正弦波振蕩器、LC反饋式正弦波振蕩器、LC三點式正弦波振蕩器以及石英晶體振蕩器的電路組成、選頻特性、振蕩頻率及特點等； 了解非正弦波振蕩器的電路組成及工作原理。 1/2/2022 7:42:03 AM信號發(fā)生器按產(chǎn)生的波形特點可分為信號發(fā)生器按產(chǎn)生的波形特點可分為正弦波信號發(fā)生器正弦波信號發(fā)生器非正弦波信號發(fā)生器非正弦波信號發(fā)生器信號發(fā)生器常稱為振蕩器信號發(fā)生器常稱為振蕩器正弦波信號發(fā)生器是按照自激振蕩原理構(gòu)

2、成的。正弦波信號發(fā)生器是按照自激振蕩原理構(gòu)成的。1/2/2022 7:42:03 AM8.1 正弦波振蕩器的振蕩條件正弦波振蕩器的振蕩條件 8.1.1 振蕩器的平衡振蕩條件振蕩器的平衡振蕩條件 1產(chǎn)生正弦波自激振蕩的平衡條件產(chǎn)生正弦波自激振蕩的平衡條件.正正反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)放大環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié).XoAF.XidXf圖8-1 正弦波振蕩器的方框圖ofXFXidoXAXiiidofXXFAXFAXFX若則可以產(chǎn)生自激振蕩則可以產(chǎn)生自激振蕩1/2/2022 7:42:04 AM輸入輸入Xid.反饋反饋Xf=FXo. .輸出輸出Xo= AXid. .放大環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié) A正正反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò) F若滿足若滿足

3、Xf=Xid.可在輸出端繼續(xù)維持原有的輸出信號可在輸出端繼續(xù)維持原有的輸出信號則為正反饋則為正反饋1/2/2022 7:42:04 AM振蕩器的平衡振蕩條件振蕩器的平衡振蕩條件 知電路產(chǎn)生自激振蕩的平衡條件為知電路產(chǎn)生自激振蕩的平衡條件為 由由.idofAFXFXX及及idfXX 1 AF幅值平衡條件幅值平衡條件： 1FA（8-2） 相位平衡條件相位平衡條件： n2FA2 , 1 , 0n（8-3） 1/2/2022 7:42:04 AM8.1.2 振蕩器的起振條件和穩(wěn)幅振蕩器的起振條件和穩(wěn)幅 當(dāng)振蕩器穩(wěn)定工作時，當(dāng)振蕩器穩(wěn)定工作時， fiidXXX若若 , ,則電路減幅振蕩，最后停止振蕩則電

4、路減幅振蕩，最后停止振蕩。1 AF振蕩器的起振條件為：振蕩器的起振條件為： 1FA幅值條件幅值條件： 1FA（8-5） 相位條件相位條件： 2FAn2 , 1 , 0n（8-6） 1/2/2022 7:42:04 AM振蕩的建立與穩(wěn)定振蕩的建立與穩(wěn)定A反饋特性反饋特性幅度特性幅度特性F太小太小自激振蕩電路的建立過程（自激振蕩電路的建立過程（線性反饋）線性反饋）omU0fidUUid0Uid3Uid2Uid1Uod0Uod1Uod2Uod3U1/2/2022 7:42:04 AM幅度特性幅度特性B幅度特性幅度特性非線性反饋非線性反饋非線性反饋非線性反饋omU0fidUU1/2/2022 7:42

5、:04 AM8.1.3 振蕩器的組成、分析和分類振蕩器的組成、分析和分類 1振蕩器的基本組成振蕩器的基本組成 放大環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)正反饋網(wǎng)絡(luò)正反饋網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)組成組成1/2/2022 7:42:04 AM2. 振蕩器的分析振蕩器的分析 一般步驟為： （1）檢查振蕩器是否具有振蕩器的幾個基本環(huán)節(jié)，即是否有放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)幅環(huán)節(jié)（選頻網(wǎng)絡(luò)常和正反饋網(wǎng)絡(luò)合而為一，有些振蕩器沒有單獨的穩(wěn)幅部分）。 （2）檢查放大電路是否具有合適的靜態(tài)工作點。 （3）判斷振蕩器是否滿足正反饋自激振蕩的相位平衡條件。 （4）判斷振蕩器是否滿足幅值的起振條件和平衡條件，并由此確定相關(guān)的

6、放大電路和反饋網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。 1/2/2022 7:42:04 AM3.正弦波正弦波振蕩器的分類振蕩器的分類 根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件分為根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件分為RC型振蕩器型振蕩器LC型振蕩器型振蕩器晶體振蕩器晶體振蕩器文氏電橋振蕩電路文氏電橋振蕩電路移相式振蕩電路移相式振蕩電路主要類型主要類型雙雙T網(wǎng)絡(luò)式振蕩電路網(wǎng)絡(luò)式振蕩電路8.2 RC正弦波振蕩器正弦波振蕩器 1/2/2022 7:42:04 AM8.2 RC正弦波振蕩器正弦波振蕩器 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性 oUfU1R2R1C2C圖8-3 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)Z1Z2C1R1Zw wj11 C2R2Zw wj

7、1/2 1/2/2022 7:42:04 AMoUfU1R2R1C2C圖8-3 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)Z1Z2當(dāng)角頻率較低時當(dāng)角頻率較低時 111RCw221RCwoUfU2R1CFo900wwF1/2/2022 7:42:04 AM當(dāng)角頻率較高時當(dāng)角頻率較高時 111RCw221RCwoUfU1R2R1C2C圖8-3 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)Z1Z2oUfU2C1RFo90wwF001/2/2022 7:42:04 AM由圖由圖8-3有：有： 221122212ofj1/jj1/CRCRCRZZZUUFwww)1( j)1 (112211221CRCRCCRRww為了方便調(diào)節(jié)振蕩頻率，一般取 RRR21CCC

8、21令 RC10w則有則有 )( j31)1( j3100wwwwwwRCRCF（8-7） 1/2/2022 7:42:04 AM其幅頻特性和相頻特性分別為：其幅頻特性和相頻特性分別為： 2002)(31wwwwF（8-8） )(31 arctan00Fwwww（8-9） FFo9011o90圖8-6 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性3/ 10.1100.110（a) 幅頻特性（b) 相頻特性0ww0ww(a)(b)RC10ww時時 31maxFFoF0時時 0wwoF90幅頻幅頻特性特性曲線曲線相頻相頻特性特性曲線曲線1/2/2022 7:42:04 AM RC串并聯(lián)正弦波振蕩器串并聯(lián)

9、正弦波振蕩器 選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)放大電路放大電路+-AoUfUR1RCtRRCAF圖8-7 RC串并聯(lián)正弦波振蕩器1. .電路組成電路組成 1/2/2022 7:42:04 AM2. 工作原理工作原理 的幅值最大的幅值最大Uf=/3UoUf與與同相位同相位UoUf(1) 當(dāng)當(dāng)f = 時時0f(2) 當(dāng)當(dāng) 3 時，滿足振蕩條件。時，滿足振蕩條件。221RRRA (3) 振蕩頻率振蕩頻率RCf210 1/2/2022 7:42:04 AM穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施+-AoUfUR3RC4RRC1D2D5R圖8-8 利用二極管穩(wěn)幅的文式橋振蕩器選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)限幅網(wǎng)絡(luò)限幅網(wǎng)絡(luò)圖圖

10、8-8是利用二極管的是利用二極管的非線性自動實現(xiàn)穩(wěn)幅的非線性自動實現(xiàn)穩(wěn)幅的電路。電路。 1/2/2022 7:42:04 AM8.2.2 移相式移相式RC振蕩器振蕩器 1/2/2022 7:42:04 AM+-AoUfU1R2R1C2CR3CfR圖8-9 RC移相式正弦波振蕩器 在圖8-9中，第三級RC網(wǎng)絡(luò)的電阻是放大器的輸入電阻。 321RRR通常取 321CCC由相位平衡條件和幅值平衡條件推得： RCf3210振蕩頻率振蕩頻率 振幅條件振幅條件 RR12f1/2/2022 7:42:04 AM8.2.3 雙雙T選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)RC振蕩器振蕩器 圖8-10 雙T網(wǎng)絡(luò)正弦波振蕩器+-AoUfU

11、R3RCC2RfRRC 雙T選頻網(wǎng)絡(luò)RC振蕩器電路原理圖如圖8-10所示。 RCf510當(dāng)0ff 時，雙 T 網(wǎng)絡(luò)的相位移oF180，而反相比例放大電路的相移oA180， 因此可以滿足振蕩的相位條件。 1/2/2022 7:42:04 AM8.3 LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器 8.3.1 LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性 CLrUIZ圖8-11 LC并聯(lián)電路 如圖8-11所示是一個LC并聯(lián)電路，其中r是電感和電路中其他損耗的總等效電阻。并聯(lián)LC電路的等效阻抗表達式為： LrCLrCLrCIUZwwwwwwjj1)j(j1)j/(j11/2/2022 7:42:04 AM通常rL w，上

12、式可寫成： )1( j)1( jjj1CLrCLCLrLCZwwwwww（8-13） 當(dāng)CLww1時， 阻抗Z為實數(shù)， 即純電阻性。 電壓U和電流源I同相， 發(fā)生了并聯(lián)諧振。 諧振時的角頻率為： LC10wLCf2101/2/2022 7:42:04 AM諧振時的阻抗為 CrLZ0定義諧振時的品質(zhì)因素 CLrCrrLQ1100ww阻抗一般表達式可寫為 )(j1)(j1000000ffffQZQZZwwww1/2/2022 7:42:04 AM其幅頻特性和相頻特性分別為 20020)(1ffffQZZ)(arctan00ffffQZ10ffQ大Q小o9010ffo90Q大Q小1/2/2022 7

13、:42:04 AM8.3.2 變壓器反饋式振蕩器變壓器反饋式振蕩器 如圖8-13所示為變壓器反饋式正弦波振蕩器。 1/2/2022 7:42:05 AMa. a. 用用LCLC并聯(lián)諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)b. b. 主要用來產(chǎn)生主要用來產(chǎn)生1 MHz1 MHz以上的高頻信號以上的高頻信號主要特點主要特點c. c. 頻率穩(wěn)定性較好頻率穩(wěn)定性較好1/2/2022 7:42:05 AMiUfU2RbC1RCeRTeCLR1NL2N3NCCU圖8-13 變壓器反饋式LC振蕩器CDBA首先判斷電路是否滿足振蕩的相位平衡條件。 LCf210斷開反饋回路斷開反饋回路AF2FA滿足相位平衡

14、條件滿足相位平衡條件1/2/2022 7:42:05 AM(a)(b)V/CEut圖3-14 振蕩的建立、穩(wěn)定與穩(wěn)幅00mA/CiV/BEu1Q2Q0V/BEutmA/Ci0tmA/Ci0CEUCICCUV/CEu1/2/2022 7:42:05 AM8.3.3 電感三點式振蕩器電感三點式振蕩器 iUfU2RbC1RCeRTeCLR1L2L3N132CCU圖8-15 電感三點式振蕩器A1/2/2022 7:42:05 AM振蕩電路的交流通路振蕩電路的交流通路TL2R1/R2L1CC+T+N1N2ERL2L11RbC2ReCCCU 1/2/2022 7:42:05 AM忽略忽略R1/R2簡化的交

15、流通路簡化的交流通路 線圈的三個端子分別與線圈的三個端子分別與T的三個電極的三個電極B、C、E相連接，故稱之為電感三點式振蕩電路。相連接，故稱之為電感三點式振蕩電路。TL2L1CTL2R1/R2L1C1/2/2022 7:42:05 AM1/2/2022 7:42:05 AM振蕩頻率取決于LC并聯(lián)諧振回路的諧振頻率 CMLLLCf)2(2121210（8-22） 振蕩電路的起振條件 )()(21beMLRMLr（8-23） 電路特點電路特點 a. 電感電感L1與與L2之間耦合很緊，容易起振。之間耦合很緊，容易起振。b. 輸出波形中含有高次諧波，波形較差。輸出波形中含有高次諧波，波形較差。1/2

16、/2022 7:42:05 AM8.3.4 電容三點式振蕩器電容三點式振蕩器 L2RbC1ReRTeC1CcR2CCCU圖8-16 電容三點式振蕩器iUAfU321電容三點式振蕩器如圖8-16所示。 電容器的電容器的三個端子分別三個端子分別與與T的三個電的三個電極相連接，故極相連接，故稱之為電容三稱之為電容三點式振蕩電路。點式振蕩電路。1/2/2022 7:42:05 AM交流通路交流通路21b/RRR L2C1CCRTbRL2C1CT簡化的交流通路簡化的交流通路1/2/2022 7:42:05 AM振蕩頻率振蕩頻率 021011112121CCCLLCf（8-26） 電路特點：電路特點：a.

17、 容易起振；容易起振；c. 輸出波形中高次諧波少，波形好；輸出波形中高次諧波少，波形好；d. 改變電容時，容易停振。改變電容時，容易停振。b. 振蕩頻率高；振蕩頻率高；1/2/2022 7:42:05 AM8.4 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器 1. 石英晶體的基本特性石英晶體的基本特性(a) 各向異性各向異性(b) 具有具有壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)(1) 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)a. 石英晶體的基本特性石英晶體的基本特性晶片涂銀層引線圖8-18 石英晶體的結(jié)構(gòu)和符號（a) 結(jié)構(gòu)（b) 電路符號1/2/2022 7:42:05 AM壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)在晶片的兩側(cè)施加壓力，又會產(chǎn)生電場。在晶片的兩側(cè)施加壓力，又會產(chǎn)

18、生電場。在晶片的兩面之間加電場，就會產(chǎn)生機械變形。在晶片的兩面之間加電場，就會產(chǎn)生機械變形。當(dāng)交變電壓的頻率等于晶片的固有機械振動頻率當(dāng)交變電壓的頻率等于晶片的固有機械振動頻率時，振幅急劇增加，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。時，振幅急劇增加，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。當(dāng)在晶片的兩電極之間加交變電壓時，晶片就會當(dāng)在晶片的兩電極之間加交變電壓時，晶片就會產(chǎn)生機械變形振動。產(chǎn)生機械變形振動。壓電諧振壓電諧振1/2/2022 7:42:05 AM2. 石英晶體的等效電路石英晶體的等效電路 r 等效晶片振動時內(nèi)部的摩擦損耗等效晶片振動時內(nèi)部的摩擦損耗等效電路等效電路C0 兩金屬電極間形成的靜電電容兩金屬電極間形成的

19、靜電電容L 等效晶片振動時的慣性等效晶片振動時的慣性C 等效晶片振動時的彈性等效晶片振動時的彈性LrC0C(a)符號符號1/2/2022 7:42:05 AM電路特點：電路特點：a. L很大，很大，C和和r很?。缓苄?；b . Q很高，達很高，達104106；c. 頻率穩(wěn)定度（頻率穩(wěn)定度（f /f0）很高。）很高。 三種振蕩電路的頻率穩(wěn)定度三種振蕩電路的頻率穩(wěn)定度RC振蕩器振蕩器 102LC振蕩振蕩 103 104石英晶體振蕩石英晶體振蕩 10910111/2/2022 7:42:05 AM忽略r的影響，圖8-19b所示可得石英晶體的等效阻抗。 )(1j1jj1j)1jj (1j020200CL

20、CCCLCCLCCLCZwwwwwwwww當(dāng)當(dāng)f fs時，時，X fs時，時，X 0，電路呈感性。電路呈感性。a. 當(dāng)當(dāng) 1w w2LC = =0 時時，X=0電路發(fā)生串聯(lián)諧振電路發(fā)生串聯(lián)諧振串聯(lián)諧振頻率串聯(lián)諧振頻率 LCf21s 1/2/2022 7:42:05 AM并聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率X = b. b. 當(dāng)當(dāng)jw w (C0+Cw w2LCC0 ) = = 0 0時時電路發(fā)生并聯(lián)諧振電路發(fā)生并聯(lián)諧振CCCCLf 00p21 )(j10202LCCCCLCXw ww ww w sfpffX0感性容性容性1/2/2022 7:42:06 AM8.4.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器 8.4

21、.3.1 并聯(lián)型石英晶體振蕩器并聯(lián)型石英晶體振蕩器 2RbC1ReRTeC1CcR2C123CCU圖8-20 并聯(lián)型石英晶體振蕩器X諧振頻率諧振頻率CCCCCCLf000)(21p0sfff 由于由于)(0CCC 0時時電容電容C充電充電 uo=+UZtuo, uCuouC0 UZ UZ FUZ FUZ+-A2RC1R3RZDRoucu圖8-22 矩形波發(fā)生器uiC1/2/2022 7:42:06 AM0tuo, uC UZ UZuo、uC波波形圖形圖b. 當(dāng)當(dāng)uCFUZ 時時U+= FUZ uo= UZuOuC FUZ FUZ+-A2RC1R3RZDRoucu圖8-22 矩形波發(fā)生器uiC1

22、/2/2022 7:42:06 AMtuo, uCc. 當(dāng)當(dāng)uo= UZ時時U+= FUZuC按指數(shù)規(guī)律下降按指數(shù)規(guī)律下降電容電容C放電放電+-A2RC1R3RZDRoucu圖8-22 矩形波發(fā)生器uiCuouC0 UZ UZ FUZ FUZuC充電充電uC放電放電1/2/2022 7:42:06 AMc. 當(dāng)當(dāng)uo= UZ時時U+= FUZuouC0tuo, uC UZ UZ FUZ FUZuC按指數(shù)規(guī)律下降按指數(shù)規(guī)律下降電容電容C放電放電+-A2RC1R3RZDRoucu圖8-22 矩形波發(fā)生器uiCuC充電充電uC放電放電1/2/2022 7:42:06 AMd. 當(dāng)當(dāng)uC FUZ 時時

23、U+=FUZ uo=UZuouC0tuo, uC UZ UZ FUZ FUZ+-A2RC1R3RZDRoucu圖8-22 矩形波發(fā)生器uiCuC充電充電uC放電放電1/2/2022 7:42:06 AMe. 當(dāng)當(dāng)uo=+UZ時時U+=FUZuC又按指數(shù)規(guī)律上升又按指數(shù)規(guī)律上升電容電容C又充電又充電0tuO, uC UZ UZ FUZ FUZuouC+-A2RC1R3RZDRoucu圖8-22 矩形波發(fā)生器uiCuC充電充電uC放電放電1/2/2022 7:42:06 AMuouC0tuo, uC UZ UZ FUZ FUZuo為方波為方波1/2/2022 7:42:06 AM 振

24、蕩周期和頻率振蕩周期和頻率 電容充電、放電過程可以用方程表示為 tuuutue)()0()()(cccc充放電時間 )()()0()(lncccctuuuut矩形波的周期矩形波的周期 )21ln(221LHRRRCTTT矩形波的頻率矩形波的頻率 Tf1占空比占空比 %50HTTq1/2/2022 7:42:06 AM 占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器 TUTUZUZU00outt圖8-25 占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器波形LTHT1t2t3t+-A2RC1R3RZDRoucu圖8-24 占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器1wR2wRwR1D2D1/2/2022 7:42:06

25、AM8.5.2 三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器 1. 電路組成電路組成2R3RZD1ouC1R4Rou5R圖8-26 三角波發(fā)生器+-A1+-A2cuu遲滯比較器遲滯比較器積分器積分器1/2/2022 7:42:06 AM2. 工作原理工作原理 0t時 0couu由疊加定理可得滯回比較器的同相端的電壓為 o2121o211uRRRuRRRu（8-44） O212Z211)U(uRRRRRR1/2/2022 7:42:06 AM輸出電壓輸出電壓電容電容 C充電充電uo隨時間線性下降隨時間線性下降設(shè)設(shè)uC(0)=0tuRCutttd11OO D D tRCUD D Z(1) 當(dāng)當(dāng) 時時ZO1Uu 2R3RZD1ouC1R4Rou5R圖8-26 三角波發(fā)生器+-A1+-A2cuutuo , uo10uouo1UZ1/2/2022 7:42:06 AM得得uo1翻轉(zhuǎn)時的輸出電壓翻轉(zhuǎn)時的輸出電壓(2) 當(dāng)當(dāng) 時時0B uZo1Uu 令令0O212Z211+ uRRRURRRuZ21oURRu 2R3RZD1ouC1R4Rou5R圖8-26 三角波發(fā)生器+-A1+-A2cuutu