第九章信號處理與信號產(chǎn)生電路

1、常熟理工學院常熟理工學院電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院本章知識結構圖本章知識結構圖本章教學要求本章教學要求 了解有源濾波電路的功能、種類和用途；掌握二階有源低通了解有源濾波電路的功能、種類和用途；掌握二階有源低通濾波電路的工作原理及分析計算，了解其他濾波電路的特點以及濾波電路的工作原理及分析計算，了解其他濾波電路的特點以及工作原理；熟練掌握正弦波振蕩電路的振蕩條件以及工作原理；熟練掌握正弦波振蕩電路的振蕩條件以及RC橋式正橋式正弦波振蕩電路的電路組成、工作原理、振蕩頻率、起振條件；理弦波振蕩電路的電路組成、工作原理、振蕩頻率、起振條件；理解解RC移相式正弦波振蕩電路的工作原理。正確理

2、解變壓器反饋移相式正弦波振蕩電路的工作原理。正確理解變壓器反饋式、電容三點式和電感三點式式、電容三點式和電感三點式LC正弦波振蕩電路的電路結構和工正弦波振蕩電路的電路結構和工作原理；一般了解石英晶體振蕩電路的特點及工作原理；熟練掌作原理；一般了解石英晶體振蕩電路的特點及工作原理；熟練掌握單門限電壓比較器和遲滯比較器的電路組成、工作原理、閾值握單門限電壓比較器和遲滯比較器的電路組成、工作原理、閾值計算、傳輸特性；了解方波、鋸齒波產(chǎn)生電路的構成、工作原理計算、傳輸特性；了解方波、鋸齒波產(chǎn)生電路的構成、工作原理和振蕩周期的計算。和振蕩周期的計算。本章難點重點本章難點重點1有源濾波電路有源濾波電路 有

3、源濾波電路屬于運放的線性應用電路。濾波功能由有源濾波電路屬于運放的線性應用電路。濾波功能由RC網(wǎng)絡完網(wǎng)絡完成，運放構成比例運算電路以提供增益和提高帶負載能力。與無成，運放構成比例運算電路以提供增益和提高帶負載能力。與無源濾波電路相比有以下優(yōu)點：源濾波電路相比有以下優(yōu)點：（1）RC網(wǎng)絡和負載之間通過高輸入阻抗和低輸出阻抗的運放來連網(wǎng)絡和負載之間通過高輸入阻抗和低輸出阻抗的運放來連接，因此濾波性能不受負載的影響；接，因此濾波性能不受負載的影響；（2）電路不僅具有濾波功能，而且能起放大作用。）電路不僅具有濾波功能，而且能起放大作用。2正弦波產(chǎn)生電路正弦波產(chǎn)生電路 正弦波產(chǎn)生電路包括放大、反饋、選頻、

4、穩(wěn)幅等四個基本部分。正弦波產(chǎn)生電路包括放大、反饋、選頻、穩(wěn)幅等四個基本部分。選頻、穩(wěn)幅兩個環(huán)節(jié)的作用在于保證產(chǎn)生單一頻率和幅值穩(wěn)定的選頻、穩(wěn)幅兩個環(huán)節(jié)的作用在于保證產(chǎn)生單一頻率和幅值穩(wěn)定的正弦波。根據(jù)選頻網(wǎng)絡的不同，主要分成正弦波。根據(jù)選頻網(wǎng)絡的不同，主要分成RC正弦波振蕩電路和正弦波振蕩電路和LC正弦波振蕩電路（包括石英晶體振蕩器）。正弦波振蕩電路（包括石英晶體振蕩器）。RC振蕩電路能產(chǎn)生頻率為幾赫至幾百千赫的低頻信號，其振蕩頻率振蕩電路能產(chǎn)生頻率為幾赫至幾百千赫的低頻信號，其振蕩頻率通常與通常與RC的乘積成反比。的乘積成反比。LC振蕩電路能產(chǎn)生頻率為一百兆赫以上的高頻信號，其振蕩頻率主振蕩

5、電路能產(chǎn)生頻率為一百兆赫以上的高頻信號，其振蕩頻率主要取決于要取決于LC并聯(lián)回路的諧振頻率。并聯(lián)回路的諧振頻率。3電壓比較器電壓比較器 電壓比較器中的集成運放一般為開環(huán)或正反饋應用，處于非線性工作電壓比較器中的集成運放一般為開環(huán)或正反饋應用，處于非線性工作狀態(tài)，輸入與輸出間不是線性關系，輸入量為模擬量，輸出量一般為高狀態(tài)，輸入與輸出間不是線性關系，輸入量為模擬量，輸出量一般為高電平和低電平兩種穩(wěn)定狀態(tài)的電壓，因此，比較器可認為是模擬電路和電平和低電平兩種穩(wěn)定狀態(tài)的電壓，因此，比較器可認為是模擬電路和數(shù)字電路的接口。數(shù)字電路的接口。4非正弦波產(chǎn)生電路非正弦波產(chǎn)生電路 非正弦波產(chǎn)生電路包括方波、鋸

6、齒波。方波產(chǎn)生電路由滯回比較器和非正弦波產(chǎn)生電路包括方波、鋸齒波。方波產(chǎn)生電路由滯回比較器和RC充放電回路組成。利用比較器輸出的高電平或低電平使充放電回路組成。利用比較器輸出的高電平或低電平使RC電路充電電路充電或放電，又將電容上的電壓作滯回比較器的輸入，控制其輸出端狀態(tài)發(fā)或放電，又將電容上的電壓作滯回比較器的輸入，控制其輸出端狀態(tài)發(fā)生跳變，從而產(chǎn)生一定周期的矩形波輸出電壓。矩形波的振蕩周期與生跳變，從而產(chǎn)生一定周期的矩形波輸出電壓。矩形波的振蕩周期與RC充放電的時間常數(shù)成正比，也與滯回比較器的參數(shù)有關。充放電的時間常數(shù)成正比，也與滯回比較器的參數(shù)有關。第九章第九章 信號處理與信號產(chǎn)生電路信號

7、處理與信號產(chǎn)生電路9.1 濾波電路的基本概念與分類濾波電路的基本概念與分類9.2 一階有源濾波電路一階有源濾波電路9.3 高階有源濾波電路高階有源濾波電路9.5 正弦波振蕩電路的振蕩條件正弦波振蕩電路的振蕩條件9.6 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路9.7 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路9.8 非正弦信號產(chǎn)生電路非正弦信號產(chǎn)生電路9.1 濾波電路的基本概念與分類濾波電路的基本概念與分類 濾波器是一種能使有用信號通過，濾波器是一種能使有用信號通過，濾除信號中無用頻率濾除信號中無用頻率，即，即抑制無用信號的電子裝置。抑制無用信號的電子裝置。一、濾波器的用途一、濾波器的用途 例如，有一個較低頻率的

8、信號，其中包含一些較高頻率例如，有一個較低頻率的信號，其中包含一些較高頻率成分的干擾。成分的干擾。)()()(iosVsVsA )(Itv)(Otv濾波電路濾波電路濾波電路傳遞函數(shù)定義濾波電路傳遞函數(shù)定義時，有時，有 j s)(je)j ()j ( AA)()j ( A其中其中)j ( A)( 模，幅頻響應模，幅頻響應 相位角，相頻響應相位角，相頻響應時延響應為時延響應為)( d)(d)(s 二、無源濾波電路二、無源濾波電路無源濾波電路：無源濾波電路：由無源元件由無源元件R R、L L、C C組成的濾波電路。組成的濾波電路。RuiRLCuouiRLCLuo 有源濾波器由有源器件構成，它在運算放

9、大器的基礎上增有源濾波器由有源器件構成，它在運算放大器的基礎上增加加R、L、C等無源元件。有源濾波器實際上是一種具有特定頻等無源元件。有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應的放大器。率響應的放大器。 低通濾波器（低通濾波器（LPF） 高通濾波器（高通濾波器（HPF） 帶通濾波器（帶通濾波器（BPF） 帶阻濾波器（帶阻濾波器（BEF）三、有源濾波電路三、有源濾波電路低通（低通（LPF）用于工作信號為低頻（或直用于工作信號為低頻（或直流），并且需要削弱高次諧波或頻率較高流），并且需要削弱高次諧波或頻率較高的干擾和噪聲等場合的干擾和噪聲等場合整流后濾波。整流后濾波。 高通（高通（HPF）用于信號處于

10、高頻，并且用于信號處于高頻，并且需要削弱低頻的場合需要削弱低頻的場合阻容放大器的阻容放大器的耦合。耦合。 帶通（帶通（BPF）用于突出有用頻段的信號，用于突出有用頻段的信號，削弱其它頻段的信號或干擾和噪聲削弱其它頻段的信號或干擾和噪聲載波通信。載波通信。 帶阻（帶阻（BEF）用于抑制干擾。用于抑制干擾。 全通（全通（APF） 由集成運放（工作在線性區(qū)）和由集成運放（工作在線性區(qū)）和RC網(wǎng)絡組成的有源濾波網(wǎng)絡組成的有源濾波電路的優(yōu)點：電路的優(yōu)點：（1）體積小，重量輕，不需要加磁屏蔽。）體積小，重量輕，不需要加磁屏蔽。（2）電路中的集成運放可以加串聯(lián)負反饋，使輸入電阻高，）電路中的集成運放可以加串

11、聯(lián)負反饋，使輸入電阻高，輸出電阻低。輸出電阻低。（3）除起有源濾波作用外，還可以放大，而且放大倍數(shù)容易）除起有源濾波作用外，還可以放大，而且放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)。 低通濾波器的主要技術指標低通濾波器的主要技術指標（1 1）通帶增益）通帶增益Avp 通帶增益是指濾波器在通頻通帶增益是指濾波器在通頻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)，性能良好帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)，性能良好的的LPF通帶內(nèi)的幅頻特性曲線是平通帶內(nèi)的幅頻特性曲線是平坦的，阻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)基坦的，阻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)基本為零。本為零。 （2 2）通帶截止頻率）通帶截止頻率fp 其定義與放大電路的上限截其定義與放大電路的上限截止頻率相同。通帶與阻帶之

12、間稱止頻率相同。通帶與阻帶之間稱為過渡帶，過渡帶越窄，說明濾為過渡帶，過渡帶越窄，說明濾波器的選擇性越好。波器的選擇性越好。 9.2.1 RC9.2.1 RC無源低通濾波電路無源低通濾波電路 缺點：帶負載的能力差。缺點：帶負載的能力差。 為了提高帶負載的能力，可以減小為了提高帶負載的能力，可以減小R，提高，提高C，但這不現(xiàn)，但這不現(xiàn)實，此時可以加電壓跟隨器，以提高帶負載的能力。實，此時可以加電壓跟隨器，以提高帶負載的能力。iuu0RCH1其中其中當當RCVVAVj11ioSRC11iVSRCV1109.2 一階有源濾波電路一階有源濾波電路9.2.2 一階有源低通濾波電路一階有源低通濾波電路12

13、01RRAAVFRCVVAVj11ioRC+-io.VV 二、二、RCRC低通電路的電壓增益低通電路的電壓增益 ( (傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)) )SRC11iVSRCV110)(11)(sVSRCsViP當當 f = 0時，電容視為開路，通帶時，電容視為開路，通帶內(nèi)的增益為內(nèi)的增益為一、通帶增益一、通帶增益cVFiSASRCAsVsVsA11100)()()(稱特征角頻率，)/(RCc1三、傳遞函數(shù)三、傳遞函數(shù)一階高通電一階高通電路只需將路只需將R、C互換位置互換位置四、幅頻響應四、幅頻響應)()()()(cijAjVjVjA100ciSAsVsVsA100)()()(2001)()()()(ciA

14、jVjVjA-3dB截止截止頻率頻率 一階有源濾波電路通帶衰減速一階有源濾波電路通帶衰減速率慢，與理想情況相差較遠。一般率慢，與理想情況相差較遠。一般用在對濾波要求不高的場合。用在對濾波要求不高的場合。 9.3.1二階有源低通濾波電路二階有源低通濾波電路 為了使輸出電壓在高頻段以更快的速率下降，以改善濾波為了使輸出電壓在高頻段以更快的速率下降，以改善濾波效果，再加一節(jié)效果，再加一節(jié)RC低通濾波環(huán)節(jié)，稱為二階低通濾波環(huán)節(jié)，稱為二階(壓控型壓控型)低通有源低通有源濾波電路。它比一階低通濾波器的濾波效果更好。其中電容器濾波電路。它比一階低通濾波器的濾波效果更好。其中電容器C1由原來的接地改為接到輸出

15、端，其改接不影響通帶增益。由原來的接地改為接到輸出端，其改接不影響通帶增益。 二階二階LPF二階二階LPF的幅頻特性曲線的幅頻特性曲線9.3 高階有源濾波電路高階有源濾波電路 一、傳遞函數(shù)一、傳遞函數(shù)sCRsVsVsVAsVv11)()()()(N)()(po0)()()()()()(+)NoNNiRsVsVsCsVsVRsVsVN節(jié)點的電流節(jié)點的電流方程：方程： 2ppio)3(1sCRsCRAAsVsVsAvvv聯(lián)立求解傳遞函數(shù)聯(lián)立求解傳遞函數(shù)F0VAA RC1c 令令稱為通帶增益，稱為通帶增益，稱為特征角頻率稱為特征角頻率則則2cc22c0sQsAsA )()()()(sVsVsAio2

16、FF-(31)()sCRsCRAAVV二、頻率響應二、頻率響應ppp-j(3vvvvvQAAAAAcc)()() 有源濾波器的等效品質(zhì)因數(shù)有源濾波器的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為值為 =c時的電壓增時的電壓增益的模與通帶增益之比益的模與通帶增益之比 p-31vAQ 2c22c01120j20)()(lg)(lgQAA歸一化的幅頻響應歸一化的幅頻響應相頻響應相頻響應2cc1arctg)()(Q用用 代入，可得傳遞函數(shù)的頻率響應：代入，可得傳遞函數(shù)的頻率響應： j s 注意：注意： 當當 時，時，Q1，在，在=c處的電壓增益將大于處的電壓增益將大于Avp ，幅頻特性在此處將抬高。幅頻特性在此處將抬高。 當當

17、Avp 3時，時，Q =，有源濾波器自激。由于將，有源濾波器自激。由于將C1接到輸出接到輸出端，等于在高頻端給端，等于在高頻端給LPF加了一點正反饋，所以在高頻端的放加了一點正反饋，所以在高頻端的放大倍數(shù)有所抬高，甚至可能引起自激。大倍數(shù)有所抬高，甚至可能引起自激。 32pvAp-31vAQ pvvQAAc)( 與理想的二階波特圖相比，在超過與理想的二階波特圖相比，在超過c以后，幅頻特性以后，幅頻特性以以- -40 dB/dec的速率下降，比一階的下降快，但幅頻特性的速率下降，比一階的下降快，但幅頻特性下降的還不夠快。進一步增加濾波電路階次，幅頻特性將下降的還不夠快。進一步增加濾波電路階次，幅

18、頻特性將更接近于理想特性。更接近于理想特性。0f解：根據(jù)解：根據(jù)f 0 ，選取，選取C再求再求R。1. C的容量不易超過的容量不易超過 。 因大容量的電容器體積大，因大容量的電容器體積大， 價格高，應盡量避免使用。價格高，應盡量避免使用。 取取F1, F1 . 0C,M1k1RHz400101 . 0212160RRCf計算出計算出 ，取，取 3979Rk9 . 3R例題：例題： 要求二階壓控型要求二階壓控型LPF的的 Q值為值為0.7，試求電路中的電阻、電容值。試求電路中的電阻、電容值。Hz,4000f2根據(jù)根據(jù)值求值求 和和 ，因為，因為 時時 ， ，根據(jù)，根據(jù) 與與 、 的關系，集成運放

19、兩輸?shù)年P系，集成運放兩輸 入端外接電阻的對稱條件入端外接電阻的對稱條件1RfR0ff 7 . 031PvAQ57. 1PvAPvA1RfR 2/f1RRRRR解得： 一、通帶增益一、通帶增益1fp+1=RRAv二、傳遞函數(shù)二、傳遞函數(shù) 三、頻率響應三、頻率響應 ,p311vcAQCR， 9.3.2 二階有源高通濾波電路二階有源高通濾波電路將低通電路中的電將低通電路中的電容和電阻對換，便容和電阻對換，便成為高通電路。成為高通電路。2cc220sQssAsA )(2c22c01120j20)()(lg)(lgQAA結論：結論： 當當 時，幅頻時，幅頻特性曲線的斜率為特性曲線的斜率為+40 dB/d

20、ec； 當當 3時，電路自時，電路自激。激。0ff pvA 帶通濾波器是由低通帶通濾波器是由低通RC環(huán)節(jié)和高通環(huán)節(jié)和高通RC環(huán)節(jié)串聯(lián)組合而成的，環(huán)節(jié)串聯(lián)組合而成的，并且應將高通的下限截止頻率設置的小于低通的上限截止頻率。并且應將高通的下限截止頻率設置的小于低通的上限截止頻率。 9.3.3 有源帶通濾波器有源帶通濾波器(BPF)A0A2A1A0阻帶阻帶通帶通帶阻帶阻帶通帶通帶OO 1 2 AA0O 2 1通帶通帶阻帶阻帶阻帶阻帶1111CR 必須滿足必須滿足RC+vPvIvOR1C1+vIR2C2+vO低通特征角頻率低通特征角頻率2221CR 高通特征角頻率高通特征角頻率12 令令傳遞函數(shù)傳遞函

21、數(shù)2FF-(31)()(sCRsCRAsCRAsAVVFF0-3VVAAA RC10F31VAQ得得200001)()(sQsQsAsA 帶阻濾波器是由低通帶阻濾波器是由低通RC環(huán)節(jié)和高通環(huán)節(jié)和高通RC環(huán)節(jié)并聯(lián)組合而成的，環(huán)節(jié)并聯(lián)組合而成的，并且應將高通的下限截止頻率設置的大于低通的上限截止頻率。并且應將高通的下限截止頻率設置的大于低通的上限截止頻率。 9.3.4 有源帶阻通濾波器有源帶阻通濾波器(BPF)R1C1+vIR+vOR2C2+RRA0A2A1A0阻帶阻帶通帶通帶阻帶阻帶通帶通帶OO 1 2 AA0O 1 2通帶通帶阻帶阻帶通帶通帶必須滿足必須滿足12 有源帶阻濾波器有源帶阻濾波器(

22、BEF) 要想獲得好的濾波特性，一般需要較高的階數(shù)。濾波器的要想獲得好的濾波特性，一般需要較高的階數(shù)。濾波器的設計計算十分麻煩，需要時可借助于工程計算曲線和有關計算設計計算十分麻煩，需要時可借助于工程計算曲線和有關計算機輔助設計軟件。機輔助設計軟件。 正弦波發(fā)生電路能產(chǎn)生正弦波輸出，它是在放大電正弦波發(fā)生電路能產(chǎn)生正弦波輸出，它是在放大電路的基礎上加上正反饋而形成的，它是各類波形發(fā)生器路的基礎上加上正反饋而形成的，它是各類波形發(fā)生器和信號源的核心電路。正弦波發(fā)生電路也稱為正弦波振和信號源的核心電路。正弦波發(fā)生電路也稱為正弦波振蕩電路或正弦波振蕩器。蕩電路或正弦波振蕩器。 9.5 9.5 正弦波

23、振蕩電路的振蕩條件正弦波振蕩電路的振蕩條件 產(chǎn)生正弦波的條件與負反饋放大電路產(chǎn)生自激的條產(chǎn)生正弦波的條件與負反饋放大電路產(chǎn)生自激的條件十分類似。只不過負反饋放大電路中是由于信號頻率件十分類似。只不過負反饋放大電路中是由于信號頻率達到了通頻帶的兩端，產(chǎn)生了足夠的附加相移，從而使達到了通頻帶的兩端，產(chǎn)生了足夠的附加相移，從而使負反饋變成了正反饋。在振蕩電路中加的就是正反饋，負反饋變成了正反饋。在振蕩電路中加的就是正反饋，振蕩建立后只是一種頻率的信號，無所謂附加相移。振蕩建立后只是一種頻率的信號，無所謂附加相移。 穩(wěn)態(tài)振蕩條件穩(wěn)態(tài)振蕩條件 幅度平衡條件幅度平衡條件 相位平衡條件相位平衡條件 1FA1

24、FAAF = A+ F= 2n(a) 負反饋放大電路負反饋放大電路 (b) 正反饋振蕩電路正反饋振蕩電路 9.5.1 振蕩條件 正弦波振蕩電路就是一個沒有輸入信號的帶選頻網(wǎng)絡的正反饋放大電路。1FA1FAFAAF = a+ f= 2nfiaXXXfaXX100XXXXXXfaaf振蕩條件1faFAFA幅度平衡條件 相位平衡條件 n = 0,1,2動畫FAAA1f 振蕩條件 幅度平衡條件 相位平衡條件 1FA1FAAF = A+ F= 2n(a) 負反饋放大電路負反饋放大電路 (b) 正反饋振蕩電路正反饋振蕩電路 R、C和和L、C（石英晶體）（石英晶體）9.5.2 正弦波正弦波振蕩振蕩電路的組成

25、電路的組成 放大電路放大電路 正正反饋網(wǎng)絡反饋網(wǎng)絡 選頻網(wǎng)絡選頻網(wǎng)絡 穩(wěn)幅電路穩(wěn)幅電路低頻低頻1HZ 1MHZ高頻高頻1MHZ以上以上正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路只在一個頻率下只在一個頻率下(f0)滿足滿足相位平衡相位平衡條件條件，f0由相位平由相位平衡條件決定。衡條件決定。 為了產(chǎn)生正弦波為了產(chǎn)生正弦波，必須在放大電路里加入正反饋，因，必須在放大電路里加入正反饋，因此此放大電路放大電路和和正反饋網(wǎng)絡正反饋網(wǎng)絡是振蕩電路的最主要部分。但僅是振蕩電路的最主要部分。但僅有這兩部分一般得不到正弦波，這是由于很難控制正反饋有這兩部分一般得不到正弦波，這是由于很難控制正反饋的量。的量。 若正反饋量大，則

26、增幅，輸出幅度越來越大，若正反饋量大，則增幅，輸出幅度越來越大，需要靠需要靠三極管大信號運用時的非線性特性去限幅，三極管大信號運用時的非線性特性去限幅，必然導致非線必然導致非線性失真。若反饋量不足，則減幅，可能停振，因此振蕩電性失真。若反饋量不足，則減幅，可能停振，因此振蕩電路需要路需要穩(wěn)幅電路穩(wěn)幅電路。 為了獲得單一頻率的正弦波輸出，應該有為了獲得單一頻率的正弦波輸出，應該有選頻網(wǎng)絡選頻網(wǎng)絡，選頻網(wǎng)絡往往和正反饋網(wǎng)絡或放大電路合而為一，通常由選頻網(wǎng)絡往往和正反饋網(wǎng)絡或放大電路合而為一，通常由R、C和和L、C等電抗性元件組成。正弦波振蕩器的名稱一等電抗性元件組成。正弦波振蕩器的名稱一般由選頻網(wǎng)

27、絡來命名。般由選頻網(wǎng)絡來命名。 一個完整的正弦波振蕩電路應包含一個完整的正弦波振蕩電路應包含放大電路放大電路、正反饋正反饋網(wǎng)絡網(wǎng)絡、選頻網(wǎng)絡選頻網(wǎng)絡、穩(wěn)幅電路穩(wěn)幅電路四部分。四部分。起振條件起振條件起振條件和穩(wěn)幅原理起振條件和穩(wěn)幅原理1 1、被動：器件非線性、被動：器件非線性2 2、主動：在反饋網(wǎng)絡中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)以、主動：在反饋網(wǎng)絡中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)以調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)放大放大 電路的電路的增益增益。穩(wěn)幅穩(wěn)幅振蕩建立與穩(wěn)定過程振蕩建立與穩(wěn)定過程1|FA 振蕩器在剛剛起振時，為了克服電路中的損耗，需要正振蕩器在剛剛起振時，為了克服電路中的損耗，需要正反饋強一些，即要求反饋強一些，即要求 （略大于）

28、，導致增幅振蕩。略大于），導致增幅振蕩。 一、電路組成一、電路組成1 1）放大電路）放大電路 A A 2 2）正反饋網(wǎng)絡）正反饋網(wǎng)絡 F F3 3）選頻網(wǎng)絡）選頻網(wǎng)絡4 4）穩(wěn)幅電路（可略）穩(wěn)幅電路（可略）RCRC串并聯(lián)串并聯(lián)網(wǎng)絡網(wǎng)絡同相放大電路同相放大電路Rf 和和R1負反饋網(wǎng)絡負反饋網(wǎng)絡9.6 RC9.6 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路文氏文氏電橋電橋橋式振蕩電路橋式振蕩電路雙雙T網(wǎng)絡式網(wǎng)絡式移相式振蕩電路移相式振蕩電路212ofZZZVVFVRRCjCjRR11RCRCj131RCjRCjRRCjR1/)/1 (1/）（令0=1/RC0031jFV)/()/(sCRCRZ1j11sRC

29、RRCRCRZ1j1 j12)/(231sCRsCRsCR二、二、RC 網(wǎng)絡的選頻特性網(wǎng)絡的選頻特性諧振頻率：諧振頻率：)1(0RCRCf21031maxFoF0f=f0時時RC串并聯(lián)網(wǎng)絡串并聯(lián)網(wǎng)絡200231F300arctgf頻率特性曲線頻率特性曲線幅頻特性：幅頻特性：相頻特性：相頻特性： 當當 f=f0 時，反饋系數(shù)最大，且時，反饋系數(shù)最大，且與頻率與頻率f0的大小無關，相角的大小無關，相角 f=0 ，表明改變頻率不會影響反饋系數(shù)和表明改變頻率不會影響反饋系數(shù)和相角，即調(diào)節(jié)諧振頻率的過程中，相角，即調(diào)節(jié)諧振頻率的過程中，不會停振，也不會不會停振，也不會改變改變輸出幅度。輸出幅度。 相位平

30、衡條件：相位平衡條件：A+ F= 2n分析方法：分析方法：1、組成？、組成？(完備性與正確性）完備性與正確性）2、滿足振蕩兩條件？（相位優(yōu)先、起振）、滿足振蕩兩條件？（相位優(yōu)先、起振）oA0A1FA幅度平衡條件：幅度平衡條件：311fRRAf三、三、振蕩振蕩的建立與穩(wěn)定的建立與穩(wěn)定31maxFf=f0時FoF0穩(wěn)定平衡狀態(tài)時：RCffFAVV213130,/, RC文氏橋振蕩電路的穩(wěn)幅作用是靠熱敏電阻文氏橋振蕩電路的穩(wěn)幅作用是靠熱敏電阻R1實現(xiàn)實現(xiàn)的。的。R1是正溫度系數(shù)熱敏電阻，當輸出電壓升高，是正溫度系數(shù)熱敏電阻，當輸出電壓升高，R1上上所加的電壓升高，即溫度升高，所加的電壓升高，即溫度升

31、高，R1的阻值增加，負反饋的阻值增加，負反饋增強，輸出幅度下降。反之輸出幅度增加。若熱敏電阻增強，輸出幅度下降。反之輸出幅度增加。若熱敏電阻是負溫度系數(shù)，應放置在是負溫度系數(shù)，應放置在Rf的位置。的位置。 四、四、 穩(wěn)幅過程穩(wěn)幅過程1|FA1|FAVo1f1RRAf移相式正弦波振蕩電路移相式正弦波振蕩電路9.7 LC9.7 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 LC正弦波振蕩電路的構成與正弦波振蕩電路的構成與RC正弦波振蕩電路相正弦波振蕩電路相似，包括有放大電路、正反饋網(wǎng)絡、選頻網(wǎng)絡和穩(wěn)幅電似，包括有放大電路、正反饋網(wǎng)絡、選頻網(wǎng)絡和穩(wěn)幅電路。路。 兩者的不同點在于兩者的不同點在于RC振蕩電路的選頻

32、網(wǎng)絡由電阻振蕩電路的選頻網(wǎng)絡由電阻和電容組成，而和電容組成，而LC振蕩電路的選頻網(wǎng)絡由電感和電容組振蕩電路的選頻網(wǎng)絡由電感和電容組成。成。諧振阻抗諧振阻抗RCRLCRLZ20201)()(9.7.1 LC9.7.1 LC選頻放大電路選頻放大電路一、諧振頻率與諧振阻抗一、諧振頻率與諧振阻抗)()(CLjRCLLRCjLjRCjLjRZ111諧振頻率諧振頻率LCfLC21100,LCf210二、特點二、特點1 1、諧振頻率：、諧振頻率：2 2、諧振時總的容抗等于感抗：、諧振時總的容抗等于感抗：CL001兩端呈純電阻。兩端呈純電阻。CLRCRRLQ11003 3、諧振回路的諧振回路的品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)

33、：諧振時電路的電抗與等效損耗電阻諧振時電路的電抗與等效損耗電阻 之比。之比。 Q的大小標志著諧振質(zhì)量的優(yōu)劣。的大小標志著諧振質(zhì)量的優(yōu)劣。Q損耗越小。損耗越小。Q通常在通常在30200之間。之間。RCVLRVLRCVZVIoooos20200)()(LjRVIoLssABoLQIIRLLVLRVI00202)(CjVIoC01/soCICRCVI0014、諧振時總電流與總電壓同相，支路電流比總電流大、諧振時總電流與總電壓同相，支路電流比總電流大Q倍。倍。電感支路：電感支路：電容支路：電容支路：通常通常Q 1，所以，所以 IC IL IS5 5、諧振曲線、諧振曲線(1)(1)諧振曲線諧振曲線fo+

34、90 90 f0fZZ0)(CLjRCLZ12000220011111111RLjZRLjZRCRLjRCLZ)()()(ffffjQZffQffQjZ00000011(2)(2)通用諧振方程通用諧振方程Q值越大，曲線越陡越窄。值越大，曲線越陡越窄。)(ffffjQZZ0001)(ffffQZZ002011QffffffQffffffQffffQffffQ0000002020022)()(200211)(ffQZZ02ff或或在在f=f0f的的情況下：情況下：則則其中其中相對失諧量，描述相對失諧量，描述 f 偏離偏離 f0 的程度。當?shù)某潭取．攆偏偏離諧振頻率離諧振頻率f0時，時， f越大，越

35、大，|Z|越小。越小。fofZZ0fo+90 90 f0 當當f f0時，相對失諧量為正，時，相對失諧量為正，Z的相角為負值，等效阻抗的相角為負值，等效阻抗為電容性，回路輸出電壓滯后于（為電容性，回路輸出電壓滯后于（0 -90）電流源；）電流源； 當當f f0時，相對失諧量為負，時，相對失諧量為負，Z的相角為正值，等效阻抗的相角為正值，等效阻抗為電感性，回路輸出電壓超前于（為電感性，回路輸出電壓超前于（0 90）電流源）電流源 。120ffQ12002fffQ)(12001fffQ)(22012fffQ)(BWQfff0012(3) Q(3) Q愈大，通頻帶愈窄。愈大，通頻帶愈窄。210ZZ當

36、當時，時，fofZZ0200211)(ffQZZB BB BA AC CL L2 2L L1 1r rC CB BC CL L2 2C CL L1 1r rCjLjLjrCjLjLjrZCB1)1)(2121)1(212121CLLjrLLCLLC1C)LL(1210rLLLCLrrLLLLCCLZCB210212121211)()(1)(1改變并聯(lián)諧振回路阻抗的辦法改變并聯(lián)諧振回路阻抗的辦法1 1、電感中間抽頭、電感中間抽頭諧振諧振頻率頻率諧振諧振阻抗阻抗忽略兩線圈間的忽略兩線圈間的互感和互感和R R的影響的影響B(tài)CArLC2C1CBrLC2C1212111)1(1CjLjrCjCjLjrC

37、jZCB)1(121212121CCCCLjRCCCLLC1CCCCL1212102102121)(11CrrrCCCLZCB忽略忽略r的影響的影響2、電容中間抽頭、電容中間抽頭諧振頻率諧振頻率諧振阻抗諧振阻抗 結論：結論：1、諧振頻率僅僅決定于回路的總電感諧振頻率僅僅決定于回路的總電感L和總電容和總電容C，與抽頭，與抽頭位置無關。位置無關。2、諧振阻抗與抽頭的位置有關。、諧振阻抗與抽頭的位置有關。9.7.2 9.7.2 變壓器反饋變壓器反饋LCLC振蕩電路振蕩電路 LC并聯(lián)諧振電路作為并聯(lián)諧振電路作為JFET的負載，反饋線圈的負載，反饋線圈L2與電感線圈與電感線圈相耦合相耦合,將反將反饋信號

38、送入饋信號送入JFET的輸入回的輸入回路。若交換路。若交換反饋線圈反饋線圈的兩個的兩個線頭線頭，可使反饋極性發(fā)生變，可使反饋極性發(fā)生變化。若調(diào)整化。若調(diào)整反饋線圈反饋線圈的的匝數(shù)匝數(shù)可以改變反饋信號的強度，可以改變反饋信號的強度，使正反饋的幅度條件得以滿使正反饋的幅度條件得以滿足。足。LCf210BJTBJT變壓器反饋式變壓器反饋式LCLC振蕩電路振蕩電路 LC并聯(lián)諧振電路作為并聯(lián)諧振電路作為三極管的負載，反饋線圈三極管的負載，反饋線圈L2與電感線圈與電感線圈1相耦合，將相耦合，將反饋信號送入三極管的輸入反饋信號送入三極管的輸入回路。若交換反饋線圈的兩回路。若交換反饋線圈的兩個線頭，可使反饋極

39、性發(fā)生個線頭，可使反饋極性發(fā)生變化。若調(diào)整反饋線圈的匝變化。若調(diào)整反饋線圈的匝數(shù)可以改變反饋信號的強度，數(shù)可以改變反饋信號的強度，使正反饋的幅度條件得以滿使正反饋的幅度條件得以滿足。足。LCf210同名端的極性同名端的極性 變壓器變壓器反饋反饋LC振蕩電路的振蕩頻率與并聯(lián)振蕩電路的振蕩頻率與并聯(lián)LC諧振諧振電路相同，電路相同，為為LCf2109.7.3 9.7.3 三點式三點式LCLC振蕩電路振蕩電路一、電感三點式一、電感三點式LCLC振蕩器振蕩器電感三點式電感三點式LC振蕩器（振蕩器（CBCB）電感三點式電感三點式LC振蕩器（振蕩器（CE） 電路中的電感有首端，中間抽頭、尾端三個端點，其交電

40、路中的電感有首端，中間抽頭、尾端三個端點，其交流通路非別與放大電路的集電極、發(fā)射極（地）、基極相連流通路非別與放大電路的集電極、發(fā)射極（地）、基極相連接，反饋信號取自電感接，反饋信號取自電感L2上的電壓。上的電壓。 三點式振蕩電路的分析方法：三點式振蕩電路的分析方法： 將諧振回路的阻抗折算到三極管的各個電極之間，如將諧振回路的阻抗折算到三極管的各個電極之間，如Zbe、Zce、Zcb 。Zbe是是L2、 Zce是是L1、 Zcb是是C?？梢宰C明若?？梢宰C明若滿足相位平衡條件，滿足相位平衡條件， Zbe和和Zce必須同性質(zhì)，即同為電容或必須同性質(zhì)，即同為電容或同為電感，且與同為電感，且與Zcb性質(zhì)

41、相反性質(zhì)相反。 CMLLff)2(1210電感三點式電感三點式LC振蕩器振蕩器 工作頻率范圍為數(shù)百千赫茲工作頻率范圍為數(shù)百千赫茲到十兆赫茲。到十兆赫茲。 由于電感由于電感L2對高次斜波阻抗對高次斜波阻抗大，故振蕩回路中輸出諧波分量大，故振蕩回路中輸出諧波分量增大，輸出波形不理想。增大，輸出波形不理想。 L1和和L2一個線圈，一個線圈，2點是中間抽頭。用瞬時極性法可判斷出點是中間抽頭。用瞬時極性法可判斷出電路符合正反饋的相位條件。如果設輸入信號瞬時極性為正，電路符合正反饋的相位條件。如果設輸入信號瞬時極性為正，則集電極電位瞬時極性為負，線圈上的瞬時極性如圖所示。反則集電極電位瞬時極性為負，線圈上

42、的瞬時極性如圖所示。反饋到發(fā)射極的極性對地為正，符合正反饋的相位條件。饋到發(fā)射極的極性對地為正，符合正反饋的相位條件。二、電容三點式二、電容三點式LCLC振蕩電路振蕩電路CB組態(tài)組態(tài)CE組態(tài)組態(tài) 工作頻率范圍為數(shù)百千赫茲到一百兆赫茲。工作頻率范圍為數(shù)百千赫茲到一百兆赫茲。 由于由于C2對高次諧波阻抗小，使反饋電壓中的高次諧波成對高次諧波阻抗小，使反饋電壓中的高次諧波成分較小，因而振蕩波形較好。缺點是由于調(diào)節(jié)電容來改變頻分較小，因而振蕩波形較好。缺點是由于調(diào)節(jié)電容來改變頻率時，率時，C1與與C2（即使（即使C1、C2 采用雙連可變電容）也難于按采用雙連可變電容）也難于按比例變化，從而引起電路工作

43、性能的不穩(wěn)定，頻率調(diào)節(jié)不便，比例變化，從而引起電路工作性能的不穩(wěn)定，頻率調(diào)節(jié)不便，只適宜產(chǎn)生固定頻率的振蕩，常用于調(diào)幅和調(diào)頻接受機中。只適宜產(chǎn)生固定頻率的振蕩，常用于調(diào)幅和調(diào)頻接受機中。2121021CCCCLff兩個電路都滿足兩個電路都滿足相位平衡條件。相位平衡條件。例題：例題：試判斷試判斷三點式振蕩電路三點式振蕩電路是否滿足相位平衡條件。是否滿足相位平衡條件。9.7.4 9.7.4 石英晶體石英晶體振蕩電路振蕩電路（2 2）影響振蕩頻率不穩(wěn)定的因素）影響振蕩頻率不穩(wěn)定的因素 溫度的變化、電源電壓的波動、元件參數(shù)的變溫度的變化、電源電壓的波動、元件參數(shù)的變化等。化等。（3 3）由于）由于LC

44、LC回路的回路的Q Q值不能做得很高，所以值不能做得很高，所以LCLC振蕩器振蕩器的頻率只能達到數(shù)百，不可能達到很高。的頻率只能達到數(shù)百，不可能達到很高。00ffff指定頻率頻率偏差CLRRLQ10頻率穩(wěn)定度=（1 1）對于振蕩器的振蕩頻率，要求具有較高的穩(wěn)定性。）對于振蕩器的振蕩頻率，要求具有較高的穩(wěn)定性。一、石英晶體的物理特性極其等效電路一、石英晶體的物理特性極其等效電路 石英晶體是石英晶體是SiOSiO2 2的一種結晶體，具有各向異性的物的一種結晶體，具有各向異性的物理特性。在石英晶體上按一定方位切下的薄片理特性。在石英晶體上按一定方位切下的薄片晶片。晶片。 1 1、基本特性、基本特性

45、石英振蕩器在電路中之所以能夠代替石英振蕩器在電路中之所以能夠代替LCLC諧振回路諧振回路是由于具有壓電效應。是由于具有壓電效應。 若在晶片上外加交變電壓，由于壓電效應，晶片若在晶片上外加交變電壓，由于壓電效應，晶片將產(chǎn)生機械變形振動，將產(chǎn)生機械變形振動，機械變形振動機械變形振動又會產(chǎn)生交變電又會產(chǎn)生交變電壓，從外電路來看，相當于有交流通過晶片。壓，從外電路來看，相當于有交流通過晶片。 外加電壓頻率小于石英晶體的固有機械諧振頻率外加電壓頻率小于石英晶體的固有機械諧振頻率時，壓電電流超前外加電壓；時，壓電電流超前外加電壓； 外加電壓頻率大于石英晶體的固有機械諧振頻率外加電壓頻率大于石英晶體的固有機

46、械諧振頻率時，壓電電流滯后外加電壓；時，壓電電流滯后外加電壓； 外加電壓頻率等于石英晶體的固有機械諧振頻率外加電壓頻率等于石英晶體的固有機械諧振頻率時，機械振動的幅度急劇增大，壓電電流最大時，機械振動的幅度急劇增大，壓電電流最大壓電壓電諧振。諧振。 壓電效應壓電效應2 2、等效電路、等效電路C0靜態(tài)電容靜態(tài)電容，即兩極板之間的電，即兩極板之間的電容，與晶片的幾何尺寸、極板面積有容，與晶片的幾何尺寸、極板面積有關，關， 幾幾PF幾十幾十PF。L機械振蕩的質(zhì)量或慣性。機械振蕩的質(zhì)量或慣性。 10-3102H C晶片的彈性晶片的彈性 10-410-1PF R晶片振動時因摩擦而造成的損耗晶片振動時因摩

47、擦而造成的損耗 102 Q很高很高L大，大，C小，小，R小小 CLR1Q 很大很大 104106 由于晶片本身的固有頻率只與晶片的幾何尺寸有關，由于晶片本身的固有頻率只與晶片的幾何尺寸有關，故很穩(wěn)定，且可做得很精確。故很穩(wěn)定，且可做得很精確。 CLjCjZ/11103 3、諧振頻率（忽略、諧振頻率（忽略R R） CL1時LC21fS即 串聯(lián)諧振頻率串聯(lián)諧振頻率（阻抗最小）（阻抗最?。〤LC110時當00PCCCCL21f即 并聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率（阻抗最大）（阻抗最大）當當R、L、C支路發(fā)生串聯(lián)諧振時，支路發(fā)生串聯(lián)諧振時，當當R、L、C支路與支路與C0發(fā)生并聯(lián)諧振時，發(fā)生并聯(lián)諧振時，0001

48、21CCfCCCCLfsP結論：結論：一個晶體有兩個諧振頻率：串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率；一個晶體有兩個諧振頻率：串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率；fPfS，由于，由于CC0，fP和和fS非常接近；非常接近；晶體振蕩器是將晶片作為一個電感元件來使用的。晶體振蕩器是將晶片作為一個電感元件來使用的。 二、石英晶體振蕩電路二、石英晶體振蕩電路+- 為為滿足正反饋的條件，石英晶體必須呈電感性才能形滿足正反饋的條件，石英晶體必須呈電感性才能形成成LC并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振回路，產(chǎn)生振蕩。由于石英晶體的回路，產(chǎn)生振蕩。由于石英晶體的Q值很高，值很高，可達到幾千以上，所示電路可以獲得很高的振蕩頻率穩(wěn)定可達到幾千以上，所

49、示電路可以獲得很高的振蕩頻率穩(wěn)定性。性。并聯(lián)型晶體并聯(lián)型晶體振蕩器振蕩器串聯(lián)型晶體串聯(lián)型晶體振蕩器振蕩器)(CCCCCCLf000212121CCCCC（1 1）并聯(lián)型晶體振蕩器）并聯(lián)型晶體振蕩器RRCCC1C2C0L 晶體工作在諧振頻率fP和fS之間，石英晶體呈電感性，作為振蕩器回路的一個電感與電路的其他元件組成三點式振蕩器。其中C1C2 C0 R LC 由于CC0+C，因此，在回路中起決定作用的是C，由于C很穩(wěn)定，所以振蕩頻率的穩(wěn)定度很高。（2 2）串聯(lián)型晶體振蕩器）串聯(lián)型晶體振蕩器+ 利用f=fS時石英晶體呈純阻性，相移為零的特性構成正弦波振蕩器。9.8.1 9.8.1 電壓比較器電壓比

50、較器9.8.2 9.8.2 方波產(chǎn)生電路方波產(chǎn)生電路9.8.3 9.8.3 鋸齒波產(chǎn)生電路鋸齒波產(chǎn)生電路9.8 非正弦信號產(chǎn)生電路非正弦信號產(chǎn)生電路 功能：功能：電壓比較器是將一個模擬電壓信電壓比較器是將一個模擬電壓信號與一個號與一個基準電壓基準電壓相比較，將比較的結相比較，將比較的結果以高電平或低電平輸出的電路。果以高電平或低電平輸出的電路。 門限電壓門限電壓（閾值電壓）（閾值電壓）VT：使輸出電使輸出電壓發(fā)生跳變時的輸入電壓。壓發(fā)生跳變時的輸入電壓。傳輸特性：傳輸特性：輸出電壓和輸入電壓之間的輸出電壓和輸入電壓之間的對應關系。對應關系。9.8.1 電壓比較器電壓比較器特點特點1、工作在開環(huán)

51、或正反饋狀態(tài)。、工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)。2、運放工作在非線性區(qū)，只存在、運放工作在非線性區(qū)，只存在“虛斷虛斷”，不存在，不存在 “虛虛短短”。3、開關特性，因開環(huán)增益很大，比較器的輸出只有高電平、開關特性，因開環(huán)增益很大，比較器的輸出只有高電平和低電平兩個穩(wěn)定狀態(tài)。和低電平兩個穩(wěn)定狀態(tài)。比較器的應用比較器的應用主要用途：主要用途：對輸入波形進行整形，即將不規(guī)則的輸入波形對輸入波形進行整形，即將不規(guī)則的輸入波形 整形為方波輸出。整形為方波輸出。1、正弦波變換為矩形波、正弦波變換為矩形波 2、有干擾正弦波變換為方波用比較器實現(xiàn)波形變換、有干擾正弦波變換為方波用比較器實現(xiàn)波形變換1、電路電路 open-loop2、傳輸特性曲線傳輸特性曲線 分析方法分析方法： 對于開環(huán)或正反饋運放對于開