第6章 信號產(chǎn)生電路

1、信號產(chǎn)生電路信號產(chǎn)生電路第第 6 章章6.1正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路6.2非正弦波信號產(chǎn)生電路非正弦波信號產(chǎn)生電路6.3鎖相頻率合成電路鎖相頻率合成電路第第6章小結(jié)章小結(jié)信號產(chǎn)生電路信號產(chǎn)生電路正弦波振蕩電路的工作原理正弦波振蕩電路的工作原理RC 振蕩電路振蕩電路LC 振蕩電路振蕩電路石英晶體石英晶體振蕩電路振蕩電路信號產(chǎn)生電路信號產(chǎn)生電路( (振蕩器振蕩器Oscillators) )分類：分類：正弦波振蕩正弦波振蕩非正弦波振蕩：非正弦波振蕩：RC 振蕩器振蕩器( (1 Hz 1MHz) )LC 振蕩器振蕩器( (幾百幾百 kHz 以上以上) )石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器( (頻率穩(wěn)定度

2、高頻率穩(wěn)定度高) )方波、方波、 三角波、三角波、鋸齒波等鋸齒波等主要性主要性要求能：要求能：輸出信號的輸出信號的幅度準(zhǔn)確穩(wěn)定幅度準(zhǔn)確穩(wěn)定輸出信號的輸出信號的頻率準(zhǔn)確穩(wěn)定頻率準(zhǔn)確穩(wěn)定第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路6.1.1 正弦波振蕩電路的工作原理正弦波振蕩電路的工作原理一、振蕩原理及平衡條件一、振蕩原理及平衡條件放大器放大器反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)UiAuFuUoUfRL微弱的電擾動中，微弱的電擾動中，某一頻率成分通過某一頻率成分通過正反饋逐漸放大，正反饋逐漸放大，則產(chǎn)生正弦振蕩。則產(chǎn)生正弦振蕩。;ioUUAu ;ofUUFu 1 uuFA 振幅平衡條件振幅平衡條件2 FAAFn 相位平衡條

3、件相位平衡條件n = 0, 1, 2, 1uuFA第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路uf 起振起振穩(wěn)幅穩(wěn)幅二、起振條件起振條件起振條件起振條件 iouuAu ofuuFu 2AFn 放大器放大器Au反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)FuUoUfUi*1/FuAu = 1/FuOuiuoAuuoAu Fu 1Au Fu 3，穩(wěn)幅后，穩(wěn)幅后 Au = 3。正溫度系數(shù)正溫度系數(shù)負(fù)溫度系數(shù)負(fù)溫度系數(shù))/1 (1fufRRART二極管穩(wěn)幅二極管穩(wěn)幅8R1R2oUV1V2R312.4 k R2 8.1 k 起振時信號小，二極管電阻大起振時信號小，二極管電阻大Au 1 + (R2+ R3)/R1 3R2 2R1 R3起振

4、后二極管電阻逐漸減小，起振后二極管電阻逐漸減小，Au 1 + R2/R1 = 3為使失真?。簽槭故д嫘。?R2 2R1f0 = 1.94 kHzRCf 2108.2 k 6.2 k 22 k 4.3 k 0.01 F8.2 k 0.01 F第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路二、二、RC 移相式振蕩電路移相式振蕩電路8CRRfRoUCRC一節(jié)一節(jié) RC 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)移相移相 90 二節(jié)二節(jié) RC 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)移相移相 180 三節(jié)三節(jié) RC 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)移相移相 270 RCf6210 對于對于的信號的信號， 180F 180A 0 AF 滿足相位平衡條件滿足相位平衡條件優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單缺點

5、：缺點：選頻特性差，輸出波形差選頻特性差，輸出波形差第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路6.1.3 LC 振蕩電路振蕩電路類型：類型：變壓器反饋式變壓器反饋式 、 電感三點式、電感三點式、 電容三點式電容三點式一、變壓器反饋式一、變壓器反饋式 LC 振蕩電路振蕩電路LrCIs.L 的等的等效損耗效損耗電阻電阻)j(j1)j(j1LrCLrCZ )1( j1/CrrLrCL 1. 諧振頻率諧振頻率 f0 1 0，LC LCf210 2. 諧振阻抗諧振阻抗 Z0rCLZ 03. 回路品質(zhì)因數(shù)回路品質(zhì)因數(shù) Q CLrCrrLQ1100 CQLQZ00 0 0( (一一) ) LC 并聯(lián)回路的特性并

6、聯(lián)回路的特性Z第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路4. 頻率特性頻率特性)1( j1/rCrLrCLZ )/(j1000ffffQZ 0Z Z 0 Q 大大Q 小小 0 f90 90Q 增大增大幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路5. 并聯(lián)諧振的本質(zhì)并聯(lián)諧振的本質(zhì) 電流諧振電流諧振LuCr +iiLiC1) ) Z = Z0 呈純阻呈純阻2) )形成形成環(huán)流環(huán)流，大小是總電流的，大小是總電流的 Q 倍倍IQILLQIZZIILLC 000CLII ICILUI第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路( (二二) )變壓器反饋式振蕩電路變壓器反饋式振蕩電路LC+

7、VCCVRERB1RB2CECB180 A 180 F 0 AF 滿足相位平衡條件滿足相位平衡條件LCf 210第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路二、三點式二、三點式 LC 振蕩電路振蕩電路( (一一) ) 電感三點式電感三點式 振蕩電路振蕩電路C+VCCVRERB1RB2CECBL1L2C1 )2(2121210CMLLLCf 優(yōu)點：優(yōu)點：缺點：缺點：易起振易起振( (L 間耦合緊間耦合緊) )；易調(diào)節(jié)易調(diào)節(jié)( (C 可調(diào)可調(diào)) )。輸出取自電感，對輸出取自電感，對高次諧波阻抗大高次諧波阻抗大，輸出波形差。輸出波形差。M123oUiUfU第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路( (二二)

8、 ) 電容三點式振蕩電路電容三點式振蕩電路考畢茲振蕩器考畢茲振蕩器( (Colpitts) )LCCCCLCf212102121 優(yōu)點：波形較好優(yōu)點：波形較好缺點：缺點：2) ) V 極間電容影響極間電容影響 f01) ) 調(diào)頻時易停振調(diào)頻時易停振克拉潑振蕩器克拉潑振蕩器( (Clapp) ) 3211111CCCC 31C 212130LCLCf +VCCVRERB1RB2CECBLC1C2123LC3改進改進oUiUfU第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路( (三三) ) 三點式振蕩電路的組成原則三點式振蕩電路的組成原則第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路X1、X2的電抗性質(zhì)必須相同，

9、X3與X1、X2的電抗性質(zhì)必須相異。與E相連的為同性質(zhì)電抗，不與E端相連的為異性質(zhì)電抗。第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路Hzk644)2(21210CMLLfa電感三點式MHz63. 5 212121b0 LCCCCf例例 6.1.26.1.2電容三點式6.1.4 石英晶體石英晶體( (Crystal) )振蕩電路振蕩電路一、石英晶體諧振器的阻抗特性一、石英晶體諧振器的阻抗特性1. 結(jié)構(gòu)和符號結(jié)構(gòu)和符號化學(xué)成分化學(xué)成分 SiO2結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)晶片晶片涂銀層涂銀層焊點焊點符號符號2. 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)形變形變形變形變機械振動機械振動壓電諧振壓電諧振外加交變外加交變電壓的頻率等電壓的頻率等于晶體固

10、有頻于晶體固有頻率時，機械振率時，機械振動幅度急劇加動幅度急劇加大的現(xiàn)象。大的現(xiàn)象。第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路3. 等效電路等效電路rqC0CqLqCo 晶片靜態(tài)電容晶片靜態(tài)電容( (幾幾 幾十幾十 pF) )Lq 晶體的動態(tài)電感晶體的動態(tài)電感( (10 3 102 H) )( (大大) )Cq 晶體的動態(tài)電容晶體的動態(tài)電容( ( 0.1 pF) )( (小小) )rq 等效摩擦損耗電阻等效摩擦損耗電阻( (小小) ) 1qqqCLrQ 4. 頻率特性和諧振頻率頻率特性和諧振頻率fXfPfS容性容性感性 21 qqSCLf 21 q0q0qPCCCCLf 1 0qSCCf 第第 6

11、 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路5. 使用注意使用注意1) )要要接接一定的負(fù)載電容一定的負(fù)載電容 CL( (微調(diào)微調(diào)) )，以以達(dá)標(biāo)稱頻率。達(dá)標(biāo)稱頻率。2) )要有合適的激勵電平。過大會影響頻率穩(wěn)定度、要有合適的激勵電平。過大會影響頻率穩(wěn)定度、 振壞晶片；過小會使噪聲影響大，還能停振。振壞晶片；過小會使噪聲影響大，還能停振。第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路二二 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路1. 串聯(lián)型串聯(lián)型 f = fs，晶體，晶體呈純阻呈純阻+VCCVRERB1RB2CBLC2. 并聯(lián)型并聯(lián)型fs f fp，晶體，晶體呈感性呈感性+VCCVRERB1RB2CEC3C1C2RC第第

12、6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路6.2非非正弦波信號正弦波信號 產(chǎn)生電路產(chǎn)生電路6.2.1 電壓比較器電壓比較器6.2.2 方波、三角波、鋸齒波產(chǎn)生電路方波、三角波、鋸齒波產(chǎn)生電路6.2.3 集成壓控振蕩器集成壓控振蕩器第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路6.2.1 電壓比較電壓比較器器( (Comparer) )一、單限電壓比較器一、單限電壓比較器功能：功能：類型類型基本比較器基本比較器簡單比較器簡單比較器( (單門限單門限) )窗口比較器窗口比較器( (雙門限雙門限) )遲滯比較器遲滯比較器( (施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器) )比較電壓信號比較電壓信號( (被測試信號與標(biāo)準(zhǔn)信號被測試信號與

13、標(biāo)準(zhǔn)信號) )大小大小8uIuOOuIuO1. 過零電壓比較器過零電壓比較器uI 0UOmax UOmaxUOHUOL第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路OuIuO2. 同相輸入單門限比較器同相輸入單門限比較器8uIUREF UZUZUREFuI UREF門限門限電壓電壓 UT特點特點:1) )工作在非線性區(qū)工作在非線性區(qū)2) )不存在虛短不存在虛短 ( (除了除了uI = UREF 時時) ) 3) )存在虛斷存在虛斷門限電壓門限電壓 UT = UREF第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路*窗口比較器窗口比較器uO88U1U2uIV1V2uO1uO2設(shè)設(shè) U1 U2 ，比較器采用單電源，

14、比較器采用單電源uIuO1 uO2 V1 V2uO U1U2 uI U1UOmax截止截止 導(dǎo)通導(dǎo)通UZ0UOmax0導(dǎo)通導(dǎo)通 截止截止UZ00截止截止 截止截止0UZOuIuOU1U2第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 三極管三極管 值分選電路值分選電路885 V2.5 VV1V2V+15 V10 k20 k20 k430 k1 M5 k1.5 k3CG50 100，LED 不亮。不亮。分析電路是否滿足要求：分析電路是否滿足要求： 100，LED 亮，亮， 解解 IB = (15-0.7 ) /1430= 0.01 mA當(dāng)當(dāng) 50 時，時，IC 0.5 mA，UC 100

15、 時，時，IC 1 mA，UC 5 V V1 導(dǎo)通，導(dǎo)通，LED 亮亮當(dāng)當(dāng) 50 100時，時，2.5 V UC uP 時，時， uO = UZ當(dāng)當(dāng) uI uP 時，時， uO = +UZ當(dāng)當(dāng) uI = uP 時，時， 狀態(tài)翻轉(zhuǎn)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)212Z1REFTRRRURUU 212Z1REFTRRRURUU 例：例：R1 = 30 k，R2 =15 k,UZ = 6 V, UREF = 0, 求求 UT。)(V 23015156 V)( 23015156-TTUU，第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路特點：特點：2) )傳輸特性傳輸特性RR18uIUREFR2R3 UZuOOuIuOUT+UT U

16、Z UZ當(dāng)當(dāng) uI 逐漸增大時逐漸增大時 只要只要 uI UT+ ，則，則 uO = UZ當(dāng)當(dāng) uI 逐漸減小時逐漸減小時只要只要 uI U T ，則，則 uO = UZ一旦一旦 uI I01電子開關(guān) 當(dāng)當(dāng) Q = 0，S 斷開，斷開， C 充電充電 (I01) 至至 2/3VCCQ = 1當(dāng)當(dāng) Q = 1，S 閉合，閉合，C 放電放電 (I02 I01) 至至 1/3VCCQ = 0當(dāng)當(dāng) I02 = 2I01，引腳，引腳 9 輸出方波，引腳輸出方波，引腳 3 輸出三角波；輸出三角波；當(dāng)當(dāng) I02 2I01，引腳引腳 9 輸出矩形波，引腳輸出矩形波，引腳 3 輸出鋸齒波。輸出鋸齒波。1. 原理

17、原理88+VCCRRRRSCI01I02uC VEE或地或地QQ反相器反相器電壓跟隨器電壓跟隨器正弦波變換器正弦波變換器第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路2. 應(yīng)用應(yīng)用12345678ICL803814131211109正弦波正弦波失真度調(diào)整失真度調(diào)整正弦波失正弦波失真度調(diào)整真度調(diào)整正弦波輸出正弦波輸出三角波輸出三角波輸出矩形波輸出矩形波輸出調(diào)頻偏置調(diào)頻偏置電壓輸入電壓輸入調(diào)頻偏置調(diào)頻偏置電壓輸出電壓輸出接電阻接電阻 RA接電阻接電阻 RB接電容接電容 C+VCC VEE (或地或地)調(diào)占空比和正弦波失真調(diào)頻率調(diào)占空比和正弦波失真RP2RP4 RP1+VCC VEERRAICL803845

18、1310 11128RBRP3CC1692第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路6.3鎖相頻率鎖相頻率 合成電路合成電路 6.3.1 鎖相環(huán)路鎖相環(huán)路 6.3.2 鎖相頻率合成器鎖相頻率合成器第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路6.3.1 鎖相環(huán)路鎖相環(huán)路 PLL ( (Phase-Locked Loop)一一. 組成和工作原理組成和工作原理PLL 是一種利用相位的自動調(diào)節(jié)消除頻率誤差，是一種利用相位的自動調(diào)節(jié)消除頻率誤差，實現(xiàn)無誤差頻率跟蹤的負(fù)反饋系統(tǒng)。實現(xiàn)無誤差頻率跟蹤的負(fù)反饋系統(tǒng)。鑒相鑒相器器( (PD) )環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器( (LF) )壓控振蕩器壓控振蕩器( (VCO) )ud (t)uI (t)uC (t)uO (t)參考信號參考信號 i i o ouO (t)鎖定狀態(tài)：鎖定狀態(tài)： i i( (t) )- - o o( (t) )= 常數(shù)，常數(shù)， i i = o o失鎖狀態(tài)：失鎖狀態(tài)： i i o o第第 6 章信號產(chǎn)生電路章信號產(chǎn)生電路跟蹤：跟蹤：鎖相環(huán)路鎖定時，