信號發(fā)生器分類和應(yīng)用

1、信號發(fā)生器分類和應(yīng)用 發(fā)生器按產(chǎn)生的波形特點(diǎn)可分為正弦波信號發(fā)生器非正弦波信號發(fā)生器 正弦波自激振蕩的基本原理 正弦波信號發(fā)生器 正弦波信號發(fā)生器是按照自激振蕩原理構(gòu)成的。信號發(fā)生器常稱為振蕩器。1產(chǎn)生正弦波自激振蕩的平衡條件 .正反饋網(wǎng)絡(luò)放大環(huán)節(jié).XoAF.XidXf自激振蕩原理方框圖輸入Xid.反饋Xf=FXo.輸出Xo= AXid.放大環(huán)節(jié)A正反饋網(wǎng)絡(luò)F如果Xf=Xid.可在輸出端繼續(xù)維持原有的輸出信號正反饋工作原理由.及知電路產(chǎn)生自激振蕩的平衡條件為 輸入Xid.反饋Xf=FXo.輸出Xo= AXid.放大環(huán)節(jié)A正反饋網(wǎng)絡(luò)F如果Xf=Xid.（1）幅度平衡條件 （2）相位平衡條件 上式

2、可分解為式中一個振蕩器，只在振蕩頻率f0時滿足相位平衡的條件。平衡條件討論a. 相位平衡條件在電路中應(yīng)包含選頻網(wǎng)絡(luò)放大環(huán)節(jié)A正反饋網(wǎng)絡(luò)F.Xf.Xid.Xo若 則電路減幅振蕩，最后停振蕩。若 ，電路增幅振蕩。b. 幅度平衡條件AF=1維持等幅振蕩的唯一條件放大環(huán)節(jié)A正反饋網(wǎng)絡(luò)F.Xf.Xid.Xo2振蕩的建立與穩(wěn)定 振蕩電路的起振條件AF 1AF 1放大電路中還應(yīng)包含穩(wěn)幅環(huán)節(jié)AF=1只能維持振蕩，但不能建立振蕩AF 1將使輸出幅值越來越大，出現(xiàn)非線性失真。A反饋特性幅度特性F太小自激振蕩電路的建立過程（線性反饋）幅度特性B幅度特性非線性反饋非線性反饋AF=1AF 1起振維持振蕩自激振蕩電路的建

3、立過程3正弦波信號發(fā)生器組成放大環(huán)節(jié)正反饋網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)組成4. 正弦波信號發(fā)生器的分類 根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件分RC型振蕩器LC型振蕩器晶體振蕩器1文氏電橋振蕩器文氏電橋振蕩電路移相式振蕩電路主要類型雙T網(wǎng)絡(luò)式振蕩電路選頻網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)放大電路 RC型正弦波信號發(fā)生器UoRRCCAR1R2+2RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性圖中選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)Z1Z2RRCCUoUf+UoRRCCAR1R2+反饋系數(shù)Z1Z2RRCCUoUf+令由此可得 F 的幅頻特性與相頻特性即幅頻特性當(dāng)0時，F(xiàn)0當(dāng)時,F0當(dāng)=0時,F=Fmax=1/3f031/ Ff0幅頻特性曲線相頻特性當(dāng)0時，F(xiàn) 90當(dāng)時, F 90當(dāng)=0

4、時, F 00jff0相頻特性曲線f031/ Ff0幅頻特性曲線F =0，且反饋?zhàn)顝?qiáng)可見，當(dāng)=0時3工作原理 （1）當(dāng)f= 時 （3）振蕩頻率與同相位UoUf 的幅值最大Uf=/3UoUf即（2）當(dāng) 時，滿足振蕩條件UoRRCCAR1R2+4穩(wěn)幅措施 RRCCARWD1D2R1Uo+(1) 利用二極管穩(wěn)幅Rt為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻RRCCARWUoRt+（2）利用非線性熱敏電阻穩(wěn)幅a. 用LC并聯(lián)諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)。 LC型正弦波信號發(fā)生器b. 主要用來產(chǎn)生1MHZ以上的高頻信號。主要特點(diǎn):c. 頻率穩(wěn)定性好。按照反饋方式變壓器反饋式電感三點(diǎn)式電容三點(diǎn)式LC型正弦波信號發(fā)生器類型1LC并聯(lián)諧

5、振回路RCLZ+0|Z|ff00jff0Q大Q小Q大Q小阻抗頻率特性相頻特性(1) 諧振頻率 (2) 諧振時的等值電阻R0 (3) 電路的品質(zhì)因數(shù)RCLZ+2選頻放大電路 當(dāng)f = f0（ LC并聯(lián)諧振頻率）時（1）輸出電壓幅值最大。（2）輸出與輸入電壓反相。工作原理放大電路只對諧振頻率f0的信號有放大作用LC并聯(lián)諧振電路C+LT+3變壓器反饋式LC振蕩電路 +T+N1N2N3正反饋的判斷(1) 相位條件判斷的方法瞬時極性法判斷的步驟b. 斷開反饋回路a. 假設(shè)諧振回路發(fā)生諧振+T+N1N2N3c. 加入瞬時極性為輸入電壓Ui+T+N1N2N3d. 輸出電壓Uo極性為UiUoe. 反饋電壓極性

6、Uf為f.判斷是否滿足相位平衡條件構(gòu)成正反饋滿足相位平衡條件+T+N1N2N3UfUiUo（2） 起振條件因?yàn)楹侠淼剡x擇電路參數(shù)，及變壓器的變比，可使AF1,滿足起振條件。+T+N1N2N3(3) 振蕩頻率LL(4) 電路的特點(diǎn)a.調(diào)節(jié)N2方便，起振容易。+T+N1N2N3g.受變壓器分布參數(shù)的限制，振蕩頻率不能很高。b. 振蕩頻率高c. 電路的品質(zhì)因數(shù)高e. 頻率穩(wěn)定性高d. 輸出波形好f. 體積、重量大+T+N1N2N34電感三點(diǎn)式正弦振蕩電路 C+T+N2N1L1L2TL1RB1/RB2L2C振蕩電路的交流通路C+T+N2N1L1L2TL1L2C忽略RB1/RB2簡化的交流通路TL1RB

7、1/RB2L2C(1) 相位平衡條件的判斷b. 斷開反饋回路a. 假設(shè)諧振回路發(fā)生諧振TL1L2CUiUo相量圖Uod. 輸出電壓Uo極性為c. 加入瞬時極性為輸入電壓UiTL1L2CUiUo相量圖ICLUff. 電壓Uf超前ICL90ICLUfUf與Ui同相，滿足相位平衡條件UoTe. 電流ICL超前Uo90L1L2CTL1L2CUoICLUf(2) 幅度條件Uf來自L2，改變電感中間抽頭位置，調(diào)整反饋強(qiáng)弱，容易滿足幅度條件。M為線圈L1與L2之間的互感 (3) 諧振頻率式中TL1L2C(4) 電路特點(diǎn)a. 線圈的三個端子分別與T的三個電極B、C、E相連接，故稱之為電感三點(diǎn)式振蕩電路。 b.

8、 容易起振。c. 輸出波形中含有高次諧波，波形較差。UfTL1L2C（5） 電容三點(diǎn)式正弦波振蕩電路 +T+L+T+LTL交流通路TL簡化的交流通路TLb. 斷開反饋回路a. 假設(shè)諧振回路發(fā)生諧振(1) 相位平衡條件的判斷TLc. 加入瞬時極性為輸入電壓Ui相量圖UiUoTLUod. 輸出電壓 Uo極性為UiUoICLILCf. 電壓Uf滯后ICL90UfUf與Uf同相，滿足相位平衡條件e. 電流ILC滯后Uo90相量圖UfTLUo(2) 幅度條件Uf來自C2， 改變C2的大小，調(diào)整反饋強(qiáng)弱，容易滿足幅度條件。UfTL(3) 諧振頻率TL(4) 電路特點(diǎn)a. 電容器的三個端子分別與T的三個電極

9、相連接，故稱之為電容三點(diǎn)式振蕩電路。 b. 容易起振。c. 輸出波形中高次諧波少，波形好。d. 改變電容C2時，容易停振。TL改進(jìn)的電容三點(diǎn)式振蕩電路諧振頻率L+T+1. 石英晶體的基本特性（1） 各向異性（2） 具有壓電效應(yīng) 在晶片的兩側(cè)施加壓力，又會產(chǎn)生電場。在晶片的兩面之間加電場，就會產(chǎn)生機(jī)械變形。 晶體振蕩器壓電效應(yīng)： 當(dāng)交變電壓的頻率等于晶片的固有機(jī)械振動頻率時，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，晶片就會產(chǎn)生機(jī)械變形振動。壓電諧振石英晶體諧振器的結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)厍衅可香y層涂上銀層引出兩個電極引出兩個電極加裝上外殼電路符號（2）等效電路和諧振頻率R 等

10、效晶片振動時內(nèi)部的摩擦損耗等效電路C0 兩金屬電極間構(gòu)成的靜電電容L 等效晶片振動時的慣性C 等效晶片振動時的彈性RCLC0電路特點(diǎn)：a. L很大，C和R很小b . Q很高，達(dá)104106c. 頻率穩(wěn)定度（f /f0）很高。 三種振蕩電路的頻率穩(wěn)定度：RC振蕩器： 10-2LC振蕩: 10-3 10-4石英晶體振蕩： 10-910-11RCLC0當(dāng)忽略R時，電抗XRCLC0X串聯(lián)諧振頻率 當(dāng)ffs時，Xfs時，X0, 電路呈感性a. 當(dāng)1-2LC=0時， X=0RCLC0X電路發(fā)生串聯(lián)諧振并聯(lián)諧振頻率RCLC0XX=b. 當(dāng)j (C0+C2LCC0 ) = 0時電路發(fā)生并聯(lián)諧振由于CC0故RC

11、LC0X電抗頻率特性fX0感性容性fsfp當(dāng)時，當(dāng)時，由式知RCLC0Xa. 當(dāng) fsffp 時，電路呈感性。b.當(dāng) ffp 時，電路呈容性。可見:電抗頻率特性fX0感性容性fsfp2石英晶體振蕩電路 （1）并聯(lián)型晶體振蕩器 并 聯(lián)晶體呈感性諧振頻率T+C1C2RCRE+VCCRB1RB2CB交流等效電路CTRLREC1C2C0RCT+C1C2RCRE+VCCRB1RB2CB諧振頻率式中由于故CTRLREC1C2C0RC（2）串聯(lián)型晶體振蕩器諧振頻率CBC+R+T1T2RE2RC1RB1RB2uo+VCCRE1+思 考 題1. 如果在正弦波發(fā)生器中，沒有選頻網(wǎng)絡(luò)或穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，那么電路將會出現(xiàn)什么

12、情況？2. 電容三點(diǎn)式和電感三點(diǎn)式正弦波振蕩電路相比，哪個電路輸出的波形更好，為什么？ 非正弦信號發(fā)生器主要特點(diǎn)： 振蕩條件比較簡單，只要反饋信號能使比較電路狀態(tài)發(fā)生變化，即能產(chǎn)生周期性的振蕩。 非正弦信號發(fā)生器的主要組成：（1）具有開關(guān)特性的器件（如電壓比較器、BJT等）（2）反饋網(wǎng)絡(luò)（3）延時環(huán)節(jié)主要作用：產(chǎn)生高、低電平。主要作用：將輸出電壓適當(dāng)?shù)胤答伣o開關(guān)器件使之改變輸出狀態(tài)。主要作用：實(shí)現(xiàn)延時，以獲得所需要的振蕩頻率。 方波發(fā)生器 1. 電路組成RAURCR1R2R3uOUZDZu+uuC+延遲環(huán)節(jié)遲滯比較器RAURCR1R2R3uOUZDZu+uuC+2 工作原理設(shè)t=0 時uC(0

13、+)=0 uO=+Uz則=+FUzRAURCR1R2R3uOUZDZu+uuC+uC按指數(shù)規(guī)律上升a. 當(dāng)t0時電容C充電uOuC0tuO, uC+UZ-UZ- FUZ+ FUZicuO、uC波形圖 uO=+UzRAURCR1R2R3uOUZDZu+uuC+b. 當(dāng)uCFUZ 時uOuCUR=-FUz uO=-Uz- FUZ+ FUZ0tuO, uC+UZ-UZuO、uC波形圖icRAURCR1R2R3uOUZDZu+uuC+c. 當(dāng)uO=-Uz時UR=-FUzuOuC0tuO, uC+UZ-UZ- FUZ+ FUZuO、uC波形圖uC按指數(shù)規(guī)律下降電容C放電icRAURCR1R2R3uOUZ

14、DZu+uuC+d. 當(dāng)uC R，輸出波形具有什么特點(diǎn)？答：如果電阻R+ R，那么，電容C的充電時間將大于放電時間，輸出波形的占空比增大。AURCR1R2R3uOUZDZu+uuC+R+R-D1D2 三角波和鋸齒波發(fā)生器1電路組成遲滯比較器積分器uO1RCA1A2R1R2R3uODZB+圖中2工作原理 uO1RCA1A2R1R2R3uODZB+(1) 當(dāng) 時輸出電壓電容 C充電uO隨時間線性下降設(shè)uC(0+)=0波形圖tuO , uO10uO1uOUZuO1RCA1A2R1R2R3uODZB+(2) 當(dāng) 時令得波形圖tuO , uO10uO1uOUZ-UZuO1RCA1A2R1R2R3uODZ

15、B+(3) 當(dāng) uB0時tuO , uO10uO1uOUZ-UZuO1RCA1A2R1R2R3uODZB+uO輸出三角波uO1輸出方波tuO , uO10uO1uOUZ-UZuO1RCA1A2R1R2R3uODZB+(1） 輸出電壓幅值2. 主要指標(biāo)(a) 三角波幅值(b) 方波幅值tuO , uO10uO1uOUZ-UZ（2） 振蕩頻率三角波從零上升到UOm的時間T/4。由圖可知uO1t+UZ0uO0+Uomt-Uom-UZ而故電路的振蕩周期振蕩頻率R+R-D1D2uO1RCA1A2R1R2R3uODZB+如果用圖(a)示電路替代圖(b)示電路的電阻R，那么輸出電壓uo的波形有何特點(diǎn)？(a)

16、(b)答：三角波兩邊斜率不同，即三角波變成為鋸齒波。t0u替代RuO1RCA1A2R1R2R3uODZB+R+R-D1D22、在上圖示電路中，如果電阻R+ R，畫出輸出信號的波形。 壓控振蕩器原理圖uO=+UZ時，開關(guān)S接通+UuO=-UZ時，開關(guān)S接通UuO1RCA2A1R1R2R3uODZB+-U+US(1) 工作原理圖中uO1RCA2A1R1R2R3uODZB+-U+US(a) 當(dāng) 時U通過R向 C充電S 接電源 +UuO1隨時間線性下降設(shè)uC(0-)=0+uCuO1RCA2A1R1R2R3uODZB+-U+US(b) 當(dāng) uB0 時電容 反向充電開關(guān) S 接 UuO1隨時間線性上升uO

17、1RCA2A1R1R2R3uODZB+-U+US(c) 當(dāng) uB 0 時電容 又正向充電S又接UCuO1又隨時間線性下降+uCuO1RCA2A1R1R2R3uODZB+-U+USuO輸出方波uOuO1輸出三角波C+uCuO1RCA2A1R1R2R3uODZB+-U+US(2) 振蕩波形圖(3) 振蕩頻率tt0uO0+UZt1t2-UZuO1t1t2振蕩波形圖而由波形圖知當(dāng)時故由得f0U，實(shí)現(xiàn)了電壓控制振蕩頻率的目的一種壓控振蕩電路電子模擬開關(guān)UD1RFuO3RRD2uO1RA2A1R1R3uODZ+A3+A4+uO4CR2例1 電路如圖所示，圖中運(yùn)放A和二極管D1、D2都是理想器件,穩(wěn)壓管DZ

18、的穩(wěn)壓值為UZ。試證明調(diào)節(jié)電位器RW改變矩形波占空比時，周期T將保持不變。A+_RCR1R2R3DZD2D1uORW+_uFuC練習(xí)題解 由題意，畫出uO和uC的波形圖。其中波形圖A+_RCR1R2R3DZD2D1uORW+_uFuCT1T2TUZ-UZUF-UFtuOuC0uO，uC當(dāng)uO=UZ時，uO通過D1對電容充電當(dāng)uO=-UZ時，電容通過D2 放電 可見，在改變RW滑動端位置時，T保持不變。 振蕩周期 為常數(shù) A+_RCR1R2R3DZD2D1uORW+_uFuC例2 在圖所示矩形波發(fā)生電路中，理想運(yùn)放的最大輸出電壓Uomax=12V，最小的輸出電壓Uomin=0V 。uOCA+R4

19、R5100kW+15V100kW0.01mF100kW100kW100kWR1R3R2+uCUR（a）畫出輸出電壓uO和電容電壓uC的波形；（b）求出uC的最大值和最小值;（c）當(dāng)UR的大小超出什么范圍時，電路將不再產(chǎn)生矩形波？解（a）方波發(fā)生器的輸出電壓只有高、低兩種電平，電容C隨輸出電壓的極性進(jìn)行充電或放電。當(dāng)uC大于運(yùn)放同相端電位u+時，輸出為低電平；反之，輸出為高電平。uOCA+R4R5100kW+15V100kWmF100kW100kW100kWR1R3R2+uCURt015012uO/VuC/Vt輸出電壓uO和電容電壓uC的波形圖uOCA+R4R5100kW+15V100kW0.01mF100kW100kW100kWR1R3R2+uCUR（b）由圖可知，運(yùn)放同相端電位的最大值和最小值，即為uC的最大值和最小值。 對于運(yùn)放同相端，由KCL得當(dāng)時當(dāng)時uOCA+R4R5100kW+15V100kW0.01mF100kW100kW100kWR1R3R2+uCUR（c）如果UcmaxU+mim，電路不能產(chǎn)生方波。 UCm