信號(hào)產(chǎn)生電路

9.1正弦波振蕩電路的振蕩條件9.2RC正弦波振蕩電路9.3LC正弦波振蕩電路9.4非正弦波振蕩電路9信號(hào)產(chǎn)生電路學(xué)習(xí)指導(dǎo)小結(jié)作業(yè)在實(shí)踐中，廣泛采用各種類型的信號(hào)產(chǎn)生電路，就其波形來(lái)說(shuō)，可能是正弦波或非正弦波。在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻(高頻)發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻(低頻)、視頻信號(hào)或脈沖信號(hào)運(yùn)載出去，這就需要能產(chǎn)生高頻信號(hào)的振蕩器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，如高頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火，超聲波焊接，超聲診斷，核磁共振成像等，都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器?？梢?jiàn)，正弦波振蕩電路在各個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用是十分廣泛的。非正弦信號(hào)(方波、鋸齒波等)發(fā)生器在測(cè)量設(shè)備、數(shù)字系統(tǒng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也日益廣泛。學(xué)習(xí)指導(dǎo)電壓比較器不僅是波形產(chǎn)生電路中常用的基本單元，也廣泛用于測(cè)量電路、自動(dòng)控制系統(tǒng)和信號(hào)處理電路中。希望予以足夠重視。主要內(nèi)容：(1)正弦波振蕩電路的振蕩條件(2)RC、LC正弦波振蕩電路-----能否振蕩(3)非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路－－－波形分析、相關(guān)計(jì)算基本要求及學(xué)習(xí)目標(biāo):(1)掌握正弦波振蕩的相位平衡條件、幅值平衡條件。(2)掌握RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路的工作原理、起振條件、穩(wěn)幅原理及振蕩頻率的計(jì)算。(3)了解LC正弦波振蕩電路的工作原理、組成原則、振蕩頻率的計(jì)算。(4)掌握單門限電壓比較器和遲滯比較器的工作原理，理解方波、矩形波、三角波、鋸齒波發(fā)生器的工作原理。9.1

正弦波振蕩電路的振蕩條件1.振蕩條件2.起振和穩(wěn)幅3.振蕩電路基本組成部分

正反饋放大電路如圖示。（注意與負(fù)反饋方框圖的差別）1.振蕩條件若環(huán)路增益則去掉仍有穩(wěn)定的輸出又所以振蕩條件為振幅平衡條件相位平衡條件動(dòng)畫三起振條件2.起振和穩(wěn)幅

#振蕩電路是單口網(wǎng)絡(luò)，無(wú)須輸入信號(hào)就能起振，起振的信號(hào)源來(lái)自何處？電路器件內(nèi)部噪聲

當(dāng)輸出信號(hào)幅值增加到一定程度時(shí)，就要限制它繼續(xù)增加，否則波形將出現(xiàn)失真。

噪聲中，滿足相位平衡條件的某一頻率0的噪聲信號(hào)被放大，成為振蕩電路的輸出信號(hào)。

穩(wěn)幅的作用就是，當(dāng)輸出信號(hào)幅值增加到一定程度時(shí)，使振幅平衡條件從回到平衡點(diǎn)

一個(gè)反饋放大電路若能同時(shí)滿足自激振蕩的幅度和相位平衡條件，就一定能產(chǎn)生自激振蕩，但并不見(jiàn)得一定能產(chǎn)生正弦波自激振蕩，即輸出信號(hào)不一定是正弦波。3.基本組成部分

這是因?yàn)椋敉瑫r(shí)有多種頻率的正弦波信號(hào)都滿足自激振蕩條件，則反饋放大電路就能夠在多種頻率下產(chǎn)生振蕩。它的輸出信號(hào)就是一個(gè)由多種頻率的正弦波信號(hào)合成的非正弦波信號(hào)。

為了獲得單一頻率的正弦波振蕩，可在反饋放大電路中引入選頻網(wǎng)絡(luò)（選擇滿足相位平衡條件的一個(gè)頻率），使反饋放大電路對(duì)不同頻率的正弦波信號(hào)產(chǎn)生不同的相位移和放大倍數(shù)，使電路只讓某一特定頻率的正弦波信號(hào)滿足自激振蕩條件，保證電路輸出正弦波信號(hào)。放大電路（包括負(fù)反饋放大電路）3.基本組成部分反饋網(wǎng)絡(luò)（構(gòu)成正反饋）選頻網(wǎng)絡(luò)（選擇滿足相位平衡條件的一個(gè)頻率，經(jīng)常與反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一。）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)RC振蕩器低頻<1MHZLC振蕩器高頻>1MHZ9.2

RC正弦波振蕩電路1.電路組成2.

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性3.振蕩電路工作原理4.穩(wěn)幅措施1.電路組成反饋網(wǎng)絡(luò)兼做選頻網(wǎng)絡(luò)反饋系數(shù)2.

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性幅頻響應(yīng)又且令則相頻響應(yīng)2.

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性當(dāng)幅頻響應(yīng)有最大值相頻響應(yīng)3.振蕩電路工作原理此時(shí)若放大電路的電壓增益為

用瞬時(shí)極性法判斷可知，電路滿足相位平衡條件則振蕩電路滿足振幅平衡條件當(dāng)時(shí)，(+)(+)(+)(+)Av電路可以輸出頻率為的正弦波RC正弦波振蕩電路一般用于產(chǎn)生頻率低于1MHz的正弦波采用非線性元件4.穩(wěn)幅措施熱敏元件熱敏電阻起振時(shí)，即熱敏電阻的作用穩(wěn)幅采用非線性元件4.穩(wěn)幅措施場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）穩(wěn)幅原理穩(wěn)幅整流濾波T壓控電阻可變電阻區(qū)，斜率隨vGS不同而變化采用非線性元件4.穩(wěn)幅措施二極管

當(dāng)輸出幅值很小時(shí)，二極管D1、D2接近開(kāi)路，由D1、D2和R3組成的并聯(lián)支路的等效電阻近似為2.7千歐，A約3.3，>3，有利于起振。

當(dāng)輸出幅值較大時(shí)，二極管D1或D2導(dǎo)通，由D1、D2和R3組成的并聯(lián)支路的等效電阻減小，A隨之下降，輸出幅值趨于穩(wěn)定。9.3

LC正弦波振蕩電路9.3.1

LC并聯(lián)諧振回路選頻特性9.3.2變壓器反饋式LC振蕩電路9.3.3三點(diǎn)式LC振蕩電路9.3.4石英晶體振蕩電路1.等效阻抗9.3.1

LC并聯(lián)諧振回路選頻特性等效損耗電阻一般有則即時(shí)，電路發(fā)生諧振。為諧振頻率諧振時(shí)阻抗最大且為純阻性其中為品質(zhì)因數(shù)同時(shí)有即2.頻率響應(yīng)9.3.1

LC并聯(lián)諧振回路選頻特性諧振回路具有選頻特性1雖然波形出現(xiàn)了失真，但由于LC諧振電路的Q值很高，選頻特性好，所以仍能選出0的正弦波信號(hào)。9.3.2變壓器反饋式LC振蕩電路1.電路結(jié)構(gòu)2.相位平衡條件3.幅值平衡條件4.穩(wěn)幅5.選頻通過(guò)選擇高值的BJT和調(diào)整變壓器的匝數(shù)比，可以滿足，電路可以起振。BJT進(jìn)入非線性區(qū)，波形出現(xiàn)失真，從而幅值不再增加，達(dá)到穩(wěn)幅目的。（定性分析）(+)(－)同名端(+)(+)(-)(+)(+)(+)(+)(+)(+)9.3.2變壓器反饋式LC振蕩電路反饋滿足相位平衡條件，可能振蕩滿足相位平衡條件，可能振蕩反饋仍然由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)9.3.3三點(diǎn)式LC振蕩電路1.三點(diǎn)式LC并聯(lián)電路電容三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式諧振回路的三個(gè)引出端與三極管的三個(gè)電極相連(指交流連接),其中兩個(gè)同性質(zhì)電抗的公共點(diǎn)與發(fā)射極相連,而另一個(gè)異性電抗則連在集電極與基極間。方法1仍然由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)9.3.3三點(diǎn)式LC振蕩電路1.三點(diǎn)式LC并聯(lián)電路電容三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式諧振回路的三個(gè)引出端點(diǎn)與場(chǎng)效應(yīng)管的三個(gè)電極相連（指交流連接），其中兩個(gè)同性質(zhì)電抗的公共點(diǎn)與源極相連，而另一個(gè)異性電抗則連在柵極與漏極之間。方法1仍然由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)9.3.3三點(diǎn)式LC振蕩電路1.三點(diǎn)式LC并聯(lián)電路電容三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式諧振回路的三個(gè)引出端與集成運(yùn)放的三個(gè)端子(同相端、反相端、輸出端)相連(指交流連接),其中兩個(gè)同性質(zhì)電抗的公共點(diǎn)與同相端相連，而另一個(gè)異性電抗則連在反相端與輸出端之間。方法1仍然由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)A.若中間點(diǎn)交流接地,則首端與尾端相位相反。9.3.3三點(diǎn)式LC振蕩電路1.三點(diǎn)式LC并聯(lián)電路電容三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式

中間端的瞬時(shí)電位一定在首、尾端電位之間。三點(diǎn)的相位關(guān)系B.若首端或尾端交流接地,則其他兩端相位相同。方法29.3.3三點(diǎn)式LC振蕩電路2.電感三點(diǎn)式振蕩電路9.3.3三點(diǎn)式LC振蕩電路3.電容三點(diǎn)式振蕩電路Q值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。9.3.4石英晶體振蕩電路1.頻率穩(wěn)定問(wèn)題頻率穩(wěn)定度一般由來(lái)衡量——頻率偏移量?！袷庮l率。LC振蕩電路Q——數(shù)百石英晶體振蕩電路Q——100005000009.3.4石英晶體振蕩電路2.石英晶體的基本特性與等效電路結(jié)構(gòu)極板間加電場(chǎng)極板間加機(jī)械力晶體機(jī)械變形晶體產(chǎn)生電場(chǎng)壓電效應(yīng)交變電壓機(jī)械振動(dòng)交變電壓機(jī)械振動(dòng)的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高當(dāng)交變電壓頻率=固有頻率時(shí)，振幅最大。壓電諧振9.3.4石英晶體振蕩電路2.石英晶體的基本特性與等效電路等效電路A.串聯(lián)諧振特性晶體等效阻抗為純阻性B.并聯(lián)諧振通常所以9.3.4石英晶體振蕩電路2.石英晶體的基本特性與等效電路實(shí)際使用時(shí)外接一小電容Cs則新的諧振頻率為由于由此看出調(diào)整9.3.4石英晶體振蕩電路3.石英晶體振蕩電路串聯(lián)晶體振蕩器

并聯(lián)晶體振蕩器

++++9.4非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路9.4.1

比較器9.4.2

方波產(chǎn)生電路單門限電壓比較器遲滯電壓比較器9.4.3矩形波產(chǎn)生電路9.4.4方波和三角波發(fā)生器9.4.5脈沖和鋸齒波發(fā)生器9.4.1比較器1.理想運(yùn)放的同相和反相輸入端電流近似為零2.當(dāng)V+>V-時(shí)，Vo為正向輸出飽和電壓VOH

當(dāng)V+<V-時(shí)，Vo為負(fù)向輸出飽和電壓VOL其數(shù)值接近運(yùn)放的正負(fù)電源電壓

V+=V-是兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)一、運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)-V-I-+V+I+VoI+=I-≈0，由于|vO|不可能超過(guò)VM，9.4.1比較器二、單門限電壓比較器（1）過(guò)零比較器（忽略了放大器輸出級(jí)的飽和壓降）所以當(dāng)|+VCC|

=|-VEE|=VM=

15V，A0=105時(shí)，可以認(rèn)為vI>0時(shí)，vOmax=VOH=+VCCvI<0時(shí)，vOmax=VOL=-VEE（同相過(guò)零比較器）vI=0稱為門限電壓或閾值電壓Vth只有一個(gè)門限電壓的比較器9.4.1比較器輸入為正負(fù)對(duì)稱的正弦波時(shí)，輸出為方波。電壓傳輸特性（同相過(guò)零比較器）思考

1.若過(guò)零比較器如圖所示，則它的電壓傳輸特性將是怎樣的？2.輸入為正負(fù)對(duì)稱的正弦波時(shí)，輸出波形是怎樣的？（同相過(guò)零比較器）反相過(guò)零比較器9.4.1比較器（2）門限電壓不為零的比較器電壓傳輸特性輸入為正負(fù)對(duì)稱的正弦波時(shí)，輸出波形如圖所示。二、單門限電壓比較器門限電壓Vth＝VREFVREF可正可負(fù)對(duì)兩個(gè)輸入電壓進(jìn)行比較，比較兩個(gè)電壓的大小，將比較結(jié)果以高低電平的形式輸出。用于此功能的運(yùn)放通常工作在飽和區(qū)。通常將一個(gè)輸入電壓固定UR作為參考電壓，另一個(gè)輸入電壓Ui與UR比較，結(jié)果由Uo反映-+R1UiR2UR當(dāng)Ui>UR時(shí)，輸出應(yīng)為負(fù)飽和值，穩(wěn)壓管的導(dǎo)通,輸出電壓的幅度被限定在Uo=-UDUoRoDz當(dāng)Ui≤UR時(shí)，輸出為正飽和值，由于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用，Uo=UzUDURUoUiUz輸出電壓被限定在（UZ+UD)9.4.1比較器（2）門限電壓不為零的比較器二、單門限電壓比較器9.4.1比較器二、單門限電壓比較器應(yīng)用9.4.1比較器

由于在ui=Vth=VREF附近出現(xiàn)干擾，uO將時(shí)而為VOH，時(shí)而為VOL，導(dǎo)致比較器輸出不穩(wěn)定。如果用這個(gè)輸出電壓uO去控制電機(jī)，將出現(xiàn)頻繁的起停現(xiàn)象，這種情況是不允許的。

二、單門限電壓比較器存在的問(wèn)題-+R1ViR2VRVoRf引入正反饋加速輸出電壓變化VoViVOHVOLV2V11.當(dāng)輸出Vo為高電平VOH時(shí)，同相端受到VOH和VR同時(shí)作用當(dāng)Vi≥V1時(shí)，輸出將由高電平VOH跳變到低電平VOL

。V1稱為上門限電壓，也稱正向閾值電壓三、遲滯電壓比較器電路1-+R1ViR2VRVoRfVoViVOHVOLV2V1三、遲滯電壓比較器2.當(dāng)輸出Vo為低電平VOL時(shí)，同相端受到VOL和VR同時(shí)作用當(dāng)Vi≤V2時(shí)，輸出將由低電平VOL跳變到高電平VOH。V2稱為下門限電壓，也稱負(fù)向閾值電壓遲滯比較器上門限電壓：下門限電壓：門限寬度：(回差電壓)-+R1ViR2VRVoRfVoViVOHVOLV2V11.改變基準(zhǔn)電壓VR可改變上、下門限電壓V1、

V2，但不影響門限寬度V。2.改變正反饋系數(shù)R2/(R2+Rf),將影響V和V1、

V2。3.運(yùn)放的正負(fù)飽和電壓VOH、VOL，可通過(guò)加限幅電路限制其值電路1電路2電路3電路3遲滯比較器穩(wěn)壓管和電阻R4構(gòu)成穩(wěn)幅電路，使輸出電壓為±10V。

R1、R2構(gòu)成正反饋電路,使

閾值電壓

9.4.2方波產(chǎn)生電路為積分電路輸出電壓經(jīng)積分后產(chǎn)生一個(gè)變化的電壓替代遲滯比較器的輸入信號(hào)。

9.4.2方波產(chǎn)生電路假定電路的初始狀態(tài)

VC+-,VC＝0反向充電反向充電正向充電正向充電VCVC動(dòng)畫二9.4.2方波產(chǎn)生電路VC+-正向充電電容充放電時(shí)

三要素法9.4.3矩形波產(chǎn)生電路正向充電反向充電RoDz+-R1Vi1R4Vo1RfA1-+R2

Vo2CR3A2WA1—遲滯比較器,VR=0,V01=(VZ+VD)，A2—積分器,上下限電壓由Vi1和Vo1共同決定輸入一周期變化的信號(hào)輸出V01將是一方波輸入方波信號(hào)，輸出是一個(gè)三角波信號(hào)9.4.4方波和三角波發(fā)生器V0tVom1Vom2Von2Von1T1T2T方波和三角波發(fā)生器V01V02Vom1=VZ+VDVon1=-(VZ+VD)RoDz+-R1Vi1R4Vo1RfA1-+R2

Vo2CR3A2WA1同相端的電位Vi1↑→V稍大于零，比較器的輸出將由低電平Von1跳變到高電平Vom1。上門限電壓=Vom2=0Vi1↓→V稍小于零，比較器的輸出將由高電平Vom1跳變到低電平Von1。下門限電壓=Von2=0當(dāng)Vo1=Von1時(shí)，當(dāng)Vo1=Vom1時(shí)，方波和三角波發(fā)生器門限寬度周期T與頻率fRoDz+-R1Vi1R4Vo1RfA1-+R2

Vo2CR3A2WR22R21D1D2設(shè)計(jì)思想：將積分器的充放電回路分開(kāi)，從而改變T1和T2。1.當(dāng)Vo1為正電壓Vom1時(shí)，正電壓→W→D1→給C充電,積分時(shí)間常數(shù)1≈R21C.2.當(dāng)Vo1為負(fù)電壓Von1時(shí)，負(fù)電壓→W→D2→給C放電,積分時(shí)間常數(shù)2≈R22C.9.4.5脈沖和鋸齒波發(fā)生器小結(jié)

1、在第7章曾經(jīng)討論過(guò)，從振蕩條件考慮，當(dāng)反饋深度過(guò)深或環(huán)路增益過(guò)大時(shí)，負(fù)反饋放大電路趨向不穩(wěn)定，即產(chǎn)生自激振蕩。本章則是在電路中有意地構(gòu)成正反饋以滿足相位平衡和振幅平衡條件，形成自激以產(chǎn)生正弦信號(hào)，二者的工作過(guò)程，本質(zhì)上是相同的。

2、按結(jié)構(gòu)來(lái)分，正弦波振蕩電路主要有RC型和LC型兩大類，它們的基本組成包括：可進(jìn)行正常工作的放大電路A，能滿足相位平衡條件的反饋網(wǎng)絡(luò)F，其中A或F兼有選頻特性。一般從相位和幅度