模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 第11章信號(hào)產(chǎn)生電路的課件

第11章信號(hào)產(chǎn)生電路11.1正弦波振蕩器11.2非正弦波振蕩器11.3單片集成函數(shù)發(fā)生器11.4Multisim仿真—LC諧振放大器的特性第11章信號(hào)產(chǎn)生電路學(xué)習(xí)本章后，讀者可以了解：正弦波振蕩器的原理、組成和振蕩過(guò)程，正弦波振蕩器的分析方法；RC串并聯(lián)電路的選頻特性，RC串并聯(lián)正弦波振蕩器的組成、工作原理和特性參數(shù)的計(jì)算；LC并聯(lián)諧振電路的特性，LC選頻放大電路；變壓器反饋式、電感反饋式和電容反饋式LC振蕩電路的組成、工作原理和特性參數(shù)的計(jì)算；石英晶體諧振器的結(jié)構(gòu)和選頻特性，石英晶體正弦波振蕩器；單片集成函數(shù)發(fā)生器ICL8038、壓控振蕩器和三角波-正弦波變換器的工作原理，ICL8038的應(yīng)用電路。第11章信號(hào)產(chǎn)生電路圖(a)正弦波(b)矩形波圖1在沒(méi)有輸入信號(hào)的情況下產(chǎn)生周期性振蕩輸出信號(hào)的電子電路稱為信號(hào)產(chǎn)生電路，簡(jiǎn)稱為振蕩器。根據(jù)所產(chǎn)生的波形可以分為正弦波振蕩器和非正弦波（矩形脈沖、三角波、鋸齒波等）振蕩器。振蕩器既可由分立元件、集成運(yùn)放組成，也可由集成信號(hào)發(fā)生器組件實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用

正弦波振蕩器能產(chǎn)生頻率范圍寬（1Hz-1GHz）、輸出功率大(幾mW-幾十kW)的正弦波信號(hào)，廣泛應(yīng)用于通信、遙控遙感、航空航天、無(wú)線電廣播、檢測(cè)技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、熱處理、電加工等領(lǐng)域。無(wú)線電發(fā)射機(jī)---產(chǎn)生載荷信息的載波信號(hào)。超外差接收機(jī)---產(chǎn)生本地振蕩信號(hào)。各種電子測(cè)量設(shè)備和計(jì)時(shí)儀表---產(chǎn)生頻率（或時(shí)間）基準(zhǔn)信號(hào)。工業(yè)生產(chǎn)部門廣泛應(yīng)用的高頻電加熱設(shè)備等。電警棍超聲波振蕩器電腦無(wú)線發(fā)射器

應(yīng)用微波爐無(wú)線發(fā)射機(jī)11.1正弦波振蕩器11.1.1正弦波振蕩電路原理11.1.2RC正弦波振蕩電路11.1.3LC諧振回路的特性和選頻放大器11.1.4LC正弦波振蕩器11.1.5石英晶體振蕩器已知，在負(fù)反饋放大電路中，當(dāng)附加相移達(dá)到1800、環(huán)路增益大于等于1時(shí)，電路會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。正弦波振蕩器正是利用自激振蕩原理產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波輸出信號(hào)。為了有利于自激振蕩，在基本放大電路的增益最大的頻段引入正反饋。因?yàn)椋瑘D(a)簡(jiǎn)化為圖(b)。在沒(méi)有外加輸入信號(hào)的情況下，反饋信號(hào)維持了穩(wěn)定的輸出信號(hào)。11.1.1正弦波振蕩電路原理1．平衡振蕩條件1．平衡振蕩條件如果環(huán)路增益等于1，即此即正弦波振蕩器的平衡振蕩條件，可分解為相位平衡條件和幅度平衡條件：相位平衡條件表示正反饋。通常，電路結(jié)構(gòu)影響相位平衡條件，電路參數(shù)影響幅度平衡條件。為了產(chǎn)生單一頻率的正弦波，基本放大電路或者反饋網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有選頻功能，使電路在特定頻率滿足平衡振蕩條件。否則，輸出信號(hào)的諧波成分嚴(yán)重。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)部噪聲以及電源接通擾動(dòng)。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起振條件2.起振和穩(wěn)幅振蕩電路產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出信號(hào)必須經(jīng)歷起振和穩(wěn)幅兩個(gè)過(guò)程。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放大電路（包括負(fù)反饋放大電路）振蕩電路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。通常與反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一。）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)判斷電路能否產(chǎn)生正弦振蕩的一般方法是：（1）電路是否具有放大、反饋、選頻和穩(wěn)幅功能。（2）是否滿足相位平衡條件。一般用瞬時(shí)極性法判斷，若是正反饋則滿足相位平衡條件。（3）是否滿足幅度平衡條件。3．分析方法RC振蕩器有RC串并聯(lián)型，RC移相型和RC雙T型等電路。它們的共同特點(diǎn)是反饋網(wǎng)絡(luò)兼作選頻網(wǎng)絡(luò)（合二為一）。11.1.2RC正弦波振蕩器1．RC串并聯(lián)電路的選頻特性低頻高頻1．RC串并聯(lián)電路的選頻特性令分母的虛部為零，得當(dāng)R1=R2=R、C1=C2=C時(shí)， （11.1.8）

1．RC串并聯(lián)電路的選頻特性當(dāng)f=fo時(shí)，相移φf(shuō)＝0，幅值達(dá)到最大值F=1/3。當(dāng)f→0時(shí)，φf(shuō)＝90°,F=0；當(dāng)f→∞時(shí)，φf(shuō)＝-90°,F=0。反饋網(wǎng)絡(luò)兼做選頻網(wǎng)絡(luò)RC串并聯(lián)振蕩電路D1D2R2R3RC串并聯(lián)電路作選頻和正反饋；R2、R3、D1和D2組成非線性電阻Rf，是穩(wěn)幅電路；Rf、R1和運(yùn)放A組成同相比例放大電路。由于RC串并聯(lián)電路、Rf和R1正好形成一個(gè)四臂電橋，稱為文氏電橋，故又稱為文氏電橋振蕩器。2．RC串并聯(lián)振蕩電路RC串并聯(lián)振蕩電路D1D2R2R3（2）相位平衡條件當(dāng)f=fo時(shí)，RC串并聯(lián)電路的φf(shuō)＝0，F(xiàn)=1/3，滿足相位平衡條件：φa+φf(shuō)＝0。其它頻率則不滿足。

2．RC串并聯(lián)振蕩電路（1）放大電路增益同相比例放大電路的增益為（3）起振起振時(shí)，輸出信號(hào)小，D1和D2截止。則AF>1，滿足起振條件。選擇R2=2R1，則AF=1，滿足幅度平衡條件。

2．RC串并聯(lián)振蕩電路（4）幅度平衡條件當(dāng)輸出信號(hào)足夠大時(shí)，D1和D2導(dǎo)通。忽略二極管的導(dǎo)通電阻，同相放大電路的增益為：如果增益RC串并聯(lián)振蕩電路D1D2R2R3（5）振蕩頻率和幅度電路的輸出電壓幅度為式中，Von是二極管的導(dǎo)通壓降。RC串并聯(lián)振蕩電路D1D2R2R32．RC串并聯(lián)振蕩電路電路的振蕩頻率為非線性元件穩(wěn)幅使輸出電壓諧波大。在每個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，輸出電壓在負(fù)峰值與正峰值之間變化。當(dāng)輸出電壓絕對(duì)值小時(shí)二極管截止，放大電路的增益大；電壓絕對(duì)值大時(shí)二極管導(dǎo)通，放大電路的增益小，導(dǎo)致輸出諧波大。穩(wěn)幅電路可以采用非線性元件、熱敏線性電阻和壓控線性電阻實(shí)現(xiàn)增益自動(dòng)調(diào)節(jié)。3．穩(wěn)幅電路正溫度系數(shù)的熱敏電阻穩(wěn)幅toCR1是具有正溫度系數(shù)的熱敏線性電阻。起振時(shí)，即熱敏電阻的作用穩(wěn)幅采用非線性元件場(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3．穩(wěn)幅電路頻段開(kāi)關(guān)S穩(wěn)幅電路頻率調(diào)節(jié)電路補(bǔ)充：RC移相式振蕩電路

1.RC移相電路

（1）RC超前移相電路

（2）RC滯后移相電路

φF+90°+180°+270°0°選擇單級(jí)移相60o,φF-90°-180°-270°0°2.RC移相式振蕩電路

在f0處滿足相位條件：等效損耗電阻一般有則當(dāng)時(shí)，電路諧振。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1．LC并聯(lián)回路的選頻特性11.1.3LC諧振回路的特性和選頻放大器（3）諧振時(shí)，電容的電流為所以即諧振時(shí)，電感電流和電容電流形成回路電流，稱為槽路電流，槽路電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于LC并聯(lián)電路的外部電流。說(shuō)明:當(dāng)電感釋放能量（磁場(chǎng)能）時(shí)電容吸收能量，而電容釋放能量（電場(chǎng)能）時(shí)電感吸收能量。諧振時(shí)，電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能的相互轉(zhuǎn)換正是諧振的實(shí)質(zhì)。

1．LC并聯(lián)回路的選頻特性11.1.3LC諧振回路的特性和選頻放大器（a）幅頻特性（b）相頻特性11.1.3LC諧振回路的特性和選頻放大器（4）阻抗頻率特性：分解為：幅頻特性相頻特性2.選頻放大電路以LC并聯(lián)諧振回路作為共射電路的集電極負(fù)載，則可組成具有選頻和放大功能的選頻放大電路。“*”表示變壓器的同名端，表明按圖示的參考方向，原邊電壓和付邊電壓相位相同。11.1.3LC諧振回路的特性和選頻放大器諧振頻率：2.選頻放大電路11.1.3LC諧振回路的特性和選頻放大器放大電路的增益為：幅頻響應(yīng)忽略LC諧振回路的電阻（Z0→∞），則在諧振頻率處，最大增益為如果對(duì)選頻放大器引入正反饋，并用反饋信號(hào)取代輸入信號(hào)，則可組成LC正弦波振蕩器。LC振蕩器常用于產(chǎn)生1MHz以上頻率的正弦波。由于普通運(yùn)放頻帶較窄，一般由分立元件放大器或高頻集成放大電路組成LC振蕩器，分為變壓器反饋式、電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式振蕩器。它們的共同點(diǎn)是用LC并聯(lián)諧振回路作選頻電路。11.1.4LC正弦波振蕩器雖然波形出現(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)。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)選擇高增益的場(chǎng)效應(yīng)管和調(diào)整變壓器的匝數(shù)比，可以滿足使電路可以起振。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）11.1.4LC正弦波振蕩器1．變壓器反饋式11.1.4LC正弦波振蕩器放大器的輸入電阻既是付邊的負(fù)載電阻RL。在諧振頻率，放大電路的增益為：輸入電阻：反饋系數(shù)：電路的振蕩頻率是LC回路的諧振頻率，即1．變壓器反饋式11.1.4LC正弦波振蕩器特點(diǎn)：變壓器反饋式正弦波振蕩電路易于產(chǎn)生振蕩（調(diào)整變比），波形較好。但是，磁耦合反饋的損耗較大，振蕩頻率的穩(wěn)定度不夠高。起振條件是：2．電感反饋式正弦波振蕩器11.1.4LC正弦波振蕩器LC諧振回路中的總電感為L(zhǎng)＝L1+L2+2M，M為互感諧振角頻率為：諧振頻率對(duì)應(yīng)的反饋系數(shù)：輸入電阻：2．電感反饋式正弦波振蕩器11.1.4LC正弦波振蕩器諧振時(shí)，Ri等效到電感線圈的2端和3端的電阻： 忽略LC諧振回路的損耗，諧振時(shí)放大電路的增益：

可見(jiàn)，唯有在諧振頻率處，滿足相位平衡條件：φa+φf(shuō)＝1800+1800=3600。采用瞬時(shí)極性法定性分析相位平衡條件，如圖示。11.1.4LC正弦波振蕩器起振條件：電路的振蕩頻率是LC回路的諧振頻率，即：特點(diǎn)：由于反饋電壓取自電感，感抗隨頻率升高而增大，增強(qiáng)反饋電壓中的高次諧波，使輸出波形不理想。在要求輸出更純的正弦波時(shí)，可采電容反饋式振蕩電路。

用可變電容替換固定電容C可實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍較寬。通常振蕩頻率在幾百kHz到幾十MHz之間。3．電容反饋式正弦波振蕩器11.1.4LC正弦波振蕩器電容C1和C2串聯(lián)，與電感L組成LC諧振回路。諧振角頻率：諧振頻率對(duì)應(yīng)的反饋系數(shù)：

晶體管T構(gòu)成共射極放大電路，輸入電阻為：3．電容反饋式正弦波振蕩器11.1.4LC正弦波振蕩器諧振時(shí)，Ri等效到諧振回路的2端和3端的電阻為： 忽略LC諧振回路的損耗，諧振時(shí)放大電路的增益為唯有在諧振頻率處，滿足相位平衡條件：φa+φf(shuō)＝1800+1800=3600。采用瞬時(shí)極性法定性分析相位平衡條件，如圖示。

起振條件：電路的振蕩頻率是LC回路的諧振頻率，即：由于反饋電壓取自電容，容抗隨頻率升高而減小，抑制反饋電壓中的高次諧波，因而輸出波形是較純的正弦波。適當(dāng)選擇C1/C2或選擇合適的晶體管β，可滿足上述起振條件。3．電容反饋式正弦波振蕩器11.1.4LC正弦波振蕩器注意：C1和C2必須同步調(diào)整，以保證起振條件，故頻率調(diào)整不方便。3．電容反饋式正弦波振蕩器11.1.4LC正弦波振蕩器振蕩頻率：輸入電容Ci：主要是晶體管的發(fā)射結(jié)電容寄生電容：輸出電容Co：主要是晶體管的集電結(jié)電容晶體管極間電容是溫度的函數(shù)，C1和C2必須遠(yuǎn)大于Ci和Co，振蕩頻率才不受Ci和Co的影響，提高振蕩頻率穩(wěn)定性。3．電容反饋式正弦波振蕩器11.1.4LC正弦波振蕩器選擇C1和C2遠(yuǎn)大于Ci、Co和C3，消除了Ci和Co對(duì)振蕩頻率的影響。振蕩頻率：

在LC振蕩回路中，C1、C2和C3串聯(lián)，回路總電容： 頻率穩(wěn)定度定義：各種因素引起的振蕩頻率變化量Δf0與振蕩頻率f0之比（Δf0/f0）。改進(jìn)的電容反饋式正弦波振蕩器的頻率穩(wěn)定度Δf0/f0可小于0.01％，頻率穩(wěn)定度較高。11.1.5石英晶體振蕩器頻率穩(wěn)定問(wèn)題如果對(duì)振蕩頻率的穩(wěn)定性要求更高，可在振蕩電路中用石英晶體諧振器取代LC選頻電路，構(gòu)成石英晶體振蕩器。石英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度高達(dá)10-9~10-11。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11.1.5石英晶體振蕩器1．石英晶體諧振器的電特性等效電路:(1)串聯(lián)諧振電特性:晶體等效阻抗為純阻性。(2)并聯(lián)諧振通常所以（a）符號(hào)（b）電路模型（c）電抗-頻率響應(yīng)特性11.1.5石英晶體振蕩器1．石英晶體諧振器的電特性11.1.5石英晶體振蕩器1．石英晶體諧振器的電特性（3）電抗頻率特性忽略電阻R，回路的等效阻抗:

Z近似為純電抗X。當(dāng)f<fs時(shí)，X<0，呈容性；當(dāng)fs<f<fp時(shí)，X>0，呈感性；當(dāng)f>fp時(shí)，X<0，呈容性。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1．石英晶體諧振器的電特性（4）石英晶體并聯(lián)諧振電路

(a)串聯(lián)型f0=fs

（b）并聯(lián)型fs<f0<fp2.石英晶體振蕩電路按照石英晶體諧振器是以串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振形式的不同，分串聯(lián)型和并聯(lián)型石英晶體振蕩器。在電容反饋式LC振蕩器中，用石英晶體諧振器代替電感L，即構(gòu)成并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩器。

石英晶體的阻抗頻率特性曲線如圖。石英晶體的電抗曲線具有一個(gè)串聯(lián)諧振頻率fs,一個(gè)并聯(lián)諧振頻率fp，二者十分接近。

對(duì)于圖(a)的電路與電感反饋式振蕩電路相似。要使反饋信號(hào)能傳遞到發(fā)射極，為此石英晶體應(yīng)處于串聯(lián)諧振點(diǎn)，此時(shí)晶體的阻抗接近為零。對(duì)于圖(b)的電路，滿足正反饋的條件，為此，石英晶體必須呈電感性才能形成LC并聯(lián)諧振回路，產(chǎn)生振蕩。由于石英晶體的Q值很高，可達(dá)到幾千以上，電路可以獲得很高的振蕩頻率穩(wěn)定性。第11章信號(hào)產(chǎn)生電路11.2非正弦波振蕩器11.2.1矩形波振蕩器11.2.2三角波振蕩器11.2.3鋸齒波振蕩器11.2.1矩形波振蕩器11.2非正弦波振蕩器反相遲滯比較器(a)電路AvOvI(b)反相遲滯比較器的傳輸特性oVT-VT+VOH=VZVOL=-VZ1.基本結(jié)構(gòu)：由反相遲滯過(guò)零比較器和RC電路組成。上限閾值電壓：

（11.2.1a）

下限閾值電壓：A2.工作原理：(1)設(shè)vo

=

+VZ,

此時(shí)，vO給C充電,vc，則：v+=VT+0tuo+VZ-VZucVT+0t一旦vc>VT+

,就有v->v+,vo

立即由＋VZ變成－VZ。在vc<VT+時(shí)，v-

<v+,

設(shè)uC初始值uC(0+)=0vo保持+VZ不變+VZ11.2.1矩形波振蕩器A此時(shí)，C向vO放電,再反向充電(2)當(dāng)vo

=

-VZ時(shí)，v+=VT-vc達(dá)到VT-時(shí)，vo上跳。VT+vctVT-當(dāng)vo

重新回到＋VZ

后，電路又進(jìn)入另一個(gè)周期性的變化。-VZ0VT+vctVT-+VZvo0t-VZT完整的波形：計(jì)算振蕩周期T。A3.周期與頻率的計(jì)算：0VT+vctVT-+VZ-VZT1T2TT=T1+T2=2T2

vc(t)=vC()+vC(0+)-vC()e,=RC-tT2階段vc(t)的過(guò)渡過(guò)程方程為:可推出:因?yàn)殡娙莩潆姾头烹姷臅r(shí)間常數(shù)、電壓變化幅度等相同，所以輸出高電平、低電平持續(xù)時(shí)間相等的方波。A4.占空比可調(diào)的方波發(fā)生器UZuo0t-UZD2D1RW充電放電充電時(shí)間：放電時(shí)間：周期T： （11.2.4）

占空比ρ：電路結(jié)構(gòu)：遲滯比較器+反相積分器工作原理：若vo1=+VZ，vo2↓，u+↓。當(dāng)v+≤0時(shí)，vo1翻轉(zhuǎn)為-VZ。若vo1=-VZ，vo2↑，u+↑

。當(dāng)v+≥0時(shí)，vo1翻轉(zhuǎn)為+VZ。vO1vI(b)同相遲滯比較器的傳輸特性VOH=VZVOL=-VZoVT-VT+(a)電路11.2.2三角波振蕩器波形圖振蕩周期：0VT+uo2tVT-+UZuo10t

-VZT三角波輸出電壓峰峰值Vopp:因此，調(diào)節(jié)R或C值只改變振蕩周期而不影響振蕩幅度。

11.2.3鋸齒波振蕩器三角波的上升斜率和下降斜率的絕對(duì)值相等，而鋸齒波的上升斜率和下降斜率的絕對(duì)值不相等，改變?nèi)遣娐分蟹聪喾e分器的正反向充電時(shí)間常數(shù)即可。鋸齒波振蕩電路鋸齒波振蕩器輸出電壓波形斜率-VZ/(R+RW1)C斜率VZ/(R+RW2)C

11.2.3鋸齒波振蕩器鋸齒波振蕩電路鋸齒波振蕩器輸出電壓波形斜率-VZ/(R+RW1)C斜率VZ/(R+RW2)C輸出電壓的上升時(shí)間：輸出電壓的下降時(shí)間：振蕩周期：鋸齒波輸出電壓峰峰值Vopp：11.3單片集成函數(shù)發(fā)生器單片集成函數(shù)發(fā)生器是一種可以同時(shí)產(chǎn)生三角波、方波和正弦波的專用集成電路。通過(guò)調(diào)節(jié)外部電路參數(shù)，還可以獲得鋸齒波和矩形波。電路核心是一個(gè)壓控振蕩器，產(chǎn)生三角波和方波，通過(guò)三角波-正弦波變換器形成正弦波。常用的單片集成函數(shù)發(fā)生器有ICL8038、NE566和XR2206。圖11.3.1ICL8038函數(shù)發(fā)生器簡(jiǎn)化電路圖三角波正弦波變換1058711923C2C1vI+VCCRRRT1T2T3T4T6T7T8T5RBRAiBiBiTiAiAIBIASRb7R1R240kΩ10kΩ遲滯比較器壓控電流