模擬電子第七章

1、第7章 信號產生電路7.1 正弦波振蕩電路教學要求掌握正弦波振蕩電路的工作原理；掌握RC橋式振蕩電路的工作原理；理解變壓器反饋式、三點式LC及石英晶體振蕩電路的原理。引言    信號產生電路通常也稱振蕩器，用于產生一定頻率和幅度的信號。按輸出信號波形的不同可分為兩大類，即正弦波振蕩電路和非正弦波振蕩電路，而正弦波振蕩電路按電路形式又可分為RC振蕩電路、LC振蕩電路和石英晶體振蕩電路等；非正弦波振蕩電路按信號形式又可分為方波、三角波和鋸齒波振蕩電路等。    振蕩電路的性能指標主要有兩個：1.要求輸出信號的幅度要準確而且穩(wěn)定；2.要求輸

2、出信號的頻率要準確而且穩(wěn)定。一般來講準確度比穩(wěn)定度容易做到，而幅度穩(wěn)定比頻率穩(wěn)定容易實現(xiàn)。此外輸出波形的失真度、輸出功率和效率也是較重要的指標。一、正弦波振蕩電路的工作原理  （一）振蕩產生的基本原理    當反饋信號等于放大器的輸入信號時，振蕩電路的 輸出電壓不再發(fā)生變化，電路達到平衡狀態(tài)，因此將反饋信號等于放大器的輸入信號稱為振蕩的平衡條件。另外注意，這里的反饋信號和放大器的輸入信號都是復數(shù)，所以兩者相等是指大小相等而且相位也相同。      2.振蕩的起振條件    為

3、使振蕩電路在接通直流電源后能夠自動起振，則在相位上要求反饋電壓與輸入電壓同相，在幅度上要求UfUi，因此振蕩的起振條件也包括相位條件和振幅條件兩個方面，即        （三）電路的組成和起振的判斷    二、RC振蕩電路     采用RC選頻網絡構成的振蕩電路稱為RC振蕩電路，它適用于低頻振蕩，一般用于生產1Hz1MHz的低頻信號。常用的RC振蕩電路有RC橋式振蕩電路和RC移相式振蕩電路。   （一）RC橋式振蕩電路1. RC 串并聯(lián)選頻網絡 

4、       2.RC橋式振蕩電路    將RC 串并聯(lián)選頻網絡和放大器結合起來即可構成RC振蕩電路，放大器可采用集成運放。電路如下動畫所示，運算放大器的輸入端和輸出端分別跨接在電橋的對角線上，故把這種振蕩電路稱為RC橋式振蕩電路。圖中Rf采用了具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻，用以改善振蕩波形、穩(wěn)定振蕩幅度。負反饋支路中 采用熱敏電阻有不但使RC橋式振蕩電路的起振容易，振幅波形改善，同時還具有很好的穩(wěn)幅特性，所以實用RC橋式振蕩電路中的熱敏電阻的選擇是很重要的。     3）穩(wěn)幅措

5、施   為使電 Au 為非線性，起振時，應使 Au > 3，穩(wěn)幅后 Au = 3。    (二)RC 移相式振蕩電路    RC 移相式振蕩電路如下圖所示，電路采用三節(jié)RC超前相移網絡，三節(jié)相移網絡對不同頻率的信號產生的相移是不同的，電腦其中總有一個頻率的信號，通過此網絡產生的相移剛好為180°，滿足相位平衡條件而產生振蕩，該頻率即為振蕩頻率f0。    RC 移相式振蕩電路具有結構簡單、經濟方便等優(yōu)點。其缺點是選頻性能較差，頻率調節(jié)不方便，由于輸出

6、幅度不夠穩(wěn)定，輸出波形較差，一般只用于振蕩頻率固定，穩(wěn)定性要求不高的場合。   三、LC振蕩電路     采用LC諧振回路作為選頻網絡的振蕩電路 稱為LC振蕩電路，它主要用來生產高頻正弦振蕩信號，一般在1MHz以上。根據反饋形式的不同，LC振蕩電路可分為變壓器反饋式和三點式振蕩電路。   （一）變壓器反饋式LC振蕩電路     1.LC并聯(lián)諧振電路       回路品質因數(shù) Q用來評價回路損耗的大小，一般在幾十到幾百范圍。由以上分析可知

7、，并聯(lián)諧振的本質是電流諧振，并聯(lián)諧振具有很好的選頻作用。             2.變壓器反饋式振蕩電路     變壓器反饋式振蕩電路原理如下圖所示。L、Lf組成變壓器，其中L為次側線圈電感，Lf為反饋線圈電感，用來構成正反饋。L、C構成并聯(lián)諧振回路，作為放大器的負載，構成選頻放大器。由于LC回路的選頻作用，電路中只有等于諧振頻率的信號得到足夠的放大，只要變壓器一、二次間有足夠的偶合度，就能滿足振蕩的幅度條件而產生正弦波振蕩，其振蕩頻率決定于LC并聯(lián)諧振

8、回路的諧振頻率0。    （二）三點式LC振蕩電路    三點式LC振蕩電路的特點是電路中LC并聯(lián)諧振回路的三個端子分別與放大器的三個端子相連， 故而稱為三點式振蕩電路。     1.電感三點式振蕩電路    電感三點式振蕩電路（又稱哈特萊振蕩器）如上圖所示。三極管V構成共發(fā)射極放大電路，電感L1、L2和電容C構成正反饋選頻網絡。諧振回路的三個端點1、2、3分別與三極管的三個電極相接，反饋信號取自電感線圈L2兩端電壓，故稱為電感三點式振蕩電路，也稱電感反饋

9、式振蕩電路。    電感三點式振蕩電路的優(yōu)點是起振容易，因為L1、L2之間偶合很緊，正反饋較強的緣故。此 外，改變回路電容可調節(jié)振蕩信號頻率。由于反饋信號取自電感L2兩端，對高次偕波呈現(xiàn)高阻抗， 故不能抑制高次偕波的反饋，因此振蕩電路輸出信號中的高次偕波較多，信號波形較差。    優(yōu)點：易起振（L間耦合緊）；易調節(jié)（C可調）。    缺點：輸出取自電感，對高次諧波阻抗大，輸出波形差。     2.電容三點式振蕩電路   

10、60;電容三點式振蕩電路又稱考皮茲振蕩電路，其電路原理如下圖所示。電容C1、C2和電感L構成 正反饋選頻網絡，反饋信號取自電容C2兩端，故稱為電容三點式振蕩電路，也稱電容反饋式振蕩電 路。反饋信號與輸入端電壓同相，滿足振蕩的相位平衡條件，電路的振蕩頻率近似等于回路的諧振頻率。    電容三點式振蕩電路的反饋信號取自電容C2兩端，因為C2對高次偕波呈現(xiàn)較小的容抗，反饋信 號中高次偕波的分量小，故振蕩電路的輸出信號波形較好。但當改變C1或C2來調節(jié)振蕩頻率時，同 時回改變正反饋量的大小，因而會使輸出信號幅度發(fā)生變化，甚至可能會使振蕩電路停振。所以調節(jié)這種振蕩

11、電路的振蕩頻率很不方便。    優(yōu)點：波形較好。    缺點：1.調頻時易停振；2.V極間電容影響fo。     改進型電容三點式振蕩電路又稱可拉波電路，如上圖所示。在可拉波電路中，當C3比C1、C2小 得多時，振蕩頻率僅由C3和L來決定，與C1、C2基本無關，C1、C2僅構成正反饋，它們的容量相對 來說可以取得很大，從而減小與之相并聯(lián)的晶體管輸入電容、輸出電容的影響，提高了頻率的穩(wěn)定度。   四、石英晶體（Crystal）振蕩電路   （一）石

12、英晶體諧振器的阻抗特性     石英晶體因其具有壓電效應被用作振蕩器。所謂壓電效應，即當機械力作用于石英晶體使其發(fā)生機械變形時，晶片的對應面上會產生正、負電荷，形成電場；反之，在晶片的對應面上加一電場時，石英晶片會發(fā)生機械變形。當給石英晶片外加交變電壓時，石英晶片將按交變電壓的頻率發(fā)生 機械振動，同時機械振動又會在兩個電極上產生交變電荷，結果在外電路中形成交變電流。當外加交變電壓的頻率等于石英晶片的固有機械振動頻率時，晶片發(fā)生共振，此時機械振動幅度最大，晶和片兩面的電荷量電路中的交變電流也最大，產生了類似于回路的諧振現(xiàn)象，此現(xiàn)象稱為壓電諧振振。晶片的固有機械動頻率

13、稱為諧振頻率     1.結構和符號            5.使用注意事項       1)要接一定的負載電容 CL(微調)，以達標稱頻率。       2)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。   （二）石英晶體諧振電路    串聯(lián)型晶體

14、振蕩電路石英晶體作為一個正反饋通路元件，工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)。    并聯(lián)型晶體振蕩電路石英晶體作為一個高Q 值的電感元件，和回路中的其它元件形成并聯(lián)諧振。7.2 非正弦波信號產生電路教學要求掌握單限比較器與遲滯比較器的工作原理；熟悉壓控方波產生電路的工作原理；了解8038集成函數(shù)發(fā)生器的外部管腳排列及外接電路特點。一、電壓比較器(Comparer)     電壓比較器的基本功能是對兩個輸入電壓進行比較，并根據比較結果輸出高電平或低電平電 壓。電壓比較器廣泛應用于非正弦波信號的產生和變換以及模/數(shù)轉換等。  

15、;  電壓比較器分為基本比較器和遲滯比較器（施密特觸發(fā)器）兩大類，其中基本比較器又分為簡單比較器（單門限）和窗口比較器（雙門限）。   （一）單限電壓比較器    理想集成運放工作在開環(huán)狀態(tài)下，其輸出只有正飽和和負飽和值兩種狀態(tài)，當同相端輸入電壓 大于反，輸出為正飽和值，即UO=UOM，反之，輸出為負飽和值，即UO=-UOM。    比較器輸出由一種狀態(tài)跳變到另一種狀態(tài)時，所對應的輸入電壓值稱為門限電壓。只有一個門 限的比較器稱單限比較器，若門限電壓為零，稱為過零比較器。 &

16、#160;   1.過零電壓比較器      2.同相輸入單門限比較器    如果將參考電壓UREF接在運算放大器的反向端，待比較的輸入電壓uI接到同相端，如下圖所 示，即構成同相輸入單限電壓比較器，圖中輸出端所接穩(wěn)壓管用以限定輸出高低電平幅度，R為穩(wěn)壓管限流電阻。由于uI從同相端輸入且只有一個門限，把比較器輸出電平發(fā)生跳變時的輸入電壓稱為門限電壓UT，圖中的UT=UREF。由于uI從同相端輸入且只有一個門限，故稱同相輸入單限電壓比較器；反之，當uI從反相端輸入，UREF改接到同相端，

17、則稱反相輸入單限電壓比較器。    特點：1)工作在非線性區(qū) ；2)不存在虛短 (除了uI = UREF 時)；3)存在虛斷    （二）遲滯比較器    對于單限比較器，如果輸入電壓在門限附近有微小的干擾，就會導致狀態(tài)翻轉使比較器輸出電 壓不穩(wěn)定而出現(xiàn)錯誤階躍，為了克服這一缺點，常將比較器的輸出電壓通過反饋網絡加到同相輸入端，形成正反饋，將待比較電壓uI加到反相輸入端，參考電壓UREF通過R2接到運算放大器的同相 端，如圖所示，通常將此電路稱為反相輸入遲滯比較器，也稱反相輸入施密特觸發(fā)器。 &

18、#160;   1.電路和門限電壓       2.傳輸特性     二、方波產生電路(Astable Multivibrator)     用遲滯比較器構成的方波產生電路如下圖所示，由于方波包含極豐富的諧波，因此方波產生電路又稱多諧振蕩器。下圖電路用來產生固定的低頻率的方波信號，是一種較好的振蕩電路，但是輸出方波的前后沿陡度取決于集成運放的轉換速率SR，所 以當振蕩頻率較高時，為了獲得前后沿較陡的方波，必須使用SR較大的集成運放。   

19、;  1.電路組成和輸出波形     三、壓控方波產生電路     輸出信號頻率與輸入控制電壓成正比的波形產生電路稱為。若用直流電壓作為控制電壓，壓控 振蕩器可制成頻率調節(jié)十分方便的信號源；若用正弦波電壓作為控制電壓，壓控振蕩器就構成了調頻波振蕩器；當振蕩受鋸齒波電壓控制時，就構成了掃頻振蕩器等。  （一）積分 - 施密特觸發(fā)器型壓控振蕩器    （二）8038 集成函數(shù)發(fā)生器     8038 集成函數(shù)發(fā)生器是一種多用途的波形發(fā)生器，可以用來產

20、生正弦波、方波、三角波和鋸齒波，其振蕩頻率可通過外加的直流電壓進行調節(jié)，所以是壓控集成信號產生器。其內部電路結構所如下圖示。外接電容C的充、放電電流由兩個電流源控制，所以電容C兩端電壓uC的變化與時間成線性關系，從而可以獲得理想的三角波輸出。另外，8038 電路中含有正弦波變換器，故可以直接將三角波變成正弦波輸出。     1.原理          2.實際應用          &#

21、160;      7.3 鎖相頻率合成電路一、鎖相環(huán)路 PLL (Phase-Locked Loop)     鎖相環(huán)路（簡稱PLL）由鑒相路、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器組成的閉環(huán)電路，它是利用一種相位誤差信號去消除頻率誤差自動反饋控制電路，可實現(xiàn)無誤差頻率跟蹤，即當 鎖相環(huán)路鎖定時，輸出信號的頻率與輸入信號頻率相等，若輸入信號頻率發(fā)生變化，輸出信號的頻率也跟隨變化并保持相等。假如環(huán)路的輸出信號和輸入信號頻率不等，則稱鎖相環(huán)路處于失鎖狀態(tài)。   （一）鎖相環(huán)路組成和工作原理    鑒相器是相位比較器部件，能夠鑒別出兩個輸入信號之間的相位誤差，其輸出電壓與兩輸入信號之間的相位誤差成正比。    環(huán)路濾波器具有低通特性，用來消除鑒相器輸出信號中的高頻分量和噪聲，改善壓控振 蕩器控制電壓的頻譜純度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。    壓控振蕩器是一個電壓頻率（相位）變換電路，當uc（t）=0時它有一個固有振蕩頻率，用o0表示，在環(huán)路濾波器的輸出電壓uc（t）的作用下，其振蕩頻率o在o0上下