信號產(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信號產(chǎn)生電路學(xué)習(xí)指導(dǎo)小結(jié)作業(yè)在實踐中，廣泛采用各種類型的信號產(chǎn)生電路，就其波形來說，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)、視頻信號或脈沖信號運載出去，這就需要能產(chǎn)生高頻信號的振蕩器。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?，正弦波振蕩電路在各個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用是十分廣泛的。非正弦信號(方波、鋸齒波等)發(fā)生器在測量設(shè)備、數(shù)字系統(tǒng)及自動控制系統(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，也廣泛用于測量電路、自動控制系統(tǒng)和信號處理電路中。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)非正弦信號產(chǎn)生電路－－－波形分析、相關(guān)計算基本要求及學(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)，無須輸入信號就能起振，起振的信號源來自何處？電路器件內(nèi)部噪聲

當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時，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的噪聲信號被放大，成為振蕩電路的輸出信號。

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

一個反饋放大電路若能同時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，但并不見得一定能產(chǎn)生正弦波自激振蕩，即輸出信號不一定是正弦波。3.基本組成部分

這是因為，若同時有多種頻率的正弦波信號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。它的輸出信號就是一個由多種頻率的正弦波信號合成的非正弦波信號。

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頻率），使反饋放大電路對不同頻率的正弦波信號產(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滿足自激振蕩條件，保證電路輸出正弦波信號。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若放大電路的電壓增益為

用瞬時極性法判斷可知，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，(+)(+)(+)(+)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，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，二極管D1、D2接近開路，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，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，電路發(fā)生諧振。為諧振頻率諧振時阻抗最大且為純阻性其中為品質(zhì)因數(shù)同時有即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。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)9.3.3三點式LC振蕩電路1.三點式LC并聯(lián)電路電容三點式電感三點式諧振回路的三個引出端與三極管的三個電極相連(指交流連接),其中兩個同性質(zhì)電抗的公共點與發(fā)射極相連,而另一個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)9.3.3三點式LC振蕩電路1.三點式LC并聯(lián)電路電容三點式電感三點式諧振回路的三個引出端點與場效應(yīng)管的三個電極相連（指交流連接），其中兩個同性質(zhì)電抗的公共點與源極相連，而另一個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)9.3.3三點式LC振蕩電路1.三點式LC并聯(lián)電路電容三點式電感三點式諧振回路的三個引出端與集成運放的三個端子(同相端、反相端、輸出端)相連(指交流連接),其中兩個同性質(zhì)電抗的公共點與同相端相連，而另一個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.若中間點交流接地,則首端與尾端相位相反。9.3.3三點式LC振蕩電路1.三點式LC并聯(lián)電路電容三點式電感三點式

中間端的瞬時電位一定在首、尾端電位之間。三點的相位關(guān)系B.若首端或尾端交流接地,則其他兩端相位相同。方法29.3.3三點式LC振蕩電路2.電感三點式振蕩電路9.3.3三點式LC振蕩電路3.電容三點式振蕩電路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)定問題頻率穩(wěn)定度一般由來衡量——頻率偏移量。——振蕩頻率。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)極板間加電場極板間加機(jī)械力晶體機(jī)械變形晶體產(chǎn)生電場壓電效應(yīng)交變電壓機(jī)械振動交變電壓機(jī)械振動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，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際使用時外接一小電容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.理想運放的同相和反相輸入端電流近似為零2.當(dāng)V+>V-時，Vo為正向輸出飽和電壓VOH

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

V+=V-是兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)折點一、運放工作在非線性區(qū)時的特點-V-I-+V+I+VoI+=I-≈0，由于|vO|不可能超過VM，9.4.1比較器二、單門限電壓比較器（1）過零比較器（忽略了放大器輸出級的飽和壓降）所以當(dāng)|+VCC|

=|-VEE|=VM=

15V，A0=105時，可以認(rèn)為vI>0時，vOmax=VOH=+VCCvI<0時，vOmax=VOL=-VEE（同相過零比較器）vI=0稱為門限電壓或閾值電壓Vth只有一個門限電壓的比較器9.4.1比較器輸入為正負(fù)對稱的正弦波時，輸出為方波。電壓傳輸特性（同相過零比較器）思考

1.若過零比較器如圖所示，則它的電壓傳輸特性將是怎樣的？2.輸入為正負(fù)對稱的正弦波時，輸出波形是怎樣的？（同相過零比較器）反相過零比較器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)對稱的正弦波時，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)對兩個輸入電壓進(jìn)行比較，比較兩個電壓的大小，將比較結(jié)果以高低電平的形式輸出。用于此功能的運放通常工作在飽和區(qū)。通常將一個輸入電壓固定UR作為參考電壓，另一個輸入電壓Ui與UR比較，結(jié)果由Uo反映-+R1UiR2UR當(dāng)Ui>UR時，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，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將時而為VOH，時而為VOL，導(dǎo)致比較器輸出不穩(wěn)定。如果用這個輸出電壓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，同相端受到VOH和VR同時作用當(dāng)Vi≥V1時，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，同相端受到VOL和VR同時作用當(dāng)Vi≤V2時，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.運放的正負(fù)飽和電壓VOH、VOL，可通過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)生一個變化的電壓替代遲滯比較器的輸入信號。

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動畫二9.4.2方波產(chǎn)生電路VC+-正向充電電容充放電時

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輸出V01將是一方波輸入方波信號，輸出是一個三角波信號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，當(dāng)Vo1=Vom1時，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)計思想：將積分器的充放電回路分開，從而改變T1和T2。1.當(dāng)Vo1為正電壓Vom1時，正電壓→W→D1→給C充電,積分時間常數(shù)1≈R21C.2.當(dāng)Vo1為負(fù)電壓Von1時，負(fù)電壓→W→D2→給C放電,積分時間常數(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，從振蕩條件考慮，當(dāng)反饋深度過深或環(huán)路增益過大時，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，二者的工作過程，本質(zhì)上是相同的。

2、按結(jié)構(gòu)來分，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