模擬電子技術(shù)簡(jiǎn)明教程(第三)第九章波形發(fā)生電路

第一節(jié)正弦波振蕩電路的分析方法正弦波振蕩電路的組成與分類產(chǎn)生正弦波振蕩的條件正弦波振蕩電路的分析步驟現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二正弦波和非正弦波發(fā)生電路常常作為信號(hào)源被廣泛應(yīng)用于無(wú)線電通信以及自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)控制等系統(tǒng)中。電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常使用的低頻信號(hào)發(fā)生器是一種正弦波振蕩電路。大功率振蕩電路還可以直接為工業(yè)生產(chǎn)提供能源，例如高頻加熱爐的高頻電源。此外，如超聲探傷、無(wú)線電和廣播電視信號(hào)的發(fā)送和接收等，都離不開正弦波振蕩電路?，F(xiàn)在是2頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二一、產(chǎn)生正弦波振蕩的條件1SA

·Ui··Uo=放大電路A

·Ui··Uf·Uo=·F反饋網(wǎng)絡(luò)·F2現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二一、產(chǎn)生正弦波振蕩的條件·A·F=1所以產(chǎn)生正弦波振蕩的條件是1SA

·Ui··Uo=放大電路A

·Ui··Uf·Uo=·F反饋網(wǎng)絡(luò)·F2放大電路產(chǎn)生自激振蕩的條件可表示為現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二振幅平衡條件相位平衡條件所以，自激振蕩條件也可以寫成：n是整數(shù)相位條件意味著振蕩電路必須是正反饋；振幅條件可以通過(guò)調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達(dá)到。自激振蕩的條件：因?yàn)椋?.Xdof基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)FXX現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二二、起振條件和穩(wěn)幅原理起振條件：結(jié)果：產(chǎn)生增幅振蕩（略大于）1、被動(dòng)穩(wěn)幅：器件非線性2、主動(dòng)穩(wěn)幅：在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)放大電路的增益。穩(wěn)幅過(guò)程：起振時(shí)，穩(wěn)定振蕩時(shí)，穩(wěn)幅措施：起振過(guò)程Xdof基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)FXX現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二三、正弦波振蕩電路的組成

放大電路：能量控制，保證輸出有一定的幅度；

選頻網(wǎng)絡(luò)：確定輸出信號(hào)為單一頻率的正弦波；

反饋網(wǎng)絡(luò)：引入正反饋；

穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：使輸出信號(hào)幅值穩(wěn)定。其中選頻網(wǎng)絡(luò)往往與反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一,穩(wěn)幅環(huán)節(jié)用非線性元件實(shí)現(xiàn).現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件分類。RC正弦波振蕩電路：幾百千赫以下2)LC正弦波振蕩電路：幾百千赫～幾百兆赫3)石英晶體正弦波振蕩電路：振蕩頻率穩(wěn)定四、正弦波振蕩器的分類現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二>1·A·F根據(jù)估算起振條件

f=f0即3.估算振蕩頻率和起振條件1.檢查電路是否具備正弦波振蕩的基本組成部分，靜態(tài)工作點(diǎn)是否合適。五、正弦波振蕩電路分析步驟2.分析電路是否滿足自激振蕩條件的相位條件。用瞬時(shí)極性法。估算振蕩頻率根據(jù)現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二9.1正弦波振蕩電路的分析方法小結(jié)1.條件Xdof基本放大器A反饋與選頻網(wǎng)絡(luò)FXX振幅平衡條件相位平衡條件起振時(shí)需要3.分類RC，

LC，

石英晶體5.與負(fù)反饋區(qū)別2.組成1)放大電路：放大作用2)正反饋網(wǎng)絡(luò)：滿足相位條件3)選頻網(wǎng)絡(luò)：讓f0通過(guò),衰減其它頻率4)非線性環(huán)節(jié)：穩(wěn)幅Xi

–f基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)FX+doXX4.分析步驟現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二第二節(jié)RC正弦波振蕩電路RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路RC移相式振蕩電路雙T

選頻網(wǎng)絡(luò)振蕩電路現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二一.RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)R1C1

串聯(lián)阻抗：R2C2

并聯(lián)阻抗：選頻特性：現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二1.定性分析（1）當(dāng)信號(hào)的頻率很低時(shí)。>>R1>>R2其低頻等效電路為：其頻率特性為：當(dāng)ω=0時(shí)，uf=0，│F│=0

當(dāng)ω↑時(shí)，uf=↑，│F│↑↓0|F|0φF90°現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二（2）當(dāng)信號(hào)的頻率很高時(shí)。＜＜R1＜＜R2其高頻等效電路為：其頻率特性為：當(dāng)ω=∞時(shí)，uf=0，│F│=0

當(dāng)ω↓時(shí)，uf=↑，│F│↑↓0|F|0φF-90°現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二ω0=？│F│max=？由以上分析知：一定有一個(gè)頻率ω0存在，當(dāng)ω=ω0時(shí)，│F│最大，且=0°0|F|0φF90°0|F|0φF-90°頻率很低頻率很高現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二2.定量分析R1C1

串聯(lián)阻抗：R2C2

并聯(lián)阻抗：現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二通常，取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，則有：式中：可見：當(dāng)時(shí)，│F│最大，且=0°

│F│max=1/3現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)完整的頻率特性曲線：當(dāng)時(shí)，│F│=│F│max=1/3φF+90°|F|φF+90°|F|現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二+-ARFR′Uo·R1R2C1C2二、RC

串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路R1、C1和

R2

、C2及

RF和

R′組成一四臂電橋,因此電路又稱為：文氏電橋振蕩電路。1.電路組成Uo·Uf·Ui·振蕩電路的工作原理動(dòng)畫RC振蕩電路的幾種工作狀態(tài)動(dòng)畫現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二2.振蕩頻率和起振條件

f0

=12πRC（2)起振條件A

>3·1

+RFR′

Auf=RF>2R′（1)振蕩頻率>1·A·F31·F

=+-ARFR′Uo·R1R2C1C2RC

串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路

現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二+-ARFR′Uo·RRC2RwRwC1C3C2C1C34.振蕩頻率的調(diào)節(jié)f0

=12πRC只要改變電阻R

或電容C

的值，即可調(diào)節(jié)振蕩頻率。粗調(diào)細(xì)調(diào)采用這種方法可以很方便地在一個(gè)比較寬廣的范圍內(nèi)對(duì)振蕩頻率進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)?，F(xiàn)在是22頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二RC

串并聯(lián)振蕩電路特點(diǎn):調(diào)頻方便,便于加負(fù)反饋穩(wěn)幅電路,輸出波形良好。振蕩頻率均與RC

成反比，一般用來(lái)產(chǎn)生幾赫至幾百千赫的低頻信號(hào)。+-ARFR′Uo·R1R2C1C2RC

串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路

f0

=12πRC現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二9.2RC正弦波振蕩電路–小結(jié)RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)φF+90°|F|現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二RC橋式振蕩器31=F11f+=RRA9.2RC正弦波振蕩電路–小結(jié)（續(xù)）現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二[例9.2.1]判斷以下電路是否滿足相位平衡條件？若滿足，

RF為多大才能保證電路起振？已知Re1

=4.7

kΩ。滿足相位平衡條件。1

+

RFRe1

Auf=RF>2Re1=9.4kΩUf·Uo·=RF+Re1Re1解：VT1VT2Rc2Rc1Re2Re1+VCCRFC1RbRRCCUo·Uf·現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二第三節(jié)LC

正弦波振蕩電路變壓器反饋式振蕩電路電容三點(diǎn)式振蕩電路LC并聯(lián)電路的選頻特性電感三點(diǎn)式振蕩電路現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二一、LC

并聯(lián)電路的選頻特性當(dāng)Q

>>1

時(shí)ω0

≈

1LC或f0≈

1LC2π低頻時(shí)并聯(lián)阻抗為感性，高頻時(shí)并聯(lián)阻抗為容性，在某一中間頻率時(shí)為純阻性。令Q

=

Rω0L稱為品質(zhì)因數(shù)。RCU·LI·+-Z

LC

并聯(lián)電路Y

=jωC+R+

jωL1ω0

=

1）（Rω0L

+

12·1LC=（ωL）（ωL）+

jωC-

RωLR2

+

2R2

+

2現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二LC并聯(lián)電路諧振時(shí),Z0

=

Y01=RR2

+

2（ω0L）Z

=

-

jωC1(R+jωL)-

jωC1(R+jωL)+

=L/RC1+j(1

–)ω2LC1ωLRRCU·LI·+-Z

LC

并聯(lián)電路Z0=

L/

RC

≈=R2（ω0L）Q21（

1+LRC）Z

≈

Z0

1+

jQ（

1

-ω2ω02）現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二Q1

LC

并聯(lián)電路具有選頻特性，①在

f0

處，呈純電阻性。當(dāng)

f

<

f0

時(shí)，呈電感性；當(dāng)f

>f0

時(shí)，呈電容性。

f0≈

1LC2π

③Q

值愈大，選頻特性愈好。諧振時(shí)的阻抗值

Z0

也愈大。②f0

的數(shù)值與電路參數(shù)有關(guān)，ω|Z|ω0Z02Z01Q2Q1＞Q2結(jié)論：ωФZω0Q1Q2-900+900當(dāng)

Q

>>1

時(shí)，當(dāng)Q

>>1

時(shí)，≈·IL·IC·I·IC=Q諧振回路的外界影響可以忽略?，F(xiàn)在是30頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二二、變壓器反饋式振蕩電路振蕩頻率：f0≈

1LC2π起振條件：

β

>

MrbeR′CRLCRb1Rb2+Cb+VCCReCeL?N1?N2N3+-+Ui·Uf·與相位相同Ui·Uf·+特點(diǎn)：

易振，波形較好；耦合不緊密，損耗大，頻率穩(wěn)定性不高。為使N1、N2耦合緊密，將它們合二為一，組成電感反饋式電路?，F(xiàn)在是31頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二CRb1Rb2+Cb+VCCReCe?+RLL1?電感三點(diǎn)式振蕩電路L2bce123三、電感三點(diǎn)式振蕩電路Ui·Uf·-++電路滿足相位平衡條件現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二起振條件：振蕩頻率：f0=1LC2π

=1(L1+L2+

2M)C2πβ

>

R′L1

+

ML2

+

Mrbe?式中L為回路的總電感，即L=L1+L2+

2M其中M為L(zhǎng)1與L2之間的互感。式中R′為折合到管子集電極和發(fā)射極間的等效并聯(lián)總損耗電阻?，F(xiàn)在是33頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二由于線圈之間耦合很緊，較易起振。改變L2/L1

的比值，可獲滿意的正弦波，且振幅較大。據(jù)經(jīng)驗(yàn)，L2

的圈數(shù)選為整個(gè)線圈的

1/8到

1/4。

具體的圈數(shù)比應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)整來(lái)確定。2.

調(diào)節(jié)頻率方便。采用可變電容，頻率調(diào)節(jié)范圍寬。3.一般用于產(chǎn)生幾十兆赫以下的頻率。特點(diǎn)：現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二

4.由于反饋電壓取自電感L2，而電感對(duì)高次諧波的阻抗較大，不能將高次諧波短路掉。因此輸出波形中有較大的高次諧波，故波形較差。5.由于此電路的輸出波形較差，且頻率穩(wěn)定度不高，因此通常用于要求不高的設(shè)備中，例如高頻加熱器、接收機(jī)的本機(jī)振蕩等。特點(diǎn)：現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二Rb1Rb2+Cb+VCCReCe+LRL電容三點(diǎn)式振蕩電路bce123RcC1C2四、電容三點(diǎn)式振蕩電路Ui·Uf·-++電路滿足相位平衡條件現(xiàn)在是36頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二振蕩頻率：f0≈1LC2π起振條件：

=1L2πC1C2C1

+

C2

β

>

R′rbe?C2C1式中R′為折合到管子集電極和發(fā)射極間的等效并聯(lián)總損耗電阻?，F(xiàn)在是37頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二1.由于反饋電壓取自電容C2

，電容對(duì)于高次諧波阻抗很小，于是反饋電壓中的諧波分量很小，所以輸出波形較好。2.因?yàn)殡娙軨1、C2的容量可以選得較小，并將放大管的極間電容也計(jì)算到C1、C2中去，因此振蕩頻率較高，一般可以達(dá)到100MHz以上。特點(diǎn)：現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二

3.調(diào)節(jié)C1或C2可以改變振蕩頻率，但同時(shí)會(huì)影響起振條件，因此這種電路適于產(chǎn)生固定頻率的振蕩。如果要改變頻率，可在L兩端并聯(lián)一個(gè)可變電容.由于固定電容C1、C2的影響，頻率的調(diào)節(jié)范圍比較窄。另外也可以采用可調(diào)電感來(lái)改變頻率。通常選擇兩個(gè)電容之比為C1/

C2≤1，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)整來(lái)最后確定電容的比值。特點(diǎn)：現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二五、電容三點(diǎn)式改進(jìn)電路選擇參數(shù)時(shí)，C1、C2的容值較大以掩蓋極間電容變化的影響，C容值較小，即C3

<<

C1,

C3<<

C2,則可忽略C1、C2對(duì)振蕩頻率的影響。振蕩頻率Rb1Rb2+Cb+VCCReCe+LRcC1C2C3現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二第四節(jié)石英晶體振蕩器石英晶體振蕩電路石英晶體的基本特性和等效電路現(xiàn)在是41頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二處理器Q值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。一、石英晶體的基本特性和等效電路

LC振蕩電路的選頻特性由Q決定

一般LC選頻網(wǎng)絡(luò)的Q為幾百，石英晶體的Q可達(dá)104～106；前者Δf/f為10－5，后者可達(dá)10－10～10－11。晶體現(xiàn)在是42頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二1.石英晶體結(jié)構(gòu)與壓電效應(yīng)符號(hào)極板間加交變電場(chǎng)極板間機(jī)械振動(dòng)晶體產(chǎn)生機(jī)械變形晶體產(chǎn)生電場(chǎng)交變電壓機(jī)械振動(dòng)交變電壓壓電效應(yīng)通常振幅較小，但當(dāng)交變電壓頻率為某一特定頻率時(shí)，振幅最大,稱為壓電諧振。上述特定頻率稱為晶體的固有頻率或諧振頻率現(xiàn)在是43頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二2.石英晶體的等效電路與頻率特性等效電路：靜電電容（平行板電容）約幾~幾十皮法模擬晶體機(jī)械振動(dòng)慣性10-3~10-2H晶體彈性電容10-4~10-1pF模擬機(jī)械振動(dòng)摩擦損耗，很小又因加工精度很高，所以能獲得很高的頻率穩(wěn)定度。因L大，C、R小，則現(xiàn)在是44頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二石英晶體的頻率特性時(shí)當(dāng)即——串聯(lián)諧振頻率（阻抗最?。r(shí)當(dāng)即——并聯(lián)諧振頻率（阻抗最大）現(xiàn)在是45頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二（1）串聯(lián)諧振頻率特性：晶體等效純阻且阻值≈0（2）并聯(lián)諧振通常所以Z感性0容性容性一個(gè)晶體有兩個(gè)諧振頻率?，F(xiàn)在是46頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二二、石英晶體振蕩電路Rb1Rb2C1+VCCReCe+RCC2晶體1.并聯(lián)型石英晶體振蕩電路并聯(lián)型石英晶體振蕩電路利用石英晶體作為一個(gè)電感來(lái)組成選頻網(wǎng)絡(luò)，晶體工作在fs和fp之間。電路的振蕩頻率現(xiàn)在是47頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二2.串聯(lián)型石英晶體振蕩電路Rb1Rb2+VCCRe1RCC晶體Re2Rw調(diào)節(jié)電阻Rw的大小可以改變正反饋的強(qiáng)弱，以便獲得良好的正弦波輸出。串聯(lián)型石英晶體振蕩電路利用石英晶體串聯(lián)諧振時(shí)阻抗最小的特性組成振蕩電路，晶體工作在fs處?，F(xiàn)在是48頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二第五節(jié)非正弦波發(fā)生電路三角波發(fā)生電路矩形波發(fā)生電路鋸齒波發(fā)生電路現(xiàn)在是49頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二一、矩形波發(fā)生電路1.電路組成RC

充放電回路滯回比較器滯回比較器：集成運(yùn)放、R1、R2；充放電回路：R、C；鉗位電路：VDZ、R3。+-AR3VDZuOuCR1RR2C現(xiàn)在是50頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二ouctuootR1+R1+R2UZ-UZ+UZ-R1R1+R2UZt1t22T2TuO=+UZ時(shí)u+=R1+R1+R2UZ電容C開始充電,充電到u-=R1+R1+R2UZuO轉(zhuǎn)換為-UZu+=R1-R1+R2UZ電容C開始放電。放電到u-=R1-R1+R2UZuO轉(zhuǎn)換為+UZ，電容C又開始充電。+-AR3VDZuOuCR1RR2C2.工作原理現(xiàn)在是51頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二2TuCt1t2tR1+R1+R2UZ-R1R1+R2UZ3.振蕩周期電容的充放電規(guī)律：對(duì)于放電，解得：結(jié)論：改變充放電回路的時(shí)間常數(shù)及滯回比較器的電阻，即可改變振蕩周期?，F(xiàn)在是52頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二4.占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路0uCtuo0tt1t2T1T2T+-AR3VDZuouCR1RR2CVD1VD2RwR

、VD1

和組成放電回路。R

、VD2

和組成充電回路?，F(xiàn)在是53頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二0uCtt1t2T2TT1D

==T1TR

+R"W2R

+RW占空比改變電路中電位器滑動(dòng)端的位置即可調(diào)節(jié)占空比，而總的振蕩周期不受影響。1

+T1

=

(

R

+R"W

)Cln(2R1

R2

)T2

=

(

R

+R'W

)Cln(

1

+2R1

R2

)T

=T1+T2=

(2R+RW

)Cln(1

+2R1

R2

)現(xiàn)在是54頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二二、三角波發(fā)生電路1.電路組成A1組成滯回比較器，A2組成積分電路，在A2的輸出端得到三角波。矩形波發(fā)生電路+-A1R3VDZuO1R1R2+-A2R4R5uOu+C現(xiàn)在是55頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二2.工作原理u+

=R1R1+

R2R2R1

+

R2uOuO1+-UZ+UZ-UomuO1otuOotu+隨uO減小到u+=u-=0時(shí)，

uO1將跳變?yōu)閡O1=-UZ，同時(shí)u+將跳變?yōu)橐粋€(gè)負(fù)值，假設(shè)t=0時(shí)，

uO1=+UZ

，電容C上初始電壓為零，則uO隨時(shí)間負(fù)方向線性增長(zhǎng)，+-A1R3VDZuO1R1R2+-A2R4R5uOu+C現(xiàn)在是56頁(yè)\一共有61頁(yè)\編輯于星期二uO1o+UZtuOo-Uomt-UZ2T+Uom2.工作原理u+

=R1R1+

R2R2R1

+

R2uO