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当前位置:首页 > 行业资料 > 交通运输 > 4篇1章 信号发生电路
第四篇电子系统组成与应用第一章信号发生电路4.1.1RC正弦波振荡器一、产生正弦振荡的条件在负反馈放大电路中,由于附加相移的存在,在通带以外若形成正反馈,则可能引起自激振荡。在正弦振荡电路中,为得到频率一定、且幅值稳定的正弦波振荡,在通带内就要引入正反馈。产生稳定振荡的条件:0.sX+iX.oX.fX..A.F-+自激振荡的条件:1..FA即..fiXX1..FA两者其实是一致的,都是要求反馈信号能作为输入信号。波形发生电路所产生的自激振荡与负反馈放大电路所产生的自激振荡有什么不同?这是两种不同接法下,对振荡条件的不同表示形式,其实质都是要求净输入信号环绕一周后所得的信号应与完全相同,即不仅相位相同,幅值也相等。负反馈放大电路要求在通带内接成负反馈,,但在通带外,由于附加相移的存在,就可能转换为正反馈,对满足,条件的频率点将产生自激振荡。fsiXXX...1..FA180AF在自激时,,所以要求,从而得出产生自激振荡的条件为(),用于强调负反馈转变为正反馈并发生自激振荡的条件。0.sX.....iifXFAXX1。。FA..fiXX.iX0.sX+iX.oX.fX..A.F-+波形发生电路为了产生所要求的波形,在通带内就接成正反馈,,为了产生自激,在时,要求所以自激条件为()。可见这是两种不同接法下,对振荡条件的不同表示形式,其实质都是要求净输入信号环绕A和F电路一周后所得的信号应与完全相同,即不仅相位相同,幅值也相等。负反馈放大电路中的自激是要防止的,要采取措施破坏自激条件;波形发生电路中的自激则是需要维持的,所以要在电路的组成上和元件的选用上加以保证。fsiXXX...0.sX.....iifXFAXX1。。FA..fiXX.iX接成正反馈是放大电路构成振荡器的首要条件。同时,为了在无输入信号下也能引起自激,反馈电路的环路增益应大于1。1||FA产生自激振荡的条件:nFAAF2幅值条件相位条件1..FA稳定振荡的条件:1||FAnFAAF2采取两个措施:选频网络稳幅环节使环路增益随振荡幅度的增大而自动下降,并最终达到(振荡平衡条件)的稳定状态。1||FA让两个振荡条件只在某一特定频率下满足,而在其它频率下至少有一个不满足。选频网络可以包含在基本放大器中,也可以设置在反馈网络中。0ff为了得到良好的正弦波形,要解决两个问题:产生唯一的频率输出无非线性失真放大环节为同相输入的比例运算电路,其中为非线性元件,起稳幅作用。'2R'1'21RRVVAiovRC串并联电路构成正反馈,同时又起选频作用。二、RC正弦波振荡器的电路结构和振荡频率正反馈选频网络放大环节RC正弦波振荡器0A11111111CjCRjCjRZ22222211//CRjRCjRZ212)()(ZZZVVFof通常,R1=R2=RC1=C2=C311111212)(RCjRCjRCjRCjRCjRCjRZZZFRC串并联电路的频率特性令,则RC1000)(31jF1Z2Z00)(31jF幅频特性表达式:相频特性表达式:2002)(31||F3arctan00)(F可以画出频率特性:当=0=1/RC时,,,满足自激振荡的相位条件。所以只有在此时才能产生单一频率的振荡。当=0时,正反馈最强,所以只有当放大环节Af≥3时才能满足振荡的幅度条件。RCf2103/1||)(F令,则RC103/1)(F0FAf≥331'1'2'1'2'1.RRRRRAf'1'22RR自动稳幅当Af>3时,电路就能起振。但一旦起振后。输出幅度将不断增大,并最终出现严重的失真。因此需要在放大器的负反馈支路中引入非线性元件。二极管场效应管热敏电阻当输出幅度增大时流过二极管的电流增大二极管的等效电阻减小使减小,进入稳定振荡。31'1'2'1'2'1.RRRRRAf起振时iDvD.fA热敏电阻'1R'2R采用正温度系数的热敏电阻采用负温度系数的热敏电阻'1'2'1'2'1.1RRRRRAf判断一个电路能否产生正弦波振荡应先从反馈信号引入的端点入手,采用瞬时极性法判断电路在通带内是否满足相位条件。然后检查放大电路的直流通路和交流通路是否合理,是否具有一定的放大能力,在时是否满足正弦波振荡的幅值条件。0ff+VCCRbRcRCCRReCb+VCCRbRcRCCRReCbb⊕(-)(-)+VCCRbRcRCCRReCbe⊕(+)(+)判断图a电路能否产生正弦波振荡a先看交流通路,判断电路在通带内是否满足相位条件。交流通路时耦合电容Cb短接。先找到反馈信号引入点b,切断反馈信号引入端,外加一个瞬时极性为⊕的输入信号,因为是共射极接法,所以集电极输出的相位为(-),在时反馈信号瞬时极性也为(-),可见反馈信号从相位上不能满足输入信号的要求,相位条件不满足。所以不能产生正弦波振荡。要使电路能满足振荡的相位条件,可以将反馈信号改接至e点,由瞬时极性法判断此时满足相位条件,再看放大电路的直流通路和交流通路都合理。因为RC串并联电路的正反馈系数是1/3,调节放大电路的增益大于3即可起振。0ff+VCCRbRcRCCRReCbb⊕(-)(-)+VCCRbRcRCCRReCbe⊕(+)(+)3.1.2LC正弦波振荡器LC正弦波振荡器的选频网络是LC谐振回路。由于电感的数值较小,其振荡频率较高(几百KHz以上),常用作高频信号源。由于振荡频率高,要求放大环节具有较高的上限频率,所以LC振荡器常由分立元件构成。形式:变压器反馈式电感三点式电容三点式LC并联谐振回路的频率特性LjRCjLjRCjLjRCjZ1)(1//1R为回路的总损耗电阻并联回路一般由电流源激励当时产生谐振,所以CL001LCf210谐振时的阻抗最大:CLQCQLQRCLZ00max0Q称为品质因数CRRLCLRQ0011Q越大,选频特性越好。LR通常有CLjRCLZ1/Q值大CQIZIVO0.max0../||||||..0.IQVCIOO||||..IIO谐振时通常Q1,所以,可见谐振时,LC并联回路的电流比输入电流大得多,即的影响可忽略。+-.OV||.OI||.I||.I一、变压器反馈式LC正弦振荡器变压器反馈式LC振荡器增益条件非常容易满足,主要是判断相位条件是否为正反馈即可。在分析LC振荡电路时,要注意掌握好以下几点:(1)在分析自激振荡条件时,可先画出振荡电路的交流通路。此时,电源、耦合电容和旁路电容应作短路处理,但谐振电容不能短接,它在数值上一般也远小于耦合电容和旁路电容。由于它和L发生谐振,才使谐振回路呈现电阻性。当分析相位平衡条件时,由于振荡器无外加输入信号,所以应将与反馈信号相连的输入端视作外加信号注入端,然后再依次分析输出信号、反馈信号的相位。为满足自激振荡条件,反馈信号的瞬时极性必须与注入端信号一致,为此,需调整变压器同名端位置或反馈信号注入点的位置。(2)晶体管的直流偏置处于放大态是振荡器工作的基础。为分析直流工作条件,宜将电路画成直流通路分析,此时,所有电容可视作开路,电感视作短路。CCV二、三点式LC正弦振荡器图中略去直流偏置Z1、Z2和Z3分别为组成谐振回路的三个电抗元件可以证明:当Z1、Z2同为电感(电容),Z3为电容(电感)时,电路满足产生自激振荡的相位条件。bebcecZIVZIV....由上两式得:cebecbZZVV..可见,只有、的电抗性质相同时,和的极性才会相反。beZceZ.cV.bV电感三点式CLLLCf)(2121210电感三点式振荡器的优点是电路容易起振,缺点是波形不太好。也称Hartley振荡器反馈电压取自L2,类似于自耦变压器振荡器,满足振荡的相位条件。改画为交流通路分析相位条件,耦合电容、旁路电容短接,但谐振电容(小)不能短接,和L产生谐振,才使谐振回路呈电阻性。改画为直流通路分析直流工作条件。Rb2Rb1RcL1L2CRb2Rb1VCC谐振时,回路电流远比外电路电流大,1、3两端近似呈现纯电阻特性。因此,可推出:当选取中间抽头(2)为参考电位(交流地电位)时,首(1)尾(3)两端的电位极性相反;当选取一端(3)为参考电位(交流地电位)时,另一端(1)和中间抽头(2)的电位极性相同。看一下电路中电容Cb和Cc的作用电容三点式212102121CCCCLLCf电容三点式振荡器的优点是波形较好(因电容C2滤去高次谐波),缺点是电路不易起振。也称Colpitts振荡器反馈电压取自C2,满足振荡的相位条件。三、振荡电路中的稳幅和稳频问题为使振荡器的输出幅度稳定,应在电路中设置稳幅电路。基本思路是使环路增益能自动地维持在|AF|=1的平衡状态。分为在A或F中加入稳幅环节两种情况。稳幅环节设在A中如因某种原因使振荡器输出vO增大时,放大器的增益下降,促使输出幅度下降并重新回到Vo1上。反馈系数F不变时,通过调节增益A来自动稳幅。稳定输出幅度为Vo1。稳幅环节设在F中如因某种原因使振荡器输出vO增大时,反馈系数下降,促使输出幅度回到Vo1上。放大器增益A保持不变,通过调节反馈系数F来自动稳幅。稳定输出幅度为Vo1。3.1.3其它正弦波振荡器石英晶体是利用SiO2结晶体的压电效应制成的一种谐振器件。一、石英晶体振荡器外形结构等效电路电路符号石英晶体特性:在石英晶体的两电极之间加一电场,晶片会产生机械变形;反之,在晶体两侧加机械压力时,则在晶体内部垂直方向上产生电场。压电效应:在石英晶体的两电极之间加交变电压,晶片将产生机械振动;同时,振动又会产生交变电场。称为石英晶体的压电效应。压电谐振:当石英晶体所加交变电压的频率为一特定频率时,其振动幅度和电场幅度明显增大,称为压电谐振(与LC谐振回路相似)。谐振频率由晶体的切割方式、形状和尺寸决定。等效电路L:模拟晶体机械振动的惯性,10-3~10-2HR:模拟机械振动摩擦损耗,很小C:晶体弹性电容,10-4~10-1pFC0:静电电容(平行板电容),约几~几十皮法因L大,C、R小,石英晶体的品质因数很高(105~106)。又因加工精度很高,所以能获得很高的频率稳定度。CLRQ1)(1)1(1)1(1020200CLCCCLCCLCCLCX在忽略R时,等效电抗为:频率特性:当f>fs时,LCR支路呈感性,与C0构成并联谐振,谐振频率为:LCfs21当电抗为,X=0,回路产生串联谐振。012LCsosoooopfCCfCCCLCCCCCLf12121石英晶体振荡器电路的两种基本形式并联式将振荡频率设计在fs和fp之间,使晶体呈感性,它与两只电容构成电容三点式正弦振荡。'1CCffso02121'CCCCCC其中串联式石英晶体接在正反馈支路中。当f=fs时,晶体电抗为0,正反馈最强,满足振荡条件,而在其它频率下不满足振荡条件。所以振荡频率为fs。二、数字式正弦波发生器用D/A转换方式将数字量变换成模拟量,即脉冲波变换成正弦波输出,转换后的波形是一个台阶式的连续波形,经滤波后便可得到平滑的正弦波。4.1.4电压比较器非正弦波的产生与变换一、基本比较器利用运放的开环特性A-+vsvovovsVom+Vom-理想实际A-+vsvoVRR00vovs+VZ-VZ0VR过零比较器单门限比较器vs抗干扰差•滞回比较器输入比较电压接反相端,参考电压在同相端,输出与输入构成正反馈。滞回比较器有同相输入和
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