西安交通大学-赵进全-模拟电子技术基础-第八章

上页下页返回模拟电子技术基础8信号发生器发生器按产生的波形特点可分为正弦波信号发生器非正弦波信号发生器8.1正弦波信号发生器上页下页返回模拟电子技术基础8.1.1正弦波自激振荡的基本原理正弦波信号发生器是按照自激振荡原理构成的信号发生器常称为振荡器1．产生正弦波自激振荡的平衡条件.正反馈网络放大环节.XoA·F·.XidXf自激振荡原理方框图上页下页返回模拟电子技术基础输入Xid.反馈Xf=FXo...输出Xo=AXid...放大环节A·正反馈网络F·如果Xf=Xid..可在输出端继续维持原有的输出信号正反馈工作原理上页下页返回模拟电子技术基础由·..·····及知电路产生自激振荡的平衡条件为··输入Xid.反馈Xf=FXo...输出Xo=AXid...放大环节A·正反馈网络F·如果Xf=Xid..上页下页返回模拟电子技术基础(1)幅度平衡条件(2)相位平衡条件上式可分解为····式中上页下页返回模拟电子技术基础一个振荡器，只在振荡频率f0时满足相位平衡条件。平衡条件讨论a.相位平衡条件在电路中应包含选频网络放大环节A·正反馈网络F·.Xf.Xid.Xo上页下页返回模拟电子技术基础若,则电路减幅振荡，最后停止振荡。若，电路增幅振荡。b.幅度平衡条件AF=1是维持等幅振荡的唯一条件放大环节A·正反馈网络F·.Xf.Xid.Xo上页下页返回模拟电子技术基础2．振荡的建立与稳定振荡电路的起振条件：A·F·1AF1··AF=1只能维持振荡，但不能建立振荡。A·F·1输出幅值越来越大，最后出现非线性失真。放大电路中还应包含稳幅环节上页下页返回模拟电子技术基础id0UomUOidfmUUA反馈特性幅度特性F太小自激振荡电路的建立过程（线性反馈）上页下页返回模拟电子技术基础幅度特性omUOidfmUUB幅度特性非线性反馈非线性反馈上页下页返回模拟电子技术基础AF=1AF1起振维持振荡自激振荡电路的起振过程上页下页返回模拟电子技术基础3．正弦波信号发生器组成放大环节正反馈网络选频网络稳幅环节组成4.正弦波信号发生器的分类根据选频网络所用元件分为RC型振荡器LC型振荡器晶体振荡器上页下页返回模拟电子技术基础1．文氏电桥振荡器文氏电桥振荡电路移相式振荡电路主要类型双T网络式振荡电路选频网络反馈网络放大电路8.1.2RC型正弦波信号发生器Uo·RRCCAR1R2–+上页下页返回模拟电子技术基础2．RC串并联网络的选频特性图中选频网络选频网络Z1Z2–RRCCUo·Uf·++–Uo·RRCCAR1R2–+上页下页返回模拟电子技术基础反馈系数···Z1Z2–RRCCUo·Uf·++–上页下页返回模拟电子技术基础令·由此可得F的幅频特性与相频特性·即···上页下页返回模拟电子技术基础幅频特性当0时，F0当时,F0当=0时,F=Fmax=1/3f031/Ff0幅频特性曲线幅频特性分析上页下页返回模拟电子技术基础相频特性当0时，F90当时,F–90当=0时,F00ff0相频特性曲线f031/Ff0幅频特性曲线F=0，且反馈最强可见，当=0时相频特性分析上页下页返回模拟电子技术基础3．工作原理(1)当f=时(3)振荡频率与同相位Uo·Uf·的幅值最大Uf·=/3Uo·Uf·(2)当≥3时，满足振荡条件。Uo·RRCCAR1R2–+A上页下页返回模拟电子技术基础4．稳幅措施(1)利用二极管稳幅RRCCARWD1D2R1Uo•+–上页下页返回模拟电子技术基础Rt为负温度系数的热敏电阻(2)利用非线性热敏电阻稳幅RRCCARWUo•Rt–+上页下页返回模拟电子技术基础a.用LC并联谐振回路作为选频网络8.1.3LC型正弦波信号发生器b.主要用来产生1MHz以上的高频信号主要特点c.频率稳定性较好上页下页返回模拟电子技术基础按照反馈方式分为变压器反馈式电感三点式电容三点式LC型正弦波信号发生器类型上页下页返回模拟电子技术基础1．LC并联谐振回路RCLZ+–····O|Z|ff0Off0Q大Q小Q大Q小阻抗频率特性相频特性上页下页返回模拟电子技术基础(1)谐振频率(2)谐振时的等值电阻R0(3)电路的品质因数RCLZ+–····上页下页返回模拟电子技术基础2．选频放大电路当f=f0（LC并联谐振频率）时(1)输出电压幅值最大(2)输出与输入电压反相工作原理放大电路只对谐振频率f0的信号有放大作用LC并联谐振电路C++LT+··++––上页下页返回模拟电子技术基础3．变压器反馈式LC振荡电路+T+N1N2N3上页下页返回模拟电子技术基础正反馈的判断(1)相位条件判断的方法——瞬时极性法判断的步骤b.断开反馈回路a.假设谐振回路发生谐振+T+N1N2N3上页下页返回模拟电子技术基础c.加入瞬时极性为输入电压Ui·d.输出电压Uo极性为··Ui·Uo+T+N1N2N3上页下页返回模拟电子技术基础e.反馈电压极性Uf为·f.判断是否满足相位平衡条件构成正反馈满足相位平衡条件·Ui·Uo+T+N1N2N3·Uf+_上页下页返回模拟电子技术基础(2)起振条件因为+T+N1N2N3合理地选择电路参数，及变压器的变比，可使AF1,满足起振条件。上页下页返回模拟电子技术基础(3)振荡频率(4)电路的特点a.调节N2方便，起振容易。LL'+T+N1N2N3上页下页返回模拟电子技术基础g.受变压器分布参数的限制，振荡频率不能很高。b.振荡频率高。c.电路的品质因数高。e.频率稳定性高。d.输出波形好。f.体积、重量大。LL'+T+N1N2N3上页下页返回模拟电子技术基础4．电感三点式正弦振荡电路C+T+N2N1L1L2上页下页返回模拟电子技术基础振荡电路的交流通路C+T+N2N1L1L2TL1RB1//RB2L2C上页下页返回模拟电子技术基础TL1L2C忽略RB1//RB2简化的交流通路线圈的三个端子分别与T的三个电极B、C、E相连接，故称之为电感三点式振荡电路。TL1RB1//RB2L2C上页下页返回模拟电子技术基础(1)相位平衡条件的判断b.断开反馈回路a.假设谐振回路发生谐振TL1L2C上页下页返回模拟电子技术基础·Ui·Uo相量图c.加入瞬时极性为输入电压Ui·d.输出电压Uo极性为···UoTL1L2C+_+_上页下页返回模拟电子技术基础·Ui·Uo相量图ICL··f.电压Uf超前ICL90°·ICL·Uf·Uf与Ui同相，满足相位平衡条件··e.电流ICL超前Uo90°··Uf·+_··UoTL1L2C+_+_上页下页返回模拟电子技术基础(2)幅度条件Uf·+_TL1L2C由于反馈信号Uf取自电感L2，改变电感中间抽头位置，调整反馈强弱，容易满足幅度条件。上页下页返回模拟电子技术基础M为线圈L1与L2之间的互感(3)谐振频率式中TL1L2C上页下页返回模拟电子技术基础(4)电路特点a.电感L1与L2之间耦合很紧，容易起振。b.输出波形中含有高次谐波，波形较差。Uf·TL1L2C上页下页返回模拟电子技术基础5.电容三点式正弦波振荡电路+T+L电容器的三个端子分别与T的三个电极相连接，故称之为电容三点式振荡电路。上页下页返回模拟电子技术基础交流通路+T+LTL上页下页返回模拟电子技术基础TL简化的交流通路TL上页下页返回模拟电子技术基础b.断开反馈回路a.假设谐振回路发生谐振(1)相位平衡条件的判断TL上页下页返回模拟电子技术基础c.加入瞬时极性为输入电压Ui··相量图·Ui·UoTL·Uod.输出电压Uo极性为·上页下页返回模拟电子技术基础·Ui·UoILC·ILC·f.电压Uf滞后ILC90°··Uf·Uf与Ui同相，满足相位平衡条件··e.电流ILC滞后Uo90°··相量图Uf··TL·Uo+_上页下页返回模拟电子技术基础(2)幅度条件反馈电压取自C2，改变C1/C2，调整反馈强弱和电路的放大倍数，容易满足幅度条件。Uf·TL上页下页返回模拟电子技术基础(3)谐振频率TL上页下页返回模拟电子技术基础(4)电路特点a.容易起振。c.输出波形中高次谐波少，波形好。c.改变电容时，容易停振。TLb.振荡频率高。上页下页返回模拟电子技术基础改进的电容三点式振荡电路谐振频率L+T+上页下页返回模拟电子技术基础1.石英晶体的基本特性与等效电路(a)各向异性(b)具有压电效应8.1.4晶体振荡器(1)压电效应a.石英晶体的基本特性上页下页返回模拟电子技术基础当交变电压的频率等于晶片的固有机械振动频率时，振幅急剧增加，这种现象称为压电谐振。当在晶片的两电极之间加交变电压时，晶片就会产生机械变形振动。压电谐振压电效应在晶片的两侧施加压力，又会产生电场。在晶片的两面之间加电场，就会产生机械变形。上页下页返回模拟电子技术基础b.石英晶体谐振器的结构适当地切片涂上银层涂上银层引出两个电极引出两个电极加装上外壳上页下页返回模拟电子技术基础电路符号上页下页返回模拟电子技术基础(2)等效电路和谐振频率R——等效晶片振动时内部的摩擦损耗等效电路C0——两金属电极间形成的静电电容L——等效晶片振动时的惯性C——等效晶片振动时的弹性RCLC0上页下页返回模拟电子技术基础电路特点a.L很大，C和R很小。b.Q很高，达104～106。c.频率稳定度（Δf/f0）很高。三种振荡电路的频率稳定度RC振荡器10–2LC振荡10–3~10–4石英晶体振荡10–9～10–11RCLC0上页下页返回模拟电子技术基础当忽略R时，电抗XRCLC0上页下页返回模拟电子技术基础串联谐振频率当ffs时，X0，电路呈容性。当ffs时，X0，电路呈感性。a.当1–2LC=0时，X=0电路发生串联谐振XRCLC0讨论上页下页返回模拟电子技术基础并联谐振频率X=∞b.当j(C0+C–2LCC0)=0时电路发生并联谐振XRCLC0上页下页返回模拟电子技术基础由于CC0故XRCLC0上页下页返回模拟电子技术基础电抗——频率特性fXO感性容性fsfp由式画出石英晶体振荡器的电抗——频率特性可见a.当fsffp时，电路呈感性。b.当ffs或ffp时，电路呈容性。上页下页返回模拟电子技术基础2．石英晶体振荡电路(1)并联型晶体振荡器晶体呈感性谐振频率T+C1C2RCRE+VCCRB1RB2CB上页下页返回模拟电子技术基础交流等效电路T+C1C2RCRE+VCCRB1RB2CBCTRLREC1C2C0RC上页下页返回模拟电子技术基础谐振频率式中由于故CTRLREC1C2C0RC上页下页返回模拟电子技术基础(2)串联型晶体振荡器谐振频率CBC+R+T1T2RE2RC1RB1RB2uo+VCCRE1+–上页下页返回模拟电子技术基础思考题1.在正弦波发生器中，如果没有选频网络或没有稳幅环节，那么电路将分别会出现什么情况？2.电容三点式与电感三点式正弦波振荡电路相比，哪个电路输出的波形更好，为什么？上页下页返回模拟电子技术基础8.2非正弦波信号发生器主要组成部分(1)具有开关特性的器件（如电压比较器、BJT等）(2)反馈网络主要作用——产生高、低电平。主要作用——将输出电压适当地反馈给开关器件使之改变输出状态。(3)延时环节主要作用——实现延时，以获得所需要的振荡频率。上页下页返回模拟电子技术基础主要特点振荡条件比较简单，只要反馈信号能使比较电路状态发生变化，即能产生周期性的振荡。上页下页返回模拟电子技术基础8.2.1方波发生器1.电路组成RAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–上页下页返回模拟电子技术基础延迟环节迟滞比较器RAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–上页下页返回模拟电子技术基础2工作原理设t=0时uC(0)=0uO=+UZ则=+FUZRAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–上页下页返回模拟电子技术基础uC按指数规律上升a.当t0时电容C充电uOuCOtuO,uC+UZ-UZ-FUZ+FUZiCuO、uC波形图uO=+UZRAuRCR1R2R3uO±UZ