第八章 信号发生器

第八章信号发生器8.1正弦信号发生器8.2非正弦信号发生器器本章重点和考点：1.重点掌握RC正弦波振荡工作原理。3.掌握非正弦波发生电路的原理。本章教学时数：4学时本章讨论的问题：1.在模拟电子电路中需要哪些波形的信号作为测试信号和控制信号？2.正弦波振荡电路所产生的自激振荡和负反馈放大电路中所产生的自激振荡有什么区别？3.为什么正弦波振荡电路中必须有选频网络？选频网络由哪些元件组成？4.为什么说矩形波发生电路是产生非正弦波信号的基础？为什么非正弦波发生电路中几乎都有电压比较器？8.1正弦波信号发生器8.1.1正弦自激振荡的基本原理~iU放大电路AioUAU反馈网络FtUUsin2iiOfUFU如果反馈电压uf与原输入信号ui完全相等，则即使无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号——自激振荡。(电路要引入正反馈)图8.1.2正弦波振荡电路的方框图一、产生正弦波振荡的条件由此知放大电路产生自激振荡的条件是：ifUU即：iiofUUAFUFU所以产生正弦波振荡的条件是：1FA1FA——幅度平衡条件π2argFAnFA——相位平衡条件,2,1,0n电路起振的条件：1FA二、正弦波振荡电路的组成及分类组成：放大电路：集成运放选频网络：确定电路的振荡频率反馈网络：引入正反馈稳幅环节：非线性环节，使输出信号幅值稳定分类：RC正弦波振荡电路，频率较低，在1MHz以下。LC正弦波振荡电路，频率较高，在1MHz以上。石英晶体振荡电路，频率较高，振荡频率非常稳定。三、判断电路能否产生正弦波振荡的方法和步骤1.检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分；2.检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正常工作；3.分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件判断相位平衡条件的方法是：瞬时极性法。5.估算振荡频率和起振条件4.判断是否满足振幅平衡条件。8.1.2RC正弦波振荡电路RC串并联网络振荡电路也称RC桥式正弦波振荡电路或称文氏振荡电路(Wien)电路组成：放大电路——集成运放A；选频与正反馈网络——R、C串并联电路；稳幅环节——RF与R组成的负反馈电路。图8.1.4一、RC串并联选频网络Z1Z2)1)1(1111122112212211222212CRCRCCRRCRCRCRRUUFj(j1jjf取R1=R2=R，C1=C2=C，令RC10则：)j(3100F得RC串并联电路的幅频特性为：2002)(31F3arctg00F相频特性为：时，当RC1031F最大，F=0。00F0F01/3+90º-90º图8..1.5二、振荡频率与起振条件1.振荡频率RCf2102.起振条件1FAf=f0时，31F由振荡条件知：所以起振条件为：3A同相比例运放的电压放大倍数为即要求：RRAuFf1RR2F三、振荡电路中的负反馈(稳幅环节)引入电压串联负反馈，可以提高放大倍数的稳定性，改善振荡电路的输出波形，提高带负载能力。反馈系数改变RF，可改变反馈深度。增加负反馈深度，并且满足3A则电路可以起振，并产生比较稳定而失真较小的正弦波信号。图8.1.7RRRFF反馈电阻RF采用负温度系数的热敏电阻，R采用正温度系数的热敏电阻，均可实现自动稳幅。稳幅的其它措施电流增大时，二极管动态电阻减小。电流减小时，动态电阻增大，加大非线性环节，从而使输出电压稳定。在RF回路中串联二个并联的二极管RrRAdFu1四、振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路用双层波段开关接不同电容，作为振荡频率f0的粗调；用同轴电位器实现f0的微调。RC串、并联网络中，如何调节频率？问题：如何提高频率？RCf210*其他形式的RC振荡电路一、移相式振荡电路集成运放产生的相位移A=180º，如果反馈网络再相移180º，即可满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。振荡频率为：RCf32100ff0270º180º90º当f=f0时，相移180º，满足正弦波振荡的相位条件。起振条件：RF12R*二、双T选频网络振荡电路振荡频率约为：RCf510当f=f0时，双T网络的相移为F=180º；反相比例运放的相移A=180º，因此满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。如果放大电路的放大倍数足够大，同时满足振幅平衡条件，即可产生正弦波振荡。起振条件123FARR　　，*三种RC振荡电路的比较名称RC串并联网络振荡电路移相式振荡电路双T网络选频振荡电路电路形式振荡频率起振条件电路特点及应用场合可方便地连续调节振荡频率，便于加负反馈稳幅电路，容易得到良好的振荡波形。电路简单，经济方便，适用于波形要求不高的轻便测试设备中。选频特性好，适用于产生单一频率的振荡波形。RCf2103ARCf3210RCf510123FARR　　，RR12F8.1.3LC正弦波振荡电路一、LC谐振回路的频率特性当频率变化时，并联电路阻抗的大小和性质都发生变化。并联电路的导纳：当电路发生并联谐振。2222)(j)(j1jLRLCLRRLRCY0)(20200LRLC图8.1.10并联谐振角频率LCLR11)(1200令：RLQ0——谐振回路的品质因数当Q1时LC10LCf210谐振频率：)11(j1)1j(j)1j(j1j)j(1j2LCRLCRLCLRLCLRCLRCZ回路等效阻抗：RCLYZ001LC并联回路的阻抗：发生并联谐振时，LC10在谐振频率附近，)1(j12200QZZ可见，Q值不同，回路的阻抗不同。Z0不同Q值时，LC并联电路的幅频特性：Z01Z02Q1Q2Q1Q2相频特性：0F+90º-90ºQ1Q2Q1Q2感性纯阻容性结论：1.当f=f0时，电路为纯电阻性，等效阻抗最大；当ff0时，电路为感性；当ff0时，电路为容性。所以LC并联电路具有选频特性。2.电路的品质因数Q愈大，选频特性愈好。图8.1.11谐振时LC回路中的电流ULRLUCI20200C)(电容支路的电流：并联回路的输入电流：ULRRI202)(所以：IQIC当Q1时，IICIILLCII结论：谐振时，电容支路的电流与电感支路的电流大小近似相等，而谐振回路的输入电流极小。若以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载beurZA当f=f0时，电压放大倍数的数值最大，且无附加相移。因而电路称为选频放大电路若增加正反馈，并用反馈电压取代输入电压，则电路就成为正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路变压器反馈式电感反馈式电容反馈式二、变压器反馈式振荡电路1.工作原理用瞬时极性判断为正反馈，所以满足自激振荡的相位平衡条件。-2.振荡频率和起振条件LCf210振荡频率起振条件MCRrbe图8.1.14变压器反馈式振荡电路三、电感反馈式振荡电路1.电路组成用瞬时极性判断为正反馈，所以满足自激振荡的相位平衡条件。---2.振荡频率和起振条件CMLLLCf)2(2121210振荡频率起振条件RrMLMLbe21图8.1.17四、电容反馈式振荡电路1.电路组成用瞬时极性判断为正反馈，所以满足自激振荡的相位平衡条件。2.振荡频率和起振条件212102121CCCCLLCf振荡频率起振条件RrCCbe12图8.1.20----电容反馈式改进型振荡电路210111121CCCLf振荡频率选择CC1，CC2，则：LCf210减小了三极管极间电容对振荡频率的影响，适用于产生高频振荡。图8.1.22若要求电容反馈式振荡电路的振荡频率高达100MHz，怎么办？采用共基放大电路如何分析？名称变压器反馈式电感反馈式电容反馈式电容反馈式改进型电路形式振荡频率起振条件同左频率调节方法及范围频率可调，范围较宽。同左频率可调，范围较小。同左振荡波形一般较差好好频率稳定度可达10-4同左可达10-4~10-5可达10-5适用频率几千赫~几十兆赫同左几兆赫~一百兆赫同左各种LC振荡电路的比较LCf210CMLLf)2(212102121021CCCCLf210111121CCCLfMCRrbeRrMLMLeb21RrCCeb128.1.4石英晶体振荡器石英晶体谐振器，简称石英晶体，具有非常稳定的固有频率。一、石英晶体的特点压电效应：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产生机械变形；若在晶片上施加机械压力，在晶片相应的方向上会产生一定的电场。压电谐振：晶片上外加交变电压的频率为某一特定频率时，振幅突然增加。1.压电效应和压电振荡2.等效电路和振荡频率符号：串联谐振频率LCf21s并联谐振频率0s00p121CCfCCCCLf电抗频率特性OfXfsfp容性容性感性图8.1.27图8.1.28二、石英晶体正弦波振荡电路1.并联型石英晶体正弦波振荡电路交流等效电路振荡频率CCCCCCLf000)(212121CCCCC由于CCC0s021fLCf图8.1.292.串联型石英晶体振荡电路图8.1.30串联型石英晶体振荡电路当振荡频率等于fS时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，此时正反馈最强，相移为零，电路满足自激振荡条件。振荡频率s0ff调节R可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。8.2非正弦波发生电路非正弦波：矩形波、三角波、尖顶波和阶梯波等图8.2.1几种常见的非正弦波8.2.1矩形波发生电路一、电路组成RC充放电回路滞回比较器图8.2.2滞回比较器：集成运放、R1、R2；充放电回路：R、C；（延迟环节、反馈网络）钳位电路：VDZ、R3。（稳幅环节）动画avi\14-1.avi二、工作原理设t=0时，uC=0，uO=+UZ则Z211URRRutOuCZ211URRRZ211URRROuOZUZUtu+u当u=uC=u+时，t1t2Z211URRRu则当u=uC=u+时，输出又一次跳变，uO=+UZ输出跳变，uO=UZ图8.2.42T2T三、振荡周期电容的充放电规律：)(e)()0()(CtCCCuuutu对于放电，Z211)0(URRRuCZ)(UuCRC解得：)21ln(221RRRCT结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电阻，即可改变振荡周期。t1t22T2TtOuCZ211URRRZ211URRROuOZUZUtt3图8.2.4振荡频率f=1/TZ211)2(URRRTuC四、占空比可调的矩形波发生电路图8.2.5a使电容的充、放电时间常数不同且可调，即可使矩形波发生器的占空比可调。tOuCuOtOT1T2T充电时间T1放电时间T2)21ln()(221W1RRCRRT)21ln()(221W2RRCRRT占空比DWW12RRRRTTD图8.2.5b8.2.2三角波发生电路一、电路组成图8.2.6采用波形变换的方法得到三角波uO1为方波电路分析uO2为三角波)()()(d1OO01IOOIOtuttRCUtutuRCu二、工作原理当u+=u=0时，滞回比较器的输出发生跳变。图8.3.8o2121o211uRRRuRRRu实用电路Z21TURRU＝阈值电压　左边是同相输入滞回比较器右边为反向积分运算电路图8.2.7R3R4传输特性+UT-UT+UZ-UZuOuI二、工作原理OuO1ZUZUtOuOomUomUt当u+=u