模电部分第9章(潘)信号发生器

LC振荡器的振荡频率的稳定与L、C、R参数有关,也 与品质因数Q有关， Q越大振荡频率越稳定。
2、石英晶体
压电效应： 变形 电荷
① 特性：
逆压电效应：电场 变形 当电压变化频率等于晶体的固有频率时，产生压电谐振。
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② 符号及等效电路
符号
等效电路
静态电容 :
C0
机械振荡惯性： L
Au
1
RF R1
3
考虑到起振条件AuF > 1, 一般应选取 RF 略大2R1。 如果这个比值取得过大，会引起振荡波形严重非线性
失真。
由运放构成的RC串并联正弦波振荡电路要通过在
外部引入负反馈来达到稳幅的目的。
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(4) 振荡频率与振荡波形
振荡频率由相位平衡条件决定。 因为 A = 0，而仅在 f 0处 F = 0 ，满足相位平衡条件，所 以振荡频率 f 0= 1 2RC。 振荡频率为单一频率 f 0，故振荡波形是正弦波
1） 相位条件意味着振荡电路在频率f0下必须是正反馈；
正弦波振荡电路只在一个频率(f0)下满足相位平衡条件。 所以正弦波振荡电路必须有一个选频网络。
•
•
选频网络可设在 A 中或 F 中。 选频网络由 RC元件或 LC元件组成。
2） 幅度条件表明反馈放大器要产生自激振荡，必须有足够的反馈 量(可以通过调整放大倍数A 或反馈系数F 达到) 。
Z
1
1
j j C
C
( j
R
L)
j
L
R
L C
j( L 1 ) C
谐振时：
0L
1
0C
0
谐振频率：
f0
2π
1 LC
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品质因素 并联谐振时总电流与电感支路电流或电容支路电流之比。
Q I L /I IC / I 0 L / R 1/ 0CR
谐振曲线
Q值越大，曲线较陡较窄。
并联谐振电路的谐振阻抗
uo
+Uom
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0
-Uom
UR
ui
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过零比较器: 当UR =0时
uo
ui
+
+ uo
+UOM 0
ui
-UOM
+
+ uo ui
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uo
+UOM
0 -UOM
ui
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例题：利用电压比
ui
较器将正弦波变为 方波。
t
ui
+
uo
+Uom
+ uo
t
-Uom
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电压比较器应用举例：
2.当R、L、C支路与C0发生并联谐振时，并联谐振频率为：
fP
1 2π LC
1
C C0
fS
1
C C0
fS
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石英晶体的振荡频率的微调
加入微调电容CS，微调串联谐振频率
f S
2
1 LC
1 C C0 CS
fS
1 C C0 CS
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皮肌炎图片——皮肌炎的症状表现
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9.4.1 比较器 特点:运放处于开环状态 一、单门限电压比较器
当ui > UR时 , uo = +Uom
当ui < UR时 , uo = -Uom
ui
+
UR
+ uo
UR为参考电压
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uo
+Uom
0
-Uom
UR
ui
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若ui从反相端输入
UR ui
+ +
当ui < UR时 , uo = +Uom uo 当ui >UR时 , uo = -Uom
3） 起振及稳幅振荡的过程 ● 起始信号的产生：电源接通时，在电路中激起一个微小的扰动 信号，它是个非正弦信号，含有一系列频率不同的正弦分量。
● 起振过程中: 要求 |AF|>1 ， 可使输出电压的幅度不断增大。
● 稳定振荡时: 要求 |AF|=1 ， 使输出电压的幅度得以稳定。
从A2u02F1/4/11> 1 到 AuF = 1，就是自激振荡建立的过程。
R3' 1.1K
I1
I
I 0.6V 1.1K
I1
1.1K
V0m 5.1K
9.1K
I I1
V0m
15.3K 0.6V 1.1K
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8.35V
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⑶.若R2短路时
AV R2 R3' R1 / R1
AV<3，电路停振， 输出电压V0的波形为
(4). 若R2开路时，输出电压V0的波形
• 皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉、 心、肺、肾等多脏器严重损害的， 全身性疾病，而且不少患者同时 伴有恶性肿瘤。它的1症状表现如 下：
• 1、早期皮肌炎患者，还往往伴 有全身不适症状，如-全身肌肉酸 痛，软弱无力，上楼梯时感觉两 腿费力；举手梳理头发时，举高 手臂很吃力；抬头转头缓慢而费 力。
3. 石英晶体振荡电路
改变R、C可改变振荡频率
R20C21振/4/11荡电路的振荡频率一般在200KHz以下。
9
(5) 稳幅措施
振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻R1实现的。R1是正温度 系数热敏电阻，当输出电压升高，R1上所加的电压升高，即 温度升高，R1的阻值增加，负反馈增强，输出幅度下降。反 之输出幅度增加。若热敏电阻是负温度系数，应放置在Rf 的 位置。
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振荡频率的调整：
R3 R2 R1
S C
R3 R2 R1
S
C
RF –∞ ++
振荡频率
fo
1 2π RC
+ uO –
R 改变开关K的位置可改变选频 网络的电阻，实现频率粗调；
改变电容C 的大小可实现频率 的细调。
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例1：
⑴. 试分析D1、D2自动稳幅原理； ⑵. 估算输出电压V0m；(VD=0.6V) ⑶. 若R2短路时，试画出V0的波形； ⑷. 若R2开路时，试画出V0的波形；
Uom
UT+
3、当uo负饱和时(uo =-UOM) ：
UP
R1 R1 R2
Uom
UT-
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迟滞比较器 (续)
ui
R
U+
－ +
+
uo
R1
R2
uo
+Uom
设初始值: uo =+UOM , 设ui , 当ui = > UT+ , uo从+UOM -UOM
晶片弹性： C
损耗：
R
数 PF
103 ~ 102 H
大
102 ~ 101 PF 小
数百欧
小
品质因数 Q ω0L R 1 ω0RC
石英2021/晶4/11体的品质因数很高
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③ 石英晶体谐振频率（固有频率）
等效电路
电抗-频率响应特性
1.当R、L、C支路发生串联谐振时，串联谐振频率为：
fS
2
1 LC
调节振荡频率。
RB1 RC －
C1
RB2 RE
CE
+UCC
L1 C
－
L2 反相
振荡频率一般在几十MHz以下。
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2. 电容三点式振荡电路
与前面分析相同，C1和C2的电压反相
正反馈 放大电路
振荡频率
f0 2π

1 L C1C2
C1 C2
RB1 RC －
C1
RB2 RE
CE
+UCC 选频电路
放大电路
电路构成：
RB1 RC
+UCC 选频电路
C1
Uo
RB2 RE
CE
L1 C
Uf
反馈网络
L2
选频电路： L1、 L2、 C产生谐振
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反馈电压取自L2
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反馈网络分析：
IB很小，IC IL2 并呈容性
设输入加入 U be
U b e
U be UO IC IL2
UF
UO
U b e
UF
IC IL2
UF与 Ube 同 相 正 反 馈
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UO
IC IL2 UF
UL1与UL2 反 相
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1. 电感三点式振荡电路分析
相位条件的满足：
正反馈
幅值条件的满足：
因AV较大，适当选 择L1和L2即可
振荡频率：
f0 2π
1 (L1 L2 2M )C
通常改变电容 C 来
+
+
-
+-
电容三点式
+
满足正反馈的条件，为此，石英晶体必须呈电感 性才能形成LC并联谐振回路，产生振荡。由于石英 晶体的Q值很高，可达到几千以上，所示电路可以 获得很高的振荡频率稳定性。
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§9.4 非正弦信号产生电路
集成运放的非线性应用
运算放大器开环应用时的分析方法：
当uP > UN时 , uo = +Uom 当uP < UN时 , uo = -Uom
1
信号产生电路概述
信号放发大生电器路：在无输入信号的情况下，就能输出一定频率和幅
值的交流信号（又称振荡器）。输出的交流电能是从电源的直流电 能转换而来的。
振荡波形：信号发生器从波形上分为正弦波振荡器和非正弦波
振荡器（方波、锯齿波、三角波等）。
正弦波振荡器：正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选
频网络的正反馈放大电路。
FVmax=1/3
f 0
当 f=f0 时的反馈系 数 FVmax=1/3。此时的相
角 f =0。改变RC可调
节谐振频率
202R1/4C/1串1 并联网络的频率特性曲线
7
(3)振荡的建立与稳定
起振条件AuF > 1 ，因为 | F |=1/ 3，则
Au
1
RF R1
3
稳定振荡条件AuF = 1 ，| F |= 1/ 3，则
4
§9.2 RC正弦波振荡电路
电路原理
(1) 电路的构成
RC 串并联网络是 正反馈网络，Rf 和R1 为负反馈网络。
RC串并联网络与Rf、R1负反馈支路正好构成一个桥 路，称为桥式。
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5
（2）RC串并联选频网络的选频特性
Z1 R (1/ j C)
Z2 R //(1/ j C)
LC并联谐振电路作为三极 管的负载，反馈线圈L2与电感
线圈Ｌ相耦合,将反馈信号送入
三极管的输入回路。若交换反 馈线圈的两个线头，可使反馈 极性发生变化。若调整反馈线 圈的匝数可以改变反馈信号的 强度，使正反馈的幅度条件得 以满足。
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f0
2π
1 LC
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9.3.3 三点式 LC 振荡电路 1. 电感三点式振荡电路
R
1 j RC
FV
Vf Vo
Z2 Z1 Z2
R (1/
R（/ 1 j RC）
j C) R /1 j RC
R 1
R
j C1
j RC R
1
3
j
RC
1 RC
令ω0=1/RC
FV
3
1
j
0
0
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6
反馈系数
FV
3
1
j
0
0
ω=ω0=1/RC 或 f = f0 =1/2πRC
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9.3 LC正弦波振荡电路
LC正弦波振荡电路的构成与RC正弦波振荡电路相似， 包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。
9. 3. 1 LC选频放大电路 1. LC并联谐振电路
Z 1 j C (R j L) 1 j C 2021/4/11 R j L
通常R«ωL
第九章 信号产生电路
概述
1 正弦波振荡器的振荡条件
2 RC正弦波振荡电路
电路的构成
RC串并联选频网络的选频特性 振荡的建立与稳定、振荡频率与调整
3 LC正弦波振荡电路
LC选频放大电路 变压器反馈 LC 振荡器
三点式 LC 振荡电路
石英晶体振荡电路
4 非正弦信号产生电路
比较器
2021/4/11 方波产生电路
常用的正弦波振荡器：
LC振荡电路:输出功率大、频率高。
RC振荡电路:输出功率小、频率低。
石英晶体振荡电路：频率稳定度高。
应用：无线电通讯、广播电视，工业上的高频感应炉、
超声波发生器、正弦波信号发生器、半导体接近开关等。
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2
§9、1 正弦波振荡器的振荡条件
•
•
•
X XX
a
i
f
•
当Xi 0
－
C1 L
通常再与线圈串联一 反馈网络 个较小的可变电容来调
C2 反相
节振荡频率。
反馈电压取自C2
振2021/荡4/11 频率可达100MHz以上。
22
例： 试判断三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。
两个电路都满足相位平衡条件。
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9.3.4 石英晶体振荡电路
1、正弦波振荡电路振荡频率的稳定
Z0
L RC
Q 0 L
Q
0C
谐振时LC并联谐振电路相当一个电阻。
输入电流 IS 和 IL 或 IC 的关系
•
•
•
IC 0CV0 QI S
Q» » V0 IS Z0 IS Q / 0C
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通常
1，所以 IC≈IL IS
16
2. 选频放大电路：
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9.3.2 变压器反馈LC振荡器
vi
vo
vo1
⑴ 电路分析： ⑵ 传输特性： ⑶ 输入输出波形
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二、迟滞比较器
特点:电路中使用正反馈, 运放处于非线性状态
1.迟滞比较器(下行)
ui
R
U+
－
+
+
uo
R1
R2
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1、因为有正反馈，所以输 出饱和。
2、当uo正饱和时(uo =+UOM) ：
UP
R1 R1 R2
•
•
X X 时
a
f
仍有稳定的输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号。
•
•
•
X f •
X X 0
f
•
•
1
A F 1 振荡条件
X a ••
X a
X 0 幅度平衡条件
A F A F 1
AF A F 1
a
f
AF = a+ f= 2n
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相位平衡条件
n = 0,1,2．．． 3
讨论：
解：