模电第6章 波形的产生与变换电路

1 R1 C 2 1 1 j R C 1 2 R C R C 2 1 2 1
F
1 1 3 j RC RC

1 o 3 j o
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6.4 石英晶体振荡器
1、正弦波振荡器的频率稳定问题 工程技术中，常要求振荡器的振荡频率十分稳定。如 通讯系统中的射频振荡器，数字系统中的时钟发生器。 频率稳定度：衡量振荡频率稳定程度的质量指标。定 义为在特定时间内频率的相对变化量f /fo。 LC振荡电路中Q值对频率稳定度有较大影响，Q增大， f 稳定度提高。
1 o RC
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1 fo 2RC
2）起振条件及振荡频率
RC网络谐振时满足自激 振荡的相位平衡条件。
1 振荡频率： f o 2RC
1 R3 由同相放大电路：A R4
1 由选频网络可知，谐振时： F 3 F 1 3 由幅度起振条件： A A
或 R3 2 R4
反馈元件
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2）起振条件和振荡频率 电路在LC并联回路谐振时，满足相位平衡条件。
振荡频率即为谐振频率： f o
1 1 CC 2 LC 2 L 1 2 C1 C 2
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例1：判断图中电路能否产生振荡?并说明理由。
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解题步骤： a图：由于静态时线圈的直流电阻很小，L1、L2可视为短路， 电路的直流通路如e图所示。可以看出，三极管的基极电位和集 电极电位相等，都为+Vcc，集电结无反偏电压，故三极管无放大 作用，该电路也就不能产生振荡了。 b图：该电路为共射电路。Ll为反馈元件，交流等效电路如f图 所示。假设输入端B极电位的瞬时极性为+，则C极反相为-，LC 回路另一端为+，Ll的另一端应为-，即反馈信号极性与原假设的 输入信号的极性相反，所以为负反馈，不满足相位平衡条件，故 不能产生振荡。
非正弦波产生电路：如矩形波、 三角波、锯齿波。广泛应用于测 量设备、数字系统和自控系统。
2
波形的产生与变换
正弦波振荡电路 电压比较器 非正弦波振荡电路
3
正弦波振荡电路
正弦波振荡电路的工作原理 RC正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路 石英晶体振荡器
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6.1 正弦波振荡电路的工作原理
在振荡电路中，是利用正反馈产生自激振荡。 但正反馈的引入只是为振荡提供了必要条件，而 非充分条件。 1、正弦波振荡电路产生振荡的条件
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例2：试分析图5-10所示电路是否能够振荡？
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解题步骤： 由图中可知该电路是一个电容三点式LC正弦波振荡电路, 且三极管 为NPN型，Rb1、Rb2、RC和Re共同决定其静态工作点。它们的阻值合理， 可以满足放大条件。接在三极管集电极的电感L与基极之间有Cb隔直， 且通过C1到地，因此，L的存在不会破坏静态工作点，放大环节可以 正常工作。三极管为共射放大形式，输入输出反相，满足的条件。 电路中的电容Cb、Ce容量较大，可视为交流短路，因此画出交流等效 电路。根据三点式LC正弦波振荡电路的判别，由发射极向外看分别 是电容C1和C2，而由基极向外看则是电容C1和电感L，满足“射同基 反”的正反馈，即，则，符合相位平衡条件。三极管V的Rb1、Rb2和Re 组成了分压式直流电流负反反馈放大形式。因此，温度变化时，静 态工作点几乎不变。当正确地调整Re的阻值时，可以达到稳幅的目的。 所以该电路能够产生振荡。
B. 若首端或尾端交流接地，则其他两 端相位相同。
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2）起振条件和振荡频率
电路在LC并联回路谐振时，满足相位平衡条件。 振荡频率即为谐振频率：
1 fo 2 LC
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1 2 （L1 L2 2 M )C
4、电容反馈式振荡电路（电容三点式）
1）组成
三极管的负载并 作选频网络
共射放大电路
Chapter 6 波形的产生与变换
波形产生与变换是电子技术中广泛使用的电路。 波形产生电路：在无外加输入信号的情况下，能自 动产生一定波形、一定频率和幅值的交流信号。
波形变换电路：能把外加输入信号的波形变换成指 定的适合于系统应用和处理的波形。
波形产生电路
正弦波产生电路：广泛应用于通 讯、广播、电视等系统。
超前 移相
滞后 移相
反相放大电路在通频带内的 移相为180。 三节RC电路为移相兼反馈网 络，对某一频率可实现180 相移，从而满足振荡条件。
1 振荡频率： f o 2 6 RC
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优点：结构简单。
缺点： 选频作用较差； 频率调节不方便； 输出波形较差。 一般用于振荡频率固定且稳定性要求不高的场合。
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6.2 RC正弦波振荡电路
1、文氏电桥（RC串并联）振荡器 同相比例 放大电路
RC选频网络， 兼正反馈网络
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Z1、Z2、 R3 与R4形 成四个桥臂
1）RC串并联网络的选频特性
Z1 R1 (1 / jC1 )
R2 Z 2 R2 //( 1 / jC 2 ） 1 jR2C 2 U Z2 f F U i Z1 Z 2
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3）稳幅环节
为了改善振荡波形，一 般采用外稳幅电路。 R4采用正温度系数的热 敏电阻，可起稳幅作用
R3 Uo IR4 PR4 TR4 R4 A 1 R 4
Uo
也可采用负温度系数的热敏电阻作R3。
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2、RC移相式正弦波振荡器
移相网络采用RC移相器（最大移相90） 。电效应：当石英晶片的两电 敷银层 极间加一电场，晶片会产生机 械形变；反之，机械力又会在 晶片上产生电场。 压电谐振：当某一特定频率的交变电压作用于晶片 时，能使晶片的机械振幅最大。
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3）等效电路与阻抗特性 石英晶体的压电谐振可用LC回路的电参数来模拟。
Zo Z f o2 1 jQ 1 f 2 1 fo 谐振频率 2 LC L Zo 谐振时Z 为纯电阻性 RC o L 1 L 品质因数，Q值越大，选频特性 Q R R C 越好，谐振时阻抗越大。
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2、变压器反馈式振荡电路
1）组成
反馈线圈L2。将反馈 信号送入放大器输入 端。交换反馈线圈的 两个线头，可使反馈 极性反相。调整反馈 线圈的匝数可以改变 反馈信号的强度。
阻抗变换
共射放大电路
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三极管的负载并 作选频网络
2）起振条件和振荡频率 相位起振条件：
在谐振频率fo 处满足 相位平衡条件。 振荡频率约为谐振频率
1 fo 2 LC
幅度起振条件： 只要选择合适的变压 器匝比，都能满足幅 度起振条件。
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优点： 1）只要改变LC并联谐振电路的电容C，即可改 变振荡频率，故适于制作频率可调的振荡器。 2）选择适当的变压器匝比n或互感M，使电路容 易起振。 3）选择适当的变压器匝比，可适应不同负载的 要求。
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c图：该电路为共基极电路。C1为反馈元件，交流等效电路如g图所 示。假设输入端E极电位的瞬时极性为+，C极电位与E极电位同相也 为+，LC回路另一端则为-，C2的另一端应为+，即反馈信号极性与原 假设输入信号的极性相同，所以为正反馈，满足相位平衡条件，故 该电路能产生振荡。 d图：该电路为变压器反馈式振荡电路。L2为反馈元件。交流等效电 路如h图所示。假设输入端B极电位极性为+，则C极反相为-，由同 名端可确定反馈到B极的信号极性-，所以为负反馈，不满足相位平 衡条件，故不能产生振荡。
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6.3 LC正弦波振荡电路

LC选频电路 变压器反馈式振荡电路 电感反馈式（电感三点式）振荡电路 电容反馈式（电容三点式）振荡电路
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1、LC并联谐振电路的选频特性
1 j ( R j L ) C Z 1 j R jL C
一般R <<ωL，则
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L 1 （ j ） j L RC C Z L 1 1 j R jL 1 j 1 2 R LC C Zo L o L 1 L Zo 2 Q fo RC R R C 1 jQ 1 2 1 f fo 2 LC
R1 R2 R C1 C 2 C
o
1 RC
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幅频特性：
F 1 o 2 3 o
2
相频特性： f
arctan
o o
3
当ω=ωo时，电路达到谐振， 电路呈“电阻性”，此时
1 F 幅值最大 3 f 0
缺点：振荡频率不宜太高，一般在100MHz以下。
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3、电感反馈式振荡电路（电感三点式）
1）组成 三极管的负载并 作选频网络
共射放大电路
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反馈元件
注意：分析三点式LC振荡电路时：
三点式LC并联电路 由LC并联谐振电路构成选频网络
中间端的瞬时电位一定在首、尾端 电位之间。
三点的相位关系
A. 若中间点交流接地，则首端与尾端 相位相反。
1 L Q R C
R
L C
L体积， R（线圈损耗） 且分布电容C 。 C电路中不稳定电容C（分 布电容、杂散电容）影响。
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LC选频电路的阻抗频率响应
（a）幅频响应
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（b）相频响应
石英晶体具有很高的Q值及等效L/C值，由石英 晶体组成的振荡器其频率稳定度可达106~108。 2、石英晶体的特性与等效电路
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RC正弦波振荡器的振荡频率取决于R、C 的数值。 1 1
fo 2RC
fo 2 6 RC
若提高振荡频率fo ，必须选择较小的R和C值。 例如，桥式振荡器。 选R=1kΩ，C=200pF，则 fo=796Hz R基本放大电路的负载加重； fo C受到管子结电容和分布电容的限制。 结论： RC正弦波振荡器只能用作低频振荡器。 振荡频率的范围：1Hz ~几MHz 当振荡频率高于1MHz时，采用LC正弦波振荡器。