第八章 信号产生电路

ϕ A + ϕ F = 2 nπ
n是整数 是整数
RC正弦波 正弦波振荡电路 8.2 RC正弦波振荡电路
文氏电桥RC RC振荡器 一、文氏电桥RC振荡器
R Rf
1.电路结构 1.电路结构
C
运放构成的同相比例 放大器作为基本放大器 RC串、并联电路作为 RC串 选频网络 RC串 RC串、并联电路和负 反馈回路中的R1 Rf构 R1和 反馈回路中的R1和Rf构 成电桥
ϕF = 0 ,
1 F= 3
只需： 只需：A≥3
所以： 所以：
R1
Rf = 2R1
4.振荡的建立与幅度的稳定 4.振荡的建立与幅度的稳定 （1）振荡的建立 电扰动 选 频 放 大
（2）稳幅的措施 采用负温度系数 的半导体热敏电阻 来稳幅 起振时Rt较大 使 A >3,易起振。 >3,易起振 易起振。
一. 石英晶体的基本特性及等效电路
1. 石英晶体的基本特性---压电效应 石英晶体的基本特性---压电效应 --极板间加电场 极板间加机械压力 晶体机械变形 晶体产生电场
当外加交变电压频率等于晶体的固有频率时， 当外加交变电压频率等于晶体的固有频率时，振 幅最大， 幅最大，将这一现象称为压电谐振 晶体振动的固有频率与晶片尺寸、 切割方式、 晶体振动的固有频率与晶片尺寸 、 切割方式 、 几何形状等有关。 几何形状等有关。
F=
•
1
ω ω0 3 + j( − ) ω0 ω
1 ω 式中： 式中： 0 = RC
幅频特性
& F =
1
ω ωo 2 3 +( − ) ωo ω
2
相频特性
ϕ f = −arctg
|F|
1/3
ω ωo ( − ) ωo ω
3
φF +90°
ωo ωo
ω
ω
1 当 ω = ω0 = 时， RC
│F│= │F│max=1/3
2. 串联型石英晶体振荡器
+VCC
X
R b1 (+) R b2 Re 1 (+)
石英晶体
Rc1 (+) R . Uo
感性
f
0 容 性
fs
f p
Cb
(+) Re2
呈电阻性，而且阻抗最小， 石英晶体工作在fs处，呈电阻性，而且阻抗最小，正反 馈最强，相移为零,满足振荡的相位平衡条件。 馈最强，相移为零,满足振荡的相位平衡条件。 以外的频率，石英晶体阻抗增大,且相移不为零， 对于fs以外的频率，石英晶体阻抗增大,且相移不为零，不 满足振荡条件，电路不振荡。 满足振荡条件，电路不振荡。
Xd Xf
Xo
基本放大器
A
反馈网络
F
反馈信号代替了放大电路的输入信号。 反馈信号代替了放大电路的输入信号。
可得： 由 X d = X f 可得：
AF =1
因为： 因为： . A = | A | ∠ϕ A . F = | F | ∠ϕ F
.
.
所以，自激振荡条件也可以写成： 所以，自激振荡条件也可以写成： 振幅条件： （1）振幅条件： | AF | = 1 相位条件： （2）相位条件：
(+)
+Vcc
Rb1 Cb
C L1 L2 Uo －
Uf
Rb2 －
Re
LC正弦波振荡器举例 LC正弦波振荡器举例
Vcc
Rb1 Rc C2
（+） ）
C1
（+） ）
（–） ） （+） ）
R b2
Re Ce
（–） ） L C
三、三点式LC 振荡电路 工作原理： 工作原理：仍然由LC并联谐振电路构成选频网络 电感三点式： 电感三点式 ：
iC
C
iL
L R
经整理得
R ωL ] Y = 2 + j [ω C − 2 2 2 R + (ω L ) R + (ω L )
-
ωoL ω oC = 2 R + (ω o L ) 2
ωo =
1+ (
1 R
• )
2
1 LC
ωoL
令
Q =
ωoL
R
ωo =
1 1 1+ 2 Q • 1 LC
一般情况下
Q >> 1
10k 10k
Rt
0.1u uf 10k
100k
∞ － A + +
39k
uo
0.1u
增大时， 当uo增大时， Rt 减小，使负反馈增强， 减小，使负反馈增强， 放大器的增益下降。 放大器的增益下降。
10k
10k
Rt
0.1u uf
100k
当uo减小时， Rt 减小时， 增大，使负反馈减弱， 增大，使负反馈减弱， 10k 放大器的增益增大。 放大器的增益增大。 因此uo幅度自动 稳定于某一幅值。 稳定于某一幅值。
第八章
8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6
信号产生电路
正弦波振荡器的振荡条件
RC 正弦波振荡电路 LC 正弦波振荡电路
石英晶体振荡电路 方波发生器 三角波及锯齿波发生器
8.1 正弦波振荡器的振荡条件
振荡器的定义： 一、振荡器的定义： 实质上是无需外加激励信号， 实质上是无需外加激励信号，而直接将直流 转变为交流电能的正反馈电路
在 f0 处
ϕ F = 180 ,
R2 C C C
ϕ A +ϕF = 0
1 f0 = 2π 3RC
R1
R
R
+ R 0 uf －
－ ∞ A + +
R/
uo
R = R 0 // R 1
LC正弦波振荡器 8.3 LC正弦波振荡器
1.
i
+ u
LC并联谐振回路的选频特性 并联谐振回路的选频特性
1 Y = jω C + R + jω L
|F|
1/3
ϕF = 0
1 ω0 = RC
ωo
φF +90°
ω
ωo
-90°
ω
3.振荡频率和起振条件 3.振荡频率和起振条件 振荡频率由相位平衡条件确定 因为： 因为： ϕ A
= 0 要满足相位条件：ϕ A + ϕ F = 0 要满足相位条件：
必须使 ϕ F = 0 , 在f=f0处， 1 振荡频率： 振荡频率： f0 = 2πRC 起振条件： 起振条件： AF=1，而 ， 因为： 因为：A= 1 + Rf
R C R1
∞ － A + +
uf
uo
2. RC 串并联网络的选频特性
R1C1 串联阻抗： Z 1 = R1 + (1 / jωC1 ) 串联阻抗： R2C2 并联阻抗： 并联阻抗：
+
Z 2 = R2 //(1 / jωC2 ) R2 = 1 + jωR2C2
& = Uf = Z2 F U o Z1 + Z 2
容性
f p
容性
f
通常 C << C0 所以 fs 与 f p 很接近
二.石英晶体振荡电路
1. 并联型石英晶体振荡器
X 感性
－ A ∞ + + C1 C2 Cs
石英晶体
0 容 性
fs
f p
f
石英晶体工作在fs与fp之间，相当一个大电感，与C1、C2 之间，相当一个大电感， 组成电容三点式振荡器。 值很高， 组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高，可达到几 千以上，所以电路可以获得很高的振荡频率稳定性。 千以上，所以电路可以获得很高的振荡频率稳定性。
8.4 石英晶体振荡电路
∆f 频率稳定度一般由 来衡量 f0
∆f ——频率偏移量。 频率偏移量。
f 0 ——振荡频率。 振荡频率。
Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。 值越高，选频特性越好，频率越稳定。 值越高 LC振荡电路 : ∆f / f o 不超过 10−5， Q ——数百 振荡电路 数百 石英晶体振荡电路： 石英晶体振荡电路： Q ——10000 ∼ 500000
（+） ）
C1 L
（+） ）
Ce
Cb
R b2
Re
（+） ）
振荡频率： 振荡频率：
f0 =
1 = 2π LC
1 C ⋅C 2π L 1 2 C1 + C 2
例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相 位平衡条件。 位平衡条件。
Rf R1 － uo
（+） ）
R
A
∞
+
+
（-） ）
V
C1 C2
L
（+） ）
uO
uo
+Uom
t
-Uom
用稳压管稳定输出电压的过零比较器
ui u +
uo
∞ + A + u－
RZ
uO DZ
+UZ 0 -UZ 忽略了U 忽略了 D ui
当ui > 0时 , uo = +UZ 当ui < 0时 , uo = -UZ
+
+
R1 C1
+
uo R2
+
C 2 uf +
R2 • 1 1 + jωR2C 2 F= = 1 R2 C 2 R1 1 R1 + (1 + ) + + ) + j(ωR1C 2 − jωC1 1 + jωR2C 2 C1 R2 ωR2C1
通常，取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，则有： 通常， ， ，则有：
∞ － A + +
39k
uo
0.1u
移相式RC RC振荡器 二、移相式RC振荡器 RC移相电路 1. RC移相电路
RC超前移相电路
C
+
RC滞后移相电路
R
+
uo
－
R
+ uf －
uo
－
+ C u f －
φA
φA +90° 0°
ω
-90°
ω
2. RC移相式振荡电路
ϕ A = 180
满足相位条件： 满足相位条件：
1. 过零比较器 （门限电平 ） 过零比较器: 门限电平=0）
ui u +
uo +UOM 0 -UOM uo ui
∞ + u- － A +
uO
ui u +
∞ － u- + A +
uO
0 -UOM
+UOM ui
ui
例：利用电压比较器将正弦 波变为方波。 波变为方波。
t
ui u +
∞ + u- － A +
ωo
ω
频特性越好。 频特性越好。
i
同名端： 同名端：
在LC振荡器中，反馈信号通过 LC振荡器中， 振荡器中 互感线圈引出
+ u CL
uf
-
互感线圈的极性判别 次级线圈 +1 –2 +3 同名端 1 2 3 4 –4
初级线圈
二. 变压器反馈式LC振荡电路 工作原理： 工作原理： 三极管共射放大器。 三极管共射放大器。 ϕ A = 180 利用互感线圈的同名端： 利用互感线圈的同名端：
例：分析下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振 分析下图的振荡电路能否产生振荡， 石英晶体处于何种状态？ 荡,石英晶体处于何种状态？
Vcc
Rb1 Cb
石英晶体
Rc
R b2
Re Ce
C1
C2
8.5 方波发生器
一.电压比较器 电压比较器是集成运放的应用电路之一， 电压比较器是集成运放的应用电路之一 ， 它 是将一个模拟电压信号与一参考电压相比较， 是将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输 出一定的高低电平。 出一定的高低电平。 运放组成的电路处于非线性状态， 运放组成的电路处于非线性状态，输出与 是非线性关系。 输入的关系u 输入的关系 o=f(ui)是非线性关系。 是非线性关系
1 LC fo ≈ 1 2π LC
ωo ≈
谐振时的输入阻抗
Zo R 2 + (ω o L ) 2 Q = = = Qω o L R ω oC
LC并联谐振回路的幅频特性曲线 并联谐振回路的幅频特性曲线
|Z|
Q为谐振回路的品
Q小 小 Q大 大
ห้องสมุดไป่ตู้
质因数， 值越大， 质因数，Q值越大， 曲线越陡越窄， 曲线越陡越窄，选
Rb1 Cb C L1 L2 Uo － Uf +Vcc
ϕ A + ϕ F = 360
满足相位条件。 满足相位条件。 振荡频率: 振荡频率
1 f0 ≈ 2π LC
ϕ F = 180
Rb2 －
Re
判断是否是满足相位条件——瞬时极性法： 瞬时极性法： 判断是否是满足相位条件 瞬时极性法 断开反馈到放大 器的输入端点， 器的输入端点，假设 在输入端加入一正极 性的信号， 性的信号，用瞬时极 性法判定反馈信号的 极性。 极性。若反馈信号与 输入信号同相， 输入信号同相，则满 足相位条件； 足相位条件；否则不 满足。 满足。
振荡器的组成： 二、振荡器的组成： 由基本放大器、反馈网络、选频网络组成， 由基本放大器、反馈网络、选频网络组成， 通常反馈网络兼有选频的作用
三、 产生振荡的条件
Xi +
× +
Xd
基本放大器
Xo
A
Xf
反馈网络
F
Xd = Xi + X f
如果： 如果：X
f
仍有信号输出。 = X d , 则去掉 X i , 仍有信号输出。
L1 C
L1 Ce
（+） ）
Cb
L2
R b2
Re
（+） ）
1 1 振荡频率： 振荡频率： f 0 = 2π LC = 2π ( L + L + 2 M )C 1 2
2. 电容三点式LC振荡电路
Vcc
Rb1 Cb Rb2 Re Ce C2 Rc
Vcc
Rb1 L C2 （+） ） C1
（+） ）
（-） ）
2. 石英晶体的等效电路
u
u
C Co
u
u
L R
石英晶体的符号
石英晶体的等效电路
3. 石英晶体的谐振频率 （1）串联谐振
串联谐振频率
fs =
1 2π LC
X 感性
谐振时晶体等效为纯阻且阻值近似为零 （2）并联谐振 并联谐振频率
fp = 1 2π LC C C 1+ = fs 1 + C0 C0
0
fs
uf
L1 L2 C
L1 L2
uf uo
C
uo
uf与uo反相
uf与uo同相
电容三点式：
uf
C1 C2 L
uf uo
C1 C2
L
uo
uf与uo反相
uf与uo同相
1.电感三点式 1.电感三点式LC振荡电路
Vcc
Rb1 Cb Rb2 Re Ce Rc
Vcc
L2 Rb1 C
（+） ）
（+） ）
（+） （-） ） ）