信号产生电路

• 石英晶体正弦波振荡电路
+Vcc Rb2 C T Rb1 Ce C1 Rc
Re Cb
Rb2 C2
Rc
JT
+Vcc T2
T1
并联型石英晶体振荡电路 Rb1 Re1
Rf
JT Re2
串联型石英晶体振荡电路
小 结
本讲主要介绍了以下基本内容： 本讲主要介绍了以下基本内容： 正弦波振荡电路：重点掌握正弦波振荡的平衡条件， 正弦波振荡电路：重点掌握正弦波振荡的平衡条件， 并能够依据相位平衡条件正确判断电路是否可能产生振 荡； 非正弦波发生电路： 非正弦波发生电路：正确理解由集成运放构成的矩 形波、三角波和锯齿波发生电路的工作原理、 形波、三角波和锯齿波发生电路的工作原理、波形和参 数。 信号转换电路：了解信号转换电路的工作原理。 信号转换电路：了解信号转换电路的工作原理。
ɺ Uo
3. LC 正弦波振荡电路 (1) LC并联谐振回路选频特性 并联谐振回路选频特性
1 Y = j ωC + R + j ωL R ωL = 2 + j ωC − 2 2 R + (ωL) R + (ωL) 2 1 1 1 1 ⋅ = ⋅ 谐振频率: 谐振频率 ω 0 = 2 LC 1 LC R 1+ 2 1+ Q ω L 0 1 1 ω0L 1 Q≈ = >> 1 ω 0 ≈ 品质因数: 品质因数 Q = ω 0 RC R R LC
8.1 正弦波振荡电路 8.2 电压比较器 8.3 非正弦波发生电路 8.4* 利用集成运放实现的信号 转换电路 8.5* 锁相环及其在信号转换 电路中的应用 Home
内容简介
1. 正弦波振荡电路的振荡条件
ɺ ɺ ɺ Xd = Xi + X f
ɺ ɺ 若环路增益 AF = 1
ɺ Xi + ɺ Xd
L C
1 ( R + j ωL ) L jω C C Z= ≈ 1 1 ) + R + jωL R + j(ωL − ωC jω C
(ωL >> R )
当ω = ω 0 ≈
1 1 L 时， 0 ≈ ⋅ ≈ Q 2 R ≈ Q 2 X L ≈ Q 2 X C Z R C LC 谐振时， 阻抗最大， 且为纯阻 性，无附 加相移。 加相移。
R C R C
ɺ Uo
ɺ Uf
ɺ Uf ɺ F= ɺ U
o
1 R // 1 1 jωC = = = 1 1 1 f f0 R+ + R // 3 + jωRC − 3 + j − f jωC jωC ωRC f 0
Fɺ
= 3
2
1 + f − f0 f0 f ，
(3) 电感反馈式正弦波振荡电路
b L1 e L2 C
c
电感 三点式
优点：耦合紧 ， 振幅大 ； 振荡频率高 ， 调节范围宽 。 优点 ： 耦合紧， 振幅大； 振荡频率高， 调节范围宽。 缺点：输出波形不够好，含有高次谐波。 缺点：输出波形不够好，含有高次谐波。
(4) 电容反馈式正弦波振荡电路
b e C1 C2 L
ui
UOL
UOH 保护 uo = 二极管 UOL
ui < 0(ui = u− < u+ = 0) 双向稳压 ui > 0(ui管限幅 u+ = 0) 负反馈 = u− >
± Uz
ui
-
R A
uo ± Uz
ui R
+
+
A
uo
3. 任意电压比较器
UREF ui R1 R2
-
uo
R A
uo ± Uz
正弦波振荡电路的组成： 正弦波振荡电路的组成： • 放大电路：能量控制，保证输出信号的幅度； 放大电路：能量控制，保证输出信号的幅度； • 选频网络：确定输出信号为单一频率的正弦信号； 选频网络：确定输出信号为单一频率的正弦信号； • 反馈网络：引入正反馈； 反馈网络：引入正反馈； • 稳幅环节：使输出信号幅值稳定。 稳幅环节：使输出信号幅值稳定。 其中选频网络往往与反 馈网络合二为一； 馈网络合二为一 ； 振荡电路 中的稳幅环节， 中的稳幅环节 ， 在分立元件 放大电路中常依靠放大电路 中晶体管的非线性作用实现， 中晶体管的非线性作用实现 ， 而不另加稳幅电路。 而不另加稳幅电路。
≈ f s (∵ C << C 0 )
因为 fs 和 fp 越接近，石英晶体呈感性的区域（ fs < f < 越接近，石英晶体呈感性的区域（ 就越窄，其选择性就越好。 fp ）就越窄，其选择性就越好。 石英晶体的品质因数很高， 石英晶体的品质因数很高，Q =104 ∼ 106 ；振荡频率取 决于石英晶体的固有频率，具有很高的频率稳定度。 决于石英晶体的固有频率，具有很高的频率稳定度。
1. 理想集成运放工作于非线性区
i+ 电路中没有引入负反馈或引入的 u+ + 是正反馈， 是正反馈 ， 理想运放工作于非线性 A 因其放大倍数趋于无穷大， 区 。 因其放大倍数趋于无穷大 ， 所 u以输出电压只有两种可能： 以输出电压只有两种可能： iU OH u+ > u− uo = iU OL u+ < u− uuo uo UOH
4. 滞回比较器
ui
-
R A
uo
uo
+UZ
uo
+UZ
+
R 1
R 2
±U z
-UT -UZ
f
则
ɺ ɺ Xd = X f ，
ɺ A
ɺ Xo
+ X ɺ
ɺ X 去掉 X i ，ɺ o 仍有稳
定的输出。 定的输出。
ɺ Xf
ɺ F
ɺ ɺ ɺ ɺ 又 AF = AF ∠ϕ a + ϕ f = AF ∠ϕ a + ϕ f
所以振荡条件为： ɺ ɺ 所以振荡条件为： AF = 1 即
A(ω ) ⋅ F (ω ) = 1
(2) 变压器反馈式 正弦波振荡电路 变压器反馈式LC正弦波振荡电路
(1) 相位平衡条件 (2) 幅值平衡条件 通过选择高β值的BJT和调整变压器的匝数 通过选择高β值的 和调整变压器的匝数 ɺ ɺ 电路可以起振。 电路可以起振。 比，可以满足 AF > 1 ， (3) 稳幅 BJT进入非线性区，波形出现失真，从而幅值不再增加，达到稳 进入非线性区，波形出现失真，从而幅值不再增加， 进入非线性区 仿真 幅目的。 幅目的。 (4) 选频 虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的 值很高，选频特性好， 谐振电路的Q值很高 虽然波形出现了失真，但由于 谐振电路的 值很高，选频特性好， 的正弦波信号。 所以仍能选出ω0的正弦波信号。 优点：易于产生振荡 ， 输出波形失真不大 。 缺点：耦合不紧密 ， 优点 ： 易于产生振荡，输出波形失真不大。缺点 ： 耦合不紧密， 损耗较大，振荡频率的稳定性不高。 损耗较大，振荡频率的稳定性不高。
ɺ Xd
ɺ Xf
放大电路 反馈与 选频网络
ɺ Xo
2. RC 正弦波振荡电路
f0 C 3 + +f − f 0 A ɺ ɺ Uf R C fU o 1 f ϕ F = − arctan 1 − 0 R 3 f0 f
2
ɺ = F R
1
R f f
2
O
uo
u+
u+- uUOL
i+
+
A
反馈网络
所以， 因为rid → ∞,所以， i+ = i− ≈ 0
2. 过零比较器
ui
-
uo A
+UZ
uo UO H
+UZ
O
uo UOH
线性区
-UZ
ui O + • I+=I-=0， U+=U-， 保护了输入级。 保护了输入级。 ， -UZ UOL • 提高了输出电压的转换速度。 提高了输出电压的转换速度。
稳幅措施
热敏元件： 4热敏元件：RT ɺ U o ↑→ PRT ↑→ T ↑
↑ ↓ ɺ ɺ U o ↓← Au ↓← RT ↓
R C
RT
+
ɺ Uf
R
C R1
4二极管
-
A
ɺ Uo
R C Rf
+
ɺ Uf
R
C R1
-
A
ɺ = 1 + R f + rd Au R1 ɺ U o ↑→ i D ↑→ rd ↓ ɺ ɺ U o ↓← Au ↓
或：发射极 接两个同性质的电抗元件，基极 和集电极 发射极e 接两个同性质的电抗元件，基极b 和集电极c 同性质的电抗元件
接两个不同性质的电抗元件，则满足振荡的相位平衡条件。 接两个不同性质的电抗元件，则满足振荡的相位平衡条件。 不同性质的电抗元件
(5) 石英晶体正弦波振荡电路
• 石英晶体的基本特性与等效电路 极板间加电场 晶体机械变形 极板间加机械力 交变电压 晶体产生电场 交变电压
2
1 3
ɺ F
ϕ
F
1 π 1 2 f RC = − arctan 即为振荡频率 − fo =
3 f0
f0 f
= 0

f0
f
1 ɺ 当 f = f o 时， F = ， ϕ 3
若 ɺ A = 3，则
F
ϕ
o
F
o
+ 90 0
ɺ ɺ A F = 1，此时 和幅度平衡 荡。
同时满足相位平衡条件 条件，电路能够产生振
R2 UT = − UREF R1
O -UZ
+UZ UT
+
ui
+ U Z uo = - U Z
ui < UT ui > UT
仿真
• I+=I-=0， 写出 u+、u- 表达式，令u+=u- ，求阈值电压 T ; 表达式， 求阈值电压U ， • 确定输出电压的高、低电平 OH和UOL ; 确定输出电压的高、低电平U • 根据 + 是否大于 u- 确定 i> UT 及ui<UT 的输出电压值。 根据u 确定u 的输出电压值。
压电效应
机械振动
机械振动的固有频 率与晶片尺寸有关， 率与晶片尺寸有关 ， 稳 定性高。 定性高。 当交变电压频率 = 固有频率时， 振幅最大。 固有频率时 ， 振幅最大 。 压电谐振
串联谐振频率： 串联谐振频率： ω s = 并联谐振频率： 并联谐振频率：
1 LC
ωp =
C 1 = fs 1+ C0 CC 0 L C + C0
A(ω) ⋅ F (ω) > 1
起振条件
振幅平衡条件 相位平衡条件
ϕ a (ω ) + ϕ f (ω ) = 2nπ
问题1：振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源 振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，
电路器件内部噪声。 来自何处？ 来自何处？ 电路器件内部噪声。 问题2：电路器件的内部噪声不是单一频率噪声，而电路输出的是单一 电路器件的内部噪声不是单一频率噪声， 频率的正弦波，如何实现？ 频率的正弦波，如何实现？ 振荡电路中的选频网络， 满足相位平衡条件， 振荡电路中的选频网络，只使噪声中某一频率 ω0 满足相位平衡条件， 形成正反馈，成为振荡电路的输出信号；而其它频率的信号， 形成正反馈，成为振荡电路的输出信号；而其它频率的信号，则不满足相 位平衡条件，逐渐被抑制掉。 位平衡条件，逐渐被抑制掉。 问题3： 起振条件 是否意味着输出电压将越来越大， A(ω) ⋅ F (ω)是否意味着输出电压将越来越大， >1 趋于无穷 ？ 振荡电路中的稳幅环节，将限制输出信号幅度无限增长， 振荡电路中的稳幅环节，将限制输出信号幅度无限增长，当输出信 号达到一定值后，将使其稳定。一是可以另加稳幅电路； 号达到一定值后，将使其稳定。一是可以另加稳幅电路；二是直接依靠 放大电路中晶体管的非线性作用实现。 放大电路中晶体管的非线性作用实现。
C3
c
电容 三点式
仿真
优点：输出波形好 ； 振荡频率高 。 缺点： 频率调节范 优点 ： 输出波形好； 振荡频率高。 缺点 ：
围窄。 围窄。
• “三点式”振荡电路相位平衡条百度文库的简单判别方法 三点式” 三点式
b L1
e L2 C
c
b
e C1 C2 L
c
b
e X1 X2 X
c
X1、X2 为同性质的电抗元件，与X 为不同性质的电抗 同性质的电抗元件 的电抗元件， 不同性质的电抗 元件，则满足振荡的相位平衡条件。 元件，则满足振荡的相位平衡条件。
f0
− 90
o
f
起振条件：
ɺ A > 3
ɺ 根据起振条件： A > 3， 则电路中 R f 和 R1的取值有 何限制？
ɺ ∵ A = 1+ ∴ R
f
R C
Rf
+
R
f
R1
> 3，
ɺ Uf R
C R1
-
A
ɺ Uo
> 2 R1
如何调节振荡器的频率 和幅度？ 仿真
RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波。 正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 的正弦波。 原因：要提高其振荡频率，必须减小 R 和 C 的值，放大 的值， 原因：要提高其振荡频率， 器的输出电阻和晶体管的极间电容将影响其选频特性， 器的输出电阻和晶体管的极间电容将影响其选频特性，输出 频率不稳定。 频率不稳定。