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第 9 章

第 9 章. 信号产生电路. 授课教师：邢晓敏. 本章主要内容. 正弦波振荡电路的振荡条件. RC 正弦波振荡电路. 最终要求：. ① 判断电路能否振荡. LC 正弦波振荡电路. 石英晶体振荡电路 （属 LC 电路一种）. ② 求振荡频率 f 0 ＝？. 本章主要内容. 介绍几种非正弦信号产生电路. 最终要求：. （ 1 ）电压比较器. 会对各电路进行分析. （ 2 ）方波产生电路. 关键：是 v O 和 v I 的关系为何？通常给出 v I 波形，要能画出 v O 波形。. （ 3 ）三角波和锯齿波产生电路. 概述.

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第 9 章

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  1. 第9章 信号产生电路 授课教师：邢晓敏

  2. 本章主要内容 • 正弦波振荡电路的振荡条件 • RC正弦波振荡电路 最终要求： ①判断电路能否振荡 • LC正弦波振荡电路 • 石英晶体振荡电路 （属LC电路一种） ②求振荡频率 f0＝？

  3. 本章主要内容 • 介绍几种非正弦信号产生电路 • 最终要求： （1）电压比较器 会对各电路进行分析 （2）方波产生电路 关键：是vO和vI的关系为何？通常给出vI波形，要能画出vO波形。 （3）三角波和锯齿波产生电路

  4. 概述 在模拟电子电路中，存在着各种类型的信号产生电路，就其产生的波形而言，通常可以分为两大类： 矩形波 正弦波 三角波 非正弦波 锯齿波 等等 这些波形信号常被作为信号源广泛应用于许多工程领域。

  5. 目 录 9.1 正弦波振荡电路的振荡条件 9.2 RC正弦波振荡电路 9.3 LC正弦波振荡电路 9.4 非正弦信号产生电路 9.5 集成函数发生器8038简介 返 回

  6. 9.1 正弦波振荡电路的振荡条件 正弦波振荡电路的定义： 是指在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路。 应用例：实验室中的低频信号发生器就是一种正弦波振荡电路。 返回

  7. 1 S 2 ～ 正弦波振荡电路的方框图及产生条件分析 一. 产生条件 【分析】 假设先将S接在1端，且有： vi经过放大电路和反馈网络后，在2端得到一个同样频率的正弦电压vf，即：

  8. 1 S 2 ～ 放大电路产生了正弦波振荡，其角频率为ω。 结果 正弦波振荡电路的方框图及产生条件分析 一. 产生条件 【分析】 若使得 即： 则如果把S倒向2端，vo将和原来完全相同，没有任何改变。

  9. ∵ 而 产生正弦波振荡的条件 ∴ 振幅平衡条件 相位平衡条件 由此可以得出,放大电路产生自激振荡的条件： 分别用振幅平衡条件和相位平衡条件表示如下：

  10. 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区别吗？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区别吗？ 思 考题 × 引入了正反馈 × 有区别！ 【解释】 由负反馈变成了正反馈 负反馈放大电路产生自激振荡的条件是由 这里正弦波振荡电路产生自激振荡的条件是：

  11. （略大于） 起振过程 二.起振条件和稳幅原理 • 起振条件： 结果：产生增幅振荡 • 稳幅条件： • 稳幅措施： • 被动：器件本身的非线性 • 主动：在反馈网络中加入非 • 线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益

  12. 其中选频网络往往与反馈网络合二为一；振荡电路中的稳幅环节，在分立元件放大电路中常依靠放大电路中三极管的非线性作用实现，而不另加稳幅电路。其中选频网络往往与反馈网络合二为一；振荡电路中的稳幅环节，在分立元件放大电路中常依靠放大电路中三极管的非线性作用实现，而不另加稳幅电路。 确定电路的振荡频率f0，只对这一 个频率满足振荡条件，从而获得单一频率的正弦波输出。 也就是非线性环节，作用是使输出 信号幅值稳定。 三.正弦波振荡器的一般组成 • 放大电路（A） • 正反馈网络 • 选频网络： • 稳幅环节：

  13. 四.正弦波振荡器的分类 正弦波振荡电路常用选频网络所用元件来命名，分为： RC振荡电路： 用R、C元件组成； 用于产生1Hz～1MHz的低频信号。 用L、C元件组成； LC振荡电路： 用于产生1MHz以上的高频信号。

  14. 思 考题 振荡电路中的选频网络，只使噪声中某一频 率0 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，则不满足相位平衡条件，逐渐被抑制掉。 Q1：振荡电路是单口网络，无须输入信号就能 起振，起振的信号源来自何处？ 电路器件内部噪声。 【答案】 Q2：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频率的正弦波，如何实现？ 【答案】

  15. Q3： 起振条件 是否意味着输出电压将越来越大，趋于无穷 ？ 思 考题 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；二是直接依靠放大电路中晶体管的非线性作用实现。 【答案】

  16. 9. 2 RC正弦波振荡电路 一. RC 串并联网络的选频特性 R1C1串联阻抗： R2C2并联阻抗： 选频特性： 返回

  17. >>R1 >>R2 |F| φF 当ω=0时， uf=0，│F│=0 =+90° 90° 0 0 当ω↑时， uf=↑，│F│↑ ↓ • 定性分析 （1）当信号的频率很低时： 其低频等效电路为： 其频率特性为：

  18. ＜＜R1 ＜＜R2 |F| 0 当ω=∞时， uf=0，│F│=0 =-90° φF 当ω↓时， uf=↑，│F│↑ ↓ 0 -90° （2）当信号的频率很高时： 其高频等效电路为： 其频率特性为：

  19. 由以上分析知：一定有一个频率ω0存在， 当ω=ω0时，│F│最大，且 =0° |F| 0 |F| φF φF 90° 0 0 0 -90° ω0=？ │F│max=？

  20. 定量分析 R1C1串联阻抗： R2C2并联阻抗： 频率特性：

  21. 可见：当 时， │F│最大，且 =0° 通常，取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，则有： 式中： │F│max=1/3

  22. |F| φF 当 时， │F│= │F│max=1/3 +90° RC串并联网络完整的频率特性曲线：

  23. R 1 输出正弦波频率 = + = f A 1 F R 3 1 = R 2 R f 1 二.RC桥式振荡器的工作原理 因为： 在 f0 处 满足相位条件： 振幅条件： AF=1 只需：A=3 引入负反馈： 选：

  24. R 1 = + = f A 1 F R 3 1 例题:R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf为多大时才能起振？振荡频率f0=？ 起振条件： AF=1， A=3 Rf=2R1=210=20k =1592 Hz

  25. 半导体热敏电阻 (负温度系数） 起振时Rt较大 使A>3,易起振。 当uo幅度自激增长时， Rt减小，A减小。 当uo幅度达某一值时， A→3。 当uo进一步增大时， RT再减小 ,使A<3。 因此uo幅度自动稳定于某一幅值。 能自动稳幅的振荡电路

  26. 能自动稳幅的振荡电路 将Rf分为Rf1和Rf2 ， Rf2并联二极管 起振时D1、D2不导通，Rf1+Rf2略大于2R1。随着uo的增加， D1、D2逐渐导通，Rf2被短接，A自动下降，起到稳幅作用。

  27. 当 时， (阻性) 9.3 LC正弦波振荡器 一. LC并联谐振回路的选频特性 并联谐振。 谐振时，电路呈阻性： R为电感和回路中的损耗电阻 LC并联谐振特点：谐振时，总路电流很小，支路电流很大，电感与电容的无功功率互相补偿，电路呈阻性。 返回

  28. |Z| Q小 Q大 LC并联谐振回路的幅频特性曲线 Q为谐振回路的品质因数，Q值越大，曲线越陡越窄，选频特性越好。 谐振时LC并联谐振电路相当一个大电阻。

  29. 同名端 3 4 1 2 + 1 – 2 + 3 – 4 互感线圈的极性判别 同名端： 在LC振荡器中，反馈信号通过互感线圈引出 次级线圈 初级线圈

  30. 二. 变压器反馈式LC振荡电路 工作原理： 三极管共射放大器。 利用互感线圈的同名端： 满足相位条件。 振荡频率:

  31. 判断是否是满足相位条件——相位平衡法： 断开反馈到放大器的输入端点，假设在输入端加入一正极性的信号，用瞬时极性法判定反馈信号的极性。若反馈信号与输入信号同相，则满足相位条件；否则不满足。 (+) (-) (+)

  32. LC正弦波振荡器举例1： (+) (+) (+) (+) 满足相位平衡条件

  33. LC正弦波振荡器举例2： 振荡频率: （–） （+） （+） （+） （–） 满足相位平衡条件

  34. 三. 三点式LC振荡电路 原理： 仍然由LC并联谐振电路构成选频网络 电感三点式： uf与uo同相 uf与uo反相 电容三点式： uf与uo反相 uf与uo同相

  35. 电感三点式LC振荡电路 振荡频率：

  36. 电容三点式LC振荡电路 振荡频率：

  37. 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。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。

  38. 频率稳定度一般由 来衡量 ——频率偏移量。 ——振荡频率。 四.石英晶体振荡电路 • 频率稳定问题 Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。 LC振荡电路 Q ——数百 石英晶体振荡电路 Q ——10000  500000

  39. 符号 晶体机械变形 晶体产生电场 机械振动 交变电压 压电谐振 石英晶体 （1）结构： （2） 基本特性 极板间加电场 极板间加机械力 压电效应 交变电压 当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大 机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高。

  40. X 感性 0 容性 通常 所以 （3）石英晶体的等效电路与频率特性 等效电路： 频率特性： （a）串联谐振 晶体等效纯阻且阻值≈0 （b）并联谐振

  41. X 感性 0 容性 石英晶体振荡电路 利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。 （1）并联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在fs与fp之间，相当一个大电感，与C1、C2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。

  42. X 感性 0 容性 （2）串联型石英晶体振荡器 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。 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。

  43. 例：分析下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振荡,石英晶体处于何种状态？例：分析下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振荡,石英晶体处于何种状态？

  44. +UOM uo -UOM ui 0 9.4 非正弦信号产生电路 一.电压比较器 功能： 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。 构成： 运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。 返回

  45. +UOM uo -UOM ui 0 运放工作在非线性状态基本分析方法 • 运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。 • 运放工作在非线性状态的分析方法： • 若U+＞U-则UO=+UOM； • 若U+＜U-则UO=-UOM。 • 虚断（运放输入端电流=0） • 注意：此时不能用虚短！

  46. +UOM uo uo -UOM ui 0 ui 0 +UOM -UOM • 单门限电压比较器 （1）过零比较器（门限电平=0）

  47. ui uo t t +Uom -Uom 例题：利用电压比较器将正弦波变为方波。

  48. uo +Uom ui 0 -Uom （2）单门限比较器（与参考电压比较） 当ui > UREF时 , uo = +Uom 当ui < UREF时 , uo = -Uom 运放处于开环状态 UREF UREF为参考电压

  49. uo +Uom ui 0 -Uom 若ui从反相端输入 当ui < UREF时 , uo = +Uom 当ui >UREF时 , uo = -Uom UREF

  50. uo ui 0 +UZ -UZ （3）限幅电路——使输出电压为一稳定的确定值 （A）用稳压管稳定输出电压 忽略了UD 当ui > 0时 , uo = +UZ 当ui < 0时 , uo = -UZ

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