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1、第7章 信號(hào)產(chǎn)生電路7.1 正弦波振蕩電路教學(xué)要求掌握正弦波振蕩電路的工作原理;掌握RC橋式振蕩電路的工作原理;理解變壓器反饋式、三點(diǎn)式LC及石英晶體振蕩電路的原理。引言 信號(hào)產(chǎn)生電路通常也稱(chēng)振蕩器,用于產(chǎn)生一定頻率和幅度的信號(hào)。按輸出信號(hào)波形的不同可分為兩大類(lèi),即正弦波振蕩電路和非正弦波振蕩電路,而正弦波振蕩電路按電路形式又可分為RC振蕩電路、LC振蕩電路和石英晶體振蕩電路等;非正弦波振蕩電路按信號(hào)形式又可分為方波、三角波和鋸齒波振蕩電路等。 振蕩電路的性能指標(biāo)主要有兩個(gè):1.要求輸出信號(hào)的幅度要準(zhǔn)確而且穩(wěn)定;2.要求輸
2、出信號(hào)的頻率要準(zhǔn)確而且穩(wěn)定。一般來(lái)講準(zhǔn)確度比穩(wěn)定度容易做到,而幅度穩(wěn)定比頻率穩(wěn)定容易實(shí)現(xiàn)。此外輸出波形的失真度、輸出功率和效率也是較重要的指標(biāo)。一、正弦波振蕩電路的工作原理 (一)振蕩產(chǎn)生的基本原理 當(dāng)反饋信號(hào)等于放大器的輸入信號(hào)時(shí),振蕩電路的 輸出電壓不再發(fā)生變化,電路達(dá)到平衡狀態(tài),因此將反饋信號(hào)等于放大器的輸入信號(hào)稱(chēng)為振蕩的平衡條件。另外注意,這里的反饋信號(hào)和放大器的輸入信號(hào)都是復(fù)數(shù),所以?xún)烧呦嗟仁侵复笮∠嗟榷蚁辔灰蚕嗤?#160; 2.振蕩的起振條件 為
3、使振蕩電路在接通直流電源后能夠自動(dòng)起振,則在相位上要求反饋電壓與輸入電壓同相,在幅度上要求UfUi,因此振蕩的起振條件也包括相位條件和振幅條件兩個(gè)方面,即 (三)電路的組成和起振的判斷 二、RC振蕩電路 采用RC選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的振蕩電路稱(chēng)為RC振蕩電路,它適用于低頻振蕩,一般用于生產(chǎn)1Hz1MHz的低頻信號(hào)。常用的RC振蕩電路有RC橋式振蕩電路和RC移相式振蕩電路。 (一)RC橋式振蕩電路1. RC 串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)
4、 2.RC橋式振蕩電路 將RC 串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)和放大器結(jié)合起來(lái)即可構(gòu)成RC振蕩電路,放大器可采用集成運(yùn)放。電路如下動(dòng)畫(huà)所示,運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端分別跨接在電橋的對(duì)角線上,故把這種振蕩電路稱(chēng)為RC橋式振蕩電路。圖中Rf采用了具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻,用以改善振蕩波形、穩(wěn)定振蕩幅度。負(fù)反饋支路中 采用熱敏電阻有不但使RC橋式振蕩電路的起振容易,振幅波形改善,同時(shí)還具有很好的穩(wěn)幅特性,所以實(shí)用RC橋式振蕩電路中的熱敏電阻的選擇是很重要的。 3)穩(wěn)幅措
5、施 為使電 Au 為非線性,起振時(shí),應(yīng)使 Au > 3,穩(wěn)幅后 Au = 3。 (二)RC 移相式振蕩電路 RC 移相式振蕩電路如下圖所示,電路采用三節(jié)RC超前相移網(wǎng)絡(luò),三節(jié)相移網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同頻率的信號(hào)產(chǎn)生的相移是不同的,電腦其中總有一個(gè)頻率的信號(hào),通過(guò)此網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的相移剛好為180°,滿足相位平衡條件而產(chǎn)生振蕩,該頻率即為振蕩頻率f0。 RC 移相式振蕩電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是選頻性能較差,頻率調(diào)節(jié)不方便,由于輸出
6、幅度不夠穩(wěn)定,輸出波形較差,一般只用于振蕩頻率固定,穩(wěn)定性要求不高的場(chǎng)合。 三、LC振蕩電路 采用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路 稱(chēng)為L(zhǎng)C振蕩電路,它主要用來(lái)生產(chǎn)高頻正弦振蕩信號(hào),一般在1MHz以上。根據(jù)反饋形式的不同,LC振蕩電路可分為變壓器反饋式和三點(diǎn)式振蕩電路。 (一)變壓器反饋式LC振蕩電路 1.LC并聯(lián)諧振電路 回路品質(zhì)因數(shù) Q用來(lái)評(píng)價(jià)回路損耗的大小,一般在幾十到幾百范圍。由以上分析可知
7、,并聯(lián)諧振的本質(zhì)是電流諧振,并聯(lián)諧振具有很好的選頻作用。 2.變壓器反饋式振蕩電路 變壓器反饋式振蕩電路原理如下圖所示。L、Lf組成變壓器,其中L為次側(cè)線圈電感,Lf為反饋線圈電感,用來(lái)構(gòu)成正反饋。L、C構(gòu)成并聯(lián)諧振回路,作為放大器的負(fù)載,構(gòu)成選頻放大器。由于LC回路的選頻作用,電路中只有等于諧振頻率的信號(hào)得到足夠的放大,只要變壓器一、二次間有足夠的偶合度,就能滿足振蕩的幅度條件而產(chǎn)生正弦波振蕩,其振蕩頻率決定于LC并聯(lián)諧振
8、回路的諧振頻率0。 (二)三點(diǎn)式LC振蕩電路 三點(diǎn)式LC振蕩電路的特點(diǎn)是電路中LC并聯(lián)諧振回路的三個(gè)端子分別與放大器的三個(gè)端子相連, 故而稱(chēng)為三點(diǎn)式振蕩電路。 1.電感三點(diǎn)式振蕩電路 電感三點(diǎn)式振蕩電路(又稱(chēng)哈特萊振蕩器)如上圖所示。三極管V構(gòu)成共發(fā)射極放大電路,電感L1、L2和電容C構(gòu)成正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)。諧振回路的三個(gè)端點(diǎn)1、2、3分別與三極管的三個(gè)電極相接,反饋信號(hào)取自電感線圈L2兩端電壓,故稱(chēng)為電感三點(diǎn)式振蕩電路,也稱(chēng)電感反饋
9、式振蕩電路。 電感三點(diǎn)式振蕩電路的優(yōu)點(diǎn)是起振容易,因?yàn)長(zhǎng)1、L2之間偶合很緊,正反饋較強(qiáng)的緣故。此 外,改變回路電容可調(diào)節(jié)振蕩信號(hào)頻率。由于反饋信號(hào)取自電感L2兩端,對(duì)高次偕波呈現(xiàn)高阻抗, 故不能抑制高次偕波的反饋,因此振蕩電路輸出信號(hào)中的高次偕波較多,信號(hào)波形較差。 優(yōu)點(diǎn):易起振(L間耦合緊);易調(diào)節(jié)(C可調(diào))。 缺點(diǎn):輸出取自電感,對(duì)高次諧波阻抗大,輸出波形差。 2.電容三點(diǎn)式振蕩電路
10、60;電容三點(diǎn)式振蕩電路又稱(chēng)考皮茲振蕩電路,其電路原理如下圖所示。電容C1、C2和電感L構(gòu)成 正反饋選頻網(wǎng)絡(luò),反饋信號(hào)取自電容C2兩端,故稱(chēng)為電容三點(diǎn)式振蕩電路,也稱(chēng)電容反饋式振蕩電 路。反饋信號(hào)與輸入端電壓同相,滿足振蕩的相位平衡條件,電路的振蕩頻率近似等于回路的諧振頻率。 電容三點(diǎn)式振蕩電路的反饋信號(hào)取自電容C2兩端,因?yàn)镃2對(duì)高次偕波呈現(xiàn)較小的容抗,反饋信 號(hào)中高次偕波的分量小,故振蕩電路的輸出信號(hào)波形較好。但當(dāng)改變C1或C2來(lái)調(diào)節(jié)振蕩頻率時(shí),同 時(shí)回改變正反饋量的大小,因而會(huì)使輸出信號(hào)幅度發(fā)生變化,甚至可能會(huì)使振蕩電路停振。所以調(diào)節(jié)這種振蕩
11、電路的振蕩頻率很不方便。 優(yōu)點(diǎn):波形較好。 缺點(diǎn):1.調(diào)頻時(shí)易停振;2.V極間電容影響fo。 改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路又稱(chēng)可拉波電路,如上圖所示。在可拉波電路中,當(dāng)C3比C1、C2小 得多時(shí),振蕩頻率僅由C3和L來(lái)決定,與C1、C2基本無(wú)關(guān),C1、C2僅構(gòu)成正反饋,它們的容量相對(duì) 來(lái)說(shuō)可以取得很大,從而減小與之相并聯(lián)的晶體管輸入電容、輸出電容的影響,提高了頻率的穩(wěn)定度。 四、石英晶體(Crystal)振蕩電路 (一)石
12、英晶體諧振器的阻抗特性 石英晶體因其具有壓電效應(yīng)被用作振蕩器。所謂壓電效應(yīng),即當(dāng)機(jī)械力作用于石英晶體使其發(fā)生機(jī)械變形時(shí),晶片的對(duì)應(yīng)面上會(huì)產(chǎn)生正、負(fù)電荷,形成電場(chǎng);反之,在晶片的對(duì)應(yīng)面上加一電場(chǎng)時(shí),石英晶片會(huì)發(fā)生機(jī)械變形。當(dāng)給石英晶片外加交變電壓時(shí),石英晶片將按交變電壓的頻率發(fā)生 機(jī)械振動(dòng),同時(shí)機(jī)械振動(dòng)又會(huì)在兩個(gè)電極上產(chǎn)生交變電荷,結(jié)果在外電路中形成交變電流。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于石英晶片的固有機(jī)械振動(dòng)頻率時(shí),晶片發(fā)生共振,此時(shí)機(jī)械振動(dòng)幅度最大,晶和片兩面的電荷量電路中的交變電流也最大,產(chǎn)生了類(lèi)似于回路的諧振現(xiàn)象,此現(xiàn)象稱(chēng)為壓電諧振振。晶片的固有機(jī)械動(dòng)頻率
13、稱(chēng)為諧振頻率 1.結(jié)構(gòu)和符號(hào) 5.使用注意事項(xiàng) 1)要接一定的負(fù)載電容 CL(微調(diào)),以達(dá)標(biāo)稱(chēng)頻率。 2)要有合適的激勵(lì)電平。過(guò)大會(huì)影響頻率穩(wěn)定度、 振壞晶片;過(guò)小會(huì)使噪聲影響大,還能停振。 (二)石英晶體諧振電路 串聯(lián)型晶體
14、振蕩電路石英晶體作為一個(gè)正反饋通路元件,工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)。 并聯(lián)型晶體振蕩電路石英晶體作為一個(gè)高Q 值的電感元件,和回路中的其它元件形成并聯(lián)諧振。7.2 非正弦波信號(hào)產(chǎn)生電路教學(xué)要求掌握單限比較器與遲滯比較器的工作原理;熟悉壓控方波產(chǎn)生電路的工作原理;了解8038集成函數(shù)發(fā)生器的外部管腳排列及外接電路特點(diǎn)。一、電壓比較器(Comparer) 電壓比較器的基本功能是對(duì)兩個(gè)輸入電壓進(jìn)行比較,并根據(jù)比較結(jié)果輸出高電平或低電平電 壓。電壓比較器廣泛應(yīng)用于非正弦波信號(hào)的產(chǎn)生和變換以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換等。
15、; 電壓比較器分為基本比較器和遲滯比較器(施密特觸發(fā)器)兩大類(lèi),其中基本比較器又分為簡(jiǎn)單比較器(單門(mén)限)和窗口比較器(雙門(mén)限)。 (一)單限電壓比較器 理想集成運(yùn)放工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下,其輸出只有正飽和和負(fù)飽和值兩種狀態(tài),當(dāng)同相端輸入電壓 大于反,輸出為正飽和值,即UO=UOM,反之,輸出為負(fù)飽和值,即UO=-UOM。 比較器輸出由一種狀態(tài)跳變到另一種狀態(tài)時(shí),所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值稱(chēng)為門(mén)限電壓。只有一個(gè)門(mén) 限的比較器稱(chēng)單限比較器,若門(mén)限電壓為零,稱(chēng)為過(guò)零比較器。 &
16、#160; 1.過(guò)零電壓比較器 2.同相輸入單門(mén)限比較器 如果將參考電壓UREF接在運(yùn)算放大器的反向端,待比較的輸入電壓uI接到同相端,如下圖所 示,即構(gòu)成同相輸入單限電壓比較器,圖中輸出端所接穩(wěn)壓管用以限定輸出高低電平幅度,R為穩(wěn)壓管限流電阻。由于uI從同相端輸入且只有一個(gè)門(mén)限,把比較器輸出電平發(fā)生跳變時(shí)的輸入電壓稱(chēng)為門(mén)限電壓UT,圖中的UT=UREF。由于uI從同相端輸入且只有一個(gè)門(mén)限,故稱(chēng)同相輸入單限電壓比較器;反之,當(dāng)uI從反相端輸入,UREF改接到同相端,
17、則稱(chēng)反相輸入單限電壓比較器。 特點(diǎn):1)工作在非線性區(qū) ;2)不存在虛短 (除了uI = UREF 時(shí));3)存在虛斷 (二)遲滯比較器 對(duì)于單限比較器,如果輸入電壓在門(mén)限附近有微小的干擾,就會(huì)導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)翻轉(zhuǎn)使比較器輸出電 壓不穩(wěn)定而出現(xiàn)錯(cuò)誤階躍,為了克服這一缺點(diǎn),常將比較器的輸出電壓通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)加到同相輸入端,形成正反饋,將待比較電壓uI加到反相輸入端,參考電壓UREF通過(guò)R2接到運(yùn)算放大器的同相 端,如圖所示,通常將此電路稱(chēng)為反相輸入遲滯比較器,也稱(chēng)反相輸入施密特觸發(fā)器。 &
18、#160; 1.電路和門(mén)限電壓 2.傳輸特性 二、方波產(chǎn)生電路(Astable Multivibrator) 用遲滯比較器構(gòu)成的方波產(chǎn)生電路如下圖所示,由于方波包含極豐富的諧波,因此方波產(chǎn)生電路又稱(chēng)多諧振蕩器。下圖電路用來(lái)產(chǎn)生固定的低頻率的方波信號(hào),是一種較好的振蕩電路,但是輸出方波的前后沿陡度取決于集成運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率SR,所 以當(dāng)振蕩頻率較高時(shí),為了獲得前后沿較陡的方波,必須使用SR較大的集成運(yùn)放。
19、; 1.電路組成和輸出波形 三、壓控方波產(chǎn)生電路 輸出信號(hào)頻率與輸入控制電壓成正比的波形產(chǎn)生電路稱(chēng)為。若用直流電壓作為控制電壓,壓控 振蕩器可制成頻率調(diào)節(jié)十分方便的信號(hào)源;若用正弦波電壓作為控制電壓,壓控振蕩器就構(gòu)成了調(diào)頻波振蕩器;當(dāng)振蕩受鋸齒波電壓控制時(shí),就構(gòu)成了掃頻振蕩器等。 (一)積分 - 施密特觸發(fā)器型壓控振蕩器 (二)8038 集成函數(shù)發(fā)生器 8038 集成函數(shù)發(fā)生器是一種多用途的波形發(fā)生器,可以用來(lái)產(chǎn)
20、生正弦波、方波、三角波和鋸齒波,其振蕩頻率可通過(guò)外加的直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),所以是壓控集成信號(hào)產(chǎn)生器。其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)所如下圖示。外接電容C的充、放電電流由兩個(gè)電流源控制,所以電容C兩端電壓uC的變化與時(shí)間成線性關(guān)系,從而可以獲得理想的三角波輸出。另外,8038 電路中含有正弦波變換器,故可以直接將三角波變成正弦波輸出。 1.原理 2.實(shí)際應(yīng)用
21、160; 7.3 鎖相頻率合成電路一、鎖相環(huán)路 PLL (Phase-Locked Loop) 鎖相環(huán)路(簡(jiǎn)稱(chēng)PLL)由鑒相路、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器組成的閉環(huán)電路,它是利用一種相位誤差信號(hào)去消除頻率誤差自動(dòng)反饋控制電路,可實(shí)現(xiàn)無(wú)誤差頻率跟蹤,即當(dāng) 鎖相環(huán)路鎖定時(shí),輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)頻率相等,若輸入信號(hào)頻率發(fā)生變化,輸出信號(hào)的頻率也跟隨變化并保持相等。假如環(huán)路的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)頻率不等,則稱(chēng)鎖相環(huán)路處于失鎖狀態(tài)。 (一)鎖相環(huán)路組成和工作原理 鑒相器是相位比較器部件,能夠鑒別出兩個(gè)輸入信號(hào)之間的相位誤差,其輸出電壓與兩輸入信號(hào)之間的相位誤差成正比。 環(huán)路濾波器具有低通特性,用來(lái)消除鑒相器輸出信號(hào)中的高頻分量和噪聲,改善壓控振 蕩器控制電壓的頻譜純度,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 壓控振蕩器是一個(gè)電壓頻率(相位)變換電路,當(dāng)uc(t)=0時(shí)它有一個(gè)固有振蕩頻率,用o0表示,在環(huán)路濾波器的輸出電壓uc(t)的作用下,其振蕩頻率o在o0上下
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