第9章信號產(chǎn)生電路

1、第9章信號產(chǎn)生電路第9章信號產(chǎn)生電路9 信號產(chǎn)生電路本章主要內(nèi)容引言9.1 正弦波振蕩電路的振蕩條件9.2 RC正弦波振蕩電路9.3 LC正弦波振蕩電路9.4 非正弦波振蕩電路*第9章信號產(chǎn)生電路 正弦波振蕩器正弦波振蕩器（或稱正弦波信號發(fā)生器）分（或稱正弦波信號發(fā)生器）分RC、LC和和石英晶體正弦波振蕩電路三種類型石英晶體正弦波振蕩電路三種類型: RC：輸出頻率較低：輸出頻率較低 1Hz1MHz 低頻信號低頻信號; LC：輸出頻率較高：輸出頻率較高 一般產(chǎn)生一般產(chǎn)生1MHz以上高頻信號以上高頻信號; 石英晶體正弦波振蕩電路石英晶體正弦波振蕩電路f非常穩(wěn)定非常穩(wěn)定;引言引言9 信號產(chǎn)生電路第9

2、章信號產(chǎn)生電路9.1 正弦波振蕩電路的振蕩條件本節(jié)主要內(nèi)容1. 振蕩條件2. 起振和穩(wěn)幅3. 振蕩電路基本結(jié)論第9章信號產(chǎn)生電路9.1 正弦波振蕩電路的振蕩條件1. 1. 振蕩條件振蕩條件 自激振蕩自激振蕩放大電路輸入端不接外接信號，而在輸出端放大電路輸入端不接外接信號，而在輸出端仍有一定頻率和幅度的信號輸出的現(xiàn)象。仍有一定頻率和幅度的信號輸出的現(xiàn)象。自激振蕩在放大電路中并非好事，它將使放大電路不能正常工自激振蕩在放大電路中并非好事，它將使放大電路不能正常工作，因此要采用消振電路來破壞自激振蕩的條件。作，因此要采用消振電路來破壞自激振蕩的條件。但在振蕩電路中則不然，它正是利用自激振蕩而工作。但

3、在振蕩電路中則不然，它正是利用自激振蕩而工作。振蕩器與放大器的區(qū)別：前者不加輸入信號就有輸出信號，而振蕩器與放大器的區(qū)別：前者不加輸入信號就有輸出信號，而后者的輸入端要接信號源。后者的輸入端要接信號源。第9章信號產(chǎn)生電路9.1 正弦波振蕩電路的振蕩條件正反饋放大電路如圖示。（注意與負(fù)反饋方框圖的差別）正反饋放大電路如圖示。（注意與負(fù)反饋方框圖的差別）aX基本放大電路基本放大電路A反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)FiXfXoXaifXXXoaaiafaa1FXAXAXAAXXXXAFXAF 第9章信號產(chǎn)生電路9.1 正弦波振蕩電路的振蕩條件aX基本放大電路基本放大電路A反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)FfXoX,則則，faa

4、XAF XX則去掉則去掉， iXoX仍有穩(wěn)定的輸出仍有穩(wěn)定的輸出,若環(huán)路增益若環(huán)路增益1 FA 1FAAAF由由則稱電路發(fā)生自激振蕩則稱電路發(fā)生自激振蕩.又又fafa AFFAFA所以振蕩條件為所以振蕩條件為1)()( FA振幅平衡條件振幅平衡條件 n2)()(fa 相位平衡條件相位平衡條件第9章信號產(chǎn)生電路9.1 正弦波振蕩電路的振蕩條件2. 起振和穩(wěn)幅起振和穩(wěn)幅噪聲中，滿足相位平衡條件的某一頻率噪聲中，滿足相位平衡條件的某一頻率 0的的信號被放大，成為振蕩電路的輸出信號。信號被放大，成為振蕩電路的輸出信號。起振條件起振條件1)()( FA n2)()(fa 當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時，

5、就要限制它繼續(xù)增加，當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時，就要限制它繼續(xù)增加，否則波形將出現(xiàn)失真。穩(wěn)幅的作用就是，當(dāng)輸出信號幅值增加到否則波形將出現(xiàn)失真。穩(wěn)幅的作用就是，當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時，使振幅平衡條件從一定程度時，使振幅平衡條件從 回到回到1 AF。 1 AFaX基本放大電路基本放大電路A反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)FfXoX第9章信號產(chǎn)生電路9.1 正弦波振蕩電路的振蕩條件3. 基本結(jié)論基本結(jié)論正弦波振蕩的正弦波振蕩的從電路結(jié)構(gòu)上來看，一個振蕩電路必須由以下四部分組成：從電路結(jié)構(gòu)上來看，一個振蕩電路必須由以下四部分組成：放大電路放大電路正反饋正反饋 選頻網(wǎng)絡(luò)（只對某一固定頻率發(fā)生振蕩）選頻網(wǎng)絡(luò)

6、（只對某一固定頻率發(fā)生振蕩） 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)( )到11AFAF起振條件起振條件1)()( FA n2)()(fa 1)()( FA振幅平衡條件振幅平衡條件 n2)()(fa 相位平衡條件相位平衡條件平衡條件平衡條件第9章信號產(chǎn)生電路9.2 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路本節(jié)主要內(nèi)容本節(jié)主要內(nèi)容 1. 電路組成電路組成 2. RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性 3. 振蕩電路工作原理振蕩電路工作原理 4. 穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施第9章信號產(chǎn)生電路1. 電路組成電路組成放大電路放大電路正反饋網(wǎng)絡(luò)正反饋網(wǎng)絡(luò) 選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)（反饋網(wǎng)絡(luò)兼做選頻網(wǎng)絡(luò)）（反饋網(wǎng)絡(luò)兼做選頻網(wǎng)絡(luò)） 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)

7、穩(wěn)幅環(huán)節(jié)9.2 RC正弦波振蕩電路 oV1RC AfR1Z 2ZCRR FiVV 放大電路放大電路AV第9章信號產(chǎn)生電路2. RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性反饋系數(shù)反饋系數(shù))()()(ofsVsVsFV 212ZZZ 2)(31sCRsCRsCR 又又 j s且令且令RC10 則則)( j3100 VF幅頻響應(yīng)幅頻響應(yīng)2002)(31 VF相頻響應(yīng)相頻響應(yīng)3)(arctg00f C1Z2ZCRR9.2 RC正弦波振蕩電路 FV oV第9章信號產(chǎn)生電路 oV1RC AfR1Z 2ZCRR FiVV 放大電路放大電路AV3. 振蕩電路工作原理振蕩電路工作原理此時若放大電路的電

8、壓增益為此時若放大電路的電壓增益為 用瞬時極性法判斷可知，電用瞬時極性法判斷可知，電路滿足相位平衡條件路滿足相位平衡條件則振蕩電路滿足振幅平衡條件則振蕩電路滿足振幅平衡條件0f 當(dāng)當(dāng)RC10 時時， n2fa (+)(+)(+)(+)1313 VVFA電路可以輸出頻率為電路可以輸出頻率為 的正弦波的正弦波RCf 210 RC正弦波振蕩電路一般用于產(chǎn)生頻率低于正弦波振蕩電路一般用于產(chǎn)生頻率低于 1 MHz 的正弦波的正弦波9.2 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路311f RRAV第9章信號產(chǎn)生電路-采用非線性元件采用非線性元件4. 穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施4(1)熱敏元件熱敏元件起振時，起振時，311f

9、 RRAV即即1 VVFA熱敏電阻的作用熱敏電阻的作用 oV oI 功功耗耗 fR 溫溫度度 fR 阻阻值值 fR3 VA1 VVFA穩(wěn)幅穩(wěn)幅 VA具有負(fù)溫度系數(shù)具有負(fù)溫度系數(shù)9.2 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 oV1RC AfR1Z 2ZCRR FiVV 放大電路放大電路AV熱敏電阻熱敏電阻第9章信號產(chǎn)生電路9.2 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路-采用非線性元件采用非線性元件4(2)二極管二極管 oV1RC AfR1Z 2ZCRR FiVV 放大電路放大電路AV2R第9章信號產(chǎn)生電路9.2 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路-采用非線性元件采用非線性元件4(3)場效應(yīng)管（場效應(yīng)管（JF

10、ET）31DS3p3 RRRAV穩(wěn)幅原理穩(wěn)幅原理 oV )(GS負(fù)負(fù)值值V DSR3 VA1 VVFA穩(wěn)幅穩(wěn)幅 VA34 CRD、整流濾波整流濾波T 壓控電阻壓控電阻vDSiDvGS=0V-1V-2V-3V可變電阻區(qū)，斜率可變電阻區(qū)，斜率隨隨vGS不同而變化不同而變化 第9章信號產(chǎn)生電路9.3 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路9.3.1 9.3.1 LCLC并聯(lián)諧振回路選頻特性并聯(lián)諧振回路選頻特性9.3.2 9.3.2 變壓器反饋式變壓器反饋式LCLC振蕩電路振蕩電路9.3.3 9.3.3 三點式三點式LCLC振蕩電路振蕩電路9.3.4 9.3.4 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路本節(jié)主要內(nèi)容

11、第9章信號產(chǎn)生電路9.3.1 LC并聯(lián)諧振回路選頻特性并聯(lián)諧振回路選頻特性1. 等效阻抗等效阻抗LRCLRCZ jj1)j(j1 等效損耗電阻等效損耗電阻)1j(CLRCLZ 一般有一般有LR 則則CQLQRCLZ000 當(dāng)當(dāng) 時，時，LC10 電路諧振。電路諧振。LC10 為諧振頻率為諧振頻率諧振時諧振時阻抗最大，且為純阻性阻抗最大，且為純阻性其中其中CLRRCRLQ1100 為品質(zhì)因數(shù)為品質(zhì)因數(shù)同時有同時有IQII LL即即III LL第9章信號產(chǎn)生電路2. 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)9.3.1 LC并聯(lián)諧振回路選頻特性并聯(lián)諧振回路選頻特性第9章信號產(chǎn)生電路 雖然波形出現(xiàn)了失真，但由于雖然波形出現(xiàn)了

12、失真，但由于LC諧振電路的諧振電路的Q值很高，選值很高，選頻特性好，所以仍能選出頻特性好，所以仍能選出 0的正弦波信號。的正弦波信號。1. 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)2. 相位平衡條件相位平衡條件3. 幅值平衡條件幅值平衡條件4. 穩(wěn)幅穩(wěn)幅5. 選頻選頻 通過選擇高通過選擇高 值的值的BJT和和調(diào)整變壓器的匝數(shù)比，可以調(diào)整變壓器的匝數(shù)比，可以滿足滿足1 FA，電路可以起振。，電路可以起振。 BJT進(jìn)入非線性區(qū)，波形進(jìn)入非線性區(qū)，波形出現(xiàn)失真，從而幅值不再增加，達(dá)到穩(wěn)幅目的。出現(xiàn)失真，從而幅值不再增加，達(dá)到穩(wěn)幅目的。9.3.2 變壓器反饋式變壓器反饋式LC振蕩電路振蕩電路第9章信號產(chǎn)生電路VCCRb1Re

13、Rb2C1CeMLCcbeTvo(+)(-)(+)(+)VCCRb1ReRb2C1MLCcbeT(-)(-)(+)(+)反饋反饋滿足相位平衡條件滿足相位平衡條件滿足相位平衡條件滿足相位平衡條件反饋反饋(-)9.3.2 變壓器反饋式變壓器反饋式LC振蕩電路振蕩電路第9章信號產(chǎn)生電路9.3.3 三點式三點式LC振蕩電路振蕩電路仍然由仍然由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)1. 三點式三點式LC并聯(lián)電路并聯(lián)電路C1C2首端首端尾端尾端中間端中間端L電容三點式電容三點式C首端首端尾端尾端中間端中間端L1L2電感三點式電感三點式 中間端的瞬時電位一定在首、尾端中間端的瞬時電位一定在首、

14、尾端電位之間。電位之間。第9章信號產(chǎn)生電路9.3.3 三點式三點式LC振蕩電路振蕩電路2. 電感三點式振蕩電路電感三點式振蕩電路第9章信號產(chǎn)生電路9.3.3 三點式三點式LC振蕩電路振蕩電路3. 電容三點式振蕩電路電容三點式振蕩電路第9章信號產(chǎn)生電路9.3.4 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路Q值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。1. 頻率穩(wěn)定問題頻率穩(wěn)定問題頻率穩(wěn)定度一般由頻率穩(wěn)定度一般由 來衡量來衡量0ff 頻率偏移量。頻率偏移量。f 0f振蕩頻率。振蕩頻率。LC振蕩電路振蕩電路 Q 數(shù)百數(shù)百石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路 Q 10000 500000第9

15、章信號產(chǎn)生電路9.3.4 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路2. 石英晶體的基本特性與等效電路石英晶體的基本特性與等效電路結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)極板間加電場極板間加電場極板間加機(jī)械力極板間加機(jī)械力晶體機(jī)械變形晶體機(jī)械變形晶體產(chǎn)生電場晶體產(chǎn)生電場壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)交變電壓交變電壓機(jī)械振動機(jī)械振動交變電壓交變電壓機(jī)械振動的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高機(jī)械振動的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高當(dāng)交變電壓頻率當(dāng)交變電壓頻率 = 固有頻率時，振幅最大。固有頻率時，振幅最大。 壓電諧振壓電諧振第9章信號產(chǎn)生電路9.3.4 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路2. 石英晶體的基本特性與等效電路石英晶體的基本特性與等效電路等效

16、電路等效電路LCf 21s A. 串聯(lián)諧振串聯(lián)諧振特性特性 晶 體 等 效 阻晶 體 等 效 阻抗為純阻性抗為純阻性0p121CCLCf B. 并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振通常通常0CC 0s1CCf 所以所以很很接接近近與與 psff第9章信號產(chǎn)生電路9.3.4 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路2. 石英晶體的基本特性與等效電路石英晶體的基本特性與等效電路實際使用時外接一小電容實際使用時外接一小電容Cs則新的諧振頻率為則新的諧振頻率為s0s121CCCLCf 由于由于s0CCC s0s1CCCf 由此看出由此看出 )(21s0ssCCCff；時時， 0 pssffC sss ffC 時時，調(diào)整調(diào)整之之間

17、間變變化化和和在在可可使使 psssfffC 第9章信號產(chǎn)生電路9.3.4 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路3. 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路相當(dāng)于電容三點式相當(dāng)于電容三點式LC振蕩電路振蕩電路第9章信號產(chǎn)生電路*9.4 非正弦波振蕩電路非正弦波振蕩電路 比較器比較器 鋸齒波產(chǎn)生電路鋸齒波產(chǎn)生電路 方波產(chǎn)生電路方波產(chǎn)生電路a.a.單門限電壓比較器單門限電壓比較器b.b.遲滯比較器遲滯比較器本節(jié)主要內(nèi)容第9章信號產(chǎn)生電路9.4.1 比較器比較器vIvO- -+A+VCC-VEE特點：特點：1. 單門限電壓比較器單門限電壓比較器（1）過零比較器）過零比較器開環(huán)，虛短和虛斷不成立開環(huán)，虛短和虛斷

18、不成立增益增益A0大于大于105CCOEEVvV 可以認(rèn)為可以認(rèn)為vI 0 時，時， vOmax = +VCCvI 0 時，時， vOmax = -VEE（過零比較器）（過零比較器） 運算放大器工作在非線性狀態(tài)下運算放大器工作在非線性狀態(tài)下第9章信號產(chǎn)生電路vIvO- -+A+VCC-VEEvIOT 2 3 4 ttvOVOHOVOL 輸入為正負(fù)對稱的正弦波輸入為正負(fù)對稱的正弦波時，輸出為方波。時，輸出為方波。電壓傳輸特性電壓傳輸特性vOVOHVOLvIO9.4.1 比較器比較器第9章信號產(chǎn)生電路vIvO- -+A+VCC-VEEVREF（2）門限電壓不為零的比較器）門限電壓不為零的比較器電壓

19、傳輸特性電壓傳輸特性vOVOHVOLvIOVREFvIOT 2 3 4 ttvOVOHOVOLVREF（門限電壓為（門限電壓為VREF）9.4.1 比較器比較器第9章信號產(chǎn)生電路解：解：（1）A 構(gòu)成過零比較器構(gòu)成過零比較器（2）RC 為微分電路，為微分電路， RCT/2例例 (a) vO vI + A C R RL D v O + vID vL 電路如圖電路如圖9.4.2a所示，當(dāng)輸入信號如圖所示，當(dāng)輸入信號如圖c所示的正弦波時，所示的正弦波時，定性畫出定性畫出的的波波形形。及及、LOO vvv vI (c) O T 2 3 4 t t vO VOH O VOL (d) t v O O (e

20、) vL O (f) t （3）D 削波（限幅、檢波）削波（限幅、檢波）9.4.1 比較器比較器第9章信號產(chǎn)生電路單門限比較器的抗干擾能力單門限比較器的抗干擾能力 vI t Vth =VREF O vO VOH O t VOL 應(yīng)為高電平應(yīng)為高電平錯誤電平錯誤電平9.4.1 比較器比較器第9章信號產(chǎn)生電路 vI vN vP + A vO R1 10k R2 100 VREF =1V 9.4.1 比較器比較器2. 2. 遲滯比較器遲滯比較器( (滯回比較器、施密特觸發(fā)器滯回比較器、施密特觸發(fā)器) )（1）電路組成）電路組成（2）門限電壓）門限電壓為門限電壓，為門限電壓， Pv門限電壓門限電壓的的

21、兩兩個個的的兩兩個個電電壓壓值值可可得得有有關(guān)關(guān)，對對應(yīng)應(yīng)于于與與而而POOPvvvv)( OLOPI低電平低電平時，時，Vvvv )( OHOPI高高電電平平時時，Vvvv 21OH221REF1TRRVRRRVRV 21OL221REF1TRRVRRRVRV 上門限電壓上門限電壓下門限電壓下門限電壓回差電壓回差電壓21OLOH2TTT)(RRVVRVVV （疊加原理）（疊加原理）第9章信號產(chǎn)生電路9.4.1 比較器比較器 vO/V VOH 0 (a) VT+ vI/V VOL （3）傳輸特性）傳輸特性 vI vN vP + A vO R1 10k R2 100 VREF =1V vO/V

22、0 (b) VT vI/V VOH VOL vO/V 0 (c) VT vI/V VT+ VOH VOL (VOH)第9章信號產(chǎn)生電路9.4.1 比較器比較器解：解：例例電路如圖所示，試求門限電壓，畫出傳輸特性和圖電路如圖所示，試求門限電壓，畫出傳輸特性和圖c所示輸所示輸入信號下的輸出電壓波形。入信號下的輸出電壓波形。V521OH221REF1T RRVRRRVRVV521OL221REF1T RRVRRRVRV 0REF V0V 1O V（1）門限電壓）門限電壓 vI VT+= +5V O VT= 5V (c) t1 t3 t 第9章信號產(chǎn)生電路 (b) vO/ V 10 5 10 5 0 VT VT+ vI/ V (b) vO/ V 10 5 10 5 0 VT VT+ vI/ V (b) vO/ V 10 5 10 5 0 VT VT+ vI/ V t1 t3 t t2 vO +10V O 10V (d) vI VT+= +5V O VT= 5V (c) t1 t3 t 9.4.1 比較器比較器（3）輸出電壓波形）輸出電壓波形（2）傳輸特性）傳輸特性第9章信號產(chǎn)生電路9.4.2 方波產(chǎn)生電路方波產(chǎn)生電路1. 電路組成（多諧振蕩電路）電路組成（多諧振蕩電路）遲滯比遲滯比較器較器RC充放充放電支路電支路 Rf vC C + A vO