信號處理與信號產(chǎn)生電路

1、9.1 9.1 正弦波振蕩電路的振蕩條件正弦波振蕩電路的振蕩條件9.2 RC9.2 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路9.3 LC9.3 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路9.4 9.4 非正弦信號產(chǎn)生電路非正弦信號產(chǎn)生電路9.5 9.5 集成函數(shù)發(fā)生器簡介集成函數(shù)發(fā)生器簡介 第第9 9章章 信號產(chǎn)生電路信號產(chǎn)生電路信號產(chǎn)生電路信號產(chǎn)生電路( (振蕩器振蕩器Oscillators) )分類：分類：正弦波振蕩正弦波振蕩:非正弦波振蕩：非正弦波振蕩：RC 振蕩器振蕩器( (1 kHz 數(shù)百數(shù)百 kHz) )LC 振蕩器振蕩器( (幾百幾百 kHz 以上以上) )石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器( (頻率穩(wěn)

2、定度高頻率穩(wěn)定度高) )方波、方波、三角波、三角波、 鋸齒波等鋸齒波等主要主要性能：性能：輸出信號的輸出信號的幅度準(zhǔn)確穩(wěn)定幅度準(zhǔn)確穩(wěn)定輸出信號的輸出信號的頻率準(zhǔn)確穩(wěn)定頻率準(zhǔn)確穩(wěn)定1. 1. 產(chǎn)生自激振蕩的條件產(chǎn)生自激振蕩的條件fidXXX-=改成正反饋改成正反饋只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。9.1 9.1 正弦波振蕩器的振蕩條件正弦波振蕩器的振蕩條件+基本放大基本放大電路電路A反饋電路反饋電路FiX+ dXoXfX如果：如果：,ifXX=則去掉則去掉,iX仍有信號輸出。仍有信號輸出?；痉糯蠡痉糯箅娐冯娐稟反饋電路反饋電路FdXoXfX反饋信號代替了放大反饋

3、信號代替了放大電路的輸入信號。電路的輸入信號?；痉糯蠡痉糯箅娐冯娐稟反饋電路反饋電路FiX+ +dXoXfX基本放大基本放大電路電路A反饋電路反饋電路FdXoXfXAF=1Xd=Xf所以，自激振蕩條件也可以寫成：所以，自激振蕩條件也可以寫成：自激振蕩的條件：自激振蕩的條件：（1）振幅條件：）振幅條件：1|=AF（2）相位條件：）相位條件：pjjnFA2=+n是整數(shù)是整數(shù)1.=FAAAAj=|因?yàn)椋阂驗(yàn)椋篎FFj=|.fodoXXAFXX=產(chǎn)生正弦波的條件：產(chǎn)生正弦波的條件：正反饋正反饋起振條件起振條件2. 起振和穩(wěn)幅起振和穩(wěn)幅電路器件內(nèi)部噪聲以及電源接通擾動(dòng)電路器件內(nèi)部噪聲以及電源接通擾動(dòng)

4、1)()( FA2)()(fan= =+ + j j j j 當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時(shí)，就要限制它繼續(xù)增當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時(shí)，就要限制它繼續(xù)增加（加（穩(wěn)幅穩(wěn)幅），否則波形將出現(xiàn)失真。），否則波形將出現(xiàn)失真。 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 0的噪聲信號被的噪聲信號被放大，成為振蕩電路的輸出信號。放大，成為振蕩電路的輸出信號。 穩(wěn)幅的作用就是，當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時(shí)，穩(wěn)幅的作用就是，當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時(shí)，使振幅平衡條件從使振幅平衡條件從 回到回到1 AF。 1= =AF起振過程起振過程起振條件起振條件 iouuAu= =

5、ofuuFu= = 2AFn= =j j放大器放大器Au反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)FuUoUfUi 1/FuAu = 1/FuOuiuoAuuoAu Fu 1Au Fu 1Ui1Uo1Uf1Ui2Uo2Uf2Ui3Uo3Uf2Ui4Uo4ufuf 起振起振穩(wěn)幅穩(wěn)幅1 AF 2. 起振和穩(wěn)幅起振和穩(wěn)幅3/6/2022 如何得到如何得到正弦波：正弦波：必須在放大電路里加入必須在放大電路里加入正反饋，因此正反饋，因此放大電路放大電路和和正反饋網(wǎng)絡(luò)正反饋網(wǎng)絡(luò)是振蕩電是振蕩電路的最主要部分。但是，這樣兩部分構(gòu)成的振路的最主要部分。但是，這樣兩部分構(gòu)成的振蕩器一般得不到正弦波，這是由于很難控制正蕩器一般得不到正弦波

6、，這是由于很難控制正反饋的量。反饋的量。 如果正反饋量大，則增幅，輸出幅度越來如果正反饋量大，則增幅，輸出幅度越來越大，最后由三極管的非線性限幅，這必然產(chǎn)越大，最后由三極管的非線性限幅，這必然產(chǎn)生非線性失真。生非線性失真。 反之，如果正反饋量不足，則減幅，可能反之，如果正反饋量不足，則減幅，可能停振，為此振蕩電路要有一個(gè)停振，為此振蕩電路要有一個(gè)穩(wěn)幅電路穩(wěn)幅電路。2. 起振和穩(wěn)幅起振和穩(wěn)幅 為了獲得單一頻率的正弦波輸出，應(yīng)該有選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)，選頻網(wǎng)絡(luò)（就是濾波器濾波器）往往和正反饋網(wǎng)絡(luò)或放大電路合而為一。選頻網(wǎng)絡(luò)由R、C 和L、C 等電抗性元件組成。 正弦波振蕩器的名稱一般由選頻網(wǎng)絡(luò)來命名。

7、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 0的噪聲信號的噪聲信號被放大，成為振蕩電路的輸出信號。被放大，成為振蕩電路的輸出信號?！比绾巫龅剑喝绾巫龅剑?.電路的組成和起振的判斷電路的組成和起振的判斷1. 放大電路放大電路 Au2. 正反饋網(wǎng)絡(luò)正反饋網(wǎng)絡(luò) Fu3. 選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)單一頻率的振蕩實(shí)現(xiàn)單一頻率的振蕩4. 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)使振蕩穩(wěn)定、波形好使振蕩穩(wěn)定、波形好 組成組成: :放大器放大器選頻正選頻正反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)UoUfUi選頻選頻放大器放大器正反饋正反饋網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)UoUfUi 判斷判斷: :1. 檢查電路組成檢查電路組

8、成2.“Q”是否合適是否合適3. 是否滿足起振條件是否滿足起振條件3.電路的組成和起振的判斷電路的組成和起振的判斷起振過程起振過程穩(wěn)定振蕩穩(wěn)定振蕩9.2 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路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1. 電路組成電路組成反饋網(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)RC橋式振蕩電路橋式振蕩電路注意：有兩個(gè)反饋通路1. 電路組成電路組成RC橋式振蕩電路橋式振蕩電路注意：有兩個(gè)反饋通注意：有兩個(gè)反饋通路路一個(gè)是一個(gè)是負(fù)反饋負(fù)反饋一個(gè)是一個(gè)是正反饋正反饋反饋系數(shù)反饋系數(shù)2. RC

9、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)()()(ofsVsVsFV= =幅頻響應(yīng)幅頻響應(yīng)又又212ZZZ+ += =2)(31sCRsCRsCR+ + += = j= =s且令且令RC10= = 則則0013j()VF=+-2002)(31 - -+ += =VF相頻響應(yīng)相頻響應(yīng)3)(arctg00f j j- - -= =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)的選頻特性當(dāng)當(dāng)2002)(31 - -+ += =VF幅頻響應(yīng)有最大值幅頻響應(yīng)有最大值3)(arctg00f j j- - -= =RCffRC21 100=或31max= =VF相頻響應(yīng)相頻響應(yīng)0f= =j j即

10、：即：只有只有 被反饋的最多，且沒有相位的不同（同相被反饋的最多，且沒有相位的不同（同相-正反饋正反饋）03. 振蕩電路工作原理振蕩電路工作原理此時(shí)若放大電路的電壓增益為此時(shí)若放大電路的電壓增益為 用瞬時(shí)極性法判斷可知，電用瞬時(shí)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= =j j當(dāng)當(dāng)RC10= = = 時(shí)，時(shí)，2fan= =+ +j jj j311f= =+ += =RRAV1313= = = =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RCf210= =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

11、路一般用于產(chǎn)生頻率低于 1 MHz 的正弦波的正弦波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熱敏元件熱敏元件熱敏電阻熱敏電阻起振時(shí)，起振時(shí)，311f + += =RRAV即即1 VVFA熱敏電阻的作用熱敏電阻的作用OVOI 功功耗耗 fR 溫溫度度 fR 阻阻值值 fR3= =VA1= =VVFA穩(wěn)幅穩(wěn)幅 VA21f RR1f2RR Rf 不能太大，否則不能太大，否則正弦波將變成方波正弦波將變成方波應(yīng)使：應(yīng)使：31= =F3 A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場效應(yīng)管（場效應(yīng)管（JFET）31DS3p3 + + += =RRRAV穩(wěn)幅原理穩(wěn)幅原理 oV )(GS

12、負(fù)負(fù)值值V DSR1= =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 vDS iD vGS=0V -1V -2V -3V 3= =VA可變電阻區(qū)，可變電阻區(qū)，斜率隨斜率隨vGS不不同而變化同而變化采用非線性元件采用非線性元件4二極管二極管穩(wěn)幅原理穩(wěn)幅原理OV3= =VA1= =VVFA穩(wěn)幅穩(wěn)幅 VA31132 + + += =RRRAV起振時(shí)起振時(shí)聯(lián)聯(lián)支支路路的的等等效效電電阻阻并并和和、是是其其中中2133DD RR 3R4. 穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)例例9.6.1：RC 移相式振蕩電路移相式振蕩電路8CRRfRoUCRC一節(jié)一節(jié) RC 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)移相移相

13、 90 二節(jié)二節(jié) RC 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)移相移相 180 三節(jié)三節(jié) RC 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)移相移相 270 RCf6210= =對于對于的信號的信號， = =180Fj j - -= =180Aj j0= =AFj j 滿足相位平衡條件滿足相位平衡條件優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：選頻特性差，輸出波形差選頻特性差，輸出波形差end作業(yè)：1、9.6.1（b）2、9.6.29.3 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路2 變壓器反饋式變壓器反饋式LC振蕩電路振蕩電路3 三點(diǎn)式三點(diǎn)式LC振蕩電路振蕩電路4 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路1 LC選頻放大電路選頻放大電路1 LC選頻放大電路選頻放大電路LRCLR

14、CZ 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(shí)，時(shí)，LC10= = = 電路諧振。電路諧振。LC10= = 為諧振頻率為諧振頻率諧振時(shí)諧振時(shí)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(shí)有同時(shí)有scIQI= =即即sLcIII （1）. 并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路000/1/SOSCCCSSI ZVL RCIIZZjCLjIjQIR=|SCIQ I=0SOSLLLIZVIjQ IZZ= -CLRRCRLQ

15、1100= = = = 1 LC選頻放大電路選頻放大電路（1）. 并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路|SLIQ I=CLII= -1 LC選頻放大電路選頻放大電路阻抗頻率響應(yīng)阻抗頻率響應(yīng)（a）幅頻響應(yīng)）幅頻響應(yīng) （b）相頻響應(yīng)）相頻響應(yīng) )/(j1000-+=QZ)1j(CLRCLZ - -+ += =（1）. 并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路2 變壓器反饋式變壓器反饋式LC振蕩電路振蕩電路 雖然波形出現(xiàn)了失真，但由于雖然波形出現(xiàn)了失真，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

16、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 通過選擇高增益的場效應(yīng)管和調(diào)通過選擇高增益的場效應(yīng)管和調(diào)整變壓器的匝數(shù)比，可以滿足整變壓器的匝數(shù)比，可以滿足1 FA使電路可以起振。使電路可以起振。 FET或或BJT進(jìn)入非線性區(qū)，波形出進(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?，F(xiàn)失真，從而幅值不再增加，達(dá)到穩(wěn)幅目的。（定性分析）（定性分析）3 三點(diǎn)式三點(diǎn)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)A. 若中間點(diǎn)交流接地，則首端與尾端若中間點(diǎn)交流接地，則首端與尾端 相位相反。相位相反。（1）. 三點(diǎn)式三

17、點(diǎn)式LC并聯(lián)電路并聯(lián)電路中間端的瞬時(shí)電位一定在首、尾端電中間端的瞬時(shí)電位一定在首、尾端電位之間。位之間。三點(diǎn)的相位關(guān)系三點(diǎn)的相位關(guān)系:B. 若首端或尾端交流接地，則其他兩若首端或尾端交流接地，則其他兩 端相位相同。端相位相同。C+VCCVRERB1RB2CECBL1L2C1M123oUiUfU3 三點(diǎn)式三點(diǎn)式LC振蕩電路振蕩電路（2）. 電感三點(diǎn)式振蕩電路電感三點(diǎn)式振蕩電路 )2(2121210CMLLLCf+ + +p p= =p p 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：易起振易起振( (L 間耦合緊間耦合緊) )；易調(diào)節(jié)易調(diào)節(jié)( (C 可調(diào)可調(diào)) )。輸出取自電感，對輸出取自電感，對高次諧波阻抗大高次諧波阻抗大，輸出波形差。輸出波形差。3 三點(diǎn)式三點(diǎn)式LC振蕩電路振蕩電路（2）. 電感三點(diǎn)式振蕩電路電感三點(diǎn)式振蕩電路LCCCCLCf212102121+ +p p= =p p +VCCTRERB1RB2CECBLC1C2123LC3oUiUfU3 三點(diǎn)式三點(diǎn)式LC振蕩電路振蕩電路（3）. 電容三點(diǎn)式振蕩電路電容三點(diǎn)式振蕩電路優(yōu)點(diǎn)：波形較好優(yōu)點(diǎn)：波形較