正弦波發(fā)生器基本原理

關(guān)于正弦波發(fā)生器基本原理8.4

石英晶體振蕩器8.4.1石英晶體的基本特性8.4.2石英晶體振蕩電路的基本形式8.5

非正弦波信號(hào)發(fā)生器8.5.1矩形波發(fā)生器8.5.2三角波發(fā)生器8.5.3鋸齒波發(fā)生器8.5.4

555時(shí)基電路8.5.5壓控振蕩器8.5.6集成函數(shù)發(fā)生器8038目錄第2頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天本章重點(diǎn):

1.

正弦波發(fā)生器的組成、振蕩條件和工作原理

2.

正弦波發(fā)生器的類型

3.

非正弦波發(fā)生器的組成、工作原理和類型

4.

集成型波形發(fā)生器的工作原理和應(yīng)用第8章波形產(chǎn)生電路第3頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天本章難點(diǎn):

1.

理想運(yùn)放非線性特性的應(yīng)用

本章重點(diǎn)介紹兩類波形產(chǎn)生電路，一類是輸出正弦波形的正弦波發(fā)生器，另一類是輸出非正弦波形的非正弦波發(fā)生器。

在正弦波發(fā)生器電路中，主要介紹發(fā)生器的組成、振蕩條件和各種類型振蕩器；在非正弦波發(fā)生器電路中，主要介紹非正弦波發(fā)生器的組成和工作原理。第8章波形產(chǎn)生電路第4頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天8.1

正弦波發(fā)生器的基本原理

正弦波發(fā)生器是無(wú)需輸入信號(hào)，能自動(dòng)輸出一定幅度、一定頻率正弦信號(hào)的電路，從能量的角度來(lái)看，它是把直流能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髂芰康碾娐?。它在通信、無(wú)線電等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

第5頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天

8.1.1振蕩器的方框圖正弦波振蕩器結(jié)構(gòu)框圖

從結(jié)構(gòu)上分析，正弦波振蕩器是由正反饋網(wǎng)絡(luò)和放大器組成的，其結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。

為正弦交流電壓源，當(dāng)開(kāi)關(guān)S處在位置1時(shí)，正弦信號(hào)作為放大器的輸入信號(hào)，經(jīng)放大器放大后產(chǎn)生輸出信號(hào)。作為反饋網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)，在反饋網(wǎng)絡(luò)輸出端產(chǎn)生一個(gè)反饋信號(hào)此時(shí)，假設(shè)開(kāi)關(guān)S撥向位置2，如果即大小相等，極性相同，那么該電路就能維持穩(wěn)定的輸出電壓

第6頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天８.１.２振蕩條件fidXXX-=只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。+Xi–f

基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)FX+doXX改成正反饋+第7頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天如果：,dfXX=則去掉,iX仍有信號(hào)輸出。反饋信號(hào)代替了放大電路的輸入信號(hào)。Xi+f

基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)FX+doXXXdof基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)FXXfidXXX+=第8頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天FA=1Xd=Xf所以，自激振蕩條件也可以寫(xiě)成：自激振蕩的條件：（1）振幅條件：（2）相位條件：pjjnFA2=+n是整數(shù)因?yàn)椋?.Xdof基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)FXX第9頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天8.1.3起振條件和穩(wěn)幅原理起振條件：結(jié)果：產(chǎn)生增幅振蕩（略大于）1、被動(dòng)：器件非線性2、主動(dòng)：在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)放大電路的增益穩(wěn)幅過(guò)程：起振時(shí)，穩(wěn)定振蕩時(shí)，穩(wěn)幅措施：起振過(guò)程Xdof基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)FXX第10頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.放大電路2.正反饋網(wǎng)絡(luò)3.選頻網(wǎng)絡(luò)——只對(duì)一個(gè)頻率滿足振蕩條件，從而獲得單一頻率的正弦波輸出。常用的選頻網(wǎng)絡(luò)有RC選頻和LC選頻4.穩(wěn)幅環(huán)節(jié)——使電路易于起振又能穩(wěn)定振蕩，波形失真小。正弦波振蕩器的一般組成第11頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天

8.1.4正弦波振蕩電路的分類

根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)元件的不同，正弦波振蕩器可分為RC振蕩器、LC振蕩器、石英晶體振蕩器三種。RC振蕩器一般輸出數(shù)百千赫以下的低頻信號(hào)，LC振蕩器主要輸出數(shù)百千赫的高頻信號(hào)，石英晶體振蕩器主要產(chǎn)生高穩(wěn)定度高頻率信號(hào)。第12頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天8.2

RC橋式正弦波振蕩電路RC橋式正弦波振蕩電路原理如圖8-2所示，圖中集成運(yùn)放A作為放大器，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成選頻網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也作為振蕩器的正反饋網(wǎng)絡(luò)，R1、Rf組成電壓負(fù)反饋以起到穩(wěn)定和改善輸出波形的作用。

從圖中可以看出，RC串聯(lián)支路，RC并聯(lián)支路，R1支路，Rf支路，剛好構(gòu)成一個(gè)文氏電橋的四個(gè)臂，如圖8-3所示，因此把該振蕩器稱為RC橋式正弦波振蕩器。

RC橋式正弦波振蕩電路文氏電橋第13頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天

8.2.1

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)

在RC橋式正弦波振蕩電路中，RC串并聯(lián)電路既作為選頻網(wǎng)絡(luò)，又作為正反饋網(wǎng)絡(luò)，該電路的頻率特性十分重要。

如圖8-4所示，設(shè)電路輸入電壓為，輸出電壓為，則反饋系數(shù)

(8-8)

令(8-9)第14頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天

8.2.1

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)則(8-10)

根據(jù)上式得到反饋系數(shù)的幅頻特性和相頻特性分別為(8-11)(8-12)圖8-4RC串并聯(lián)電路第15頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天幅頻特性曲線和相頻特性曲線當(dāng)時(shí),反饋系數(shù)的幅值最大等于1/3，相位移當(dāng)時(shí)，明顯減小而且

因此RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)有很好的選頻作用。φF+90°|F|第16頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天

8.2.2

RC橋式振蕩電路的振蕩頻率和起振條件

振蕩頻率為振蕩角頻率

只有時(shí)，

RC振蕩器才能自激振蕩

第17頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天8.3LC正弦波振蕩器8.3.1LC并聯(lián)回路的頻率特性(阻性)LC并聯(lián)諧振特點(diǎn)：諧振時(shí)，總路電流很小，支路電流很大，電感與電容的無(wú)功功率互相補(bǔ)償，電路呈阻性。R為電感和回路中的損耗電阻當(dāng)時(shí)，并聯(lián)諧振。諧振時(shí)，電路呈阻性：第18頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天

Q為諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，Q值越大，曲線越陡越窄，選頻特性越好。諧振時(shí)LC并聯(lián)諧振電路相當(dāng)一個(gè)大電阻。LC并聯(lián)諧振回路的幅頻特性曲線|Z|Q小Q大第19頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天1234初級(jí)線圈次級(jí)線圈同名端1234+–+–

在LC振蕩器中，反饋信號(hào)通過(guò)互感線圈引出同名端：互感線圈的極性判別

8.3.2

LC正弦波振蕩器的基本形式第20頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天１．變壓器反饋式振蕩電路

工作原理：三極管共射放大器。利用互感線圈的同名端：

滿足相位條件。振蕩頻率:第21頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天判斷是否是滿足相位條件——相位平衡法：

斷開(kāi)反饋到放大器的輸入端點(diǎn)，假設(shè)在輸入端加入一正極性的信號(hào)，用瞬時(shí)極性法判定反饋信號(hào)的極性。若反饋信號(hào)與輸入信號(hào)同相，則滿足相位條件；否則不滿足。(+)(-)(+)第22頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天(+)(+)(+)(+)LC正弦波振蕩器舉例滿足相位平衡條件第23頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天（+）（+）（–）（+）

LC正弦波振蕩器舉例振蕩頻率:（–）滿足相位平衡條件第24頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天仍然由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)２.

三點(diǎn)式LC振蕩電路原理：uf與uo反相uf與uo同相電感三點(diǎn)式：電容三點(diǎn)式：uf與uo反相uf與uo同相第25頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天振蕩頻率：（1）電感三點(diǎn)式LC振蕩電路第26頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）電容三點(diǎn)式LC振蕩電路振蕩頻率：第27頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天例：試判斷下圖所示三點(diǎn)式振蕩電路是否滿足相位平衡條件。第28頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天8.4

石英晶體振蕩電路Q值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。頻率穩(wěn)定問(wèn)題頻率穩(wěn)定度一般由來(lái)衡量——頻率偏移量。——振蕩頻率。LC振蕩電路Q——數(shù)百石英晶體振蕩電路Q——10000

500000第29頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天8.4.1

石英晶體的基特性2.壓電效應(yīng)1.結(jié)構(gòu)：極板間加電場(chǎng)極板間加機(jī)械力晶體機(jī)械變形晶體產(chǎn)生電場(chǎng)壓電效應(yīng)：交變電壓機(jī)械振動(dòng)交變電壓機(jī)械振動(dòng)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=固有頻率時(shí)，振幅最大

符號(hào)壓電諧振第30頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.等效電路等效電路：（1）串聯(lián)諧振４．電抗頻率特性：

晶體等效純阻且阻值≈0（2）并聯(lián)諧振通常所以X感性0容性第31頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天8.4.2石英晶體振蕩電路利用石英晶體的高品質(zhì)因數(shù)的特點(diǎn)，構(gòu)成LC振蕩電路。1.并聯(lián)型石英晶體振蕩器

石英晶體工作在fs與fp之間，相當(dāng)一個(gè)大電感，與C1、C2組成電容三點(diǎn)式振蕩器。由于石英晶體的Q值很高，可達(dá)到幾千以上，所以電路可以獲得很高的振蕩頻率穩(wěn)定性。X感性0容性第32頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.串聯(lián)型石英晶體振蕩器

石英晶體工作在fs處，呈電阻性，而且阻抗最小，正反饋?zhàn)顝?qiáng)，相移為零,滿足振蕩的相位平衡條件。對(duì)于fs以外的頻率，石英晶體阻抗增大,且相移不為零，不滿足振蕩條件，電路不振蕩。

X感性0容性第33頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天例：分析下圖的振蕩電路能否產(chǎn)生振蕩，若產(chǎn)生振蕩,石英晶體處于何種狀態(tài)？第34頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天8.5.1方波發(fā)生器1.電路結(jié)構(gòu)由滯回比較電路和RC定時(shí)電路構(gòu)成上下限:8.5非正弦波信號(hào)發(fā)生器第35頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.工作原理：(1)設(shè)uo

=

+UZ,

此時(shí)，uO給C充電,uc

，則：u+=UT+0tuo+UZ-UZucUT+0t在uc<UT+

時(shí)，u-

<u+,

設(shè)uC初始值uC(0+)=0方波發(fā)生器uo保持+UZ不變+UZ一旦uc>UT+

,就有u->u+,uo

立即由＋UZ變成－UZ

。第36頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天此時(shí)，C向uO放電,再反向充電(2)當(dāng)uo

=

-UZ時(shí)，u+=UT-uc達(dá)到UT-時(shí)，uo上跳。UT+uctUT-當(dāng)uo

重新回到＋UZ

后，電路又進(jìn)入另一個(gè)周期性的變化。-UZ第37頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天0UT+uctUT-+UZuo0t-UZT完整的波形：動(dòng)畫(huà)演示計(jì)算振蕩周期T。第38頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天周期與頻率的計(jì)算：0UT+uctUT-+UZ-UZT1T2TT=T1+T2=2T2

uc(t)=UC(

)+

UC(0+)-UC(

)

e,

=RC-t

T2階段uc(t)的過(guò)渡過(guò)程方程為:f=1/T可推出:第39頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、占空比可調(diào)的方波發(fā)生器UZuo0t-UZ

改變電位器RW

的滑動(dòng)端，就改變了沖放電的時(shí)間，從而使方波的占空比可調(diào)。第40頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天電路結(jié)構(gòu)：遲滯比較器+反相積分器8.5.2三角波發(fā)生器工作原理：若uo1=+UZ，uo2↓，u+↓。

當(dāng)u+≤0時(shí)，uo1翻轉(zhuǎn)為-UZ。若uo1=-UZ，uo2↑，u+↑

。

當(dāng)u+≥0時(shí)，uo1翻轉(zhuǎn)為+UZ。第41頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天波形圖振蕩周期：0UT+uo2tUT-+UZuo10t

-UZT第42頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天8.5.3鋸齒波發(fā)生器改變積分器的正反向充電時(shí)間常數(shù)uo1=+UZ，D截止，充電時(shí)間常數(shù)：R4C。uo1=-UZ，D導(dǎo)通，充電時(shí)間常數(shù)：(R6∥R4)C。+UZuo10t

-UZR6＜＜R4第43頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天

8.5.4

555時(shí)基電路1.

電路框圖

555時(shí)基電路由分壓器、兩個(gè)比較器、觸發(fā)器、緩沖器、復(fù)位電路、放電管等組成。其中分壓器由三個(gè)高精度的阻值為5kΩ的電阻組成。555時(shí)基電路框圖第44頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.

工作原理

由圖8-24可知，兩個(gè)比較器分別被電阻R1、R2和R3構(gòu)成的分壓器設(shè)定的VCC和VCC參考電壓所限定。三個(gè)5kΩ電阻組成的分壓器，使兩個(gè)比較器構(gòu)成一個(gè)電平觸發(fā)器，上觸發(fā)電平為

VCC，下觸發(fā)電平為VCC。在

5腳控制端外接一個(gè)參考電源V，可以改變上、下觸發(fā)電平值。比較器A的輸出和比較器B的輸出端接到觸發(fā)器的輸入端。加到比較器A同相端6腳的觸發(fā)信號(hào)，只有當(dāng)電位高于反相端5腳的電位時(shí)，觸發(fā)器才翻轉(zhuǎn)；而加到比較器B反相端2腳的觸發(fā)信號(hào)，只有當(dāng)電位低于B同相端的電位VCC時(shí)，觸發(fā)器才翻轉(zhuǎn)。

第45頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天

8.5.5

壓控振蕩器1.

電路結(jié)構(gòu)U為直流控制電壓，A1組成積分電路，A2組成滯回比較器，場(chǎng)效應(yīng)管T工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，控制積分電容C的充放電，二極管D為隔離二極管。2.

工作原理滯回比較器A2的兩個(gè)門(mén)限電壓為

壓控振蕩器第46頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天

設(shè)開(kāi)始時(shí)uC=0V，uo1=0V，uo2=-UZ，D導(dǎo)通，使T截止，這時(shí)I1=I2=U/4，由于U為直流電壓，則電容C被恒流充電，uC隨時(shí)間線性上升，uo1則直線下降，當(dāng)uo1=UTH2時(shí)，比較器A2發(fā)生翻轉(zhuǎn)，uo2=+UZ，D截止，T飽和導(dǎo)通，這時(shí)I2=I1-I3=-U/4R，電容恒流放電，uo1上升，當(dāng)uo1上升至UTH1時(shí)，比較器A2再次翻轉(zhuǎn)，uo2=-UZ，這時(shí)又重復(fù)剛開(kāi)始的過(guò)程，周而復(fù)始產(chǎn)生振蕩?？梢宰C明振蕩器的振蕩頻率和周期為

振蕩波形圖第47頁(yè),共51頁(yè)，2024年2月25日，星期天

8.5.6集成函授發(fā)生器80381.8038的內(nèi)部框圖

8038的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖8-29所示，它由電壓比較器、觸發(fā)器、電子開(kāi)關(guān)、波形變換電路、緩沖器、電流源等組成。

集成函數(shù)發(fā)生器8038是單片多用途的發(fā)生器，它可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波。

在圖中，比較器A的門(mén)限電壓為：2/3(VCC＋VEE)，比較器B的門(mén)限電壓為：1/3(VCC+VEE)，電流源IS1和IS2擔(dān)任外接電容C的充放電回路，且IS2>IS