波形发生电路设计课件.ppt

1、第八章第八章波形发生电路波形发生电路8.1正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法8.2RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路8.3LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路8.4石英晶体振荡器石英晶体振荡器8.5非正弦波发生电路非正弦波发生电路本章重点和考点本章重点和考点1.重点掌握重点掌握RC正弦波振荡电路的工作原理、正弦波振荡电路的工作原理、 振荡频振荡频 率、起振条件以及电路的特点。率、起振条件以及电路的特点。2.理解各种非正弦波发生电路理解各种非正弦波发生电路(矩形波、三角矩形波、三角 波和锯齿波波和锯齿波)的工作原理。的工作原理。8.1正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法8

2、.1.1产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件iU放大电路放大电路AioUAU 反馈网络反馈网络FtUU sin2ii OfUFU 如果反馈电压如果反馈电压 uf 与原输入信号与原输入信号 ui 完全相等，则即使完全相等，则即使无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号自激振荡自激振荡。图图 8.1.1反馈放大电路产生自激振荡的条件反馈放大电路产生自激振荡的条件由此知放大电路产生自激振荡的条件是：由此知放大电路产生自激振荡的条件是：ifUU 即：即：iiofUUAFUFU 所以产生正弦波振荡的条件是：所以产生正弦波振荡的条件是：1 FA1 F

3、A幅度平衡条件幅度平衡条件2argFAnFA 相位平衡条件相位平衡条件, 2 , 1 , 0 n8.1.2正弦波振荡电路的组成和分析步骤正弦波振荡电路的组成和分析步骤组成组成：放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。：放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。分析步骤分析步骤：一、判断能否产生正弦波振荡一、判断能否产生正弦波振荡1. 检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分；检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分；2. 检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正 常工作；常工作；3. 分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件和振幅分析电路是否满足自激振荡的相

4、位平衡条件和振幅 平衡条件。平衡条件。判断相位平衡条件的方法是：判断相位平衡条件的方法是：瞬时极性法瞬时极性法。二、估算振荡频率和起振条件二、估算振荡频率和起振条件振荡频率由相位平衡条件决定。振荡频率由相位平衡条件决定。3.令令f = f0 时时的的 ，即得起振条件。，即得起振条件。1 FA2.2.令令 ，即可求得满足该条件的，即可求得满足该条件的f0 ， 此频率即为振荡频率；此频率即为振荡频率；2FAn1.1.写出回路增益写出回路增益AFAF的表示式的表示式8.2RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路(文氏电桥文氏电桥)8.2.1RC 串并联网络振荡电路串并联网络振荡电路电路组成：电路组成：放大

5、电路放大电路 集成运放集成运放 A ；选频与正反馈网络选频与正反馈网络 R、C 串并联电路；串并联电路；稳幅环节稳幅环节 RF 与与 R 组成的负反馈电路。组成的负反馈电路。图图 8.2.1图图 8.2.2一、一、RC 串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性Z1Z2)1j()1 (1j1j1j11221122122211222212fCRCRCCRRCRRCRCRRUUF取取 R1 = R2 = R ， C1 = C2 = C ，令，令 RC10 则：则： )j(3100 F得得 RC 串并联电路的幅串并联电路的幅频特性为：频特性为：2002)(31 F3arctg00F 相频特性为：相频特

6、性为：时，时，当当RC10 31 F最大，最大， F = 0。 0 0 F0 F 01/3+90- -90图图 8.2.3二、振荡频率与起振条件二、振荡频率与起振条件1. 振荡频率振荡频率RCf 2102. 起振条件起振条件1 FAf = f0 时，时，31 F由振荡条件知：由振荡条件知：所以起振条件为：所以起振条件为：3 A同相比例运放的电压放大倍数为同相比例运放的电压放大倍数为RRAu Ff1即要求：即要求：RR 2F三、振荡电路中的负反馈三、振荡电路中的负反馈(自动稳幅自动稳幅)引入电压串联负反馈，可以提高放大倍数的稳定性，引入电压串联负反馈，可以提高放大倍数的稳定性，改善振荡电路的输出

7、波形，提高带负载能力。改善振荡电路的输出波形，提高带负载能力。反馈系数反馈系数RRRF F改变改变 RF，可改变反馈深度。，可改变反馈深度。增加负反馈深度，并且满足增加负反馈深度，并且满足3 A则电路可以起振，并产生比较稳定而失真较小的正则电路可以起振，并产生比较稳定而失真较小的正弦波信号。弦波信号。采用具有采用具有负温度系数的热敏电阻负温度系数的热敏电阻 RT 代替反馈电阻代替反馈电阻 RF ，可实现可实现自动稳幅自动稳幅。(还有什么措施自动稳幅？还有什么措施自动稳幅？)RT图图 8.2.4四、振荡频率的调节四、振荡频率的调节RCf 210调节电阻调节电阻R或电容或电容C的值，即可调节振荡频

8、率的值，即可调节振荡频率电路图：电路图：P417图图8.2.5利用波段开关换接不同容量的电容，对频率进行粗调；利用波段开关换接不同容量的电容，对频率进行粗调；利用同轴电位器，对振荡频率进行细调。利用同轴电位器，对振荡频率进行细调。8.2.2其他形式的其他形式的 RC 振荡电路振荡电路一、移相式振荡电路一、移相式振荡电路集成运放产生的相位移集成运放产生的相位移 A = 180，如果反馈网络再相移，如果反馈网络再相移 180，即可满足产生正弦波振，即可满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。荡的相位平衡条件。振荡频率为：振荡频率为：RCf 32100ff0 27018090当当 f = f0 时，相移时

9、，相移 180，满足正弦波振荡的相位条件。满足正弦波振荡的相位条件。起振条件：起振条件：RF 12 R图图 8.2.6二、双二、双 T 选频网络振荡电路选频网络振荡电路振荡频率约为：振荡频率约为：RCf510 当当 f = f0 时，双时，双 T 网络的相移为网络的相移为 F = 180；反相比反相比例运放的相移例运放的相移 A = 180，因此满足产生正弦波振荡的相，因此满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。位平衡条件。如果放大电路的放大倍数足够大，同时满足振幅平如果放大电路的放大倍数足够大，同时满足振幅平衡条件，即可产生正弦波振荡。衡条件，即可产生正弦波振荡。图图 8.2.8起振条件起振条件1

10、 23 FARR，表表 8 - 1三种三种 RC 振荡电路的比较振荡电路的比较名称名称RC 串并联网络振荡电路串并联网络振荡电路移相式振荡电路移相式振荡电路双双 T 网络选频振荡电路网络选频振荡电路电路电路形式形式振荡振荡频率频率起振起振条件条件电路特电路特点及应点及应用场合用场合可方便地连续调节振荡可方便地连续调节振荡频率，便于加负反馈稳幅电频率，便于加负反馈稳幅电路，容易得到良好的振荡波路，容易得到良好的振荡波形。形。电路简单，经济电路简单，经济方便，适用于波形要方便，适用于波形要求不高的轻便测试设求不高的轻便测试设备中。备中。选选频特性好，适用于频特性好，适用于产生单一频率的振荡波形。产

11、生单一频率的振荡波形。RCf 2103 ARCf 3210RCf510 1 23 FARR，RR12F 8.3LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 8.3.1LC 并联电路的特性并联电路的特性当频率变化时，并联电路阻抗当频率变化时，并联电路阻抗的大小和性质都发生变化。的大小和性质都发生变化。并联电路的导纳：并联电路的导纳：当当电路发生电路发生并联谐振并联谐振。 2222)(j)(j1jLRLCLRRLRCY 0)(20200 LRLC 图图 8.3.1并联谐振角频率并联谐振角频率LCLR11)(1200 令：令：RLQ0 谐振回路的品质因数谐振回路的品质因数当当 Q 1 时时LC10 LCf 2

12、10谐振频率：谐振频率：)11(j1)1j(j)1j(j1j)j(1j2LCRLCRLCLRLCLRCLRCZ 回路回路等效阻抗等效阻抗：RCLYZ 001LC 并联回路的阻抗：并联回路的阻抗：发生并联谐振时，发生并联谐振时，LC10 在谐振频率附近，在谐振频率附近，)1(j12200 QZZ可见，可见，Q 值不同，回路的阻抗不同。值不同，回路的阻抗不同。Z 0 不同不同 Q 值时，值时，LC 并联电路的并联电路的 幅频特性：相频特性：幅频特性：相频特性：Z01Z02Q1 Q2Q1Q2 0 F+90- -90Q1Q2Q1 Q2感性感性纯阻纯阻容性容性结论：结论：1. 当当 f = f0 时，电

13、路为纯电阻时，电路为纯电阻性，等效阻抗最大；当性，等效阻抗最大；当 f f0 时，电路为时，电路为容性。所以容性。所以 LC 并联电路具有选频并联电路具有选频特性。特性。2. 电路的品质因数电路的品质因数 Q 愈大，愈大，选频特性愈好。选频特性愈好。图图 8.3.2)1 (j12200 QZZRCLZ 0CLRRLQ10谐振时谐振时 LC 回路中的电流回路中的电流ULRLUCI20200C)( 电容支路的电流：电容支路的电流：并联回路的输入电流：并联回路的输入电流：ULRRI202)( 所以：所以：IQI C当当 Q 1 时，时，IICIILLCII 结论结论：谐振时，电容支路的电流与电感支路

14、的电流大：谐振时，电容支路的电流与电感支路的电流大小近似相等，而谐振回路的输入电流极小。小近似相等，而谐振回路的输入电流极小。8.3.2变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路一、电路组成一、电路组成用瞬时极性判断为用瞬时极性判断为正反正反馈馈，所以满足自激振荡的相，所以满足自激振荡的相位平衡条件。位平衡条件。(瞬时极性法瞬时极性法) - - 二、振荡频率和起振条件二、振荡频率和起振条件LCf 210振荡频率振荡频率起振条件起振条件MCRr be 图图 8.3.3变压器反馈式变压器反馈式振荡电路振荡电路Xui8.3.3电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路(Hartley)一、电路组成一、电路组

15、成用瞬时极性判断用瞬时极性判断为为正反馈正反馈，所以满足，所以满足自激振荡的相位平衡自激振荡的相位平衡条件。条件。- - - - -二、振荡频率和起振条件二、振荡频率和起振条件CMLLLCf)2(2121210 振荡频率振荡频率起振条件起振条件RrMLML be21 图图 8.3.4电感三点式振荡电路的特点电感三点式振荡电路的特点1.由于二线圈之间耦合很紧，因此容易起振。由于二线圈之间耦合很紧，因此容易起振。2.调节频率方便。调节频率方便。3.一般用于产生几十兆赫以下的频率。一般用于产生几十兆赫以下的频率。4.输出波形中含有较大的高次谐波，故波形较差。输出波形中含有较大的高次谐波，故波形较差。

16、5.频率稳定度不高。频率稳定度不高。8.3.4电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路(Colpitts)一、电路组成一、电路组成用瞬时极性判断用瞬时极性判断为为正反馈正反馈，所以满足，所以满足自激振荡的相位平衡自激振荡的相位平衡条件。条件。二、振荡频率和起振条件二、振荡频率和起振条件212102121CCCCLLCf 振荡频率振荡频率起振条件起振条件RrCC be12 图图 8.3.5 - - - - -8.3.5电容三点式改进型振荡电路电容三点式改进型振荡电路210111121CCCLf 振荡频率振荡频率选择选择 C C1， C C2，则：则：LCf 210减小了三极管极间电容对振荡频率的影响

17、，适用于减小了三极管极间电容对振荡频率的影响，适用于产生高频振荡。产生高频振荡。图图 8.3.6名称名称变压器反馈式变压器反馈式电感三点式电感三点式电容三点式电容三点式电容三点式改进型电容三点式改进型电电路路形形式式振荡频率振荡频率起振条件起振条件同左同左频率调节方频率调节方法及范围法及范围频率可调，范围频率可调，范围较宽。较宽。同左同左频率可调，范频率可调，范围较小。围较小。同左同左振荡波形振荡波形一般一般较差较差好好好好频率稳定度频率稳定度可达可达 10-4同左同左可达可达 10-4 10-5可达可达 10-5适用频率适用频率几千赫几千赫 几十兆几十兆赫赫同左同左几兆赫几兆赫 一百一百兆赫

18、兆赫同左同左表表 8 - 2各种各种 LC 振荡电路的比较振荡电路的比较LCf 210CMLLf)2(21210 2121021CCCCLf 210111121CCCLf MCRr be RrMLML eb21 RrCC eb12 复习：复习：1.正弦波振荡电路的组成部分正弦波振荡电路的组成部分2.文氏振荡电路文氏振荡电路振荡频率振荡频率起振条件起振条件 如何自动稳幅如何自动稳幅如何调节频率如何调节频率 振荡频率大致范围振荡频率大致范围3.LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路变压器反馈式变压器反馈式电感三点式电感三点式电容三点式电容三点式电容三点式改进型电容三点式改进型品质因素愈大，选频特性愈好，

19、频率稳定度愈高。品质因素愈大，选频特性愈好，频率稳定度愈高。8.4石英晶体振荡器石英晶体振荡器 一、基本特性一、基本特性压电效应压电效应：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产生机械变形；若在晶片上施加机械压力，在晶片相应的生机械变形；若在晶片上施加机械压力，在晶片相应的方向上会产生一定的电场。方向上会产生一定的电场。压电谐振压电谐振：晶片上外加交变电压的频率为某一特定：晶片上外加交变电压的频率为某一特定频率时，振幅突然增加。频率时，振幅突然增加。8.4.1石英晶体的基本特性和等效电路石英晶体的基本特性和等效电路二、等效电路二、等效电路符号：符号：串联谐振频率串

20、联谐振频率LCf 21s并联谐振频率并联谐振频率0s00p121CCfCCCCLf 电抗频率特性电抗频率特性OfXfsfp容性容性容性容性感性感性图图 8.4.1图图 8.4.2静电电容：静电电容： C0机械振动惯性：机械振动惯性：L晶片弹性：晶片弹性：C磨擦损耗：磨擦损耗：R8.4.2石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路一、并联型石英晶体振荡电路一、并联型石英晶体振荡电路交流等效电路交流等效电路振荡频率振荡频率CCCCCCLf 000)(212121CCCCC 由于由于CCC 0s021fLCf 图图 8.4.3二、串联型石英晶体振荡电路二、串联型石英晶体振荡电路图图 8.4.4串联型石英晶体串

21、联型石英晶体振荡电路振荡电路当振荡频率等于当振荡频率等于 fS 时，时，晶体阻抗最小，且为纯电晶体阻抗最小，且为纯电阻，此时正反馈最强，相阻，此时正反馈最强，相移为零，电路满足自激振移为零，电路满足自激振荡条件。荡条件。振荡频率振荡频率s0ff 调节调节 R 可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。8.5非正弦波发生电路非正弦波发生电路 8.5.1矩形波发生电路矩形波发生电路一、电路组成一、电路组成RC 充放电充放电回路回路滞回滞回比较器比较器图图 8.5.1图图 8.5.2滞回比较器：集成运放、滞回比较器：集成运放、R1、R2；充放电回路：充放电回路：R、

22、C；钳位电路：钳位电路：VDZ、R3。二、工作原理二、工作原理设设 t = 0 时，时，uC = = 0，uO = + UZ则则Z211URRRu tOuCZ211URRR Z211URRR OuOZU ZU tu+u 当当 u = uC = u+ 时，时，t1t2Z211URRRu 则则当当 u = uC = u+ 时，输出又时，输出又一次跳变，一次跳变， uO = + UZ输出跳变，输出跳变， uO = UZ图图 8.5.32T2T三、振荡周期三、振荡周期电容的充放电规律：电容的充放电规律： )(e)()0()( CtCCCuuutu 对于放电，对于放电，Z211)0(URRRuC Z)(

23、UuC RC 解得：解得：)21ln(221RRRCT 结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电阻，即可改变振荡周期。矩形波的幅度与阻，即可改变振荡周期。矩形波的幅度与R1、R2和和UZ有关。有关。t1t22T2TtOuCZ211URRR Z211URRR OuOZU ZU tt3图图 8.5.3四、占空比可调的矩形波发生电路四、占空比可调的矩形波发生电路图图 8.5.4使电容的充、放电时间常数不使电容的充、放电时间常数不同且可调，即可使矩形波发生器的同且可调，即可使矩形波发生器的占空比可调。占空比可调。tOuCuOtOT1T2T充电时间充电

24、时间 T1放电时间放电时间 T2)21ln()(221W1RRCRRT )21ln()(221W2RRCRRT 占空比占空比 DWW12RRRRTTD 图图 8.5.5图图 8.5.6一、电路组成一、电路组成8.5.2三角波发生电路三角波发生电路二、工作原理二、工作原理OuO1ZU ZU tOuOomU omU t当当 u+ = u = 0 时，滞回时，滞回比较器的输出发生跳变。比较器的输出发生跳变。图图 8.5.7o2121o211uRRRuRRRuA1 滞回比较器滞回比较器A2 反向积分电路反向积分电路设设 t = 0 时，时，uO1 = + UZ uC = = 0Z21TURRU阈值电压

25、三、输出幅度和振荡周期三、输出幅度和振荡周期Z21omURRU 解得三角波的解得三角波的输出幅度输出幅度当当 u+ = u = 0 时，时，uO1 跳变为跳变为 - -UZ， uO 达到最大值达到最大值 Uom 。振荡周期振荡周期241Zom444RCRRUCURT OuOomU omU t图图 8.5.88.5.3锯齿波发生电路锯齿波发生电路一、电路组成一、电路组成OuO1ZU ZU tOuOomU omU tT1T2T二、输出幅度和振荡周期二、输出幅度和振荡周期Z21omURRU 2W112RCRRT 2W122RCRRT 2W1212RCRRTTT 图图 8.5.9在三角波的基础上，将积分电在三角波的基础上，将积分电容的充电、放电时间常数变为容的充电、放电时间常数变为相差悬殊则可。相差悬殊则可。复习：复习：1.LC正弦波振荡电路的类别正弦波振荡电路的类别2.如何判断如何判断LC电路会发生振荡？电路会发生振荡？3.比较比较RC、LC和石英晶体振荡电路的和石英晶体振荡电路的 频率、稳定度的差异。频率、稳定度的差异。