1、信号产生电路信号产生电路第第 7 章章7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.2非正弦波信号产生电路非正弦波信号产生电路7.3锁相频率合成电路锁相频率合成电路第第 7 章小结章小结信号产生电路信号产生电路正弦波振荡电路的工作原理正弦波振荡电路的工作原理RC 正弦振荡正弦振荡LC 正弦振荡正弦振荡信号产生电路信号产生电路(振荡器振荡器Oscillators)分类：分类：正弦波振荡正弦波振荡非正弦波振荡：非正弦波振荡：RC 振荡器振荡器(1 kHz 数百数百 kHz)LC 振荡器振荡器(几百几百 kHz 以上以上)石英晶体振荡器石英晶体振荡器(频率稳定度高频率稳定度高)方波、方波、三角波、三角波、锯
2、齿波等锯齿波等主要性主要性要求能：要求能：输出信号的输出信号的幅度准确稳定幅度准确稳定输出信号的输出信号的频率准确稳定频率准确稳定第第 7 章信号产生电路章信号产生电路7.1.1 正弦波振荡电路的工作原理正弦波振荡电路的工作原理一、振荡条件一、振荡条件放大器放大器反馈网络反馈网络UiAuFuUoUfRL微弱的电扰动中，某一频率成微弱的电扰动中，某一频率成分通过正反馈逐渐放大，则产分通过正反馈逐渐放大，则产生正弦振荡。生正弦振荡。;ioUUAu;ofUUFu 1 uuFA 振幅平衡条件振幅平衡条件2 FAAFn 相位平衡条件相位平衡条件n=0,1,2,1 uuFA振荡条件振荡条件第第 7 章信号
3、产生电路章信号产生电路二、起振条件起振条件起振条件起振条件 iouuAu ofuuFu 2AFn 放大器放大器Au反馈网络反馈网络FuUoUfUi 1/FuAu=1/FuOuiuoAuuoAu Fu 1Au Fu 3，稳幅后，稳幅后 Au=3。正温度系数正温度系数负温度系数负温度系数 )/1(1fuffRRART二极管稳幅二极管稳幅8R1R2oUV1V2R312.4 k R2 8.1 k 起振时信号小，二极管电阻大起振时信号小，二极管电阻大Au 1+(R2+R3)/R1 3R2 2R1 R3起振后二极管电阻逐渐减小，起振后二极管电阻逐渐减小，Au 1+R2/R1=3为使失真小：为使失真小：R2
4、 2R1f0=1.94 kHzRCf 2108.2 k 6.2 k 22 k 4.3 k 0.01 F8.2 k 0.01 F第第 7 章信号产生电路章信号产生电路二、二、RC 移相式振荡电路移相式振荡电路8CRRfRoUCRC一节一节 RC 环节环节移相移相 90 二节二节 RC 环节环节移相移相 180 三节三节 RC 环节环节移相移相 270 RCf6210 对于对于的信号的信号，180F 180A 0 AF 满足相位平衡条件满足相位平衡条件优点：优点：结构简单结构简单缺点：缺点：选频特性差，输出波形差选频特性差，输出波形差第第 7 章信号产生电路章信号产生电路7.1.3 LC 振荡电路
5、振荡电路类型：类型：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一、变压器反馈式一、变压器反馈式 LC 振荡电路振荡电路LrCIs.L 的等的等效损耗效损耗电阻电阻)j(j1)j(j1LrCLrCZ )1(j1/CrrLrCL 1.谐振频率谐振频率 f0 1 0，LC LCf210 2.谐振阻抗谐振阻抗 Z0rCLZ 03.回路品质因数回路品质因数 Q CLrCrrLQ1100 CQLQZ00 0 0(一一)LC 并联回路的特性并联回路的特性Z第第 7 章信号产生电路章信号产生电路4.频率特性频率特性)1(j1/rCrLrCLZ )/(j1000ffffQZ 0Z Z
6、 0 Q 大大Q 小小 0 f90 90Q 增大增大幅频特性幅频特性相频特性相频特性第第 7 章信号产生电路章信号产生电路5.并联谐振的本质并联谐振的本质 电流谐振电流谐振LuCr+iiLiC1)Z=Z0 呈纯阻呈纯阻2)形成形成环流环流，大小是总电流的，大小是总电流的 Q 倍倍IQILLQIZZIILLC 000CLII ICILUI第第 7 章信号产生电路章信号产生电路(二二)变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路LC+VCCVRERB1RB2CECB180 A 180 F 0 AF 满足相位平衡条件满足相位平衡条件LCf 210第第 7 章信号产生电路章信号产生电路二、三点式二、三点式
7、 LC 振荡电路振荡电路(一一)电感三点式电感三点式 振荡电路振荡电路C+VCCVRERB1RB2CECBL1L2C1 )2(2121210CMLLLCf 优点：优点：缺点：缺点：易起振易起振(L 间耦合紧间耦合紧)；易调节易调节(C 可调可调)。输出取自电感，对输出取自电感，对高次谐波阻抗大高次谐波阻抗大，输出波形差。输出波形差。M123oUiUfU第第 7 章信号产生电路章信号产生电路(二二)电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路考毕兹振荡器考毕兹振荡器(Colpitts)LCCCCLCf212102121 优点：波形较好优点：波形较好缺点：缺点：2)V 极间电容影响极间电容影响 f01)调
8、频时易停振调频时易停振克拉泼振荡器克拉泼振荡器(Clapp)3211111CCCC 31C 212130LCLCf +VCCVRERB1RB2CECBLC1C2123LC3改进改进oUiUfU第第 7 章信号产生电路章信号产生电路三、石英晶体三、石英晶体(Crystal)振荡电路振荡电路(一一)石英晶体谐振器的阻抗特性石英晶体谐振器的阻抗特性1.结构和符号结构和符号化学成分化学成分 SiO2结构结构晶片晶片涂银层涂银层焊点焊点符号符号2.压电效应压电效应形变形变形变形变机械振动机械振动压电谐振压电谐振外加交变外加交变电压的频率等电压的频率等于晶体固有频于晶体固有频率时，机械振率时，机械振动幅度
9、急剧加动幅度急剧加大的现象。大的现象。第第 7 章信号产生电路章信号产生电路3.等效电路等效电路rqC0CqLqCo 晶片静态电容晶片静态电容(几几 几十几十 pF)Lq 晶体的动态电感晶体的动态电感(10 3 102 H)(大大)Cq 晶体的动态电容晶体的动态电容(0.1 pF)(小小)rq 等效摩擦损耗电阻等效摩擦损耗电阻(小小)1qqqCLrQ 4.频率特性和谐振频率频率特性和谐振频率fXfPfS容性容性感性 21 qqSCLf 21 q0q0qPCCCCLf 1 0qSCCf 第第 7 章信号产生电路章信号产生电路5.使用注意使用注意1)要要接接一定的负载电容一定的负载电容 CL(微调
10、微调)，以以达标称频率。达标称频率。2)要有合适的激励电平。过大会影响频率稳定度、要有合适的激励电平。过大会影响频率稳定度、振坏晶片；过小会使噪声影响大，还能停振。振坏晶片；过小会使噪声影响大，还能停振。第第 7 章信号产生电路章信号产生电路(二二)石英晶体谐振电路石英晶体谐振电路1.串联型串联型 f=fs，晶体，晶体呈纯阻呈纯阻+VCCVRERB1RB2CBLC2.并联型并联型fs f fp，晶体，晶体呈感性呈感性+VCCVRERB1RB2CEC3C1C2RC第第 7 章信号产生电路章信号产生电路7.2非正弦波信号 产生电路7.2.1 电压比较器7.2.2 方波产生电路7.2.3 压控方波产
11、生电路第 7 章信号产生电路7.2.1 电压比较器(Comparer)一、单限电压比较器功能：类型基本比较器简单比较器(单门限)窗口比较器(双门限)迟滞比较器(施密特触发器)比较电压信号(被测试信号与标准信号)大小8uIuOOuIuO1.过零电压比较器uI 0UOmaxUOmaxUOHUOL第 7 章信号产生电路OuIuO2.同相输入单门限比较器8uIUREFUZUZUREFuI UREF门限电压 UT特点:1)工作在非线性区2)不存在虚短(除了uI=UREF 时)3)存在虚断门限电压 UT=UREF第 7 章信号产生电路二、窗口比较器uO88U1U2uIV1V2uO1uO2设 U1 U2，比
12、较器采用单电源uIuO1 uO2 V1 V2uO U1U2 uI U1UOmax截止 导通UZ0UOmax0导通 截止UZ00截止 截止0UZOuIuOU1U2第 7 章信号产生电路应用举例 三极管 值分选电路885 V2.5 VV1V2V+15 V10 k20 k20 k430 k1 M5 k1.5 k3CG50 100，LED 不亮。分析电路是否满足要求：100，LED 亮，解IB=(15 0.7)/1430=0.01 mA当 50 时，IC 0.5 mA，UC 100 时，IC 1 mA，UC 5 V V1 导通，LED 亮当 50 100 时，2.5 V UC uP 时，uO=UZ当
13、uI uP 时，uO=+UZ当 uI=uP 时，状态翻转212Z1REFTRRRURUU 212Z1REFTRRRURUU 例：R1=30 k，R2=15 k,UZ=6 V,UREF=0,求 UT。)(V 23015156 V)(23015156-TT UU，第 7 章信号产生电路特点：2)传输特性RR18uIUREFR2R3UZuOOuIuOUT+UTUZUZ当 uI 逐渐增大时 只要 uI UT+，则 uO=UZ当 uI 逐渐减小时只要 uI U T，则 uO=UZ一旦 uI I01电子开关 当 Q=0，S 断开，C 充电(I01)至 2/3VCCQ=1当 Q=1，S 闭合，C 放电(I0
14、2 I01)至 1/3VCCQ=0当 I02=2I01，引脚 9 输出方波，引脚 3 输出三角波；当 I02 2I01，引脚 9 输出矩形波，引脚 3 输出锯齿波。1.原理88+VCCRRRRSCI01I02uCVEE或地QQ反相器电压跟随器正弦波变换器第 7 章信号产生电路2.应用12345678ICL8038141312111091314正弦波失真度调整正弦波失真度调整正弦波输出三角波输出矩形波输出调频偏置电压输入调频偏置电压输出接电阻 RA接电阻 RB接电容 C+VCCVEE(或地)调占空比和正弦波失真调频率调占空比和正弦波失真RP2RP4 RP1+VCCVEERRAICL8038451
15、310 11128RBRP3CC1692第 7 章信号产生电路7.3锁相频率 合成电路 7.3.1 锁相环路 7.3.2 锁相频率合成器第 7 章信号产生电路7.3.1 锁相环路 PLL(Phase-Locked Loop)一.组成和工作原理PLL 是一种利用相位的自动调节消除频率误差，实现无误差频率跟踪的负反馈系统。鉴相器(PD)环路滤波器(LF)压控振荡器(VCO)ud(t)uI(t)uC(t)uO(t)参考信号iouO(t)锁定状态：i(t)-o(t)=常数，i=o失锁状态：i o第 7 章信号产生电路二、集成锁相环路CMOS 数字集成锁相环路 CD4046信号输入放大鉴相 要求 50%
16、方波环路滤波压控振荡分频缓冲C114167611128151013+VCCC1925R334A1 VCO PDII PDI N R4C2R5+VCCA2R2R1R6信号输出禁止第 7 章信号产生电路7.3.2 锁相频率合成器一、原理框图晶体振荡器压控振荡器环路滤波器可编程分频器 N鉴相器(PD)固定分频器 MPLLfSfrfofo/N fr=fS/M=fo/Nfr 频率间隔(分辨率)rsoNffMNf 第 7 章信号产生电路二、应用实例+12 V141611 88 5 11 6 710139CR343C2R1R2R4 4 5 6 7101112131141516 9 2 3 8晶振C116CD
17、4046CD4040CD40103131 024 kHz固定分频器M=256fr=4 kHz可编程顺序分频器 编 程 控 制 fo=Nfr输出信号第 7 章信号产生电路小 结第 7 章一、信号产生电路的分类：正弦波振荡非正弦波振荡：RC 振荡器(低频)LC 振荡器(高频)石英晶体振荡器(振荡频率精确)方波、三角波、锯齿波等。二、正弦波振荡条件、电路结构和选频电路1.振荡条件 振幅平衡条件2 FAAFn 相位平衡条件n=0,1,2,1 uuFA判断电路是否起振采用瞬时极性法，即断开反馈网络，加一信号，如果信号极性逐级变化后，返回后与原信号同极性，则满足相位平衡条件。第 7 章小结2.振荡电路的两
18、种结构放大器选频正反馈网络UoUfUi选频放大器正反馈网络UoUfUi3.选频电路及其特性1)RC 串并联式幅频特性0Fu.31相频特性0f90 90当 =0=1/RC 时Fu=1/3.=0电路第 7 章小结2)LC并联谐振回路LuCr+iiLiC阻抗幅频特性电路0Z Z 0阻抗相频特性0f90 90谐振频率LCf 210谐振阻抗rCLZ 0回路品质因数CLrCrrLQ1100 第 7 章小结三、正弦波振荡电路1.RC 桥氏振荡电路8CR1RfRiUoUCRfU振荡频率RCf210 振荡条件3 uA即1f2RR 自动稳幅措施：使电 Au 成为非线性Rf 串接二极管(图略)Rf 串接负温度系数热
19、敏电阻R1 采用正温度系数热敏电阻第 7 章小结3.LC 振荡电路变压器反馈式LC+VCCVRERB1RB2CECBLCf 210电感三点式C+VCCVRERB1RB2CECBL1L2C1 )2(2121210CMLLLCf 电容三点式+VCCVRERB1RB2CECBLC1C2123oUfUiULCCCCLCf212102121 第 7 章小结四、石英晶体振荡电路1.等效电路和频率特性符号等效电路rqC0CqLq频率特性fXfPfS串联谐振频率并联谐振频率2.石英晶体谐振电路串联型 f =fs，晶体呈纯阻并联型fs f fp，晶体呈感性第 7 章小结五、比较器8uIUREFOuIuOUZUR
20、EFUZ1.单限电压比较器 8uIUREFOuIuOUZUREFUZ特点：1)工作在非线性区2)不存在虚短(除了uI=UREF 时)3)存在虚断门限电压 UT=UREF传输特性第 7 章小结2.迟滞比较器(施密特触发器)反相型迟滞比较器uIRR18UREFR2R3UZuOOuIuOUT+UTUZ UZ同相型迟滞比较器R1R8uIUREFR2R3UZuO传输特性OuIuOUT+UT-UZUZ门限电压的求法：根据叠加定理求出同相端电压 uP 的表达式，当输出状态变化时，与反相端电压uN 相等,此时的输入电压uI即为门限电压UT+和UT。第 7 章小结六、非正弦波振荡电路1.产生方波振荡的基本原理CuOR当施密特触发器输出高(低)电平时，电容 C 的充电方向不同，每当 uC 超过上(下)门限电压时，施密特触发器的输出电平就发生跳变，使电容改变充电方向，于是形成 uO 周而复始的高、低电平跳变，即方波振荡。施密特触发器的构成：迟滞比较器(运放接成正反馈)555 定时器的施密特触发器形式集成施密特触发器2.获得三角波的基本方法方波三角波第 7 章小结
