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1、第 9章 波形产生电路,9.1 概述,9.2 正弦波振荡电路,9.3 非正弦波振荡电路,教学基本要求,掌握： 1、正弦波振荡器的振荡条件、组成、分类 2、RC桥式振荡器的工作原理、分析方法,理解： 1、LC正弦波振荡器的组成、振荡的判断、频率的计算 2、非正弦波产生电路的组成、工作原理、波形分析,了解： 1、石英晶体的基本知识：晶体振荡器的组成原则和典型电路。 2、集成函数发生器芯片,9.1 概述,信号产生电路,(振荡器Oscillators),分类：,正弦波产生电路:,非正弦波产生电路：,方波、,三角波、,锯齿波等,主要性 能要求：,输出信号的幅度准确稳定,输出信号的频率准确稳定,正弦波,应
2、用：,用于电子仪器、通信、自动控制等,9.2.1 正弦波振荡电路的基本工作原理,9.2 正弦波振荡电路,1产生正弦波振荡的平衡条件,电路稳定振荡的条件,1）幅值平衡条件,n = 0, 1, 2, ,2）相位平衡条件（正反馈）,负反馈中产生自激振荡的条件是什么？与正弦波振荡器的振荡条件有何区别？为什么？,产生正弦波振荡的幅值平衡条件和相位平衡条件,2振荡的建立和稳定,起振条件,起振,稳幅, ,微弱的电扰动中，某一频率成分通过正反馈逐渐放大，则产生正弦振荡。,输出电压从幅值很小、含有丰富频率，到仅有一种频率且幅值由小逐渐增大直至稳幅。,很多种频率,频率逐渐变为单一,振幅越来越大,趋于稳幅,3正弦波
3、振荡电路的组成,1) 放大电路：放大作用 2) 正反馈网络：满足相位条件 3) 选频网络：确定f0，保证电路产生正弦波振荡 4) 非线性环节（稳幅环节）：稳幅,常合二为一,4.判断电路能否产生正弦波的分析方法:,1) 是否存在主要组成部分； 2) 放大电路能否正常工作，即是否有合适的Q点， 信号是否可能正常传递，没有被短路或断路； 3) 是否满足相位条件，即是否存在 f0，是否可能振荡 ； 4) 是否满足幅值条件，即是否一定振荡。,相位条件的判断方法：瞬时极性法,在多数正弦波振荡电路中，输出量、净输入量和反馈量均为电压量。,断开反馈，在断开处给放大电路加 ff0的信号Ui，且规定其极性，然后根
4、据 Ui的极性 Uo的极性 Uf的极性 若Uf与Ui极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不可能产生自激振荡。,极性？,5.正弦波产生电路的分类,常用选频网络所用的元件分类： 1) RC正弦波振荡电路：1兆赫以下 2) LC正弦波振荡电路：几百千赫几百兆赫 3) 石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定,1. RC串并联选频网络,2. RC桥式振荡器,9.2.2 RC正弦波振荡电路,3. RC相移式正弦振荡电路,1. RC串并联选频网络,电路组成:,（1）定量推导与频率特性,式中: 0 = 1/RC,式中: 0 = 1/RC,当 = 0 时, = 0,（2）电路组成,1)是否可用共射放大电路？
5、 2)是否可用共集放大电路？ 3)是否可用共基放大电路？ 4)是否可用两级共射放大电路？,不符合相位条件,不符合幅值条件,输入电阻小、输出电阻大，影响f0,可引入电压串联负反馈，使电压放大倍数大于3，且Ri大、Ro小，对f0影响小,应为RC 串并联网路配一个电压放大倍数略大于3、输入电阻趋于无穷大、输出电阻趋于0的放大电路。,2. RC桥式正弦振荡电路（文氏桥振荡器）,（1）电路组成,（2）相位条件,由同相比例放大电路可知：,由选频网络可知，当 谐振时,由幅度起振条件,结合上两式，可推出,或,（3）幅值条件,即： 才能满足起振条件 维持振荡的幅值平衡,可选用,为负温度系数的热敏电阻,利用二极管
6、在流经它的电流增大时动态电阻减小、电流减小时动态电阻增大的特点，加入非线性环节，从而使输出电压稳定。,为了稳定输出电压的幅值，一般应在电路中加入非线性环节,为使电 Au 为非线性，起振时，应使 Au 3，稳幅后 Au = 3。,（4）稳幅,（5）振荡频率,【例9-1】：根据相位条件判断图9-6所示电路能否起振（假设电路可以满足起振的幅度条件），如能起振，计算该电路的振荡频率。,【例9-2】：合理连接电路，组成文氏桥振荡电路,9.2.3 LC正弦波振荡电路,1. LC谐振回路的选频特性,2. 变压器反馈式振荡电路,3. LC三点式振荡电路,4. 改进型电容三点式振荡电路,1. LC谐振回路的选频
7、特性,串联谐振回路,并联谐振回路,LC谐振回路,(1) LC并联谐振回路,L 的等效损耗电阻,Z,1) 谐振频率 f0,2) 谐振阻抗 Z0,3) 回路品质因数 Q,4) 频率特性,当 时：,幅频特性,相频特性,(2) LC串联谐振回路,1)谐振频率 f0,2) 回路品质因数 Q,3) 频率特性,幅频特性,相频特性,1) 串联电路谐振时，电路的阻抗最小，电流最大，要求信号源为恒压源，内阻为零。若为恒流源，电路则无法谐振。,(3) LC串并联谐振回路的区别,2) 并联电路谐振时，要求信号源内阻较大，为电流源。若为恒压源，电路则无法谐振。,3) 相对LC串联谐振，并联谐振回路在实际应用中更多一些。
8、,4) LC正弦波振荡电路一般用分立元件组成。,2. 变压器反馈式振荡电路,分析电路是否可能产生正弦波振荡的步骤： 1) 是否存在四个组成部分 2) 放大电路是否能正常工作 3) 是否满足相位条件 4) 是否可能满足幅值条件,C1是必要的吗？,优点：易振，频率调节方便； 缺点：输出波形不太好；耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。,为使N1、N2耦合紧密，将它们 合二为一，组成电感反馈式电路。,把并联LC回路中的C或L分成两个，则LC回路就有三个端点。把这三个端点分别与三极管的三个极或者与场效应管的三个电极或者与集成运放的同相输入端、反相输入端、输出端相连就形成了LC三点式正弦波发生电路。,3.
9、 LC三点式振荡电路,LC三点式正弦波发生电路的一般结构如下图所示。,a）反相放大电路,b）同相放大电路,由电路可知整个电路的负载阻抗：,运放输出电阻为,(1) 组成LC三点式振荡电路的规律,1) a图的推导,无反馈时的,因此,其中，,a）反相放大,式中Au0 为断开负载时的电压放大倍数。连上 负载后的放大倍数为Auo的ZL/(r0+ZL)倍。,进而可得:,所以得：,b）同相放大,2) b图的推导,其中，,为了产生振荡，由上式可得：,和,所以必然有：,可得：X1与X2应该同号，而X3与X1、X2异号。,结论：在LC三点式正弦波发生电路中，为了满足 振荡的相位平衡条件，同性质电抗的中点必须接 集
10、成运放的同相输入端（对应于三极管的发射极）,(2) 电感三点式振荡电路,（a）电感三点式振荡电路 （b）电感三点式振荡电路的交流通路,电路特点： 电感的三个抽头分别接晶体管的三个极， 故称之为电感三点式电路。,反馈电压取自哪个线圈？ 反馈电压的极性？,优点：,缺点：,易起振(L 间耦合紧)；易调节(C 可调)。,输出取自电感，对高次谐波阻抗大，输出波形差。,判断电路能否产生正弦波振荡：,a.组成 b.分析放大电路能否正常工作 c.看反馈 d.看幅度 e.求振荡频率,用途：,常用在对波形要求不高的设备中。如高频加热器， 接收机的本机振荡器等。,由于电感对高频信号呈现较大的电抗，故波形中含高次谐波
11、，为使振荡波形好，采用电容反馈式电路。,【例9-3】：如图所示电路是由共基极放大电路构成的电感反馈式正弦波振荡电路，因为共基极电路的高频特性较好，所以这种电路形式的振荡频率可以做得更高。试用瞬时极性法判断该电路是否满足相位起振条件。,【解】：虽然图中的电路为共基组态，但从电路的任何地方开始标注瞬时极性都可以得到正确的结论。所以从比较习惯的基极输入开始标注，如图中所示。 由瞬时极性可知，该电路满足相 位条件，因此该电路可以起振。 输出振荡频率为,(3) 电容三点式振荡电路考毕兹振荡器 (Colpitts),缺点：,2) V 极间电容影响 f0,1) 调频时易停振,若要振荡频率高，则L、C1、C2
12、的取值就要小。 当电容减小到一定程度时，晶体管的极间电容将 并联在C1和C2上，影响振荡频率。,优点： 波形好,4. 改进型电容三点式振荡电路,与放大电路参数无关,特点：波形好，振荡频率调整范围小，适于频率固定的场合。,9.2.4 石英晶体振荡电路,1. 石英晶体的基本特性,2. 石英晶体振荡电路,(1) 结构和符号,化学成分 SiO2,结构,晶片,符号,1. 石英晶体的基本特性,外形,(2) 压电效应,石英晶体的基本特性 （a）各向异性 （b）具有压电效应,压电效应 在晶片的两面之间加电场，就会产生机械变形。 在晶片的两侧施加压力，又会产生电场。,压电谐振 当在晶片的两电极之间加交变电压时，
13、晶片就会 产生机械变形振动。,当交变电压的频率等于晶片的固有机械振动频率 时，振幅急剧增加，这种现象称为压电谐振。,(3)等效电路,Lq 晶体的动态电感 (10-3 102 H)(大),Cq 晶体的动态电容 ( 0.1 pF)(小),rq 等效摩擦损耗电阻(小),Co 晶片静态电容 (几 几十 pF),电路特点：,a. Lq很大，Cq和Rq很小。,b. Q很高，达104 106,c. 频率稳定度（ ）很高。,三种振荡电路的频率稳定度比较：,RC振荡器 10-2,LC振荡器 10-3 10-4,石英晶体振荡器 10-9 10-11,(4)频率特性和谐振频率,当忽略rq时，阻抗,讨论：,a.当 时
14、，X=0，电路发生串联谐振。,串联谐振频率：,当 时，Z0，电路呈容性。,当 时，Z0，电路呈感性。,b.当 时，Z=，电路发生并联谐振。,并联谐振频率：,由于 ，故 ，且 。,由式子,画出石英晶体振荡器的电抗频率特性：,可见：,当 时，电路呈感性。,当 或者 时，电路呈容性。,两种基本形式,（2）并联型石英晶体振荡器,2.石英晶体振荡电路,（1）串联型石英晶体振荡器,（1） 并联型电路, 石英晶体工作在哪个区？ 是哪种典型的正弦波振荡电路？,（2） 串联型电路, 石英晶体工作在哪个区？ 两级放大电路分别为哪种基本接法？ C1的作用？,【例9-4】:改错，使电路有可能产生正弦波振荡,同名端对吗
15、？ 放大电路能放大吗？各电容的作用？,【例9-5】:三个电路有什么相同之处？这样的电路形式有什么好处？,“判振”时的注意事项： 1. 放大电路必须能够正常工作，放大电路的基本接法； 2. 断开反馈，在断开处加 f=f0的输入电压； 3. 找出在哪个元件上获得反馈电压，是否能取代输入电压。,9.3 非正弦波信号发生电路,9.3.2 矩形波发生电路,9.3.3三角波发生电路,9.3.4锯齿波发生电路,9.3.1 常见的非正弦波,9.3.5集成函数发生电路,矩形波,三角波,锯齿波,尖顶波,阶梯波,矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。 通过什么电路可将矩形波变为其它几种波形？,9.3.1 常见的非正弦波,9.3.2矩形波发生电路,输出无稳态，有两个暂态；若输出为高电平时定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。,1. 基本组成部分 （1）开关电路：因为输出只有高电平和低电平两种情况，即两个暂态；故采用电压比较器。 （2）反馈网络：因需自控，在输出为某一暂态时孕育翻转成另一暂态的条件，故应引入反馈。 （3）延迟环节：要使两个暂态均维持一定的时间，故采用RC环节实现，从而决定振荡频率 。,2. 电路组成,（a）矩形波发生器电路,正向充电： uO（+UZ）RC地,反向充电（放电）： 地C R uO
