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1、8信号发生器 发生器按产生的波形特点可分为 8 1正弦波信号发生器 8 1 1正弦波自激振荡的基本原理 正弦波信号发生器是按照自激振荡原理构成的 信号发生器常称为振荡器 1 产生正弦波自激振荡的平衡条件 自激振荡原理方框图 放大环节 A 正反馈网络 F 可在输出端继续维持原有的输出信号 正反馈 工作原理 及 知电路产生自激振荡的平衡条件为 放大环节 A 正反馈网络 F 1 幅度平衡条件 2 相位平衡条件 上式可分解为 一个振荡器 只在振荡频率f0时满足相位平衡条件 平衡条件讨论 a 相位平衡条件 在电路中应包含选频网络 若 则电路减幅振荡 最后停止振荡 若 电路增幅振荡 b 幅度平衡条件 AF
2、 1是维持等幅振荡的唯一条件 2 振荡的建立与稳定 振荡电路的起振条件 放大电路中还应包含稳幅环节 A 反馈特性 幅度特性 F太小 自激振荡电路的建立过程 线性反馈 幅度特性 B 幅度特性 非线性反馈 非线性反馈 起振 维持振荡 自激振荡电路的起振过程 3 正弦波信号发生器组成 放大环节 正反馈网络 选频网络 稳幅环节 4 正弦波信号发生器的分类 RC型振荡器 LC型振荡器 晶体振荡器 1 文氏电桥振荡器 文氏电桥振荡电路 移相式振荡电路 双T网络式振荡电路 选频网络反馈网络 放大电路 8 1 2RC型正弦波信号发生器 2 RC串并联网络的选频特性 图中 Z1 Z2 反馈系数 Z1 Z2 令
3、幅频特性 当 0时 F 0 当 时 F 0 当 0时 F Fmax 1 3 幅频特性分析 相频特性 当 0时 F 90 当 时 F 90 当 0时 F 0 相频特性曲线 幅频特性曲线 F 0 且反馈最强 可见 当 0时 相频特性分析 3 工作原理 1 当f 时 3 振荡频率 2 当 3时 满足振荡条件 A 4 稳幅措施 1 利用二极管稳幅 Rt为负温度系数的热敏电阻 2 利用非线性热敏电阻稳幅 a 用LC并联谐振回路作为选频网络 8 1 3LC型正弦波信号发生器 b 主要用来产生1MHz以上的高频信号 主要特点 c 频率稳定性较好 变压器反馈式 电感三点式 电容三点式 LC型正弦波信号发生器类
4、型 1 LC并联谐振回路 f0 f0 Q大 Q小 Q大 Q小 阻抗频率特性 相频特性 1 谐振频率 2 谐振时的等值电阻R0 3 电路的品质因数 2 选频放大电路 当f f0 LC并联谐振频率 时 1 输出电压幅值最大 2 输出与输入电压反相 工作原理 放大电路只对谐振频率f0的信号有放大作用 LC并联谐振电路 3 变压器反馈式LC振荡电路 正反馈的判断 1 相位条件 判断的方法 瞬时极性法 判断的步骤 b 断开反馈回路 a 假设谐振回路发生谐振 f 判断是否满足相位平衡条件 构成正反馈 满足相位平衡条件 2 起振条件 因为 合理地选择电路参数 及变压器的变比 可使AF 1 满足起振条件 3
5、振荡频率 4 电路的特点 a 调节N2方便 起振容易 g 受变压器分布参数的限制 振荡频率不能很高 b 振荡频率高 c 电路的品质因数高 e 频率稳定性高 d 输出波形好 f 体积 重量大 4 电感三点式正弦振荡电路 振荡电路的交流通路 忽略RB1 RB2 简化的交流通路 线圈的三个端子分别与T的三个电极B C E相连接 故称之为电感三点式振荡电路 1 相位平衡条件的判断 b 断开反馈回路 a 假设谐振回路发生谐振 相量图 相量图 2 幅度条件 由于反馈信号Uf取自电感L2 改变电感中间抽头位置 调整反馈强弱 容易满足幅度条件 M为线圈L1与L2之间的互感 3 谐振频率 式中 4 电路特点 a
6、 电感L1与L2之间耦合很紧 容易起振 b 输出波形中含有高次谐波 波形较差 5 电容三点式正弦波振荡电路 电容器的三个端子分别与T的三个电极相连接 故称之为电容三点式振荡电路 交流通路 简化的交流通路 b 断开反馈回路 a 假设谐振回路发生谐振 1 相位平衡条件的判断 相量图 相量图 2 幅度条件 反馈电压取自C2 改变C1 C2 调整反馈强弱和电路的放大倍数 容易满足幅度条件 3 谐振频率 4 电路特点 a 容易起振 c 输出波形中高次谐波少 波形好 c 改变电容时 容易停振 b 振荡频率高 改进的电容三点式振荡电路 谐振频率 1 石英晶体的基本特性与等效电路 a 各向异性 b 具有压电效
7、应 8 1 4晶体振荡器 1 压电效应 a 石英晶体的基本特性 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 当在晶片的两电极之间加交变电压时 晶片就会产生机械变形振动 压电谐振 压电效应 在晶片的两侧施加压力 又会产生电场 在晶片的两面之间加电场 就会产生机械变形 b 石英晶体谐振器的结构 适当地切片 加装上外壳 电路符号 2 等效电路和谐振频率 R 等效晶片振动时内部的摩擦损耗 等效电路 C0 两金属电极间形成的静电电容 L 等效晶片振动时的惯性 C 等效晶片振动时的弹性 电路特点 a L很大 C和R很小 b Q很高 达104 106 c 频率稳定度 f
8、 f0 很高 三种振荡电路的频率稳定度 RC振荡器10 2 LC振荡10 3 10 4 石英晶体振荡10 9 10 11 当忽略R时 电抗 串联谐振频率 当f fs时 X 0 电路呈容性 当f fs时 X 0 电路呈感性 a 当1 2LC 0时 X 0 电路发生串联谐振 讨论 并联谐振频率 X b 当j C0 C 2LCC0 0时 电路发生并联谐振 由于C C0 故 电抗 频率特性 画出石英晶体振荡器的电抗 频率特性 可见 a 当fs f fp时 电路呈感性 b 当ffp时 电路呈容性 2 石英晶体振荡电路 1 并联型晶体振荡器 晶体呈感性 谐振频率 交流等效电路 谐振频率 式中 由于 故 2
9、 串联型晶体振荡器 谐振频率 思考题 1 在正弦波发生器中 如果没有选频网络或没有稳幅环节 那么电路将分别会出现什么情况 2 电容三点式与电感三点式正弦波振荡电路相比 哪个电路输出的波形更好 为什么 8 2非正弦波信号发生器 主要组成部分 1 具有开关特性的器件 如电压比较器 BJT等 2 反馈网络 主要作用 产生高 低电平 主要作用 将输出电压适当地反馈给开关器件使之改变输出状态 3 延时环节 主要作用 实现延时 以获得所需要的振荡频率 主要特点 振荡条件比较简单 只要反馈信号能使比较电路状态发生变化 即能产生周期性的振荡 8 2 1方波发生器 1 电路组成 延迟环节 迟滞比较器 2工作原理
10、 设t 0时 uC 0 0 uO UZ 则 FUZ uC按指数规律上升 a 当t 0时 电容C充电 iC uO uC波形图 uO UZ b 当uC FUZ时 uR FUZ uO UZ FUZ FUZ iC c 当uO UZ时 uR FUZ uC按指数规律下降 电容C放电 iC d 当uC FUZ时 UR FUZ uO UZ iC e 当uO UZ时 UR FUZ uC又按指数规律上升 电容C又充电 iC uO uC波形图 uO为方波 iC 根据三要素法 3 主要参数计算 如果选定时间起点为t2 那么 振荡频率 由此得电路的振荡周期 当t T 2时 即 振荡频率 例1 对图示电路如何改进 可改变
11、信号占空比 答 如果将方波信号发生器中的电容C的充电和放电回路分开 使充电和放电的时间常数不相等 即可改变信号的占空比 改进电路 例2 在图示电路中 如果电阻R R 输出波形的占空比是大于还是小于50 答 如果电阻R R 那么 电容C的充电时间将大于放电时间 输出波形的占空比大于50 8 2 2三角波和锯齿波发生器 1 电路组成 迟滞比较器 积分器 图中 2 工作原理 1 当时 输出电压 电容C充电 uO随时间线性下降 设uC 0 0 波形图 2 当时 令 UZ 得uO1翻转时的输出电压 波形图 3 当uB 0时 电容器放电 输出电压 uO随时间线性上升 UZ 波形图 令 4 当uB 0时 t
12、 uO uO1 O uO uO1 UZ UZ 波形图 得uO1翻转时的输出电压 波形图 uO1 方波 uO 三角波 输出波形 1 输出电压幅值 3 主要参数计算 a 三角波幅值 b 方波幅值 2 振荡频率 三角波从零上升到Uom的时间是T 4 由图可知 由于 故电路的振荡周期 振荡频率 a b 答 输出波形上升和下降的斜率不等 例3 如果用图 a 示电路替代图 b 示电路的电阻R 那么输出电压uO的波形如何变化 替代R 例4 在上图示电路中 如果电阻R R 画出输出电压的波形 解 输出信号的波形如右图示 8 2 3压控振荡器 1 原理图 图中模拟开关S受控于uO a 当uO UZ时 开关S接通
13、 U b 当uO UZ时 开关S接通 U 1 工作原理 图中 a 当时 U通过R向C充电 S接电源 U uO1随时间线性下降 设uC 0 0 uC b 当uB 0时 电容反向充电 开关S接 U uO1随时间线性上升 uO1 R C A2 A1 R1 R2 R3 uO DZ B U U S c 当uB 0时 电容又正向充电 S又接U C uO1又随时间线性下降 uC uO C uC uO1 三角波 uO 输出方波 输出波形 2 振荡波形图 3 振荡频率 而 由波形图知 故 由 得 f0 U 实现了电压控制振荡频率的目的 一种压控振荡电路 电子模拟开关 例1 电路如图所示 图中运放A和二极管D1
14、D2都是理想器件 稳压管DZ的稳压值为UZ 试证明调节电位器RW改变矩形波占空比时 周期T将保持不变 练习题 解 由题意 画出uO和uC的波形如下图示 其中 波形图 当uO UZ时 uO通过D1对电容充电 当uO UZ时 电容通过D2放电 可见 在改变RW滑动端位置时 T保持不变 振荡周期 为常数 例2 在图示矩形波发生电路中 理想运放的最大输出电压Uomax 12V 最小的输出电压Uomin 0V a 画出输出电压uO和电容电压uC的波形 b 求出uC的最大值和最小值 c 当UR的大小超出什么范围时 电路将不再产生矩形波 解 a 方波发生器的输出电压只有高 低两种电平 电容C随输出电压的极性
15、进行充电或放电 当uC大于运放同相端电位u 时 输出为低电平 反之 输出为高电平 输出电压uO和电容电压uC的波形图 b 由图可知 运放同相端电位的最大值和最小值 即为uC的最大值和最小值 对于同相端 由KCL得 3 如果UcmaxU min 电路不能产生方波 Ucmax Uomax 2 6V Ucmin Uomin 2 0V 由图可知 当UR 3U max UOmax 6V 或UR 3U min UOmin 0V时 电路不能产生方波 例3 图示电路为一压控振荡器 设输入电压0 UI 6V 运放A1 A2为理想器件 二极管D的正向压降为0 6V 稳压管DZ的稳定电压为 6V 它们的其它性能理想
16、 a 运算放大器A1 A2各组成什么电路 b 画出uO1和uO波形 c 写出振荡频率f0与输入电压UI的函数关系式 解 a A1构成反相输入积分电路 A2构成同相输入比较电压比较器 b 当uO 6V时 二极管D截止 电容C充电 uO1随时间负向线性增大 当运放A2的同相端电位u2 过零时 比较器翻转 uO 6V 当uO 6V时 D导通 uO被强制为0 6V C迅速放电 uO1快速正向增大 当u2 再次过零时 比较器翻转 uO 6V 二极管截止 电容C充电 uO1随时间线性下降 周而复始 形成周期性振荡 由图可知 运放A2同相端电位 令u2 0得 当uO 6V时 uO1 5V 比较器状态翻转 当uO 0 6V时 uO1 0 5V 比较器状态翻转 uO1和uO的波形 c 由于二极管的导通电阻很小 电容放电时间极短 所以 T T1 由于 当时 电容充电结束 此时 故电路的振荡频率 9 1功率放大电路的特点及分类 1 特点 1 要有尽可能大的输出功率 2 效率要高 3 非线性失真要小 4 要加装散热和保护装置 5 要用图解法分析 9功率放大电路 2 工作状态分类 1 甲类放大电路 根据晶体管的
