《模拟电子技术教学指南与习题解答第08章080729》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟电子技术教学指南与习题解答第08章080729（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 8 章 信号产生电路本章基本内容、教学要点及能力培养目标本章主要介绍了正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路。正弦波振荡电路主要讲述了振荡电路的组成和工作原理、起振条件和平衡条件； RC、LC 和石英晶体振荡电路以及分析方法。非正弦波振荡电路讲述了电压比较器、 方波发生器和集成函数发生器的电路原理和分析方法。学习本章之后，要求要了解正弦波振荡电路的组成和工作原理，掌握振荡电路的平衡条件和起振条件，了解非正弦波信号产生电路的组成和工作原理。要能独立地设计、安装、测试制作一简单的信号发生器。本章要讨论的问题 怎样组成正弦波振荡电路，它必须包含哪些部分？ 为什么正弦波振荡电路中要有选频网络？选频网络可
2、有哪些元件组成？ 正弦波振荡电路产生振荡的条件是什么？如何判断一个振荡电路是否是正弦波振荡电路？ 石英晶体谐振器阻抗特性有何特点？ 为什么在并联型晶体振荡电路中， 石英晶体作为一个电感元件使用？若将石英晶体作为一个电容使用行不行？ 非正弦波产生电路的组成与正弦波振荡电路有什么不同？ 电压比较器有何特点？与放大电路有什么不同？ 集成运放在电压比较器电路和运算电路中的工作状态一样吗？如何判断电路中的集成运放的工作状态？8.1 正弦波振荡电路重点内容1、正弦波振荡电路的组成和工作原理；2、正弦波振荡电路的振幅平衡条件、相位平衡条件和起振条件；3、RC 振荡电路；4、LC 振荡电路；5、自激振荡的判断
3、、改错和振荡频率的估算。难点内容1、RC 振荡电路的组成、工作原理和起振条件的分析计算；2、LC 振荡电路的组成、工作原理、振荡频率的估算和电路是否可能产生自激振荡的判181断及改错。课堂提问和讨论解答T8.1.1 正弦波振荡电路由哪几部分组成 ?各部分的作用是什么 ?产生正弦波振荡的条件是什么 ?解答 ：正弦波振荡电路一般由以下几个基本组成部分：（1）放大电路。没有放大，不可能产生正弦波振荡。放大电路不仅必须有供给能量的电源，而且应当结构合理，静态工作点正确，以保证放大电路具有放大作用。（2）反馈网络。它的主要作用是形成反馈（主要是正反馈） ，以满足相位平衡条件。（3）选频网络。它的主要作用
4、是只让单一频率信号满足振荡条件，以产生单一频率的正弦波。选频网络所确定的频率一般就是正弦波振荡电路的振荡频率 fo。在很多正弦波振荡电路中， 选频网络与反馈网络合在一起， 即同一个网络既有选频作用，又起反馈作用。（4）为了使振荡幅值稳定且波形较好，还需要有稳幅环节。正弦波振荡电路由放大器和反馈网络等组成， 其电路原理图如图 8.1.1 所示。 假如开关 S处于位置 1，即在放大器的输入端输入一正弦波电压信号V ，此信号经放大器放大后产生输i出信号V ，而Vo 又作为反馈网络的输入信号，在反馈网络输出端产生反馈信号 Vf 。如果 Vfo和原来的输入信号V 大小相等且相位相同，假如这时去除外加信号
5、并将开关 S 接至 2 端，由i放大器和反馈网络组成一闭环系统，在没有外加输入信号的情况下，输出端可维持一定频率和幅度的信号V 输出，从而实现了自激振荡。o为使振荡电路的输出为一个固定频率的正弦波，要求自激振荡只能在一个频率上产生，而在其他频率上不能产生，因此图 8.1.1 所示的闭环系统内，必须含有选频网络，使得只有选频网络中心频率上的信号才满足V 和fV 相同的条件而产生的自i激振荡，其他频率的信号不满足V 和fV 相同的条件i图 8.1.1 反馈振荡电路原理框图而不能产生振荡。选频网络可以包含在放大器内，也可在反馈网络内。如上所述，反馈振荡电路是一个将反馈信号作为输入电压来维持一定输出电
6、压的闭环正反馈系统，实际上它是不需外加信号激发就可以产生输出信号的。振荡环路内存在的微弱的电扰动（如接通电源间在电路中产生很窄的脉冲，放大器内部的热噪声等） ，都可作为放大器的初始输入信号。由于很窄的脉冲内具有十分丰富的频率分量，经选频网络选频，使得只有某一频率的信号能反馈到放大器的输入端，而其他频率的信号被抑制。这一频率分量的信号经放大后，又通过反馈网络回送到输入端，且信号幅度比前一瞬时要大，再经过放大、反馈，使回送到输入端的信号幅度进一步增大，最后将使放大器进入非线性工作区，放大器的增益下降，振荡电路输出幅度越大，增益下降也越多，最后当反馈电压正好等于原输入电压时，振荡幅度不再增大从而进入
7、平衡状态。182正弦波振荡电路是否能产生振荡的平衡条件和起振条件（1）振荡的平衡条件当反馈信号V 等于放大器的输入信号fV时，振荡电路的输出电压不再发生变化，这时电i路达到平衡状态，因此将V V 称为振荡的平衡条件。需要强调的是这里的f iV 和fV 都是复i数，所以两者相等是指大小相等而且相位也相同。根据图8.1.1 可知正弦波振荡的平衡条件为Av F Av Fv （va f ） 1式中A 、va为放大倍数A 的模和相角； Fv 、vf为反馈系数F 的模和相角。v因此，振荡的平衡条件应当包括振幅平衡条件和相位平衡条件两个方面。振幅平衡条件 Av Fv 1上式说明，放大器与反馈网络组成的闭合环
8、路中，环路总的传输系数应等于 1，使反馈电压与输入电压大小相等。相位平衡条件a f 2n（n0，1，2 ）上式说明，放大器和反馈网络的总相移必须等于 2 的整数倍，使反馈电压与输入电压相位相同，以保证正反馈。作为一个稳态振荡电路，相位平衡条件和振幅平衡条件必须同时得到满足。利用振幅平衡条件可以确定振荡电路的输出信号幅度；利用相位条件可以确定振荡信号的频率。（2）振荡的起荡条件Av F 1 是维持振荡的平衡条件，是指振荡电路已进入稳态振荡而言的。为使振荡电路v在接通直流电源后能够自动起振，则在相位上要求反馈电压与输入电压同相，在幅度上要求VfVi ，因此振荡的起振条件也包括相位条件和振幅条件两个
9、方面，即起振振幅条件 Av Fv 1起振相位条件 a f 2n（n0，1， 2 ）综上所述，要使振荡电路能够起振，在开始振荡时，必须满足Av F 1，起振后，v振荡幅度迅速增大，使放大器工作到非线性区，以至放大倍数A 下降，直到 Av Fv 1，v振荡幅度不再增大，振荡进入稳定状态。T8.1.2试总结三点式 LC 振荡电路的结构特点。解答 ：三点式振荡电路是一种常用的 LC 振荡电路， 其特点是电路中 LC 并联谐振回路的三个端子分别与放大器的三个端子相连，故称为三点式振荡电路。T8.1.3 石英晶体谐振器阻抗特性有何特点？为什么在并联型晶体振荡电路中，石英晶体作为一个电感元件使用？若将石英晶
10、体作为一个电容使用行不行？解答 ：石英晶体振荡器的等效电路如图8.1.12（b）所示，电抗频率特性曲线如图8.1.12（c）所示。图中 C0 称为静态电容，它的大小与晶片的几何尺寸和电极面积有关，一般在几183个皮法到几十个皮法之间， Lq、Cq 分别为晶片振动时的动态电感和动态电容， rq 为晶片振动时的等效摩擦损耗电阻。由于石英晶体的动态电感 Lq 非常大，而 rq 和动态电容 Cq 非常小，所以它具有很高的品质因数， 可以高达 10 5，远远超过一般元件所能达到的数值。 又由于石英晶体的机械性能十分稳定，所以用石英晶体谐振器代替一般的回路构成振荡器，可以具有很高的频率稳定度。图 8.1.
11、12 石英晶体谐掁器等效电路及阻抗特性（a）电路符号 （b）等效电路 （c）电抗频率特性当信号频率很低时，由动态电容 Cq 起主要作用，晶体呈容性；随着频率逐渐升高， Cq的容抗逐渐减小，而 Lq 感抗逐渐增大，当信号频率 f fs 时，Cq 和 Lq 发生串联谐振，此时晶体的电抗近似为零；随着频率进一步升高，由动态电感 Lq 起主要作用，晶体呈现感性，等效为一个很大的电感；当频率升高到 f fp 时，等效电感和 C0 发生并联谐振，电抗为无穷大，近似为开路；当 f fp 时，由 C0起主要作用，此时电抗再次呈现容性。由此可见，石英晶体谐振器具有两个谐振频率，一个是 Cq、Lq、rq 构成的串
12、联支路的串联谐振频率 fs，另一个是由 Cq、Lq、C0 构成的并联回路的并联谐振频率 fp，它们分别为fs21L Cq qf1p f 1sC Cq02 LqC Cq0CqC0因为 C0 远大于 Cq，所以石英晶体谐振的串联谐振频率 fs和并联谐振频率 fp 相差很小。由图 8.1.12（c）可见，石英晶体在 fp 与 fs 之间，即 fsffp 时，其等效电感的电抗曲线非常陡峭，在并联型晶体振荡电路中，石英晶体就工作在这一频率范围内，因为只有这一区域，晶体才等效为一个很大的电感，具有很高的 Q 值，从而具有很强的稳频作用；在 ff s和 f fp 区间，石英晶体均等效为一个电容。若在并联型晶
13、体振荡电路中，将石英晶体作为一个电容使用，如图 8.1.12（c）所示曲线可见， 即是说 ffs 或 f fp，只有在这两个区间石英晶体才等效为一个电容。 在典型的并联型晶体振荡电路中，由于晶体等效为一个电容元件，电路不会产生振荡；若另行并联电感，由于晶体等效为电容的电抗曲线变化缓慢， 稳频特性不好， 仅和普通的 LC 振荡电路相似。 所以，不能将石英晶体作为一个电容元件使用。184课堂练习详解L8.1.1 如图 8.1.4 所示电路中， R10k，C0.01F，试求其振荡频率。图 8.1.4 RC 桥式振荡电路解：如图 8.1.4 所示电路fo12 RC21013100.01106Hz1.5
14、9 kHz8.1.2 电容三点式振荡电路如图 8.1.10 所示，其中 C1C21000pF，L0.1mH，试求电其振荡频率。图 8.1.10 电容三点式振荡电路解： 如图 8.1.10 所示电路fo2L1C C1 2CC1220.1 1031123101012Hz712kHz8.2 非正弦波信号产生电路重点内容1、电压比较器；2、方波产生电路（非正弦波信号产生电路）的工作原理、波形分析和振荡频率（振荡周期）的计算；3、集成函数发生器 8038 的使用。难点内容1851、迟滞电压比较器；2、方波产生电路的波形分析和周期的计算。课堂提问和讨论解答T8.2.1 试说明集成运算放大器作为电压比较器和运算电路使用时，其工作状态有什么不同？解答 ：集成运算放大器作为电压比较器使用时， 其输出电压信号不是高电平就是低电平，集成运放工作在非线性区，处于开环状态或引入了正反馈
