信号发生器-模电讲义

9信号发生器本章介绍几种信号发生器的组成及工作原理。它们既可用分立元件构成，也可用集成电路组成，也有专用信号发生器组件。9.1正弦波振荡电路的振荡条件输出电压为正弦波的振荡电路，叫做正弦波振荡器，在不同的使用场合，对正弦波的频率、功率要求不同。下面首先分析自激振荡原理，然后再介绍典型的振荡电路。不加输入信号而有输出信号的电路，叫做信号发生器。1.振荡条件振荡原理如图9.1.1所示，它由放大电路和反馈电路组成。(维持）自激振荡的条件为：afXFAXafXX1FA12FAnfa幅度平衡条件相位平衡条件振荡频率由相位平衡条件确定，电路仅在一个频率处满足相位条件，此频率为输出信号的频率fo。2.起振和稳幅振荡电路总存在微弱的噪声或干扰信号，它们的频谱很宽，利用选频网络把所需频率的信号挑选出来，经过放大电路和正反馈网络，只要,输出就会逐渐变大1FA起振的幅值条件为1FA稳幅：因AF1，起振后，输出信号幅值逐渐增大，需采取稳幅措施限幅，使输出波形为正弦波。一般可用放大器件的非线性稳幅或专门的稳幅电路实现稳幅.3.分析方法判断电路能否产生正弦振荡的一般方法：1）电路是否具有放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节，这4个基本组成部分。一般选频网络兼作反馈网络，放大器件的非线性自动地起稳幅作用。2）是否满足相位平衡条件。一般用瞬时极性法判断，若是正反馈电路就能振荡，振荡频率由相位条件决定。3）是否满足幅度平衡条件。振荡电路的幅度条件一般容易满足，因此，只要相位条件满足就能振荡。起振条件由AF1决定。正弦波振荡器按选频网络所用元件类型的不同，分为RC振荡器，LC振荡器和石英晶体振荡器。9.2RC正弦波振荡器RC振荡器有RC串并联型，RC移相型和RC双T型等电路，它们的共同特点是反馈网络兼作选频网络，下面介绍常见的RC串、并联型。1.RC串并联网络的选频特性)1(311//)1(1//RCCRjCjRCjRCjRVVFofVRCjFV1,)(31000由图9.2.2所示频率特性可知,当RCff210。为最大值；0,31FVF2．RC振荡电路由RC串、并联网络的选频特性可知，为了满足振荡电路的自激条件，放大器应有AV=3,A=0°，即输出与输入同相，为此应选用同相比例运算电路或两级共射放大电路.振荡电路见图9.2.1。由于Z1、Z2、与R1、Rf正好形成一个四臂电桥，因此又叫做文氏电桥振荡器。3.振荡的建立与稳定由起振条件AF1可知，同相比例电路的参数选取应满足3/11RRAfV为了使输出波形失真小，AV取约大于3。4振荡频率与波形πRCff210无输出；,3/1)11RRAfV输出正弦波；约大于,3/1)21RRAfV输出失真的正弦波；远大于,3/1)31RRAfV5稳幅措施在放大电路的反馈回路里采用非线性元件来自动调整负反馈的强弱以维持输出电压恒定。1）将反馈回路中的Rf用一负温度系数的热敏电阻代替，当输出电压幅值增大时，电路温度增高，Rf将减小，放大电路的增益AV=1+Rf/R1减小，输电压幅值减小，从而稳定输出电压。2）也可将反馈回路中的R1用一正温度系数的热敏电阻代替，同样可从而稳定输出电压。3）利用二极管或场效应管的可变电阻特性来稳幅。kHzHzf20~200例9.2.1图9.2.4所示为一RC桥式正弦波振荡电路，已知A为运放741，其最大输出电压为±14V。（1）图中二极管D1,D2作为自动稳幅元件，试分析其稳幅原理；（2）设电路已产生稳幅正弦波振荡，当输出电压达到正弦波峰值时，二极管正向压降约为0.6V,试估算输出电压的峰值Vom;(3)试定性说明因不慎使R2短路时，输出电压的波形；（4）定性画出R2不慎开路时，输出电压的波形。（并标明振幅）解：（1）稳幅原理vo的幅值较小时，D1,D2截止，放大电路增益33.3/)(1132RRRAV有利于起振；当vo的幅值较大时，D1,D2导通，并联等效电阻减小，AV下降，vo幅值趋于稳定。（2）估算Vom由稳幅振荡时，VVVvFADomoVV6.0,3/13时，及omomVRRRV316.0121VVom35.8重合的直线。与时间轴电路停振，输出为一条，当3,02VAR输出波形如图所示。，当VAR,2并由电路可列出方程解之可得（3）（4）9.3LC正弦波振荡电路LC振荡器可产生1MHz以上频率的正弦波，由于普通运放频带较窄，一般由分立元件放大器组成，常见的有变压器反馈式，电感三点式和电容三点式。LjRCjLjRCjZ1)(19.3.1LC选频放大电路1．LC并联回路的选频特性通常有,所以由上式可知，并联谐振回路具有如下特点：(1)并联谐振频率为(2)谐振时，回路等效阻抗为纯电阻性质，其值最大，即其中Q为品质因数,是用来评价回路损耗大小的指标，其值在几十至几百范围内。LC10LCf210或LR)1(/)1(1CLjRCLCLjRLjCjZCQLQRCLZ000200220))((1)1(1RLjRCLRLjRCLZ(4)频率特性0000,/,2,QRL则上式改写为021jQRCLZ200)2(11QZZ)2(01Qtg2选频放大器图9.3.3为一选频放大电路，该电路仅对回路的并联谐振频率的信号有放大作用，对其它频率的信号均是衰减的。9.3.2变压器反馈式LC振荡电路图9.3.6中，LC并联回路作放大电路中晶体管集电极的负载，起选频作用，变压器副边绕组实现反馈，称为变压器反馈式正弦波振荡器。振荡电路中电容C1，射极旁路电容Ce，通常足够大，视为交流短路，因此LC回路谐振时，呈电阻性，放大电路的输出和输入间相位相反，如果变压器绕组的极性合适（图中同名端用*号表示），反馈网络的相位，则满足振荡的相位平衡条件，180f180A(–-)(+)(+)振荡频率为式中L'为回路的等效电感。通常采用瞬时极性法分析，各处极性见图中标注，可判断电路为正反馈，满足相位平衡条件。起振的幅值条件为，只要变压器变比恰当，一般都可满足。CLfo21FA19.3.3三点式LC弦波振荡器电感三点式振荡器(图9.3.7)，把LC谐振回路中的电感分成L1和L2两个部分，通常为顺接，彼此之间具有互感M，等效电感L=L1+L2+2M由于L有3个端点（1）、（2）、（3）被称为电感三点式.利用瞬时极性法，可判断电路为正反馈，振荡频率为LCfo21电感三点式，用可变电容虽然能在较宽范围内调节振荡频率，但是，由于反馈电压取自电感L1，感抗随频率升高而增加，反馈电压中高次谐波比重增加，使输出波形变坏。为此，用电容三点式振荡电路。2121CCCCCCLfo219.3.4石英晶体正弦波振荡器如果对振荡频率的稳定性要求更高，可采用石英晶体振荡器。石英晶体振荡器是在振荡电路中用石英晶体取代LC元件，构成正弦波振荡器。其频率稳定度可达10-9甚至到10-11。1．石英晶体的特性石英晶体是一种各向异性的结晶体（二氧化硅），按一定的方位角切下薄片，简称晶片（可以是正方形、矩形或圆形等）。在两个对应表面上涂敷银层作电极，加上外壳封装，就是石英晶体产品，如图9.3.9所示。X压电效应:在晶片的两个电极间加电场，晶片就会产生机械变形;在晶片两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上产生电场的现象。压电谐振：晶片两极加上交变电场，晶片就会产生机械振动，此机械振动又会产生交变电场，不过其振幅非常小，但是当外加交变电压的频率为晶片的固有频率时，振幅将急剧增加。固有频率：即谐振频率，和晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，这些可以制作得很精确，因而频率稳定度很高。Co为切片与金属板构成的静电电容，一般为几皮法到几十皮法。L模拟机械振动的惯性，一般为几十毫亨到几百亨。C模拟晶片的弹性，一般只有0.0002~0.1pF。R表示晶片振动时摩擦而造成的损耗，一般为。因为L很大，R、C很小，回路Q值极高，可达104~106。由等效电路可推导出其谐振频率有两个：1)串联谐振频率。此时回路阻抗最小，近似为电阻R。2)并联谐振频率LCfs21000121CCfCCCCLfsp实际给出的固有频率既不是串联也不是并联谐振频率，在两者之间pssfff2．石英晶体振荡电路1）串联型石英振荡器石英晶体接在放大器的反馈网络中起选频作用，可构成正弦波振荡器，串联型石英振荡器。当电路的振荡频率为fS时，石英晶体的电抗最小，呈电阻性，相移为零，满足相位平衡条件，产生振荡，振荡频率为fS。2）并联型石英振荡器石英晶体在此窄小范围内呈感性。当频率在fS和fP之间时，石英晶体可代替电容3点式中的电感，构成正弦波荡器，图9.3.12所示。振荡频率由谐振回路的参数决定。但因为C1、C2CS,所以振荡频率主要取决于石英晶体与CS的谐振频率。9.4非正弦信号产生电路9.4.1比较器电压比较器:用于模拟输入电压与基准电压间进行比较的电路。比较结果在输出端用高电平或低电平表示出来。电压比较器是集成运放的非线性应用。可以由通用型运放处于开环工作状态或加有正反馈构成。输入信号加在运放同相端的称为同相电压比较器；输入信号加在运放反相端的称为反相电压比较器。电压比较器也可采用专用集成芯片。1.单门限电压比较器运算放大器工作在开环状态，基准电压VREF加在运放反相（同相）端，输入信号vI加在运放同相(反相）端。比较器输出只可能有两种电平。高电平VoH，低电平VoL。门限电压Vth：比较器输出电压从一个电平跳到另一电平所对应的输入电压。Vth=VREF过零比较器：Vth=VREF=0时，输入信号电压每次过零，输出都要产生跳变的比较器。例9.4.1电路如图9.4.2a所示,当输入信号vI如图c所示的正弦波时，定性画出图中vo、v’o、vL的波形。解：2.迟滞比较器简单电压比较器是当输入信号达到某一给定基准电平时，立即翻转，用来检测未知电压，具有较高的灵敏度。但是它易受漂移、噪声及干扰的影响，造成误动作。（1）电路组成具有迟滞回环传输特性的比较器。具有两个门限电压：上门限电压和下门限电压。迟滞电压比较器虽然灵敏度低一些，但抗干扰的能力大大提高。电路为正反馈电路。有反相和同相两种。（2）门限电压的估算;,;,oHoPIoLoPINVvvvVvvvvINPvvv输出电压跳变的临界条件这里的vP值就是门限电压Vth,假定运放是理想的，由图9.4.4利用叠加原理有oREFthPvRRRVRRRVv122211oHREFTVRRRVRRRV122211oLREFTVRRRVRRRV122211)(122oLoHTTTVVRRRVVV根据输出电压vo的不同值（VoH或VoL)可求出上门限电压VT+和下门限电压VT-门限宽度或回差电压（3）传输特性电路参数如图9.4.4所示，设VoH=-VoL=5V，则VT+=1.04V,VT-=0.94V,VT=0.1V,传输特性有两条：a)vI由小于VT-增加b)vI由大于VT+减小综合两条传输特性的电路的传输特性。例9.4.2设电路参数如图9.4.6a，输入信号vI的波形如图9.4.6c所示。试画出其传输特性和输出电压vo的波形。解：（1）求门限电压由限幅电路的参数得VVRRRVoHT5122VVRRRVoLT5122VVVoLoH10（2）画传输特性（3）画vo的波形利用电压比较器和RC延时反馈电路可构成矩形波、三角波、锯齿波发生器。因集成运放的温度稳定性优于晶体管，所以运放构成的波形发生器优于分立元件构成的波形发生器。9.