正弦波发生器基本原理

目录8.1正弦波发生器的基本原理8.1.1振荡器的方框图8.1.2振荡条件8.1.3起振和稳定8.2RC桥式正弦波振荡电路8.1.4正弦波振荡电路的分类8.2.1RC串并联选频网络8.2.2RC桥式振荡电路的振荡频率和起振条件8.3LC正弦波振荡电路8.3.1LC并联回路的频率特性8.3.2LC正弦振荡器的基本形式第8章波形产生电路8.4石英晶体振荡器8.4.1石英晶体的基本特性8.4.2石英晶体振荡电路的基本形式8.5非正弦波信号发生器8.5.1矩形波发生器8.5.2三角波发生器8.5.3锯齿波发生器8.5.4555时基电路8.5.5压控振荡器8.5.6集成函数发生器8038目录本章重点:1.正弦波发生器的组成、振荡条件和工作原理2.正弦波发生器的类型3.非正弦波发生器的组成、工作原理和类型4.集成型波形发生器的工作原理和应用第8章波形产生电路本章难点:1.理想运放非线性特性的应用本章重点介绍两类波形产生电路，一类是输出正弦波形的正弦波发生器，另一类是输出非正弦波形的非正弦波发生器。在正弦波发生器电路中，主要介绍发生器的组成、振荡条件和各种类型振荡器；在非正弦波发生器电路中，主要介绍非正弦波发生器的组成和工作原理。第8章波形产生电路8.1正弦波发生器的基本原理正弦波发生器是无需输入信号，能自动输出一定幅度、一定频率正弦信号的电路，从能量的角度来看，它是把直流能量转变为交流能量的电路。它在通信、无线电等诸多领域得到广泛应用。oUiSUUoU8.1.1振荡器的方框图放大器反馈12SUUUUisfo....正弦波振荡器结构框图从结构上分析，正弦波振荡器是由正反馈网络和放大器组成的，其结构框图如图所示。为正弦交流电压源，当开关S处在位置1时，正弦信号作为放大器的输入信号，经放大器放大后产生输出信号。作为反馈网络的输入信号，在反馈网络输出端产生一个反馈信号此时，假设开关S拨向位置2，如果即大小相等，极性相同，那么该电路就能维持稳定的输出电压sUiSUUoUoUoUfUfiUU８.１.２振荡条件fidXXX-只有正反馈电路才能产生自激振荡。+Xi–f基本放大器A反馈网络FX+doXX改成正反馈+如果：,dfXX则去掉,iX仍有信号输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号。Xi+f基本放大器A反馈网络FX+doXXXdof基本放大器A反馈网络FXXfidXXX+FA=1Xd=Xf所以，自激振荡条件也可以写成：自激振荡的条件：（1）振幅条件：1||AF（2）相位条件：pjjnFA2+n是整数1..FAAAAj||因为：FFFj||..Xdof基本放大器A反馈网络FXX8.1.3起振条件和稳幅原理起振条件：结果：产生增幅振荡1||FA（略大于）1、被动：器件非线性2、主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益稳幅过程：起振时，1||FA稳定振荡时，1||FA稳幅措施：起振过程Xdof基本放大器A反馈网络FXX1.放大电路2.正反馈网络3.选频网络——只对一个频率满足振荡条件，从而获得单一频率的正弦波输出。常用的选频网络有RC选频和LC选频4.稳幅环节——使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小。正弦波振荡器的一般组成8.1.4正弦波振荡电路的分类根据选频网络元件的不同，正弦波振荡器可分为RC振荡器、LC振荡器、石英晶体振荡器三种。RC振荡器一般输出数百千赫以下的低频信号，LC振荡器主要输出数百千赫的高频信号，石英晶体振荡器主要产生高稳定度高频率信号。8.2RC桥式正弦波振荡电路RC桥式正弦波振荡电路原理如图8-2所示，图中集成运放A作为放大器，RC串并联网络组成选频网络，同时也作为振荡器的正反馈网络，R1、Rf组成电压负反馈以起到稳定和改善输出波形的作用。从图中可以看出，RC串联支路，RC并联支路，R1支路，Rf支路，刚好构成一个文氏电桥的四个臂，如图8-3所示，因此把该振荡器称为RC桥式正弦波振荡器。R1R2R3C1C2RF＋－－－＋＋UfUidUoA...RC桥式正弦波振荡电路＋＋－－UUidod..文氏电桥8.2.1RC串并联选频网络在RC桥式正弦波振荡电路中，RC串并联电路既作为选频网络，又作为正反馈网络，该电路的频率特性十分重要。如图8-4所示，设电路输入电压为，输出电压为，则反馈系数1U2U21UFU22211//1jj1111//3+jjjjjRRUCCFURRRRCRCCRCCC+++++(8-8)令01RC(8-9)8.2.1RC串并联选频网络则0013jF+-(8-10)根据上式得到反馈系数的幅频特性和相频特性分别为220013+-F(8-11)00Farctan3j--(8-12)R1R2C1C2..UU12＋＋－－图8-4RC串并联电路幅频特性曲线和相频特性曲线0|F|F0j当时,反馈系数的幅值最大等于1/3，相位移0|F|F0j当时，明显减小而且因此RC串并联网络有很好的选频作用。φFo+90°o|F|1/38.2.2RC桥式振荡电路的振荡频率和起振条件振荡频率为012πfRC01RC振荡角频率只有时，RC振荡器才能自激振荡08.3LC正弦波振荡器8.3.1LC并联回路的频率特性RCLZ0(阻性)LC并联谐振特点：谐振时，总路电流很小，支路电流很大，电感与电容的无功功率互相补偿，电路呈阻性。R为电感和回路中的损耗电阻LC10当时，并联谐振。谐振时，电路呈阻性：-+LCRiCiLiuQ为谐振回路的品质因数，Q值越大，曲线越陡越窄，选频特性越好。CLQCQLQRCLZ000谐振时LC并联谐振电路相当一个大电阻。LC并联谐振回路的幅频特性曲线o|Z|Q小Q大1234初级线圈次级线圈同名端1234+–+–在LC振荡器中，反馈信号通过互感线圈引出-+uiLCfu同名端：互感线圈的极性判别8.3.2LC正弦波振荡器的基本形式１．变压器反馈式振荡电路工作原理：三极管共射放大器。利用互感线圈的同名端：180Aj180Fj360+AAjj满足相位条件。振荡频率:LCfp210+－－ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU判断是否是满足相位条件——相位平衡法：+－－ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU断开反馈到放大器的输入端点，假设在输入端加入一正极性的信号，用瞬时极性法判定反馈信号的极性。若反馈信号与输入信号同相，则满足相位条件；否则不满足。(+)(-)(+)(+)(+)(+)(+)LC正弦波振荡器举例满足相位平衡条件Vb221eLCeccCbb1RRRLC（+）（+）（–）（+）LC正弦波振荡器举例振荡频率:（–）LCfp210满足相位平衡条件VRReb1ccLCCeC2RcC1Rb2仍然由LC并联谐振电路构成选频网络２.三点式LC振荡电路原理：uf与uo反相uuCLL12fouuo1LC2Lfuf与uo同相电感三点式：电容三点式：uuf2o1CCLuf与uo反相uuLCoC12fuf与uo同相振荡频率：CMLLLCf)2(2121210++ppVRccCbcRb1Rb2eLe2CRC1L（+）（+）（-）VCbRLb2b1ccL1eR2CeCR（+）（+）（+）（1）电感三点式LC振荡电路（2）电容三点式LC振荡电路振荡频率：212102121CCCCLLCf+ppV2eRRRb1CCcceb2c1RbCCL（+）（+）（-）VRRReb21eCcc2CLbb1CC（+）（+）（+）例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。V21CCL+－A∞+RRuo1Rf（+）（+）（-）8.4石英晶体振荡电路Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。频率稳定问题频率稳定度一般由来衡量0ff——频率偏移量。f0f——振荡频率。LC振荡电路Q——数百石英晶体振荡电路Q——100005000008.4.1石英晶体的基特性2.压电效应1.结构：极板间加电场极板间加机械力晶体机械变形晶体产生电场压电效应：交变电压机械振动交变电压机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高。当交变电压频率=固有频率时，振幅最大VV晶片敷银层符号VV压电谐振3.等效电路等效电路：LCfp21s（1）串联谐振４．电抗频率特性：晶体等效纯阻且阻值≈00p121CCLCf+p（2）并联谐振通常0CC0s1CCf+所以很接近与psffuu石英晶体uuLCCoRfX感性0fsfp容性8.4.2石英晶体振荡电路利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。1.并联型石英晶体振荡器石英晶体工作在fs与fp之间，相当一个大电感，与C1、C2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，所以电路可以获得很高的振荡频率稳定性。+－A∞+CC12Cs石英晶体fX感性0fsfp容性+－A∞+CC12LCs2.串联型石英晶体振荡器石英晶体工作在fs处，呈电阻性，而且阻抗最小，正反馈最强，相移为零,满足振荡的相位平衡条件。对于fs以外的频率，石英晶体阻抗增大,且相移不为零，不满足振荡条件，电路不振荡。U+VRRRRebbe122C(+)(+)石英晶体.oCC1(+)RRb1c(+)fX感性0fsfp容性例：分析下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振荡,石英晶体处于何种状态？VbecRccReb1Rb2CCRCC石英晶体128.5.1方波发生器1.电路结构由滞回比较电路和RC定时电路构成ZURRRUf11T++ZURRRUf11T+--上下限:u+－A∞+-u+u1RfRZRZDORCuC8.5非正弦波信号发生器2.工作原理：(1)设uo=+UZ,此时，uO给C充电,uc，则：u+=UT+0tuo+UZ-UZucUT+0t在ucUT+时，u-u+,设uC初始值uC(0+)=0方波发生器uo保持+UZ不变+UZu+－A∞+-u+u1RfRZRZDORCuC一旦ucUT+,就有u-u+,uo立即由＋UZ变成－UZ。此时，C向uO放电,再反向充电(2)当uo=-UZ时，u+=UT-uc达到UT-时，uo上跳。UT+uctUT-当uo重新回到＋UZ后，电路又进入另一个周期性的变化。-UZu+－A∞+-u+u1RfRZRZDORCuC0UT+uctUT-+UZuo0t-UZT完整的波形：动画演示计算振荡周期T。u+－A∞+-u+u1RfRZRZDORCuC周期与频率的计算：0UT+uctUT-+UZ-UZT1T2TT=T1+T2=2T2uc(t)=UC()+UC(0+)-UC()e,=RC-tT2阶段uc(t)的过渡过程方程为:)21ln(2f1RRRCT+f=1/T可推出:u+－A∞+-u+u1RfRZRZDORCuC3、占空比可调的方波发生器UZuo0t-UZ改变电位器RW的滑动端，就改变了冲放电的时间，从而使方波的占空比可调。u+－A∞+-u+u1RfRZRZD1D2DORWRCuC电路结构：迟滞比较器+反相积分器8.5.2三角波发生器u+R+A1+－RZ-2ZDu∞4Ro2－+∞+R1R35RCuuo1A2工作原理：若uo1=+UZ，uo2↓，u+↓。)(0dt12o01o42o++-uuCRut2o2121o211uRRRuRRRu++++当u+≤0时，uo1翻转为-UZ。若uo1=-UZ，uo2↑，u+↑。当u+≥0时，uo1翻转为+UZ。波形图振荡周期：0UT+uo2tUT-+UZuo10t-UZTuR-+Z+uRR∞+12A1u－4R+CA2RZ∞D5+uo1－o2ZTURRU21+ZTURRU21--2414RCRRT8.5.3锯齿波发生器改变积分器的正反向充电时间常数uZo1Ro23Zu+RR5+D－u4uRA1-R+1A2+2C－+∞R∞D6Ruo1=+UZ，D截止，充电时间常数：R4C。uo1=-UZ，D导通，充电时间常