西安交大模电幻灯片第8章信号发生器

1、8 信号发生器,发生器按产生的波形特点可分为,8.1.1 正弦波自激振荡的基本原理,8.1 正弦波信号发生器,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时满足相位平衡的条件。,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，最后停振荡。,若 ，电路增幅振荡。,b. 幅度平衡条件,AF=1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,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,8.1.2 RC型正弦波信号发生器,2RC

2、串并联网络的选频特性,图中,Z1,Z2,反馈系数,Z1,Z2,令,幅频特性,当0时，F0,当时,F0,当=0时,F=Fmax=1/3,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,3工作原理,（1）当f= 时,（3）振荡频率,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。,8.1.3 LC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型,1LC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,

3、(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AF1,满足起振条件。,(3) 振荡频率,L,L,(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,(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,T,L1,L2,C,相量图,T,L1,L2,C,(2) 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. 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。,b. 容易起振。,c. 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,交流通路,简化的交流通路,b. 断开反馈回路

4、,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,Uf,T,L,(3) 谐振频率,(4) 电路特点,a. 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。,b. 容易起振。,c. 输出波形中高次谐波少，波形好。,d. 改变电容C2时，容易停振。,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,（1） 各向异性,（2） 具有压电效应,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。,8.1.4 晶体振荡器,压电效应：,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,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 两金属电极间构成的静电电容,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104106,c. 频率稳定度（f /f0）很

5、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： 10-910-11,当忽略R时，电抗,串联谐振频率,当ffs时，X0,电路呈容性,当ffs时，X0, 电路呈感性,电路发生串联谐振,并联谐振频率,b. 当j (C0+C2LCC0 ) = 0时,电路发生并联谐振,由于CC0,故,电抗频率特性,a. 当 fsffp 时，电路呈感性。,b.当 ffp 时，电路呈容性。,可见:,电抗频率特性,2石英晶体振荡电路,（1）并联型晶体振荡器,并 联,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）串联型晶体振荡器,谐振频率,思 考 题,1. 如果在正弦波发生器中，没有选频网络或稳幅环节，那么电路将会出现什么情况？,2. 电容三点式和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 非正弦信号发生器,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。,非正弦信号发生器的主要组成：,（1）具有开关特性的器件（如电压比较器、BJT等）,（2）反馈网络,（3）延时环节,主

6、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。,主要作用：实现延时，以获得所需要的振荡频率。,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,设t=0 时,uC(0+)=0,uO=+Uz,则,=+FUz,uC按指数规律上升,a. 当t0时,电容C充电,ic,uO、uC波形图,uO=+Uz,b. 当uCFUZ 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,2. 主要参数计算,如果选定时间起点为t2，那么,电容两端电压的变化规律,由此得电路的振荡周期,当 t=T/2 时,即,振荡频率：,思 考 题,1.对上图电路如何改进，可获得矩形波信号？,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，便可获得矩形波信号

7、。,改进电路,2、在上图示电路中，如果电阻R+ R，输出波形具有什么特点？,答：如果电阻R+ R，那么，电容C的充电时间将大于放电时间，输出波形的占空比增大。,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,得,波形图,t,(3) 当 uB0时,电容 器放电,输出电压,uO随时间线性上升,波形图,uO,令,(4) 当 uB0时,uO输出三角波,uO1输出方波,t,uO , uO1,0,uO1,uO,UZ,-UZ,(1） 输出电压幅值,2. 主要指标,(a) 三角波幅值,(b) 方波幅值,t,uO , uO1,0,uO1,uO,UZ,-UZ,（2） 振荡频率,而,故电路的振荡周期,振荡频率,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的波形有何特点？,(a),(b),答：三角波两边斜率不同，即三角波变成为锯齿波。,替代R,2、在上图示电路中，如果电阻R+ R，画出输出信号的波形。,8.2.3 压控振荡器,原理图,uO=+UZ时

8、，开关S接通+U,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 uB0 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输出方波,uO,uO1输出三角波,C,+,uC,(2) 振荡波形图,(3) 振荡频率,而,由波形图知,故,由,得,f0U，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、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的波形图。,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 在图所示矩形波发生电路

9、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。,uO,C,A,+,R4,R5,100kW,+15V,100kW,0.01mF,100kW,100kW,100kW,R1,R3,R2,+,uC,UR,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。,对于运放同相端，由KCL得,（c）如果UcmaxU+mim，电路不能产生方波。,UCmax=UOmax/2=6V,UCmim=UOmim/2=0V,由图可知,即当UR3U+max-UOmax=6V,或 UR3U+mim-UOmim=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0UI6V，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，它们的其他性能理想

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