项目三信号发生与处理电路.doc

项目三 信号发生与处理电路模块 波形发生器授课班级××××时间××年×月×日授课班级时 间年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日年 月 日授课章节目的和要求1、了解波形发生电路的类型、应用2、掌握其原理及设计、调试、检测方法重点和难点波形发生电路原理及设计图7.1 波形发生器实物（信号发生器） 7.1波形发生器概述在调试硬件时，常常需要加入一些信号，以观察电路工作是否正常，一般我们通过一种数据信号发生器即波形发生器实现波形发生器也称为振荡器，是一种不需要外加激励信号，而能将直流电源的能量转变为交流能量输出的电路它与放大器的最大本质的区别，在于它的工作不需要外加的信号激励波形发生器在广播、通讯、测量和遥控等技术领域有着广泛的应用除此之外，还应用在电源技术、电声技术等其他工业技术当中7.1.1波形的分类按照波形的形状可以分为正弦波和非正弦波其中，常见的非正弦波有方波、矩形波、锯齿波、三角波、阶跃波、脉冲波和复杂波等具体的波形如图7.2所示按振荡器产生的振荡波形来分，可以分为正弦振荡器和非正弦振荡器两大类不同的波形，应用的领域也不同一般家用电器里面的波形都是正弦波，而计算机和数码产品里应用的是方波，电视信号是复杂波等等。

本课题主要介绍的是正弦波振荡器图7.2 常见波形的种类7.1.2波形发生器的组成波形发生器一般需要起振、选频、稳幅等几个环节因此，波形发生器由以下几个部分组成： （1）放大器：具有放大作用，它将电源的直流电能转换成交流能量2）正反馈网络：它与放大器共同满足振荡条件3）选频网络：选择某一个频率，使之成为单一频率的振荡4）稳幅电路：限制输出波形幅度，到达稳幅目的，改善波形7.1.3 振荡的基本条件我们这章主要介绍的是正弦波振荡器1.自激振荡原理信号发生电路能产生各种波形的输出信号，都是基于自激振荡原理自激振荡原理的方框图如图7.3所示：图7.3 自激振荡器方框图它是由基本放大器A和正反馈网络F组成的闭合正反馈环路 =由于自激振荡是一种没有输入,仍有一定大小输出的电路，因此必须有： 为非零值=A=A(+)=A+AF=+=即：1、自激振荡器是由放大器A和反馈网络F组成的闭合环路，其能形成自激振荡须满足：=1称 AF=1为自激振荡条件由于A、F为复数形式故自激振荡条件又可表示为：| |=1及其中n=0,1,2…上式中第一项|AF|=1为自激振荡的幅度条件，第二项为自激振荡的相位条件。

说明信号在环内经过放大电路的和反馈网络后的相移之和为2nπ即反馈信号必须与放大器的输入信号同相，也就是振荡电路必须引入正反馈相位条件是产生自激振荡的必要条件，幅度条件则是自激产生的充分条件，两者缺一不可相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到以上就是振荡电路工作的两个基本条件，为了获得某个指定频率f0的正弦波，可在放大电路或者反馈电路中，加入具有选频特性的网络，使只有某一个选定频率f0的信号满足振荡条件，而其他频率的信号不满足振荡条件2.振荡器的起振与稳幅当振荡电路接通电源时，随着电路中的电流从零开始突然增大，电路中就产生了电冲击，它包含了从低频到高频的各种频率成分，其中必有一种频率的信号满足振荡器的相位平衡条件，产生正反馈如果此时放大器的放大倍数足够大，满足|AF|》1的条件，则经过电路的不断放大后，输出信号在很短的时间内就由小变大，由弱变强，使电路振荡起来随着电路输出信号的增大，晶体管的工作范围进入了截止区和饱和区，电路的放大倍数A自动的衰减，从而限制了振荡幅度的无限增大最后当|AF|=1时，电路就有了稳定的信号输出从电路的起振到形成稳定的振荡所需要的时间是极短的。

3.振荡器的组成一个反馈放大电路若能同时满足自激振荡的幅度和相位平衡条件，就一定能产生自激振荡，但并不见得一定能产生正弦波自激振荡，即输出信号不一定是正弦波这是因为，若同时有多种频率的正弦波信号都满足自激振荡条件，则反馈放大电路就能够在多种频率下产生振荡它的输出信号就是一个由多种频率的正弦波信号合成的非正弦波信号为了获得单一频率的正弦波振荡，可在反馈放大电路中引入选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率），使反馈放大电路对不同频率的正弦波信号产生不同的相位移和放大倍数，使电路只让某一特定频率的正弦波信号满足自激振荡条件，保证电路输出正弦波信号根据振荡电路对起振、振幅和振荡频率的要求，振荡器由以下几个部分组成：放大电路：具有放大信号的作用，并将电源的直流电能转换成振荡信号的交流能量反馈网络：它是形成反馈、满足振荡器相位平衡的条件选频网络：在正弦波振荡电路中，它的作用是选择某一频率，使之满足振荡条件，形成单一频率的振荡由R、C元件组成的选频网络的振荡电路称为RC振荡电路，用于产生低频信号的场合；由L、C组成的网络的振荡电路称为LC振荡电路，用于产生高频信号的场合由石英晶体组成的选频网络的振荡电路称为石英晶体振荡电路。

4．振荡电路的分析稳幅电路：用与稳定振荡器输出信号的振幅，改善波形对振荡器的分析一般采用以下步骤：（1）检查是否具有基本组成部分；（2）检查放大电路是否具有放大作用；（3）分析是否存在满足相位平衡条件，若无，则判断不能产生正弦波振荡，若有，则继续第四步；（4）分析是否满足幅值平衡条件一般振荡器的幅度平衡条件容易满足，主要是检查电路的相位平衡条件，即判断电路是否有正反馈5．正弦振荡电路的分类为了保证振荡电路产生单一的正弦波，电路中必须包含选频网络，根据选频网络元件的不同，可以将振荡器分为RC振荡器、LC振荡器和石英晶体正弦波振荡器7.2 RC正弦波振荡器7.2.1.电路的组成RC正弦波振荡器电路，如图7.4所示选频网络由RC电路组成的振荡电路称为RC正弦波振荡器RC正弦波振荡电路有桥式振荡电路，双T网络式和移相式振荡电路等类型这里我们选取最常用的文氏电桥振荡电路来介绍如图7-4所示： （a）RC桥式正弦波振荡电路 （b）桥式画法 图7.4 RC正弦波振荡电路在图7.4（a）中的运放和电阻R1、Rf组成同相比例运算放大器，RC串、并联网络构成振荡器的反馈网络和选频网络。

设电阻R1和电容C1相串联的阻抗为Z1，电阻R2和电容C2相并联的阻抗为Z2因该电路的、Rf 、Z1和Z2四个器件组成电桥的四个臂，如图7.4（b），电桥的对角线顶点接到放大电路的两个输入端，所以该电路又称为文氏电桥振荡电路根据RC串、并联电路的谐振频率f0为：，该频率即为振荡器的振荡频率根据反馈放大器的分析方法可知，RC选频网络与同相比例运算放大器组成电压串联反馈电路在谐振时，为了调节方便，通常取R1= R2， C1= C2，RC选频网络谐振条件和电压串联反馈放大器反馈系数的定义式可得：根据反馈极性的判别方法可知，由RC选频网络和同相比例运算放大器所组成的放大电路是正反馈放大器，满足振荡的位相条件可得该电路要产生振荡的条件是运算放大器的电压放大倍数要等于3即由此可得该电路产生振荡要满足的条件是R2=2R17.2.2.振荡的建立和稳幅的措施电路接通电源的瞬间，相当于给振荡电路注入一个阶跃信号，根据频谱分析的理论可知，阶跃信号是由不同频率、不同幅度的正弦波信号叠加而成的在这些信号中含有与RC选频网络谐振频率f0相同的正弦波信号振荡器对该频率信号的放大作用等于3，满足振荡的幅度条件；而对其它频率信号的放大作用小于3，不满足振荡的幅度条件；所以该振荡器将输出频率为f0的正弦波信号。

为了使振荡器接通电源后容易起振，让振荡电路在刚接通电源时的电压放大倍数略大于3，对f0信号进行有效的放大，使f0信号的幅度逐渐增大当f0信号的幅度达到一定值时，应将振荡放大器电压放大倍数的值降到3，使振荡器输出信号的幅度保持稳定，该功能由振荡器的稳幅电路来实施在图7.4(a)所示的电路中，只要将电阻R2改成负温度系数的热敏电阻即可组成稳幅电路，实现自动稳幅的作用该电路稳幅的工作原理是：刚接通电源时，电阻R2的值比2R1的值大，振荡放大器的电压放大倍数略大于3，振荡放大器对f0信号进行有效的放大，使f0信号的幅度逐渐增大随着f0信号幅度的增大，电阻R2的温度上升，阻值下降，振荡放大器的电压放大倍数也随着下降到3，振荡器输出信号幅度将不再增大，保证了振荡器输出信号幅度的稳定在图7.4（a)所示的电路中，若将RC选频网络中的RC改成如图7.5所示的可调节电路，即可构成频率可变的正弦波信号发生器实验室中做实验用的低频信号发生器就是用该电路来实现正弦波振荡，输出正弦波信号图7.5 可调节RC正弦波振荡电路7.2.3. RC串并联网络的频率特性 为了方便分析，我们把图7.6中的反馈网络重画于图7.6(a)中，在信号频率很低时，可等效成图7.6（b）电路。

在低频等效电路中，Z1=-jXc1，Z2=R2低频时，由于Xc1>>R2，所以|Uf|<<|UO|在信号频率很高时，其等效电路如图7.6（c）所示在高频等效电路中，Z1=R1，Z2=-jXc2高频时，由于R1>>Xc2，所以|Uf|<<|UO|a）RC串并联电路 （b）低频等效电路 （c）高频等效电路图7.6 RC串并联网络及低、高频率等效电路在高低频两端，Uf都很小，说明在中间某一频率上会出现Uf最大值，即F=Uf/Uo为最大又由于低频时Uf相位超前Uo，而高频时Uf相位滞后Uo，说明当频率由低到高变化时，Uf的相位由超前变到滞后，必然有一频率fo使Uf与Uo同相，即φ=0°在图7.6（a）中=当 虚部为零时： 从以上分析可知，当f=fo时，F=|Uf/Uo|F为最大值,且相角φf=0，即Uf与Uo同相位正是RC串并联网络的这一特点，可用它来作为选频网络，同时起到正反馈作用其频率特性如图7.7所示图7.7 RC串并联网络的频率特性7.3 LC正弦波振荡器RC正弦波振荡器的选频网络由RC电路组成，该电路通常用来产生频率低于1MHz的低频信号，要产生频率高于1MHz的高频信号，必须用LC正弦波振荡器。

LC正弦波振荡器的选频网络由LC谐振电路组成，反馈信号的耦合方式有变压器反馈式、电感反馈式和电容反馈式三种类型7.3.1 LC并联网络1.LC并联网络的选频特性LC并联网络如图7.8所示，R为回路的等效损耗电阻（阻尼电阻）因为一般选频网络都接在三极管放大电路的输出端，所以用恒流源IS等效三极管的恒流图7.8 LC并联电路由谐振电路原理可知，若忽略电阻R的影响，LC并联网络的频率为：谐振时，电压与电流同相，电路呈纯电阻性2.LC并联网络的频率特性当外加信号的频率f=f0时，LC并联网络发生谐振，此时阻抗最大，输出电压U0也达最大值，并且输出电压U0与输出电流I0同相当外加信号的频率f偏离f0时，LC并联网络的阻抗很快下降，且相位差不为零，频率偏离越大，LC并联网络的阻抗越下，相位差就越大，其幅频特性和相频特性如图7.9所示a）幅频特性 （b）相频特性。