《信号产生电路》PPT课件.ppt
信号产生电路,(振荡器Oscillators),分类：,正弦波振荡,非正弦波振荡：,RC 振荡器(1 kHz 数百 kHz),LC 振荡器(几百 kHz 以上),石英晶体振荡器(频率稳定度高),方波、,三角波、,锯齿波等,主要性要求能：,输出信号的幅度准确稳定,输出信号的频率准确稳定,引言,6.1.1 正弦波振荡电路的基本概念,一、振荡条件,微弱的电扰动中，某一频率成分通过正反馈逐渐放大，则产生正弦振荡。,振幅平衡条件,相位平衡条件,n=0,1,2,振荡条件,二、起振条件,起振条件,1/Fu,Au=1/Fu,O,ui,uo,Au,uo,Au Fu 1,Au Fu 1,Ui1,Uo1,Uf1,Ui2,Uo2,Uf2,Ui3,Uo3,Uf2,Ui4,Uo4,uf,起振,稳幅,三、振荡电路的组成,1.放大电路 Au,2.正反馈网络 Fu,3.选频率网络 实现单一频率的振荡,4.稳幅环节 使振荡稳定、波形好,满足振荡条件,四、振荡电路的分析方法,1.检查电路组成,2.“Q”是否合适,3.用瞬时极性法判断是否满足起振条件,6.1.2 RC 正弦波振荡电路,一、RC 串并联网络的频率特性,令:0=1/RC,f0=1/2RC,当 f=f0 时：,6.1.2 RC 正弦波振荡电路,一、RC 串并联网络的频率特性,f=0,当 f f0时：,f+90,当 f f0时：,f 90,二、RC 串并联式振荡电路,A=2n,F=0,2.振荡频率,3.振荡条件,Rf 不能太大，否则正弦波将变成方波,应使：,同相放大器,1.电路组成,RC 串并联式振荡电路,4.稳幅措施,(1)热敏电阻稳幅,为使 Au 为非线性，起振时，应使 Au 3，稳幅后 Au=3。,正温度系数,负温度系数,(2)二极管稳幅,正负半周总有一只二极管导通。起振时信号小，二极管正向电阻 rd大，Auf大易起振；电压幅值增加，电流增大，rd减小，Auf下降，自动稳幅。,4.并联谐振的本质,电流谐振,1)Z=Z0,呈纯阻,2)形成环流，大小是总电流的 Q 倍,2.电感三点式 振荡电路,优点：易起振(L 间耦合紧)；易调节(C 可调)。,缺点：输出取自电感，对高次谐波阻抗大，输出波形差。,3.电容三点式振荡电路,考毕兹振荡器(Colpitts),优点：波形较好,缺点：,2)T 极间电容影响 f0,1)调频时易停振,克拉泼振荡器(Clapp),C0,改进,Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。,6.1.4 石英晶体振荡电路,1.频率稳定问题,频率稳定度一般由 来衡量,频率偏移量。,振荡频率。,LC振荡电路 Q 数百,石英晶体振荡电路 Q 10000 500000,一.石英晶体,2.基本特性,1.结构：,极板间加电场,极板间加机械力,压电效应,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,压电谐振,3.石英晶体的等效电路与频率特性,等效电路：,（1）串联谐振,频率特性：,晶体等效阻抗为纯阻性,（2）并联谐振,通常,所以,实际使用时外接一小电容Cs,则新的谐振频率为,由于,由此看出,调整,二.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，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。,2.并联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs处，呈电阻性，且阻抗最小，正反馈最强。该电路为电感三点式振荡器。加入石英晶体是利用石英晶体的高Q值，提高振荡频率的稳定性。,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？,(a),(b),6.2 电压比较器,将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一定的高低电平。,功能：,特性：,运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。,1.运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。,运放工作在非线性状态基本分析方法,2.运放工作在非线性状态的分析方法：若U+U-则UO=+UOM；若U+U-则UO=-UOM。虚断（运放输入端电流=0）注意：此时不能用虚短！,1.过零比较器:（门限电平=0）,一.单门限电压比较器,例题：利用电压比较器将正弦波变为方波。,2.单门限比较器（与参考电压比较）,UREF,UREF为参考电压,当ui UREF时,uo=+Uom当ui UREF时,uo=-Uom,运放处于开环状态,UREF,当ui UREF时,uo=-Uom,若ui从反相端输入,用稳压管稳定输出电压,忽略了UD,3.限幅电路使输出电压稳定,稳幅电路的另一种形式：将双向稳压管接在负反馈回路上,R=R,二.迟滞比较器,1.迟滞比较器,特点:电路中使用正反馈。,1、因为有正反馈，所以输出饱和。,2、当uo正饱和时(uo=+UOM)：,3、当uo负饱和时(uo=-UOM)：,迟滞比较器,设ui,当ui=UT-,uo从-UOM+UOM,这时,uo=-UOM,U+=UT-,设初始值:uo=+UOM,U+=UT+设ui,当ui=UT+,uo从+UOM-UOM,传输特性,UT+上门限电压UT-下门限电压UT+-UT-称为回差,例:设输入为正弦波,画出输出的波形。,加上参考电压后的迟滞比较器：,上下限：,例题：R1=10k，R2=10k，UZ=6V，UR=10V。当输入ui为如图所示的波形时，画 出输出uo的波形。,上下限：,6.2.4 窗口比较器,窗口比较器的电路如图14.04所示。电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成。,设R1=R2，则有：,图14.04 窗口比较器,窗口比较器的电压传 输特性如下页 图 14.05所示。,当vIVH时，vO1为高电平，D3导通；vO2为低电平,D4截止，vO=vO1。,当vI VL时，vO2为高电平，D4导通；vO1为低电平，D3截止，vO=vO2。,当VH vI VL时，vO1为低电平，vO2为低电平，D3、D4截止，vO为 低电平。,图14.05 窗口比较器的传输特性,信号的电位水平高于某规定值VH的情况，相当比较电路正饱和输出。,信号的电位水平低于某规定值VL的情况，相当比较电路负饱和输出。,该比较器有两个阈值，传输特性曲线呈窗口状，故称为窗口比较器。,6.2.4 比较器的应用,比较器主要用来对输入波形进行整形，可以将不规则的输入波形整形为方波输出,其原理图如图14.06所示。,(a)正弦波变换为矩形波(b)有干扰正弦波变换为方波 图14.06 用比较器实现波形变换,6.3.1 方波发生电路6.3.2 三角波发生电路6.3.3 锯齿波发生电路,6.3 非正弦波发生电路,1.电路结构,由滞回比较电路和RC定时电路构成的,上下限:,6.3.1矩形波发生电路,2.工作原理：,(1)设 uo=+UOM,此时，输出给C 充电,uc,则：u+=UT+,一旦 uc UT+,就有 u-u+,在 uc UT+时，,u-u+,uo 立即由UOM 变成UOM,设uC初始值uC(0+)=0,方波发生器,uo保持+UOM不变,此时，C 经输出端放电,再反向充电,(2)当uo=-UOM 时，,u+=UT-,uc达到UT-时，uo上翻,当uo 重新回到UOM 以后，电路又进入另一个周期性的变化。动态演示,周期与频率的计算：,f=1/T,此期间是分析问题时的假设,实际上用示波器观察波形时看不到这段波形.,周期与频率的计算：,T=T1+T2=2 T2，因正反向充电条件一样T1=T2。,T2阶段uc(t)的过渡过程方程为:,UC()=+UOM,周期与频率的计算：,(2)占空比可调的矩形波电路,显然为了改变输出方波的占空比，应改变电容器C的充电和放电时间常数。占空比可调的矩形波电路见图14.09。,C充电时，充电电流经电位器的上半部、二极管D1、Rf；C放电时，放电电流经Rf、二极管D2、电位器的下半部。,图14.09 占空比可调方波发生电路,占空比为：,图14.08 方波发生器波形图,6.3.2 三角波发生器,三角波发生器的电路如图8.20所示。它是由滞回比较器和积分器闭环组合而成的。积分器的输出反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的。,1.当vO1=+VZ时,则电容C 充电,同时vO按线性逐 渐下降，当使A1的VP 略低于VN 时，vO1 从+VZ跳变为-VZ。波形 图参阅图8.21。,图6.20 三角波发生器,2.在vO1=-VZ后，电容C开 始放电，vO按线性上升，当使A1的VP略大于零时，vO1从-VZ跳变为+VZ，如此周而复始，产生振 荡。vO的上升时间和下降 时间相等，斜率绝对值 也相等，故vO为三角波。,图6.21 三角波发生器的波形,6.3.3 锯齿波发生器,锯齿波发生器的电路如图8.22所示。显然，为了获得锯齿波，应改变积分器的充放电时间常数。图中的二极管D和R将,使充电时间常数减为(RR)C，而放电时间常数仍为RC。,图6.22 锯齿波发生器电路图,锯齿波电路的输出波形图如图6.23所示。,图8.23 锯齿波发生器的波形,锯齿波周期可以根据时间常数和锯齿波的幅值求得。锯齿波的幅值为：,vo1m=|Vz|=vomR2/R1,vom=|Vz|R1/R2,于是有,
