第三节 信号发生器.doc

第三章：信号发生器

第一节、噪声理论、无源选频电路的频率特性
一、噪声理论

二、无源选频电路的频率特性
1、文氏电桥的频率特性
第一节、噪声理论、无源选频电路的频率特性
一、噪声理论

二、无源选频电路的频率特性
1、文氏电桥的频率特性
如图所示：

fo=1/2πRC

给文氏电桥输入一个交流信号，交流信号的频率从O赫兹变化到200赫兹。文氏电桥的输出端，就会得到一个幅度和相位随着频率变化而变化的输出信号。
　　当输入信号频率等于F0的时候，输出电压的幅度会等于输入电压幅度的三分之一Ui=UL*1/3，输出电压的相位和与输入电压的相位相同。
　　当输入信号频率小于F0的时候，输出电压的幅度会小于输入电压幅度的三分之一，输出电压的相位会超前与输入电压的相位。
　　当输入信号频率大于F0的时候，输出电压的幅度也会小于输入电压幅度的三分之一，输出电压的相位会滞后于输入电压的相位。

　　可见，只有当输入信号频率等于F0的时候，文氏电桥的输出端才能获得最大的输出电压；输出端的信号才能获得与输入信号最一致的相位。

2、LC谐振回路的频率特性
3、晶体振荡器的频率特性

2、LC谐振回路的频率特性
3、晶体振荡器的频率特性

第二节、 振荡电路的定性分析
一、由分立元件组成的文氏电桥振荡器
如图所示：

1、噪声理论
需要抄袭

2、动态分析
信号从差动放大器的端b输入，经放大后从输出端c能够得到一个与输入信号相位相同的、被放大了的电压输出，电压放大倍数被设计为略大于三倍。
根据该电路的特性，放大器的输入端能够通过文氏电桥从输出端得到正反馈。
在正反馈的频谱中，F=fo的信号能够在输入端得到最大的正反馈电压Ui=UL/3；和与输出端正反馈过来的信号最一致的相位。
而输出端不等于fo的其他输入信号，到达放大器输入端的幅度都会小于UL/3，相位与输出端反馈过来的信号都不完全一致。
由此可见，F=fo的信号能够获得最大的正反馈而使电路振荡起来。
在震荡过程中，F=fo的信号始终具有最佳的震荡条件，而其它所有的信号频率，振荡条件都会劣于F=fo的频率。所以电路只会维持F=fo的振荡频率。
根据差动放大器的性能特点，差动放大器输入电压幅度越大，放大倍数会越小。当电路开始小幅度震荡的时候，电路的电压放大倍数略大于３，振荡信号幅度就会逐渐增大。随着震荡幅度的不断加大，电路的电压放大倍数不断减小。当放大器放大倍数达到Av=3的时候，电压放大倍数与文氏电桥的衰减倍数相等，震荡幅度就不会继续加大，而维持一个幅度稳定的状态。
改变文氏电桥元件的参数，就能改变fo。所以振荡器通常用双联电阻或者双联电容来调整信号发生器的输出频率。

二、由运算放大器组成文氏电桥振荡器
如图所示：

三、由分立元件组成的LC谐振回路振荡器
四、由运算放大器组成的LC谐振电路振荡器
五、由分立元件组成的晶体振荡器
六、由运算放大器组成的晶体振荡器

三、由分立元件组成的LC谐振回路振荡器
四、由运算放大器组成的LC谐振电路振荡器
五、由分立元件组成的晶体振荡器
六、由运算放大器组成的晶体振荡器

七、由运算放大器组成的标准三角波信号发生器
1、简易波形发生器电路结构
如图所示：
a、当电路接通电源以后，电路的正反馈特性使输出端的电压不能维持在等于零的状态，而只能以运算放大器的极限运行速度翻转到电源电压的正极或者负极。此时同相输入端的电压也随之变化到UL+=E1*R3/(R2+R3)=3V的位置。

b、输出端的正电压通过R1向电容充电，电容C1B端的电压从零开始上升。当电容两端的电压上升到超过+3V的时候，运算放大器输出端的电压；因反向输入端的电压高于同相输入端的电压而下降，正反馈回路又使输出端的电压以运算放大器的极限速度翻转到电源电压的负极。
此时同相输入端的电压也随之变化到UL+=E2*R3/(R2+R3)=-3V的位置。

c、输出端的负电压又通过R1给电容放电，电容C1B端的电压从+3V开始下降。当电容两端的电压下降到低于-3V的时候，运算放大器输出端的电压；因反向输入端的电压低于同相输入端的电压而开始上升，正反馈回路又使输出端的电压以运算放大器的极限速度翻转到电源电压的正极。
此时同相输入端的电压也随之变化到UL+=E1*R3/(R2+R3)=3V的位置。新的震荡循环又重新开始。

简易波形发生器运算放大器的输出端输出一个方波。由于通过R给电容C充电的电流不是恒定值，运算放大器的反相输入端输出一个不规则同步的三角波。

2、标准三角波发生器电路结构
简易波形发生器输出端三角波之所以不规则，是因为被电容充电的电流不是一个恒定值。
　　一方面：
给电容充电的电流来自于电阻两端的电压在电阻上产生的电流。而电阻两端的电压UR1=E1-Uc1。而Uc1随着时间的推移而增加，UR1也就随着时间的推移而减小，Uc的上升速率也就随着时间的推移而逐步减小。所以，电容两端电压的变化与时间变化不是线性的关系。
二方面：
运算放大器输出端的电压分别翻转到电源电压的正极或负极以后，并不是完全到达电源正极或负极；而是有一定的差值，并且这两个差值是不一样的。这种不一样又导致R1上的电压差不一样，流过R1的电流当然也就不一样；从而造成电容电压向正极和向负极变化的整体速率不一样。
如果设法给电容一个恒定的充电电流，电容两端的电压就会随时间发生线性的变化，就可以获得标准的三角波。
解决这个问题的具体方案
如图所示：

电路运行的原理：
a、当电源接通后，运算放大器B的正反馈结构使其输出端的电压不能维持在等于零的状态，而只能以运算放大器的极限运行速度翻转到等于电源的正电压或负电压。假设此时翻转到了电源的正电压。
此时稳压二极管和整流桥所组成的回路给R2提供了一个设定的电压Uz=Ur，同相输入端的电压也随之变化到UL+=Uz*R3/(R2+R3)=3V的位置。
积分运算放大器A输出端的电压也因反向输入端电压的升高而下降。运算放大器输出端电压的下降会给积分电容提供一个反向充电电流，当这个电流Ic=E1/R1的时候，能使反相输入端的电压等于同相输入端的电压（这个电流如果大于E1/R1，就会使反向输入端的电压低于同相输入端的电压，输出电压就会向正极变化。如果这个电流小于E1/R1，反向输入端的电压就会高于同相输入端的电压，输出电压就会更严重的向负极变化。所以这个电流只能等于E1/R1）；积分运算放大器处于正常的闭环放大状态。
此时R1两端的电压差是固定的（因为Ur是固定的，积分放大器反相输入端的电压=O，也是固定的），所以流过R1的电流是固定的、给电容反向充电的电流是固定的；电容L端电压的变化速率也是固定的。
电容L端的电压随着时间的推移逐渐向负极变化，正反馈运算放大器同相输入端的电压也因此而降低。当电容L端的电压降低到超过-3V的时候，正反馈运算放大器同相输入端的电压开始低于反相输入端的电压，输出端的电压因此而下降。正反馈的电路结构使输出端电压以自己的极限速度向电源的负极翻转。

b、此时流过R1的电流也因电压极性也发生了反转而翻转，C1充放电流的方向发生翻转，积分运算放大器输出端电压的变化方向也随之发生翻转。电压变化的速率由IR12=Ur/R1决定。
C1L端的电压随着时间的推移而向正极变化，正反馈运算放大器同相输入端的电压也随之向正极变化。当 C1L端的电压变化到超过+3V的时候，正反馈放大器同相输入端的电压开始高于反相输入端的电压，输出端的电压因此而上升。正反馈的电路结构使输出端电压以自己的极限速度向电源的正极翻转。
c、新的一轮震荡又重新开始。
正反馈放大器的输出端输出一个方波，积分运算放大器的输出端输出一个标准的三角波。
3、三角波转正弦波电路结构
如图所示：

a、当三角波向正极方向变化的时候，Z1的导通电流逐步减小、Z2的导通电流逐步增大，Uza的上升速率按照二极管折线的规律逐步减小。
Uza上升到一定程度，Z1完全截止，Uza不再上升。
b、当三角波向O方向变化的时候，Z1从截止开始导通，Uza向上升阶段对称的逆方向变化。
c、当三角波向负极方向变化的时候，Z3的导通电流逐步减小、Z4的导通电流逐步增大，Uza的下降到速率按照二极管折线的规律逐步减小。
Uza下降到一定程度，Z3完全截止，Uza不再下降。
b、当三角波回头向O方向变化的时候，Z3从截止开始导通，Uza向下降阶段对称的逆方向变化。

一个三角波此时而变成了一个近似的正弦波。

第三节、振荡电路的定量分析、结构设计、参数计算
一、设计诊断器需要考虑的问题
1、震荡频率的选择
2、频率覆盖范围的选择
3、电路结构的选择
4、稳定频率的措施
a、温度问题
b、谐振回路元件选择问题
c、有源器件元件选择问题
d、耦合系数问题
电路阻抗对选频回路参数的影响
振荡回路的影响
输出回路的影响
　　 解决问题的方法
5、稳定频率的措施
6、稳定振荡幅度的所示
a、热敏电阻
b、二极管导通限幅
c、差动限幅
d、截止限幅
e、压控电阻限幅

一、设计诊断器需要考虑的问题
1、震荡频率的选择
2、频率覆盖范围的选择
3、电路结构的选择
4、稳定频率的措施
a、温度问题
b、谐振回路元件选择问题
c、有源器件元件选择问题
d、耦合系数问题
电路阻抗对选频回路参数的影响
振荡回路的影响
输出回路的影响
　　 解决问题的方法
5、稳定频率的措施
6、稳定振荡幅度的所示
a、热敏电阻
b、二极管导通限幅
c、差动限幅
d、截止限幅
e、压控电阻限幅