正弦波发生器基本原理.ppt

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8.2 RC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8.3 LC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。8.1.1振荡器的方框图 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.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：（2）相位条件：pjjnFA2=+n是整数因为：.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（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，稳定振荡时，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。8.2 RC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。RC桥式正弦波振荡电路 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 (8-8)令(8-9)8.2.1RC串并联选频网络则(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(8-11)(8-12)图8-4 RC串并联电路 幅频特性曲线和相频特性曲线当 时,反馈系数的幅值 最大等于1/3，相位移 当 时，明显减小而且 因此RC串并联网络有很好的选频作用。F+90|F|8.2.2RC桥式振荡电路的振荡频率和起振条件 振荡频率为振荡角频率 只有 时，RC振荡器才能自激振荡 8.3 LC正弦波振荡器正弦波振荡器8.3.1 LC并联回路的频率特性(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当 时，并联谐振。谐振时，电路呈阻性：Q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。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|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：满足相位条件。振荡频率:判断是否是满足相位条件相位平衡法：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（+）（+）（）（+）LC正弦波振荡器举例振荡频率:（）满足相位平衡条件仍然由LC并联谐振电路构成选频网络.三点式LC振荡电路原理：uf与uo反相uf与uo同相电感三点式：电容三点式：uf与uo反相uf与uo同相振荡频率：（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：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。8.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路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 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 符号压电谐振3.等效电路等效电路：（1）串联谐振电抗频率特性：晶体等效纯阻且阻值0（2）并联谐振通常所以X感性0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。X感性0容性2.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X感性0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？8.5.1 方波发生器方波发生器1.电路结构由滞回比较电路和RC定时电路构成上下限:8.5 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 uc UT+时，u-UT+,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。-UZ0UT+uctUT-+UZuo0t UZT完整的波形：动画演示计算振荡周期T。周期与频率的计算：0 UT+uct UT-+UZ -UZT1T2TT=T1+T2=2 T2 uc(t)=UC()+UC(0+)-UC()e ,=RC-tT2阶段uc(t)的过渡过程方程为:f =1/T可推出:3、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。电路结构：迟滞比较器+反相积分器8.5.2 三角波发生器工作原理：若uo1=+UZ，uo2，u+。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 -UZT8.5.3锯齿波发生器改变积分器的正反向充电时间常数uo1=+UZ，D截止，充电时间常数：R4C。uo1=-UZ，D导通，充电时间常数：(R6R4)C。+UZuo10t -UZ R6R4 8.5.4555时基电路1.电路框图 555时基电路由分压器、两个比较器、触发器、缓冲器、复位电路、放电管等组成。其中分压器由三个高精度的阻值为5k的电阻组成。555时基电路框图2.工作原理 由图8-24可知，两个比较器分别被电阻R1、R2和R3构成的分压器设定的 VCC和 VCC参考电压所限定。三个5k电阻组成的分压器，使两个比较器构成一个电平触发器，上触发电平为 VCC，下触发电平为 VCC。在 5脚控制端外接一个参考电源V，可以改变上、下触发电平值。比较器A的输出和比较器B的输出端接到触发器的输入端。加到比较器A同相端6脚的触发信号，只有当电位高于反相端5脚的电位时，触发器才翻转；而加到比较器B反相端2脚的触发信号，只有当电位低于B同相端的电位 VCC时，触发器才翻转。8.5.5压控振荡器1.电路结构U为直流控制电压，A1组成积分电路，A2组成滞回比较器，场效应管T工作在开关状态，控制积分电容C的充放电，二极管D为隔离二极管。2.工作原理滞回比较器A2的两个门限电压为 压控振荡器 设开始时uC=0V，uo1=0V，uo2=-UZ，D导通，使T截止，这时I1=I2U/4，由于U为直流电压，则电容C被恒流充电，uC随时间线性上升，uo1则直线下降，当uo1=UTH2时，比较器A2发生翻转，uo2=+UZ，D截止，T饱和导通，这时I2=I1-I3=-U/4R，电容恒流放电，uo1上升，当uo1上升至UTH1时，比较器A2再次翻转，uo2=-UZ，这时又重复刚开始的过程，周而复始产生振荡。可以证明振荡器的振荡频率和周期为 振荡波形图 8.5.6集成函授发生器80381.8038的内部框图 8038的内部结构框图如图8-29所示，它由电压比较器、触发器、电子开关、波形变换电路、缓冲器、电流源等组成。集成函数发生器8038是单片多用途的发生器，它可以产生正弦波方波、三角波和锯齿波。在图中，比较器A的门限电压为：2/3(VCCVEE)，比较器B的门限电压为：1/3(VCC+VEE)，电流源IS1和IS2担任外接电容C的充放电回路，且IS2IS1，电容C的充放电转换由电子开关S控制：当S断开时，电流源IS1向电容C充电；当S闭合时，外接电容C通过IS2放电。开关S的状态受触发器的输出电平控制，当触发器输出低电平时，S断开；当触发器输出高电平时，S闭合。8038内部结构框图 8.5.6集成函授发生器80382.工作原理 设开始时，触发器输出为低电平，电子开关S断开，电流源IS1对电容C恒流充电，uc随时间线性上升，当uc=2/3(VCC+VEE)时，比较器A产生跳变，使触发器翻转输出高电平，开关S闭合，电容C以(IS2IS1)恒流放电，uc随时间线性下降。当uc降至 1/3(VCC+VEE)，比较器B发生跳变，使触发器再次翻转输出低电平，开关S再次断开，如此重复开始时的过程，产生振荡。电容C上形成的线性三角波，经缓冲器一路产生三角波输出信号，另一路经三角波变正弦波电路，产生正弦波输出信号。触发器的输出电平，除用于控制电子开关S外，还用于产生方波输出信号。3.8038的外部引脚排列 4.8038的典型应用 利用8038组成的信号发生器如图8-31所示，图中，定时电容C、RP1、R3、R4决定发生器的振荡频率，RP2可调节方波占空比和锯齿波上升和下降的时间，RP3、RP4可调节正弦波的失真度。8038函数发生器 8038的外部引脚排列本章小本章小结1正弦波振荡的条件：AF=1 （振幅条件）（相位条件正弦波振荡电路由放大器、反馈网络、选频网络和稳幅环节构成。2正弦波振荡电路主要有RC振荡电路和LC振荡电路两种。RC振荡电路主要用于中低频场合，LC振荡电路主要用于高频场合。石英晶体振荡电路是一种特殊的LC振荡电路，其特点是具有很高的频率稳定性。3当运放开环工作或引入正反馈时，运放工作在非线性状态。其分析方法为：若U+U-则UO=+UOM；若U+U-则UO=-UOM。虚断（运放输入端电流=0）4 比较器是一种能够比较两个模拟量大小的电路。迟滞比较器具有回差特性。它们是运放非线性工作状态的典型应用。5在方波、锯齿波和三角波等非正弦波信号发生器中，运放一般也工作在非线性状态。电路由比较器、积分器等环节组成。