8 信號發(fā)生器

1、8 信號發(fā)生器,發(fā)生器按產(chǎn)生的波形特點可分為,8.1.1 正弦波自激振蕩的基本原理,8.1 正弦波信號發(fā)生器,正弦波信號發(fā)生器是按照自激振蕩原理構成的。,信號發(fā)生器常稱為振蕩器。,1．產(chǎn)生正弦波自激振蕩的平衡條件,自激振蕩原理方框圖,,,,,,,放大環(huán)節(jié),A,·,,正反饋網(wǎng)絡,F,·,,可在輸出端繼續(xù)維持原有的輸出信號,正反饋,工作原理,及,知電路產(chǎn)生自激振蕩的平衡條件為,,,,,,,放大環(huán)節(jié),A,·

2、;,,正反饋網(wǎng)絡,F,·,,（1）幅度平衡條件,（2）相位平衡條件,上式可分解為,·,·,一個振蕩器，只在振蕩頻率f0時滿足相位平衡的條件。,平衡條件討論,a. 相位平衡條件,在電路中應包含選頻網(wǎng)絡,若 則電路減幅振蕩，最后停振蕩。,若 ，電路增幅振蕩。,b. 幅度平衡條件,AF=1維持等幅振蕩的唯一條件,2．振蕩的建立與穩(wěn)定,振蕩電路的起振條件,放大電路中還應包含穩(wěn)幅環(huán)節(jié),3

3、．正弦波信號發(fā)生器組成,放大環(huán)節(jié),正反饋網(wǎng)絡,選頻網(wǎng)絡,穩(wěn)幅環(huán)節(jié),4. 正弦波信號發(fā)生器的分類,RC型振蕩器,LC型振蕩器,晶體振蕩器,1．文氏電橋振蕩器,文氏電橋振蕩電路,移相式振蕩電路,雙T網(wǎng)絡式振蕩電路,選頻網(wǎng)絡反饋網(wǎng)絡,,,放大電路,8.1.2 RC型正弦波信號發(fā)生器,2．RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特性,圖中,,,Z1,Z2,,反饋系數(shù),,Z1,Z2,,令,·,幅頻特性,當??0時，F(xiàn)?0,當???時,F?0,當?=?

4、0時,F=Fmax=1/3,相頻特性,當??0時，?F ? 90?,當???時, ?F ? –90?,當?=?0時, ?F ? 0?,相頻特性曲線,幅頻特性曲線,,?F =0?，且反饋最強,可見，當?=?0時,3．工作原理,（1）當f= 時,（3）振蕩頻率,4．穩(wěn)幅措施,,(1) 利用二極管穩(wěn)幅,Rt為負溫度系數(shù)的熱敏電阻,（2）利用非線性熱敏電阻穩(wěn)幅,a. 用LC并聯(lián)諧振回路作為選頻網(wǎng)絡。,8.1.3 LC型正弦波信號發(fā)生

5、器,b. 主要用來產(chǎn)生1MHZ以上的高頻信號。,主要特點:,c. 頻率穩(wěn)定性好。,變壓器反饋式,電感三點式,電容三點式,LC型正弦波信號發(fā)生器類型,1．LC并聯(lián)諧振回路,,,,,,,,f0,,,,f0,Q大,Q小,Q大,Q小,阻抗頻率特性,相頻特性,,,(1) 諧振頻率,(2) 諧振時的等值電阻R0,(3) 電路的品質因數(shù),2．選頻放大電路,當f = f0（ LC并聯(lián)諧振頻率）時,（1）輸出電壓幅值最大。,（2）輸出與輸入電壓反相。,工

6、作原理,放大電路只對諧振頻率f0的信號有放大作用,LC并聯(lián)諧振電路,,3．變壓器反饋式LC振蕩電路,正反饋的判斷,(1) 相位條件,判斷的方法——瞬時極性法,判斷的步驟,b. 斷開反饋回路,a. 假設諧振回路發(fā)生諧振,,,f.判斷是否滿足相位平衡條件,構成正反饋,滿足相位平衡條件,（2） 起振條件,因為,合理地選擇電路參數(shù)，及變壓器的變比，可使AF>1,滿足起振條件。,(3) 振蕩頻率,,,L,L',(4) 電路的

7、特點,a.調節(jié)N2方便，起振容易。,g.受變壓器分布參數(shù)的限制，振蕩頻率不能很高。,b. 振蕩頻率高,c. 電路的品質因數(shù)高,e. 頻率穩(wěn)定性高,d. 輸出波形好,f. 體積、重量大,4．電感三點式正弦振蕩電路,振蕩電路的交流通路,忽略RB1//RB2,,簡化的交流通路,(1) 相位平衡條件的判斷,b. 斷開反饋回路,a. 假設諧振回路發(fā)生諧振,,,,相量圖,,,T,,,,,,,,,L1,,,,,,,,,,,,,,,,,L2,C,,,

8、,相量圖,,,,,T,,,,,,,,,L1,,,,,,,,,,,,,,,,,L2,C,(2) 幅度條件,M為線圈L1與L2之間的互感,(3) 諧振頻率,式中,(4) 電路特點,a. 線圈的三個端子分別與T的三個電極B、C、E相連接，故稱之為電感三點式振蕩電路。,b. 容易起振。,c. 輸出波形中含有高次諧波，波形較差。,（5） 電容三點式正弦波振蕩電路,交流通路,簡化的交流通路,b. 斷開反饋回路,a. 假設諧振回路發(fā)生諧振,

9、(1) 相位平衡條件的判斷,相量圖,,,,,,,,,相量圖,(2) 幅度條件,,Uf,·,,T,,,,,,,,,,,L,,,,,,,,,,,,,,,,(3) 諧振頻率,(4) 電路特點,a. 電容器的三個端子分別與T的三個電極相連接，故稱之為電容三點式振蕩電路。,b. 容易起振。,c. 輸出波形中高次諧波少，波形好。,d. 改變電容C2時，容易停振。,改進的電容三點式振蕩電路,諧振頻率,1. 石英晶體的基本特性,（

10、1） 各向異性,（2） 具有壓電效應,在晶片的兩側施加壓力，又會產(chǎn)生電場。,在晶片的兩面之間加電場，就會產(chǎn)生機械變形。,8.1.4 晶體振蕩器,壓電效應：,當交變電壓的頻率等于晶片的固有機械振動頻率時，振幅急劇增加，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。,當在晶片的兩電極之間加交變電壓時，晶片就會產(chǎn)生機械變形振動。,壓電諧振,石英晶體諧振器的結構,,適當?shù)厍衅?,,,加裝上外殼,電路符號,（2）等效電路和諧振頻率,R ——等效晶片振動時內部的摩擦損

11、耗,等效電路,C0 ——兩金屬電極間構成的靜電電容,L ——等效晶片振動時的慣性,C ——等效晶片振動時的彈性,電路特點：,a. L很大，C和R很小,b . Q很高，達104～106,c. 頻率穩(wěn)定度（Δf /f0）很高。,三種振蕩電路的頻率穩(wěn)定度：,RC振蕩器： 10-2,LC振蕩: 10-3~ 10-4,石英晶體振蕩： 10-9～10-11,當忽略R時，電抗,串聯(lián)諧振頻率,當f<fs時，X<0,電路呈

12、容性,當f>fs時，X>0, 電路呈感性,電路發(fā)生串聯(lián)諧振,并聯(lián)諧振頻率,b. 當j? (C0+C–?2LCC0 ) = 0時,電路發(fā)生并聯(lián)諧振,由于C<<C0,故,電抗—頻率特性,a. 當 fs<f<fp 時，電路呈感性。,b.當 ffp 時，電路呈容性。,可見:,電抗—頻率特性,2．石英晶體振蕩電路,（1）并聯(lián)型晶體振蕩器,,并 聯(lián),晶體呈感性,諧振頻率,交流等效電路,諧振頻率,式中,由于,故,（

13、2）串聯(lián)型晶體振蕩器,諧振頻率,思 考 題,1. 如果在正弦波發(fā)生器中，沒有選頻網(wǎng)絡或穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，那么電路將會出現(xiàn)什么情況？,2. 電容三點式和電感三點式正弦波振蕩電路相比，哪個電路輸出的波形更好，為什么？,8.2 非正弦信號發(fā)生器,主要特點：,振蕩條件比較簡單，只要反饋信號能使比較電路狀態(tài)發(fā)生變化，即能產(chǎn)生周期性的振蕩。,非正弦信號發(fā)生器的主要組成：,（1）具有開關特性的器件（如電壓比較器、BJT等）,（2）反饋網(wǎng)絡,（3）延時環(huán)節(jié),

14、主要作用：產(chǎn)生高、低電平。,主要作用：將輸出電壓適當?shù)胤答伣o開關器件使之改變輸出狀態(tài)。,主要作用：實現(xiàn)延時，以獲得所需要的振蕩頻率。,8.2.1 方波發(fā)生器,1. 電路組成,延遲環(huán)節(jié),遲滯比較器,2 工作原理,設t=0 時,uC(0+)=0,uO=+Uz,則,=+FUz,uC按指數(shù)規(guī)律上升,a. 當t>0時,電容C充電,,,ic,uO、uC波形圖,uO=+Uz,b. 當uC>FUZ 時,UR=-FUz,uO=-

15、Uz,,- FUZ,+ FUZ,,,ic,c. 當uO=-Uz時,UR=-FUz,uC按指數(shù)規(guī)律下降,電容C放電,,,,,ic,d. 當uC< -FUZ 時,UR=FUz,uO=Uz,,,,,,ic,e. 當uO=+Uz時,UR=FUz,uC又按指數(shù)規(guī)律上升,電容C又充電,,,,,ic,,uO、uC波形圖,,,uO為方波,,,,,ic,根據(jù)三要素法,2. 主要參數(shù)計算,如果選定時間起點為t2，那么,電容兩端電壓的變化規(guī)律,由此

16、得電路的振蕩周期,當 t=T/2 時,即,振蕩頻率：,思 考 題,1.對上圖電路如何改進，可獲得矩形波信號？,答：如果將方波信號發(fā)生器中的電容C的充電和放電回路分開,,使充電和放電的時間常數(shù)不相等，便可獲得矩形波信號。,改進電路,2、在上圖示電路中，如果電阻R+> R?，輸出波形具有什么特點？,答：如果電阻R+> R?，那么，電容C的充電時間將大于放電時間，輸出波形的占空比增大。,8.2.2 三角波和鋸齒波發(fā)生器,1．電

17、路組成,,遲滯比較器,,積分器,圖中,2．工作原理,(1) 當 時,輸出電壓,電容 C充電,,,,uO隨時間線性下降,設uC(0+)=0,波形圖,(2) 當 時,令,得,波形圖,,,t,,,,(3) 當 uB<0時,電容 器放電,輸出電壓,uO隨時間線性上升,,,,,波形圖,uO,,令,(4) 當 uB>0時,,,,,uO輸出三角波,uO1輸出方波,,,t,uO , u

18、O1,0,uO1,uO,UZ,,,,-UZ,,,,,(1） 輸出電壓幅值,2. 主要指標,(a) 三角波幅值,(b) 方波幅值,,,,,t,uO , uO1,0,uO1,uO,UZ,,,,-UZ,,,,,,,（2） 振蕩頻率,而,故電路的振蕩周期,振蕩頻率,,如果用圖(a)示電路替代圖(b)示電路的電阻R，那么輸出電壓uo的波形有何特點？,(a),(b),答：三角波兩邊斜率不同，即三角波變成為鋸齒波。,替代R,,,2、在上圖示

19、電路中，如果電阻R+> R?，畫出輸出信號的波形。,8.2.3 壓控振蕩器,原理圖,uO=+UZ時，開關S接通+U,uO=-UZ時，開關S接通–U,(1) 工作原理,圖中,(a) 當 時,U通過R向 C充電,S 接電源 +U,uO1隨時間線性下降,,,,,,,設uC(0-)=0,+,–,uC,,(b) 當 uB≤0 時,電容 反向充電,開關 S 接 –U,,,,,,,uO1隨時間線性上升,,uO1

20、,,,,,,,R,,C,,,,,,,,A2,A1,R1,R2,R3,uO,DZ,B,,,,,,,,,,,,–,+,–,+,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,-U,+U,,,,S,,,,,,(c) 當 uB ≥ 0 時,電容 又正向充電,S又接U,C,uO1又隨時間線性下降,,,,,,,,+,–,uC,,,uO輸出方波,uO,uO1輸出三角波,C,+,–,uC,(2) 振蕩波形圖,(3) 振蕩頻率,而,由波形圖知,故,由,

21、得,f0∝U，實現(xiàn)了電壓控制振蕩頻率的目的,一種壓控振蕩電路,電子模擬開關,例1 電路如圖所示，圖中運放A和二極管D1、D2都是理想器件,穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)壓值為UZ。試證明調節(jié)電位器RW改變矩形波占空比時，周期T將保持不變。,練習題,解 由題意，畫出uO和uC的波形圖。,其中,波形圖,當uO=UZ時，uO通過D1對電容充電,當uO=-UZ時，電容通過D2 放電,可見，在改變RW滑動端位置時，T保持不變。,振蕩周期,為常數(shù),例2 在圖所示

22、矩形波發(fā)生電路中，理想運放的最大輸出電壓Uomax=12V，最小的輸出電壓Uomin=0V 。,（a）畫出輸出電壓uO和電容電壓uC的波形；,（b）求出uC的最大值和最小值;,（c）當UR的大小超出什么范圍時，電路將不再產(chǎn)生矩形波？,解（a）方波發(fā)生器的輸出電壓只有高、低兩種電平，電容C隨輸出電壓的極性進行充電或放電。當uC大于運放同相端電位u+時，輸出為低電平；反之，輸出為高電平。,,,,,,,,uO,,,,,C,,,A,,,,,,,

23、,,,,,,,,,+,–,,,,,R4,R5,100kW,+15V,100kW,0.01mF,100kW,100kW,100kW,R1,R3,R2,+,–,uC,?,?,UR,輸出電壓uO和電容電壓uC的波形圖,（b）由圖可知，運放同相端電位的最大值和最小值，即為uC的最大值和最小值。,對于運放同相端，由KCL得,（c）如果UcmaxU+mim，電路不能產(chǎn)生方波。,UCmax=UOmax/2=6V,UCmim=UOmim/2=0V,由圖

24、可知,即當UR>3U+max-UOmax=6V,或 UR<3U+mim-UOmim=0V時,電路不能產(chǎn)生方波,例3 圖示電路為一壓控振蕩器。設輸入電壓0<UI<6V，運放A1、A2為理想器件；二極管D的正向壓降為0.6V，穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)定電壓為±6V，它們的其他性能理想。,（a）運算放大器A1、A2各組成什么電路？（b）畫出uo1 和uo 波形；（c）寫出振蕩頻率f0 與輸入電壓uI的函數(shù)關系式。,

25、解（a）A1構成反相輸入積分電路，A2構成同相輸入比較電壓比較器。,（b）當uO＝6V時，二極管D截止，電容C充電，uO1隨時間負向線性增大。,當運放A2的同相端電位u2+過零時，比較器翻轉，uO2=-6V。,此時，D導通，uO2=-0.6V。C迅速放電，uO1快速正向增大。,當u2+再次過零時，比較器再次翻轉，uO2=6V，二極管再次截止。,如此周而復始，形成周期性振蕩。,由圖可知，運放A2同相端電位,令u2+=0得,當uO＝6V時，