第七章波形产生与变换电路课件

第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 正弦波发生电路能产生正弦波输出，它是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的，它是各类波形发生器和信号源的核心电路。正弦波发生电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振荡器。7.17.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路的振荡条件的振荡条件第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 7.1.17.1.1正弦波发生电路的组成正弦波发生电路的组成 为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反馈，因此放大电路放大电路和正反馈网络正反馈网络是振荡电路的最主要部分。但是，这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波，这是由于很难控制正反馈的量。如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能停振，为此振荡电路要有一个稳幅电路稳幅电路。第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络选频网络，选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一。选频网络由R、C和L、C等电抗性元件组成。正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。因此，一个完整的正弦波发生电路的必须包含放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅电路四部分电路。第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 7.1.27.1.2 产生产生正弦波的条件正弦波的条件 产生正弦波的条件与负反馈放大电路产生自激的条件十分类似。只不过负反馈放大电路中是由于信号频率达到了通频带的两端，产生了足够的附加相移，从而使负反馈变成了正反馈。在振荡电路中加的就是正反馈，振荡建立后只是一种频率的信号，无所谓附加相移。第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 振荡条件 幅度平衡条件 相位平衡条件 AF=A+F=2n 比较图(a)和(b)就可以明显地看出负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区别了。由于振荡电路的输入信号 ，所以 。(a)负反馈放大电路 (b)正反馈振荡电路 第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈强一些，即要求这称为起振条件起振条件。7.1.37.1.3 起振条件和稳幅原理起振条件和稳幅原理 既然 ，起振后就要产生增幅振荡，需要靠三极管大信号运用时的非线性特性去限制幅度的增加，这样电路必然产生失真。这就要靠选频网络的作用，选出失真波形的基波分量作为输出信号，以获得正弦波输出。第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 7.2.17.2.1 RCRC网络的频率响应网络的频率响应7.27.2 RC RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 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。在这里重点讨论桥式振荡电路。第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 RC串并联网络的电路如图所示。RC串联臂的阻抗用Z1表示，RC并联臂的阻抗用Z2表示。其频率响应如下:RC串并联网络第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 1)122Cw1RCR1j()1(2121CRCRw-+=R/j+)Cj/1(2122221112RCCRCRRRww+=)j1()Cj/1(222112RCRRRww+=谐振频率为:f0=当R1=R2，C1=C2时，谐振角频率和谐振频率分别为:)j1/(+)Cj/1()j1/(22211222212CRRRCRRZZZwww+=+=第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 幅频特性幅频特性:相频特性相频特性:当 f=f0 时的反馈系数 ,且与频率f0的大小无关。此时的相角 F=0。即改变频率不会影响反馈系数和相角，在调节谐振频率的过程中，不会停振，也不会使输出幅度改变。有关曲线见图11.02(b)。第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 RC串并联网络的频率特性曲线第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 7.2.27.2.2 RCRC文氏桥振荡电路文氏桥振荡电路 1.RC文氏桥振荡电路的构成 RC文氏桥振荡电路如图所示，RC 串并联网络是正反馈网络，另外还增加了R3和R4负反馈网络。C1、R1和C2、R2正反馈支路与R3、R4负反馈支路正好构成一个桥路，称为文氏桥。RC文氏桥振荡电路第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 当C1=C2、R1=R2时:为满足振荡的幅度条件 =1，所以Af3。加入R3、R4支路，构成串联电压负反馈。F=0第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 2.RC文氏桥振荡电路的稳幅过程 RC文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻R4实现的。R4是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，R4上所加的电压升高，即温度升高，R4的阻值增加，负反馈增强，输出幅度下降。反之输出幅度增加。若热敏电阻是负温度系数，应放置在R3的位置。第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 反并联二极管的稳幅电路电路的电压增益为 式中 Rp是电位器上半部的电阻值，Rp是电位器下半部的电阻值。R3=R3/RD，RD是并联二极管的等效平均电阻值。当Vo大时，二极管支路的交流电流较大，RD较小，Avf较小，于是Vo下降。由图(b)可看出二极管工作在C、D点所对应的等效电阻，小于工作在A、B点所对应的等效电阻，所以输出幅度小。二极管工作在A、B点，电路的增益较大，引起增幅过程。当输出幅度大到一定程度，增益下降，最后达到稳定幅度的目的。第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 7.37.3 LC LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.3.1 LC9.3.1 LC选频放大电路选频放大电路1.谐振频率与谐振电阻 ABCLr LC和RC振荡电路产生正弦振荡的原理基本相同，不同的是，RC振荡电路的选频网络由电阻和电容组成，而LC振荡电路的选频网络由电感和电容组成。第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 谐振电阻谐振电阻理想电路理想电路CLR0L、C为理想电抗件R0体现了损耗第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 2.特点:（1）谐振频率：（2）谐振时总的容抗等于感抗：两端呈纯电阻。（3）谐振时总电流与总电压同相，支路电流比总电流大。电感支路：电容支路：第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 3.谐振回路的品质因数定义：谐振时电路的电抗（0L或 ）与等效损耗电阻之比。Q0的大小标志着谐振质量的优劣。Q0损耗越小。Q0通常在30200之间。第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 4.谐振曲线ABCLr(1)谐振曲线fo+90 90 ffR0(2)通用谐振方程第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 或在f=f0f的情况下：则其中相对失谐量，描述了f偏离f0的程度。第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路(3)通频带当时，相减得可见Q0愈大，通频带愈窄。第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 5.信号源和负载与并联谐振回路的连接CLR0IsRsRL令则而结论：结论：Rs和和RL的接入，使回路的损耗增加，通频带变宽。的接入，使回路的损耗增加，通频带变宽。第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 BBACL2L1rCBCL2CL1r6.改变并联谐振回路阻抗的办法(1)电感中间抽头谐振频率谐振阻抗忽略两线圈间的互感和R的影响第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 BCArLC2C1CBrLC2C1忽略r的影响（2）电容中间抽头谐振频率谐振阻抗第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路（3）结论 谐振频率仅仅决定于回路的总电感L和总电容C，与抽头位置无关。谐振阻抗与抽头的位置有关。第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 7.3.27.3.2 变压器反馈变压器反馈LCLC振荡电路振荡电路变压器反馈LC振荡电路 LC并联谐振电路作为三极管的负载，反馈线圈L2与电感线圈相耦合,将反馈信号送入三极管的输入回路。交换反馈线圈的两个线头，可使反馈极性发生变化。调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度，以使正反馈的幅度条件得以满足。第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 有关同名端的极性请参阅右图。同名端的极性 变压器反馈LC振荡电路的振荡频率与并联LC谐振电路相同，为第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 7.3.37.3.3 三点式三点式LCLC振荡电路振荡电路1.电感三点式LC振荡器 电感线圈L1和L2是一个线圈，2点是中间抽头。用瞬时极性法可判断出电路符合正反馈的相位条件。电感三点式LC振荡器（CB）电感三点式LC振荡器（CE）第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 分析三点式LC振荡电路常用如下方法，将谐振回路的阻抗折算到三极管的各个电极之间，有Zbe、Zce、Zcb。三点式振荡器 Zbe是L2、Zce是L1、Zcb是C。可以证明若满足相位平衡条件，Zbe和Zce必须同性质，即同为电容或同为电感，且与Zcb性质相反。第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 2.电容三点式LC振荡电路 与电感三点式LC振荡电路类似的有电容三点式LC振荡电路。（a）CB组态 （b）CE组态 电容三点式LC振荡电路第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 例11.1：下图为一个三点式振荡电路 试判断是否满足相位平衡条件。（a）（b）第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 例例1：正反馈正反馈频率由C、L1、L2谐振网络决定。设设uB uC uD uB uL2 ube uL1 +UCCCC1L1L2C2uL1uL2uCD3.三点式振荡电路举例第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路+UCCCC1L1L2例例2：+正反馈正反馈反相反相+振荡频率振荡频率:M为两线圈的互感为两线圈的互感(L+L+2M)Cfp21012uo第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路+UCCC1C1LC2+反相反相例例3：正反馈正反馈振荡频率振荡频率:其中：其中：C=C1 C2C1+C2第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 例例4：+UCCC1C2+ubeube增加增加正反馈正反馈+第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 7.3.47.3.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路（2）影响振荡频率不稳定的因素 温度的变化、电源电压的波动、元件参数的变化等。（3）由于LC回路的Q值不能做得很高，所以LC振荡器的频率不可能达到很高。频率稳定度=（1）对于振荡器的振荡频率，要求具有较高的稳定性。第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 1.石英晶体的物理特性极其等效电路 石英晶体是SiO2的一种结晶体，具有各向异性的物理特性。在石英晶体上按一定方位切下的薄片晶片。（1）基本特性 石英振荡器在电路中之所以能够代替LC谐振回路是具有压电效应。第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 若在晶片上外加交变电压，由于压电效应，从外电路来看，相当于有交流通过晶片。外加电压频率石英晶体的固有机械谐振频率时，压电电流滞后外加电压 外加电压频率=石英晶体的固有机械谐振频率时，压电电流最大压电谐振 第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 感性容性容性（2）等效电路LC0C R|Z|f等效电路阻抗特性 fpfSC0静态电容。即两极板之间的电容，与晶片的几何尺寸、极板面积有关，几PF几十PF。L机械振荡的惯性。10-3102H C晶片的弹性 10-410-1PF R晶片振动时因摩擦而造成的损耗 102 L大，C小，R小 很大 104106 另一方面，晶片本身的固有频率只与晶片的几何尺寸有关，所以很稳定，而且可以做得很精确。第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 感性LC0C R|Z|ffpfS（3）谐振频率（忽略R）容性容性时当即 串联谐振频率（阻抗最小）时当即 并联谐振频率（阻抗最大）第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 特点：一个晶体有两个谐振频率。fPfS，但由于CC0，fP、fS非常接近 晶体振荡器是将晶片作为一个电感元件来使用的。第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 1.石英晶体振荡器（1）并联型晶体振荡器RRCCC1C2C0L 晶体工作在谐振频率fP和fS之间，石英晶体呈电感性，作为振荡器回路的一个电感与电路的其他元件组成三点式振荡器。其中第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 C1C2 C0 R LC 由于CC0+C，因此，在回路中起决定作用的是C，由于C很稳定，所以振荡频率的稳定度很高。第七章第七章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路（2）串联型晶体振荡器+利用f=fS时石英晶体呈纯阻性，相移为零的特性构成正弦波振荡器。