振荡电路详解课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第9章 波形产生与变换电路,9.1 正弦波振荡电路,9.2 非正弦波发生电路,第9章 波形产生与变换电路,1,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。,9.1.1 产生正弦波的条件,9.1.2,RC,正弦波振荡电路,9.1.3,LC,正弦波振荡电路,9.1 正弦波发生电路,正弦波发生电路能产生正弦波输出，它是,2,9.1.1,产生正弦波的条件,一、正弦波发生电路的组成,二、产生正弦波的条件,三、起振条件和稳幅原理,9.1.1 产生正弦波的条件一、正弦波发生电路的组成,3,一、,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，因此放大电路和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。,一、正弦波发生电路的组成 为了产生,4,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。正弦波发生电路的组成,放大电路,正反馈网络,选频网络,稳幅电路,为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络，选频网,5,二、,产生正弦波的条件,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。,二、产生正弦波的条件 产生正弦波,6,振荡条件,幅度平衡条件,相位平衡条件,AF,=,A,+,F,=,2,n,(,a)负反馈放大电路,(b)正反馈振荡电路,图11.01 振荡器的方框图,比较图11.01(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,。由于正、负号的改变,振荡条件 AF=A+F=2,7,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,。,三、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。,振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈,8,也可以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，从而达到稳幅的目的。这在下面具体的振荡电路中加以介绍。,也可以在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电,9,9.1.2,RC,正弦波振荡电路,一、,RC,网络的频率响应,二、,RC,文氏桥振荡器,9.1.2 RC正弦波振荡电路一、RC网络的频率响应,10,一、,RC,网络的频率响应,RC,串并联网络的电路如图11.02(a)所示。,RC,串联臂的阻抗用,Z,1,表示，,RC,并联臂的阻抗用,Z,2,表示。其频率响应如下,:,图11.02(a),RC,串并联网络,一、RC网络的频率响应 RC串并联网络,11,1,),1,2,2,C,w,1,R,C,R,1,j(,),1,(,2,1,2,1,C,R,C,R,w,-,+,+,+,=,R,/,j,+,),C,j,/,1,(,2,1,2,2,2,2,1,1,1,2,R,C,C,R,C,R,R,R,w,w,+,+,+,=,),j,1,(,),C,j,/,1,(,2,2,2,1,1,2,R,C,R,R,R,w,w,+,+,+,=,谐振频率为:,f,0,=,当,R,1,=,R,2,，,C,1,=,C,2,时，谐振角频率和谐振频率分别为:,),j,1,/(,+,),C,j,/,1,(,),j,1,/(,2,2,2,1,1,2,2,2,2,1,2,C,R,R,R,C,R,R,Z,Z,Z,w,w,w,+,+,+,=,+,=,1)122Cw1RCR1j()1(2121CRCRw-+,12,幅频特性:,相频特性:,当,f=f,0,时的反馈系数,且与频率,f,0,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)。,幅频特性:相频特性:当 f=,13,图11.02(b),RC,串并联网络的频率特性曲线,图11.02(b)RC串并联网络的频率特性曲线,14,二、,RC,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11.03所示，,RC,串并联网络是正反馈网络，另外还增加了,R,3,和,R,4,负反馈网络。,C,1、,R,1,和,C,2、,R,2,正反馈支路与,R,3、,R,4,负反馈支路正好构成一个桥路，称为,文氏桥,。,图11.03,RC,文氏桥振荡电路,二、RC文氏桥振荡电路 (1)RC文氏桥振荡电路的,15,当,C,1,=,C,2,、,R,1,=,R,2,时:,为满足振荡的幅度条件,=1，所以,A,f,3。加入,R,3、,R,4,支路，构成串联电压负反馈。,F,=0,当C1=C2、R1=R2时:为满足振荡,16,(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R,4,实现 的。R,4,是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，R,4,上所加的电压升高，即温度升高，R,4,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R,3,的位置。见图11.03。,(2)RC文氏桥振荡电路的稳幅过程,17,(a)稳幅电路 (b)稳幅原理图,图11.04 反并联二极管的稳幅电路,采用反并联二极管的稳幅电路如图11.04所示。,电路的电压增益为,式中,R,p,是电位器上半部的电阻值，,R,p,是电位器下半部的电阻值。,R,3,=,R,3,/,R,D,，,R,D,是并联二极管的等效平均电阻值。,当,V,o,大时，二极管支路的交流电流较大，,R,D,较小，,A,v,f,较小，于是,V,o,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。,(a)稳幅电路,18,9.1.3,LC,正弦波振荡电路,LC,正弦波振荡电路的构成与,RC,正弦波振荡电路相似，包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。这里的选频网络是由,LC,并联谐振电路构成，正反馈网络因不同类型的,LC,正弦波振荡电路而有所不同。,一、,LC,并联谐振电路的频率响应,二、变压器反馈,LC,振荡器,三、电感三点式,LC,振荡器,9.1.3 LC正弦波振荡电路 LC正,19,一、,LC,并联谐振电路的频率响应,LC,并联谐振电路如图11.05（a）所示。显然输出电压是频率的函数：,输入信号频率过高，电容的旁路作用加强，输出减小；反之频率太低，电感将短路输出。并联谐振曲线如图11.05（b）所示。,（a）,LC,并联谐振电路,图11.05,LC,并联谐振电路与并联谐振曲线,（b）并联谐振曲线,一、LC并联谐振电路的频率响应 LC并联,20,谐振时,谐振频率,谐振时电感支路电流或电容支路电流与总电流之比，称为并联谐振电路的品质因数,考虑电感支路的损耗，用,R,表示，如图11.06所示。,图11.06 有损耗的谐振电路,谐振时电感支路电流或电容支路电流与总电流之比,21,对于图11.05(b)的谐振曲线，Q值大的曲线较陡较窄，图中Q,1,Q,2,。并联谐振电路的谐振阻抗,谐振时,LC,并联谐振电路,相当一个电阻。,对于图11.05(b)的谐振曲线，Q值大,22,二、变压器反馈,LC,振荡电路,图11.07,变压器反馈,LC,振荡电路,变压器反馈,LC,振荡电路如图11.07所示。,LC并联谐振电路作为三极管的负载，反馈线圈L,2,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。,二、变压器反馈LC振荡电路图11.07变压器反馈LC振荡电路,23,有关同名端的极性,请参阅图11.08。,图11.08 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,有关同名端的极性 图11.08 同名端的极性,24,三、电感三点式,LC,振荡器,图11.09 为电感三点式,LC,振荡电路。电感线圈,L,1,和,L,2,是一个线圈，2点是中间抽头。如果设某个瞬间集电极电流减小，线圈上的瞬时极性如图所示。反馈到发射极的极性对地为正，图中三极管是共基极接法，所以使发射结的净输入减小，集电极电流减小，符合正反馈的相位条件。,图11.09 电感三点式,LC,振荡器（CB）,图11.10电感三点式,LC,振荡器（CE）,图11.10 为另一种电感三点式,LC,振荡电路。,三、电感三点式LC振荡器 图11.09,25,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,Z,be,、Z,ce,、Z,cb,如图11.11所示。,图11.11 三点式振荡器,对于图11.09 Z,be,是,L,2,、Z,ce,是,L,1,、Z,cb,是,C,。可以证明若满足相位平衡条件，Z,be,和Z,ce,必须同性质，即同为电容或同为电感，且与Z,cb,性质相反,。,分析三点式LC振荡电路常用如下方法，将谐振回路的阻抗,26,四、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，见图11.12。,（a）CB组态 （b）CE组态,图11.12 电容三点式,LC,振荡电路,四、电容三点式LC振荡电路 与电感三点式LC振,27,例11.1,：图11.13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),图11.13 例题11.1的电路图,例11.1：图11.13为一个三点式振荡电路,28,五、石英晶体,LC,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，如图11.14所示。,(a)串联型,f,0,=,f,s,（b）并联型,f,s,f,0,f,p,图11.14 石英晶体振荡电路,五、石英晶体LC振荡电路 利用石英晶体的高品质因,29,石英晶体的,阻抗频率特性曲,线见图11.15,图11.15 石英晶体的电抗曲线,它有一个串联谐振频率,f,s,一个并联谐振频率,f,p,，二者十分接近,。,对于图11.15(a)的电路与电感三点式振荡电路相似。要使反馈信号能传递到发射极，为此石英晶体应处于串联谐振点，此时晶体的阻抗接近为零。,对于图11.14(b)的电路，满足正反馈的条件，为此，石英晶体必须呈电感性才能形成,LC,并联谐振,回路，产生振荡。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。,石英晶体的图11.15 石英晶体的电抗曲线它有一个串,30,9.2 非正弦波发生电路,9.2.1 比较器,9.2.2 非正弦波发生电路,9.2 非正弦波发生电路 9.2.1 比较器,31,9.2.1 比较器,一、固定幅度比较器,二、滞回比较器,三、窗口比较器,四、比较器的应用,比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。,常用的幅度比较电路有电压幅度比较器、窗口比较器和具有滞回特性的比较器。这些比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。,9.2.1 比较器一、固定幅度比较器 比,32,一、固定幅度比较器,(1)过零比较器和电压幅度比较器,过零电压比较器是典型的幅度比较电路，它的电路图和传输特性曲线如图14.01所示。,(a),(b),图14.01 过零电压比较器,(a),电路图,(b),传输特性曲线,一、固定幅度比较器(1)过零比较器和电压幅度比较器,33,将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到一个电压值,V,REF,上,就得到电压幅度比较器，它的电路图和传输特性曲线如图14.02所示。,图14.02 固定电压比较器,(a),电路图,(b),传输特性曲线,将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到,34,(2)比较器的基本特点,工作在开环或正反馈状态。,开关特性，因开环增益很大，,比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。,非线性，,因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。,(2)比较器的基本特点工作在开环或正反馈状态。,35,二、滞回比较器,从输出引一个电阻分压支路到同相输入端，电路如图14.03(a)所示。当输入电压,v,I,从零逐渐增大，且,时，称为,上限阈值(触发)电平,。,当输入电压 时，,此时触发电平变为 ，称为,下限阈值(触发)电平,。,图14.03(a)滞回比较,器电路图,二、滞回比较器 从输出引一个电阻分压支路到同,36,当 逐渐减小，且 以前，始终等于 ，因此出现如图14.03(b)所示的滞回特性曲线。,回差电压,：,图14.03滞回比较电路,的传输特性,当 逐渐减小，且,37,三、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,R,1,=R,2,，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。,三、窗口比较器 窗口比较器的电路如图14.04所,38,当,v,I,V,H,时，,v,O1,为,高电平,，D,3,导通；,v,O2,为,低电平,D,4,截止，,v,O,=,v,O1,。,当,v,I,V,L,时，,v,O2,为高,电平，D,4,导通；,v,O1,为低,电平，D,3,截止，,v,O,=,v,O2,。,当,V,H,v,I,V,L,时，,v,O1,为低电平，,v,O2,为低电,平，D,3,、D,4,截止，,v,O,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,V,H,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,V,L,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,。,当vIVH时，vO1为高电平，D3导通；vO2,39,四、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,四、比较器的应用 比较器主要用来对输入波形进行整,40,一、方波发生电路,二、三角波发生电路,三、锯齿波发生电路,9.2.2 非正弦波发生电路,一、方波发生电路 9.2.2 非正弦波发生电路,41,一、方波发生电路,方波发生电路是由滞回比较电路和,RC,定时电路构成的，电路如图14.07所示。,(1)工作原理,电源刚接通时,设,电容,C,充电，升高。参阅图14.08,。,图14.07 方波发生器,一、方波发生电路 方波发生电路是由滞回比较电路和,42,当 时，,，所以,电容,C,放电，下降。,当 ，,时，返回初态。,方波周期,用过渡过程公式可以方便地求出,图14.08 方波发生器波形图,当,43,(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D,1,、,R,f,；,C,放电时，放电电流经,R,f,、二极管D,2,、电位器的下半部。,图14.09 占空比可调方波发生电路,(2)占空比可调的矩形波电路 显然为了改变输出方,44,占空比,为：,其中，是电位器中点到上端电阻，是二极管D,1,的导通电阻。,其中，是二极管D,2,的导通电阻。即改变 的中点位置，占空比就可改变。,图14.08 方波发生器波形图,占空比为：其中，是电位器中点到上端电阻,45,二、,三角波发生器,三角波发生器的电路如图14.10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,v,O1,=+,V,Z,时,则电容,C,充电,同时,v,O,按线性逐,渐下降，当使A,1,的,V,P,略低于,V,N,时，,v,O1,从,+,V,Z,跳变为,-,V,Z,。波形,图参阅图14.11。,图14.10 三角波发生器,二、三角波发生器 三角波发生器的电路如图14.,46,2.,在,v,O1,=,-,V,Z,后，电容,C,开,始放电，,v,O,按线性上升，,当使A,1,的,V,P,略大于零时，,v,O1,从,-,V,Z,跳变为+,V,Z,，,如此周而复始，产生振,荡。,v,O,的上升时间和下降,时间相等，斜率绝对值,也相等，故,v,O,为三角波。,图14.11 三角波发生器的波形,输出峰值,振荡周期：,2.在vO1=-VZ后，电容C开 图14.11 三角波发,47,三、锯齿波发生器,锯齿波发生器的电路如图14.12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(,R,R,),C,，而放电时间常数仍为,RC,。,图14.12 锯齿波发生器电路图,锯齿波电路的输出波形图如图14.13所示。,三、锯齿波发生器 锯齿波发生器的电路如图1,48,图14.13 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：,v,o1m,=|,V,z,|=,v,om,R,2,/,R,1,v,om,=|,V,z,|,R,1,/,R,2,于是有,图14.13 锯齿波发生器的波形 锯齿波周期,49,