第九章 正弦波振荡电路

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,*,9.1,正弦波振荡电路,一、正弦波振荡的条件和电路的组成,二、,RC,正弦波振荡电路,三、,LC,正弦波,振荡,电路,四、石英晶体正弦波振荡电路,一、正弦波振荡的条件和电路的组成,1.,正弦波振荡的条件,无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。,与负反馈放大电路振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。,在电扰动下，对于某一特定频率,f,0,的信号形成正反馈：,由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。,。,1.,正弦波振荡的条件,一旦产生稳定的振荡，则电路的输出量自维持，即,幅值平衡条件,相位平衡条件,起振条件：,要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的,f,0,，,且在合闸通电时对于,f,=,f,0,信号有从小到大直至稳幅的过程，即满足起振条件。,2.,起振与稳幅,：,输出电压从幅值很小、含有丰富频率，到仅有一种频率且幅值由小逐渐增大直至稳幅。,很多种频率,频率逐渐变为单一,振幅越来越大,趋于稳幅,2.,起振与稳幅,电路如何从起振到稳幅？,稳定的振幅,非线性环节的必要性！,3.,基本组成部分,1),放大电路：放大作用,2),正反馈网络：满足相位条件,3),选频网络：确定,f,0,，,保证电路产生正弦波振荡,4) 非线性环节（稳幅环节）：稳幅,1),是否存在主要组成部分；,2),放大电路能否正常工作，即是否有合适的,Q,点，信号是否可能正常传递，没有被短路或断路,；,3),是否满足相位条件，即是否存在,f,0,，,是否可能振荡,；,4),是否满足幅值条件，即是否一定振荡。,常合二为一,4,、分析方法,相位条件的判断方法,：,瞬时极性法,断开反馈，在断开处给放大电路加,f,f,0,的信号,U,i,，,且规定其极性，然后根据,U,i,的极性,U,o,的极性,U,f,的极性,若,U,f,与,U,i,极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不可能产生自激振荡。,在多数正弦波振荡电路中，输出量、净输入量和反馈量均为电压量。,极性？,5.,分类,常用选频网络所用元件分类。,1),RC,正弦波振荡电路：,1,兆赫,以下,2),LC,正弦波振荡电路：几百,千赫,几百,兆赫,3),石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定,二、,RC,正弦波振荡电路,1.,RC,串并联选频网络,低频段,高频段,在频率从,0,中必有一个频率,f,0,，,F,0,。,RC,串并联选频网络的频率响应,当,f,=,f,0,时，不但,=0,，,且 最大，为,1/3,。,1),是否可用共射放大电路？,2),是否可用共集放大电路？,3),是否可用共基放大电路？,4),是否可用两级共射放大电路？,2.,电路组成,应,为,RC,串并联网路配一个电压放大倍数略大于,3,、输入电阻趋于无穷大、输出电阻趋于,0,的放大电路。,不符合相位条件,不符合幅值条件,输入电阻小、输出电阻大，影响,f,0,可引入电压串联负反馈，使电压放大倍数大于,3,，且,R,i,大、,R,o,小，对,f,0,影响小,3.,RC,桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡器）,用同相比例运算电路作放大电路。,因同相比例运算电路有非常好的线性度，故,R,或,R,f,用热敏电阻，或加二极管作为非线性环节。,文氏桥振荡器的特点？,以,RC,串并联网络为选频网络和正反馈网络、并引入电压串联负反馈，两个网络构成桥路，一对顶点作为输出电压，一对顶点作为放大电路的净输入电压，就构成文氏桥振荡器。,频率可调的文氏桥振荡器,改变电容以粗调，改变电位器滑动端以微调。,加稳压管可以限制输出电压的峰,-,峰值。,同轴,电位器,讨论一,：,合理连接电路，组成文氏桥振荡电路,讨论二,：,判断图示电路有可能产生正弦波振荡吗？,RC,移项式电路,RC,双,T,选频网络,选频网络和正反馈网络是两个网络。,1),RC,移相电路有几级才可能产生正弦波振荡？,2),若,R,和,C,互换呢？,正反馈网络,选频网络,三、,LC,正弦波振荡电路,1,.,LC,并联,网络的选频特性,理想,LC,并联网络在谐振时呈纯阻性，且阻抗无穷大。,谐振频率为,在,损耗较小时，品质因数及谐振频率,损耗,在,f,f,0,时，电容和电感中电流各约为多少？网络的电阻为多少？,构成正弦波振荡电路最简单的做法是通过变压器引入反馈。,附加相移,LC,选频放大电路,正弦波振荡电路,当,f,=,f,0,时，电压放大倍数的数值最大，且附加相移为,0,。,共射电路,A,=-,2,.,变压器反馈式,电路,C,1,是必要的吗？,特点：,易振，波形较好；耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。,分析电路是否可能产生正弦波振荡的步骤：,1),是否存在四个组成部分,2),放大电路是否能正常工作,3),是否满足相位条件,4),是否可能满足幅值条件,为,使,N,1,、,N,2,耦合紧密，将它们合二为一，组成电感反馈式电路。,必须有合适的同铭端！,为什么用分立元件放大电路,如何组成？,3.,电感反馈式电路,反馈电压取自哪个线圈？,反馈电压的极性？,必要吗？,电感的三个抽头分别接晶体管的三个极，故称之为电感三点式电路。,电路特点？,3,.,电感反馈式电路,特点：耦合紧密，易振，振幅大，,C,用可调电容可获得较宽范围的振荡频率。波形较差，常含有高次谐波。,由于电感对高频信号呈现较大的电抗，故波形中含高次谐波，为使振荡波形好，采用电容反馈式电路。,4.,电容反馈式（电容三点式）电路,若要振荡频率高，则,L,、,C,1,、,C,2,的取值就要小。当,电容,减小到一定程度,时,，晶体管的极间电容将并联在,C,1,和,C,2,上，影响振荡频率。,特点：,波形好，振荡频率调整范围小，适于频率固定的场合。,与放大电路参数无关,作用？,四、石英晶体正弦波振荡电路,SiO,2,结晶体按一定方向切割的晶片。,压电效应和压电振荡：机械变形和电场的关系,固有频率只决定于其几何尺寸，故非常稳定。,容性,感性,阻性,一般,LC,选频网络的,Q,为几百，石英晶体的,Q,可达,10,4,10,6,；前者,f,/,f,为,10,5,，后者可达,10,10,10,11,。,1,.,石英晶体的特点,2.,电路,石英晶体工作在哪个区？,是哪种典型的正弦波振荡电路？,石英晶体工作在哪个区？,两级放大电路分别为哪种基本接法？,C,1,的作用？,（,1,）并联型电路,（,2,）串联型电路,讨论三,：改错，使电路有可能产生正弦波振荡,同名端对吗？,放大电路能放大吗？各电容的作用？,讨论四,同铭端？,能产生正弦波振荡吗？,“判振”时的注意事项：,1.,放大电路必须能够正常工作，放大电路的基本接法；,2.,断开反馈，在断开处加,f,=,f,0,的输入电压；,3.,找出在哪个元件上获得反馈电压，是否能取代输入电压。,三个电路有什么相同之处？这样的电路形式有什么好处？,清华大学 华成英 hchya,9.2,非正弦波发生电路,一、常见的非正弦波,二、矩形波发生电路,三、三角波发生电路,四、锯齿波发生电路,五、波形变换电路,一、常见的非正弦波,矩形波,三角波,锯齿波,尖顶波,阶梯波,矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。,通过什么电路可将矩形波变为其它几种波形？,二、矩形波发生电路,输出,无稳态,，,有两个暂态,；若输出为高电平时定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。,1.,基本组成部分,（,1,）开关电路,：因为输出只有高电平和低电平两种情况，即两个暂态；故采用电压比较器。,（,2,）反馈网络,：因需自控，在输出为某一暂态时孕育翻转成另一暂态的条件，故应引入反馈。,（,3,）延迟环节,：要使两个暂态均维持一定的时间，故采用,RC,环节,实现,，从而决定振荡频率,。,2.,电路组成,正向充电：,u,O,（,+,U,Z,）,R,C,地,反向充电：,地,C,R,u,O,（,U,Z,）,RC,回路,滞回比较器,3.,工作原理,：,分析方法,方法一：,设电路已振荡，且在某一暂态，看是否能自动翻转为另一暂态，并能再回到原暂态。,方法二：,电路合闸通电，分析电路是否有两个暂态，而无稳态。,设合闸通电时电容上电压为,0,，,u,O,上升，则产生正反馈过程：,u,O,u,P,u,O,，,直至,u,O,U,Z,，,u,P,+,U,T,，为,第一暂态。,3.,工作原理,：,电容正向充电，,t,u,N,，,t,，,u,N,U,Z,；,但当,u,N,+,U,T,时，再增大，,u,O,从+,U,Z,跃变为,U,Z,，,u,P,U,T,，,电路进入,第二暂态,。,电容反向充电，,t,u,N,，,t,，,u,N,U,Z,；,但当,u,N,U,T,时，再减小，,u,O,从,U,Z,跃变为+,U,Z,，,u,P,+,U,T,，,电路,返回第一暂态,。,第一暂态,：,u,O,U,Z,，,u,P,+,U,T,。,脉冲宽度,4.,波形分析,5.,占空比可调电路,为了占空比调节范围大，,R,3,应如何取值？,正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。,三、三角波发生电路,1.,电路组成,用积分运算电路可将方波变为三角波。,两个,RC,环节,实际电路将两个,RC,环节合二为一,为什么采用同相输入的滞回比较器？,u,O,要取代,u,C,，,必须改变输入端。,集成运放应用电路的分析方法：,化整为零（分块），分析功能（每块），统观整体，性能估算,2.,工作原理,滞回比较器,积分运算电路,求滞回比较器的电压传输特性：三要素,U,OH,=,U,OL,=,U,Z,，,u,I,作用于集成运放的同相输入端，求,U,T,：,合闸通电，通常,C,上电压为,0,。设,u,O1,u,P1,u,O1,，,直至,u,O1,U,Z,（,第一暂态,）；积分电路反向积分，,t,u,O,，,一旦,u,O,过,U,T,，,u,O1,从,U,Z,跃变为,U,Z,（,第二暂态,）,。,积分电路正向积分，,t,u,O,，,一旦,u,O,过,U,T,，,u,O1,从 ,U,Z,跃变为,U,Z,，,返回第一暂态,。重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。,电路状态翻转时，,u,P1,=?,三角波发生电路的振荡原理,3.,波形分析,如何调整三角波的幅值和频率？,怎样修改可获得锯齿波？,“理性地调试”：哪些参数与幅值有关？哪些参数与频率有关？先调哪个参数？,T/2,四、锯齿波发生电路,1.,R,3,应大些？小些？,2.,R,W,的滑动端在最上端和最下端时的波形？,T,3.,R,3,短路时的波形？,若由输入电压确定，则将电压转换为频率,五、波形变换电路,1.,利用基本电路实现波形变换,正弦波变方波、变矩形波、变二倍频，方波变三角波，,三角波变方波，固定频率的三角波变正弦波,如何得到？,利用电子开关改变比例系数,2.,三角波变锯齿波,：,二倍频,三角波用傅立叶级数展开，除基波外，还含有,3,次、,5,次,谐波。,3.,三角波变正弦波,若输入信号的频率变化不大，则可用滤波法实现。,范围是什么？,若输入信号的频率变化较大，则可用折线法实现,。,8.3,信号的转换,一、概述,二、,u,-,i,转换电路,三、精密整流电路,四、,u,-,f,转换电路,一、概述,信号的发送：调幅、调频、调相,信号的接收：解调,信号对负载的驱动：,i,-,u,，,u,-,i,信号的预处理：,AC-DC,（,整流、检波、滤波）,DC-AC,（,斩波）,信号的接口：,A-D,（,如,u,-,f,），,D-A,二、,u,-,i,转换电路,若信号源不能输出电流，则选电路一；若信号源能够输出一定的电流，则可选电路二。,若负载需接地，则上述两电路均不符合要求。,电路一,电路二,引入了电流串联负反馈,引入了电流并联负反馈,豪兰德电流源电路,电路既引入了负反馈，又引入了正反馈。,R,o,=!,如何求解输出电阻？,参阅,6.7.1,节,理想运放情况下：,为什么一般的整流电路不能作为精密的信号处理电路？,三、精密整流电路,若,u,Imax,U,on,，则,u,O,仅在大于,U,on,近似为,u,I,，,失真。,精密整流电路是信号处理电路，不是电源中,AC-DC,的能量转换电路；实现微小信号的整流。,设,R,R,f,对于将二极管和晶体管作电子开关的集成运放应用电路，在分析电路时，首先应判断管子相当于开关闭合还是断开，它们的状态往往决定于输入信号或输出信号的极性。,精密整流电路的组成,半波整流，若加,u,I,的负半周，则实现全波整流,为什么是,精密整流？,全波精密整流电路,二倍频三角波,绝对值运算电路,四、,u,-,f,转换电路（,压控振荡器,）,1.,电荷平衡式压控振荡器,电路的组成：由锯齿波发生电路演变而来。,T,电位器滑动端在最上端时：,若,T,2,决定于外加电压，则电路的振荡频率就几乎仅仅受控于外加电压，实现了,u,f,的转换。,1.,电荷平衡式压控振荡器,R,1,R,5,单位时间内脉冲个数表示电压的数值，故实现,A/D,转换,若,u,I,0,，,则电路作何改动？,2,.,复位式压控振荡器,1.,晶体管什么情况下导通？什么情况下截止？,2.,晶体管饱和导通和截止,u,O1,和,u,I,的运算关系？,3.,u,I,的极性？,4.,u,O1,、,u,O2,的波形？,5.,u,I,与振荡频率的关系？,讨论,：,已知三极管饱和压降为,0,。,清华大学 华成英 hchya,