振荡器的基本原理

本 章 目 录总目录点击即可进入学习 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 一. 产生自激振荡的条件fid XXX -=改成正反馈只 有 正 反 馈 电 路 才 能 产 生 自 激 振 荡 。8.1 正弦波振荡器的基本原理+Xi f基本放大器A反馈网络FX + d oXX 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页如 果 ： ,if XX =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 + d oXXXd o f基本放大器A反馈网络F XX 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 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 ： 1| =AF 2、 相 位 条 件 ： pjj nFA 2=+ n是 整 数1. =FAAAA j= |因 为 ： FFF j= |.Xd of基本放大器A反馈网络F XX dXXA 0= 0XXF f= 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 二 .起 振 条 件 和 稳 幅 原 理起 振 条 件 ：结 果 ： 产 生 增 幅 振 荡1| FA （ 略 大 于 ）1、 被 动 稳 幅 ： 器 件 非 线 性2、 主 动 稳 幅 ： 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 ， 1| FA 稳 定 振 荡 时 ， 1| =FA 稳 幅 措 施 ： 起 振 过 程Xd of基本放大器A反馈网络F XX 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 1.放 大 电 路 实 现 能 量 控 制 。2.正 反 馈 网 络 满 足 起 振 条 件 。3.选 频 网 络 只 有 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 。三 .正 弦 波 振 荡 器 的 一 般 组 成 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 8.2 RC正弦波振荡电路一 . RC 串 并 联 网 络 的 选 频 特 性R1C1 串 联 阻 抗 ： 21 2of ZZ ZUUF += )j/1( 111 CRZ += 222 222 j1 )j/1/( CRR CRZ +=R2C2 并 联 阻 抗 ：选 频 特 性 ： + + + + R u + - o - f u + 1 2R C1 2C 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 1.定性分析（ 1） 当 信 号 的 频 率 很 低 时 。R111C R221C其 低 频 等 效 电 路 为 ： 其 频 率 特 性 为 ：当 =0时 ，u f=0， F=0 =+90Fj当 时 ，uf=， F Fj + + f o - + R2 1 u -u C +0 |F|0 F90 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 （ 2） 当 信 号 的 频 率 很 高 时 。 R111C R221C其 高 频 等 效 电 路 为 ： 其 频 率 特 性 为 ：当 =时 ，u f=0， F=0 =-90Fj当 时 ，uf=， F Fj + + ou-f-u+2C+1R0 |F|0 F-90 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 0=？ Fmax=？由 以 上 分 析 知 ： 一 定 有 一 个 频 率 0存 在 ，当 =0时 ， F最 大 ， 且 =0Fj0 |F|0 F900 |F|0 F-90频 率 很 低 频 率 很 高 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 2. 定量分析)j/1( 111 CRZ += 222 222 j1 )j/1/( CRR CRZ += R1C1 串 联 阻 抗 ：R2C2 并 联 阻 抗 ： 21 2of ZZ ZUUF += + + + + R u + - o - f u + 1 2R C1 2C )1j()1( 1j1j 1 j1 1221211222211 222 CRCRRRCCCRRCR CRRF -+=+ += 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 )1j()1( 1j1j 1 j1 1221211222211 222 CRCRRRCCCRRCR CRRF -+=+ +=通 常 ， 取 R1 R2 R， C1 C2 C， 则 有 ：)j(3 1 00 -+=F式 中 ： RC1 0 =可 见 ： 当 时 ， F最 大 ， 且 =0RC10 = Fj Fmax=1/3 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 RC串 并 联 网 络 完 整 的 频 率 特 性 曲 线 ：RC10 =当 时 ， F= Fmax=1/3 0F =j RC10 = RCf p2 10 = Fo +90o |F|1/3 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 二 .RC桥 式 振 荡 器 的 工 作 原 理 0=Aj在 f0 处 ,0=Fj满 足 相 位 条 件 ：因 为 ：AF=1 31=F1 1f+= RRA1f 2RR = 只 需 ： A=3输出正弦波频率：RCf p2 10 = 0=+ FA jj振 幅 条 件 ：u Rf 1R R R C C uf A + + o引 入 负 反 馈 ：选 ： 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 RC桥 式 正 弦 波 振 荡 电 路反 馈 网 络 构 成 桥 路 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 例 题 :R=1k， C=0.1F， R1=10k。 Rf为 多 大 时 才能 起 振 ？ 振 荡 频 率 f0=？ AF=1， 31=F1 1f+= RRAA=3Rf=2R1=210=20k RCf p2 10 = =1592 Hz起 振 条 件 ： uRf1RRR CC uf A+ + o 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 能 自 动 稳 幅 的 振 荡 电 路 u 0.1u 10k 0.1u + + A fu 10k 10k 39k 100k o tR 半导体热敏电阻(负温度系数）起 振 时 Rt较 大 使A3,易 起 振 当 uo幅 度 自 激 增长 时 ， Rt减 小 ，A减 小 。 当 uo幅 度 达 某 一值 时 ， A3 当 uo进 一 步 增 大时 ， RT再 减 小 ,使 A UREF时 , uo = +Uom当 ui UREF时 , uo = -Uom 运放处于开环状态uuU + +i-uu A OREF 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页uo ui0+Uom-Uom UREF 当 ui UREF时 , uo = -Uom 若 ui从 反 相 端 输 入 u u U + + + i - u u A O REF +- 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 uo ui0+UZ-UZ（1）用稳压管稳定输出电压忽略了UD3. 限幅电路使输出电压为一稳定的确定值 u u Z+ O + - Au Z + D u R i 当 ui 0时 , uo = +UZ当 ui 0时 , uo = -UZ当 ui 0时 , uo = +UZ 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 二. 迟滞比较器1.工作原理两个门限电压。特点:电路中使用正反馈运放工作在非线性区。（1）当uo =+UZ时，（2）当uo =-UZ时，REFZ URR RURR RUu 2f f2f 2T += + REFZ URR RURR RUu f2 ff2 2T +-= -+ UT+称上门限电压UT-称下门限电压(UT+- UT- )称为回差电压 u u u A + R - Z u + D O + f u R Z i REF R1 R2 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 迟滞比较器的电压传输特性：uo ui0+UZ -UZ UT+UT-设ui , 当ui = UT+时, uo从+UZ -UZuuu A+ R-Zu + DO+ fu R ZiREF R1R2 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页同 相 滞 回 比较 器 电 压 传输 特 性 反 相 滞 回 比较 器 电 压 传输 特 性 从 运 放 的 反 相输 入 端 输 入从 运 放 的 同 相输 入 端 输 入 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 例 题 ： Rf=10k， R2=10k ， UZ=6V， UREF=10V。当 输 入 ui为 如 图 所 示 的 波 形 时 ， 画 出 输 出 uo的 波 形 。上下限电压：V8 2f f2f 2T =+=+ REFZ URR RURR RU V22f f2f 2T =+-=- REFZ URR RURR RU uo ui0 8V2V传输特性+6V-6V u u u A + R- Z u + D O + f u R Z i REF R1 R2 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 2V8Vuiuo+6V-6Vuo ui0 8V2V传输特性+6V-6V uuu A+ R- Z u + D O + f u R Z i REF R1 R2 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 三 、 窗 口 电 压 比 较 器 时 ,V O1=VO2=VOL， VO=0；由 此 画 出 电 压 传 输 特 性 如 图 所 示 。电 路 有 两 个 参 考 电 压 VRH和 VRL，当 VRH时 ， VO1=VOH， VO2=VOL， VO=VOH；当 VRL时 ， VO1=VOL， VO2=VOH， VO=VOH；当 SvSv RHSRL VvV 1o V 2oV RHVRLV RLRH VV 令 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页1RV2RV 三 态 电 压 比 较 器 21 RR VV 令1oV 2oV oLooRS VVVVv = 212, D2导 ， D1截 ， OLo Vv =oHooRS VVVVv = 211, D2截 ， D1导 ， OHo Vv =21 RSR VvV D2截 ， D1截 ， 0=ov 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 四 、 集 成 比 较 器1. LM311型 集 成 比 较 器特 点 ： 电 源 电 压 可 以 单 组 +5V， 也 可 15V， 适 应范 围 宽 ； 输 出 与 TTL或 CMOS平 兼 容 ； 可 以 直 接 驱动 多 种 负 载 （ 灯 泡 、 继 电 器 等 ） 。+ - 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 LM311的 几 种 实 际 连 接集 电 极 输出 连 接 集 电 极 输出 连 接发 射 极 输出 连 接 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 2. MC14574（ CMOS） 集 成 四 电 压 比 较 器MC14574比 较 器电 路 原 理 图 MC14574比 较 器引 脚 排 列 图 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 1.电 路 结 构由 滞 回 比 较 电 路 和 RC定 时 电 路 构 成 ZURR RU f1 1T +=+ ZURR RU f1 1T +-=-上下限: 8.6 非 正 弦 波 发 生 电 路 u + A + - u+ u 1R fR ZR ZD O R Cu C 一 、 方 波 （ 矩 形 波 ） 发 生 器 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页2.工 作 原 理 ：(1) 设 uo = + UZ , 此 时 ， uO 给 C 充 电 , uc ，则 ： u+=UT+ 0 t uo+UZ-UZucUT+0 t一旦 uc UT+ , 就有 u- u+ , u o 立即由UZ变成UZ 。在 uc UT+ 时，u- u+ , 设 uC初 始 值 uC(0+)= 0 方波发生器u o保持+UZ不变 +UZ u + A + - u+ u 1R fR ZR ZD O R Cu C 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 此 时 ， C向 uO放 电 ,再 反 向 充 电(2) 当 uo = -UZ 时 ， u+=UT-u c达 到 UT-时 ， uo上 跳 。 UT+ uc tUT-当 u o 重 新 回 到 UZ 后 ， 电 路 又 进 入 另 一 个 周 期 性 的 变 化 。-UZu+ A +-u+u 1R fR ZR ZDO R Cu C 0 tuo+UZ-UZ 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 0UT+uc tUT-+UZuo0 t - UZ T完 整 的 波 形 ：如 何 计 算 振 荡 周 期 T？u + A + - u+ u 1R fR ZR ZD O R Cu C 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 周 期 与 频 率 的 计 算 ： 0 UT+uc t UT- +UZ -UZ T1 T2TT= T1 + T2 =2 T2 u c(t)=UC ()+ UC (0+) -UC () e ,=RC- tT2阶段uc(t)的过渡过程方程为:u+ A +-u+u 1R fR ZR ZDO R Cu C 令 t=0 t=T/2 +=+ TC UU )0( ZC UU -=)(-= TC UTU )2/( RCTZTZ eUUU 2/)( -+ -+-= 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 周 期 与 频 率 的 计 算 ： 0 UT+uc t UT- +UZ -UZ T1 T2T u + A + - u+ u 1R f R ZR ZD O R Cu C 令 t=0 t=T/2 -= TC UTU )2/( RCTZTZ eUUU 2/)( -+ -+-=ZURR RU f1 1T +=+ ZURR RU f1 1T +-=- )21ln(2 f1RRRCT +=代如可推出: f = 1/T 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 3、 占 空 比 可 调 的 方 波 发 生 器 U Zuo0 t- 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 。 u + A + - u+ u 1R fR ZR ZD 1D 2D O R WR Cu C Tk T TTk=占 空 比 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页CRRW )( 311 + CRRW )( 322 + )21ln( 2111 RRT += )21ln( 2122 RRT += )21ln()2( 21321 RRCRR TTT W += += 3311 2RR RRTT WW +=可 见 ： 调 节 电 位 器 可 改 变 占 空 比 ， 不 可 改 变 周 期 。 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 二、三角波及锯齿波信号发生器电 路 结 构 ： 迟 滞 比 较 器 +反 相 积 分 器1. 三 角 波 发 生 器 u+ R +A1+ R Z - 2 Z D u 4R o2 + + R1 R3 5R Cu u o1 A2 工作原理： 2o21 21o21 1 uRR RuRR Ru +=+ 2o21 221 1 uRR RURR R Z +=0= -+ uu令 ZURRu 212o = ZTo URRUu 212 =+= ZTo URRUu 212 -=-=对 输 出 有 上下 限 电 压 ： 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 u+ R +A1+ R Z - 2 Z D u 4R o2 + + R1 R3 5R Cu u o1 A2若u o1=+UZ， uo2。 当u02 -UT时， uo1由+UZ翻转为-UZ若uo1=-UZ， uo2。 当u02 +UT时， uo1由-UZ翻转为+UZZTo URRUu 212 =+= ZTo URRUu 212 -=-=O 1u O 2u同 相滞 回 )(0dt1 2o0 1o42o +-= uuCRu t由 积 分 运 算 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 波 形 图0UT+uo2 tUT-+U Zuo10 t - UZ T O 1u O 2u同 相滞 回当u 02 -UT时, uo1由+UZ翻转为-UZ当u02 +UT时,uo1由-UZ翻转为+UZ若uo1=-UZ， uo2。若uo1=+UZ， uo2。)(0dt1 2o0 1o42o +-= uuCRu t 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 波 形 图振 荡 周 期 ： 0UT+uo2 tUT-+U Zuo10 t - UZ TuR-+ Z+u R R+1 2A1u 4 R +CA2R Z D 5+uo1 o22414 R CRRT = CRRRf 41 24=振 荡 频 率 ： 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 2.锯 齿 波 发 生 器改 变 积 分 器 的 正 反 向 充电 时 间 常 数 ， 从 而 改 变占 空 比 。 u Z o1 R o2 3 Z u + R R 5 + D u 4 u RA1- R + 1 A2+ 2 C + R D6R uo1=+UZ，D截止，充 电时 间 常 数 ： R4C。uo1=-UZ，D导通，充 电 时 间常 数 ： (R6 R4)C R6C。 +UZuo10 t - UZ R6 R4T1 T2 2411 2 R CRRT = 2612 2 R CRRT = 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页uZo1R o23 Z u +RR 5+ D u 4u RA1-R +1 A2+ 2 C +R D6R +UZuo10 t - UZ R 6 R4 T1 T22411 2 R CRRT = 2612 2 R CRRT =1 2 64121 )(2T R CRRRTTT +=+= T64 41 RR RTT += 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 波 形 图0UT+uo2 tUT-+U Zuo10 t - UZ TT1 O 1u O 2u同 相滞 回当u 02 -UT时, uo1由+UZ翻转为-UZ当u02 +UT时,uo1由-UZ翻转为+UZ若uo1=-UZ， uo2。若uo1=+UZ， uo2。1TT 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 三 、 单 片 集 成 多 功 能 函 数 发 生 器一 、 单 片 集 成 ICL8038型 多 功 能 函 数 发 生 器特 点 ： 有 正 弦 波 、 矩 形 波 、 三 角 波 （ 锯 齿 波 ） 三 种 波 形 输 出 ；矩 形 波 的 占 空 比 任 意 调 节 ， 频 率 范 围 为 0.001Hz1MHz， 失 真度 0.1%。 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 ICL8038的 引 脚 图 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 电 路 外 形 为 双 列 直 插 式 14引 脚 封 装 ， 内 部 有 两 个 电压 比 较 器 ， 二 个 参 考 电 压 （ , ) ,二 个 电 流 源 ， 二 个缓 冲 器 ， 还 有 一 个 正 弦 函 数 转 换 器 （ 三 角 波 转 换 成 正 弦波 电 路 ） 。 CCV31 CCV32其 原 理 是 由 触 发 器 控 制 开 关 实 现 恒 流 充 电 还 是 恒 流 放 电 ，产 生 方 波 和 三 角 波 ， 三 角 波 再 转 换 成 正 弦 波 输 出 。 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 ICL8038 函 数 发 生 器 原 理 框 图 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 上 拉 电 阻 ，（ 因 内 部 集 电极 开 路 输 出 ）不 由 外 接压 控 调 频时 ， 调 频外 接 短 路函 数 发 生 器 的 外接 频 率 调 节 ，（ Ra=Rb时 ， 占 空比 为 50%）决 定 频率 的 定时 电 容 正 弦 波 输出 时 的 失真 度 校 准ICL8038函 数 发 生 器 的 典 型 连 接 模拟电子技术第八章 上 页 首 页 下 页 若 有 不 当 之 处 ， 请 指 正 ， 谢 谢 ！