波形发生电路.ppt
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1、http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,第7章 波形发生电路,7.1 正弦波振荡电路 7.2 非正弦信号发生器 7.3 集成函数发生器8083简介 7.4 压控振荡器,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,7.1 正弦波振荡电路,7.1.1 正弦波振荡电路的基础知识 1. 自激振荡现象 扩音系统在使用中有时会发出刺耳的啸叫声, 其形成的过程如图7.1所示。,图 7.1 自激振荡现象,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,2. 自激振荡形成的条件 可以借助图.所示的方框图来分析正弦波振荡形成的条件。,图 7.2 振荡电路的方框图,http:/ 电子发
2、烧友 http:/ 电子技术论坛,由此可见, 自激振荡形成的基本条件是反馈信号与 输入信号大小相等、 相位相同, 即 , 而 可得,(7.1),这包含着两层含义: () 反馈信号与输入信号大小相等, 表示 即 () 反馈信号与输入信号相位相同, 表示输入信号 经过放大电路产生的相移A和反馈网络的相移F之和 为0, 2, 4, , 2n, 即,(7.2),http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,A+F=2n(n=0, 1, 2, 3, ) (7.3) 称为相位平衡条件。 ,图 7.3 自激振荡的起振波形,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,. 正弦波振荡的形成过程
3、 放大电路在接通电源的瞬间, 随着电源电压由零开始的突然增大, 电路受到扰动, 在放大器的输入端产生一个微弱的扰动电压ui, 经放大器放大、 正反馈, 再放大、 再反馈, 如此反复循环, 输出信号的幅度很快增加。 这个扰动电压包括从低频到甚高频的各种频率的谐波成分。 为了能得到我们所需要频率的正弦波信号, 必须增加选频网络, 只有在选频网络中心频率上的信号能通过, 其他频率的信号被抑制, 在输出端就会得到如图7.3的ab段所示的起振波形。,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,那么, 振荡电路在起振以后, 振荡幅度会不会无休止地增长下去了呢?这就需要增加稳幅环节, 当振荡电路的
4、输出达到一定幅度后, 稳幅环节就会使输出减小, 维持一个相对稳定的稳幅振荡, 如图7.3的bc段所示。 也就是说, 在振荡建立的初期, 必须使反馈信号大于原输入信号, 反馈信号一次比一次大, 才能使振荡幅度逐渐增大; 当振荡建立后, 还必须使反馈信号等于原输入信号, 才能使建立的振荡得以维持下去。 ,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,由上述分析可知, 起振条件应为,稳幅后的幅度平衡条件为,(7.4),. 振荡电路的组成 要形成振荡, 电路中必须包含以下组成部分: 放大器; 正反馈网络; 选频网络; 稳幅环节。,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,根据选频网
5、络组成元件的不同, 正弦波振荡电路通常分为振荡电路, 振荡电路和石英晶体振荡电路。 7.1.2 RC正弦波振荡电路 RC正弦波振荡电路结构简单, 性能可靠, 用来产生几兆赫兹以下的低频信号, 常用的RC振荡电路有RC桥式振荡电路和移相式振荡电路。 1. RC桥式振荡电路 1) RC串并联网络的选频特性 RC串并联网络由R2和C2并联后与R1和C1串联组成, 如图7.4所示。,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,图 7.4 RC串并联网络,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,设R1、 C1的串联阻抗用Z1表示, R2和C2的并联阻抗 用Z2表示, 那么,输出电
6、压 与输入电压 之比为RC串并联网络传输系数, 记为 , 则,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,在实际电路中取C1=C2=C, R1=R2=R, 则上式可简化为,其模值,相角,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,将f0 的表达式代入模值和相角的表达式, 并将角频 率变换为由频率f表示, 则,令,即,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,根据上式可作出RC串并联网络频率特性如图7.5所示。,图 7.5 RC串并联网络的频率特性,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,当 f=f0时, 电压传输系数最大, 其值为: F=1/3,
7、相角为零, 即F=0。 此时, 输出电压与输入电压同相位。 当ff0时, F1/3, 且F0, 此时输出电压的相位滞后或超前于输入电压。 由以上分析可知: RC串并联网络只在 f=f0=1/2RC 时, 输出幅度最大, 而且输出电压与输入电压同相, 即相位移为零。 所以, RC串并联网络具有选频特性。,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,2) RC桥式振荡电路 RC桥式振荡电路如图7.所示。 ,图 7.6 RC桥式正弦波振荡电路,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,在图7.6中, 集成运放组成一个同相放大器, 它的输出电压uo作为RC串并联网络的输入电压,
8、而将RC串并联网络的输出电压作为放大器的输入电压, 当f=f0时, RC串并联网络的相位移为零, 放大器是同相放大器, 电路的总相位移是零, 满足相位平衡条件, 而对于其他频率的信号, RC串并联网络的相位移不为零, 不满足相位平衡条件。 由于RC串并联网络在 f=f0 时的传输系数F1/3, 因此要求放大器的总电压增益Au应大于3, 这对于集成运放组成的同相放大器来说是很容易满足的。 由R1、 Rf、 V1、 V2及R2构成负反馈支路, 它与集成运放形成了同相输入比例运算放大器,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,只要适当选择Rf与R1的比值, 就能实现Au3的要求。 其中
9、, 1、 2和R2是实现自动稳幅的限幅电路。,(7.5),2RC移相式振荡电路 电路如图7.7所示, 图中反馈网络由三节RC移相电 路构成。 ,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,图 7.7 RC超前型移相式振荡电路,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,由于集成运算放大器的相移为180, 为满足振荡的相位平衡条件, 要求反馈网络对某一频率的信号再移相180, 图7.7中RC构成超前相移网络。 正如所知, 一节RC电路的最大相移为90, 不能满足振荡的相位条件; 二节RC电路的最大相移可以达到180, 但当相移等于180时, 输出电压已接近于零, 故不能满足起
10、振的幅度条件 。 为此, 在图7.7所示的电路中, 采用三节RC超前相移网络, 三节相移网络对不同频率的信号所产生的相移是不同的, 但其中总有某一个频率的信号, 通过此相移网络产生的相移刚好为180, 满足相位平衡条件而产生振荡, 该频率即为振荡频率f0。 ,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,RC移相式振荡电路具有结构简单、 经济方便等优点。 其缺点是选频性能较差, 频率调节不方便, 由于输出幅度不够稳定, 输出波形较差, 一般只用于振荡频率固定、 稳定性要求不高的场合。 ,振幅起振条件为,(7.6),(7.7),http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,7.1
11、.3 LC振荡电路 LC振荡电路分为变压器反馈式LC振荡电路、 电感反馈式LC振荡电路、 电容反馈式LC振荡电路, 用来产生几兆赫兹以上的高频信号。 1. 变压器反馈式LC振荡电路 ) 电路组成 变压器反馈式LC振荡电路如图7.8所示。 ,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,图 7.8 变压器反馈式LC正弦波振荡电路,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,) 振荡条件 (1) 相位平衡条件。 为了满足相位平衡条件, 变压器初次级之间的同名端必须正确连接。 电路振荡时, f=f0, LC回路的谐振阻抗是纯电阻性, 由图中L1及L2同名端可知, 反馈信号与输出电压
12、极性相反, 即F=180。 于是A+F=360, 保证了电路的正反馈, 满足振荡的相位平衡条件。 对频率ff0的信号, LC回路的阻抗不是纯阻抗, 而是感性或容性阻抗。 此时, LC回路对信号会产生附加,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,相移, 造成F180, 那A+F360, 不能满足相位平衡条件, 电路也不可能产生振荡。 由此可见, LC振荡电路只有在f=f0这个频率上, 才有可能振荡。 (2) 幅度条件。 为了满足幅度条件AF1, 对晶体管的值有一定要求。 一般只要值较大, 就能满足振幅平衡条件。 反馈线圈匝数越多, 耦合越强, 电路越容易起振。,(7.8),http
13、:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,4) 电路优缺点 (1) 易起振, 输出电压较大。 由于采用变压器耦合, 易满足阻抗匹配的要求。 (2) 调频方便。 一般在LC回路中采用接入可变电容器的方法来实现, 调频范围较宽, 工作频率通常在几兆赫左右。 (3) 输出波形不理想。 由于反馈电压取自电感两端, 它对高次谐波的阻抗大, 反馈也强, 因此在输出波形中含有较多高次谐波成分。 2. 电感反馈式LC振荡电路 1) 如图7.9所示是电感反馈式LC振荡电路, 又称 哈特莱振荡电路。 ,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,图 7.9 电感反馈式LC振荡电路,http:/ 电子
14、发烧友 http:/ 电子技术论坛,)振荡条件分析 (1)相位条件。 设基极瞬时极性为正, 由于放大器的倒相作用, 集电极电位为负, 与基极相位相反, 则电感的端为负, 2端为公共端, 端为正, 各瞬时极性如图7.9所示。 反馈电压由1端引至三极管的基极, 故为正反馈, 满足相位平衡条件。 (2) 幅度条件。 从图7.9可以看出反馈电压是取自电感L2两端, 加到晶体管b、e间的。 所以改变线圈抽头的位置, 即改变L2的大小, 就可调节反馈电压的大小。 当满足| |1的条件时, 电路便可起振。,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,上式中, L1+L2+2M为LC回路的总电感,
15、M为L1与L2 间的互感耦合系数。 4) 电路优缺点 (1) 由于L1和L2之间耦合很紧, 故电路易起振, 输出幅度大。 (2) 调频方便, 电容C若采用可变电容器, 就能获得较大的频率调节范围。 ,3) 振荡频率,(7.9),http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,(3) 由于反馈电压取自电感L2两端, 它对高次谐波的阻抗大, 反馈也强, 因此在输出波形中含有较多高次谐波成分, 输出波形不理想。 3 电容反馈式振荡电路 电容反馈式LC振荡电路又称为考毕兹振荡电路,如图 7.10 所示。,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,图 7.10 电容反馈式振荡电路,ht
16、tp:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,1) 相位条件 与分析电感反馈式振荡电路相位条件的方法相同, 该电路也满足相位平衡条件。 2) 幅度条件 由图7.10的电路可看出, 反馈电压取自电容C2两端, 所以适当地选择C1、 C2的数值, 并使放大器有足够的放大量, 电路便可起振。 3)振荡频率 振荡频率为 ,(7.10),http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,是谐振回路的总电容。 4) 电路优缺点 容易起振, 振荡频率高, 可达100 MHz以上。 输出波形较好, 这是由于C2对高次谐波的阻抗小, 反馈电压中的谐波成分少, 故振荡波形较好。 但调节频率不方便。 因为C
17、1、 C2的大小既与振荡频率有关, 也与反馈量有关。 改变C1(或C2)时会影响反馈系数, 从而影响反馈电压的大小, 造成电路工作性能不稳定。 ,其中,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,*. 串联改进型电容反馈式LC振荡电路 串联改进型电容反馈式LC振荡电路又称克拉泼振荡电路, 如图7.11所示。 ,其中C表示回路总电容,(7.11),(7.12),当CC1, C3C2时, CC3。,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,图 7.11 克拉泼振荡电路,http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛,7.1.4 晶体振荡电路 1. 石英晶体的谐振特性与等
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