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1、第4章-信号发生电路-V2本章应掌握的内容：本章应掌握的内容：1. 自激振荡的概念及建立的条件；自激振荡的概念及建立的条件；5. 非正弦波信号发生器非正弦波信号发生器3. 常用正弦波振荡电路常用正弦波振荡电路RC振荡电路振荡电路、LC振荡电路的分析。振荡电路的分析。2. 正弦波振荡电路的基本组成；正弦波振荡电路的基本组成；6. 集成信号发生器集成信号发生器4. 石英晶体振荡电路；石英晶体振荡电路； 用来产生一定频率和幅度的正弦交流电。用来产生一定频率和幅度的正弦交流电。 正弦波振荡信号的正弦波振荡信号的：一赫以下至几：一赫以下至几百兆赫。百兆赫。 正弦波振荡电路正弦波振荡电路输出的交流电能是从
2、电源的输出的交流电能是从电源的直流电能转化而来。输出功率可以从几毫瓦到几直流电能转化而来。输出功率可以从几毫瓦到几十千瓦。十千瓦。概述概述. . 作为信号源，广泛用于量测、自动控制、通讯、作为信号源，广泛用于量测、自动控制、通讯、广播电视及遥控等方面。广播电视及遥控等方面。. . 作为高频能源，用于高频感应加热、冶炼、淬作为高频能源，用于高频感应加热、冶炼、淬火以及超声波焊接等工业加工方面。火以及超声波焊接等工业加工方面。信号产生电路信号产生电路( (振荡器振荡器Oscillators) )分类：分类：正弦波振荡正弦波振荡非正弦波振荡：非正弦波振荡：RC 振荡器振荡器( (1 kHz 数百数百
3、 kHz) )LC 振荡器振荡器( (几百几百 kHz 以上以上) )石英晶体振荡器石英晶体振荡器( (频率稳定度高频率稳定度高) )方波、方波、 三角波、三角波、锯齿波等锯齿波等主要性主要性要求能：要求能：输出信号的输出信号的幅度准确稳定幅度准确稳定输出信号的输出信号的频率准确稳定频率准确稳定.o.iUAU.ofUFU开环电压放大倍数开环电压放大倍数反馈系数反馈系数.ifUU若若时，时， 开关由开关由1拨向拨向2，反馈电压代替输入电压，反馈电压代替输入电压，将产生输出电压，即电路发生将产生输出电压，即电路发生。.ifUU当当时，时，则则.1AF 因此，振荡电路因此，振荡电路是：是：（1 1）
4、幅度条件：）幅度条件：|12AFAFn （2 2）相位条件：）相位条件：2 0,1,2,AFnn |1AF 反馈信号振幅应等于输入信号振幅。反馈信号振幅应等于输入信号振幅。反馈信号相位应于输入信号同相。反馈信号相位应于输入信号同相。.o.io|1fUUAFU U.i| |fUU|12AFAFn 上式为幅度平衡条件，是指振荡电路已进入稳幅振荡。上式为幅度平衡条件，是指振荡电路已进入稳幅振荡。|1AF |1AF 动画-振荡条件 电子课动画集61振荡条件.swf(ui1为初始电冲击为初始电冲击) 通常一个完整的正弦波振荡器由以下通常一个完整的正弦波振荡器由以下四个部分组成：四个部分组成：正弦波正弦波
5、振荡器振荡器放大环节放大环节反馈环节反馈环节选频环节选频环节稳幅环节稳幅环节C/RCRC/RUUF j1j1j112 1U2U)j(31oo RC1o 幅频特性幅频特性12UU1 3ffO相频特性相频特性 90o90 fOo0 (f)u1u2u2 与与 u1 波形波形u1, u2(3) 工作原理工作原理 输出电压输出电压 uO 经正反馈经正反馈(兼选频兼选频)网络分压后，取网络分压后，取uf 作为同相比例电路的输入信号作为同相比例电路的输入信号 ui 。1) 起振过程起振过程uf+ R+ RFR1 C RCuO +2) 稳定振荡稳定振荡 A = 0，仅在，仅在 f 0处处 F = 0 , 满足
6、相位平衡条件，满足相位平衡条件，所以振荡频率所以振荡频率 f 0= 1 2 RC。改变改变R、C可改变振荡频率可改变振荡频率 由运算放大器构成的由运算放大器构成的RC振荡电路的振荡频率一振荡电路的振荡频率一般不超过般不超过1MHz。3) 振荡频率振荡频率 振荡频率由相位平衡条件决定。振荡频率由相位平衡条件决定。311 RRAFu 考虑到起振条件考虑到起振条件AuF 1, 一般应选取一般应选取 RF略大略大2R1。如果这个比值取得过大，会引起振荡波形严重失真。如果这个比值取得过大，会引起振荡波形严重失真。311 RRAFu即即 RF= 2R1起振时信号小，二极管正向电阻起振时信号小，二极管正向电
7、阻 rd大，大，Auf大，易起振；电压幅值增加，电流大，易起振；电压幅值增加，电流增大，增大， rd减小，减小，Auf下降，自动稳幅。下降，自动稳幅。正负半周总有一只二极管导通。正负半周总有一只二极管导通。上述电路也可改画成如下图，反相端在下上述电路也可改画成如下图，反相端在下起振时信号小，二极管正向电阻起振时信号小，二极管正向电阻 rd大，大，Auf大易起振；大易起振； 当电压幅值增加，电流增大，当电压幅值增加，电流增大， rd减小，减小，Auf下降，自下降，自动稳幅。动稳幅。正负半周总有一只二极管导通。正负半周总有一只二极管导通。振荡频率的调整，用波段开关振荡频率的调整，用波段开关 改变开
8、关改变开关K的位置可改变选频的位置可改变选频网络的电阻，实现频率粗调；网络的电阻，实现频率粗调； 改变电容改变电容C 的大小可实现频率的大小可实现频率的细调。的细调。RCf 21o振荡频率振荡频率4.3.1 LC选频电路选频电路当当01LC时，时，U 与与I 同相，同相，LC并联阻并联阻抗达到最大。抗达到最大。4. 并联谐振的本质并联谐振的本质 电流谐振电流谐振LuCr +iiLiC1) ) Z = Z0 呈纯阻呈纯阻2) )形成形成环流环流，大小是总电流的，大小是总电流的 Q 倍倍IQILLQIZZIILLC 000CLII ICILUILCf 210 动画动画-变压器反馈式振荡器变压器反馈
9、式振荡器 电子课动画集62变压器反馈振荡.swf 由集成运放构成的变压器反馈式LC振荡电路见图4-10，L1C2为选频回路，L2构成反馈绕组，形成正反馈，满足相位平衡条件。【例4-1】RC桥式振荡电路如图4-11所示，试求解： （1）用相位条件判断能否振荡，如不能振，如何改接。 （2）求RW的下限值； （3）振荡频率的调节范围。* *、LC 振荡电路的应用举例振荡电路的应用举例1. 控制机械定位的接近开关控制机械定位的接近开关LC振荡振荡电路电路CL整流整流开关开关控制控制滤波滤波高电平高电平低电平低电平当金属靠近当金属靠近 LC 回路的回路的 L 时，金属体内感应产生涡流，时，金属体内感应产
10、生涡流，使使 LC 回路能量损耗增加，回路能量损耗增加，Q 减小，回路阻抗减小，减小，回路阻抗减小，振荡幅度降低，使输出由高电平变为低电平。振荡幅度降低，使输出由高电平变为低电平。4. 4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路一、石英晶体的基本特性一、石英晶体的基本特性1. 结构和符号结构和符号化学成分化学成分 SiO2结构结构晶片晶片涂银层涂银层焊点焊点符号符号2. 压电效应压电效应形变形变形变形变机械振动机械振动压电谐振压电谐振外加交变外加交变电压的频率等电压的频率等于晶体固有频于晶体固有频率时，机械振率时，机械振动幅度急剧加动幅度急剧加大的现象。大的现象。 为什么石英晶体能作为一个谐振回路,
11、 而且具有极高的频率稳定度呢？这要从石英晶体的固有特性来进行分析。 物理学的研究表明, 当石英晶体受到交变电场作用时, 即在两极板上加以交流电压, 石英晶体便会产生机械振动。 反过来, 若对石英晶体施加周期性机械力, 使其发生振动, 则又会在晶体表面出现相应的交变电场和电荷, 即在极板上有交变电压。当外加电场的频率等于晶体的固有频率时, 便会产生“机电共振”, 振幅明显加大, 这种现象称为压电谐振。 它与LC回路的谐振现象十分相似。 3. 等效电路等效电路RC0CLCo 晶片静态电容晶片静态电容( (几几 几十几十 pF) )L 晶体的动态电感晶体的动态电感( (10 3 102 H) )(
12、(大大) )C 晶体的动态电容晶体的动态电容( ( 0.1 pF) )( (小小) )R 等效摩擦损耗电阻等效摩擦损耗电阻( (小小) ) 1CLRQ 4. 频率特性和谐振频率频率特性和谐振频率fXfPfS容性容性感性 21 SLCf 21 00PCCCCLf 1 0SCCf fP 和和 fs 很接近很接近 压电谐振的固有频率与石英晶体的外形尺寸及切割方式有关。 从电路上分析, 石英晶体可以等效为一个LC电路, 把它接到振荡器上便可作为选频环节应用。 图4.12为石英晶体在电路中的符号和等效电路。 (a)C0LCR(b) 图 7.13石英晶体的符号和 等效电路 (a) 符号； (b) 等效电路
13、 底座绝缘体管脚晶片引线(a)金属壳(b) 图 412石英晶体谐振器(a) 石英晶体振荡器； (b) 外形图 图 7.16 串联型石英晶体振荡电路 在许多电子设备中，需要应用矩形波、三角波、锯齿波等非正弦波信号。本节只介绍由集成运放构成的非正弦信号发生电路，它们一般由电压比较器和积分电路等构成。方波（矩形波）发生器是一种能够直接产生方波（矩形波）的非正弦波发生器。 用滞回比较器构成的方波产生电路如图4.14 (a)所示。两个稳压管的作用是将输出电压钳位在某个特定的电压值，它的指导思想是利用电容两端的电压作比较，来决定电容是充电还是放电。图中R和C为定时元件，构成积分电路。由于方波包含极丰富的谐
14、波，因此方波产生电路又称为多谐振荡器。 4.5.1.方波发生器2. 方波振荡器工作原理 它的指导思想是利用电容两端的电压作比较，来决定电容是充电还是放电。图中R和C为定时元件，构成积分电路。电路中要有Rf C延迟环节来确定每种状态维持的时间。通过充、放电实现输出状态的自动转换。用由集成运放组成的恒流积分电路替代RC积分环节，则既可得到方波输出，又可得到标准的三角波输出。A1：滞回比较器：滞回比较器 因因 u- = 0 ，所以，所以当当 u+ = 0时时，A1状态改变状态改变0o2111o2121 uRRRuRRRu当当 时时，即即当当 Z121o12oURRuRRu 动画动画TT1T2T =
15、T1+ T2 = 2T1 = 2T2RCRRTf2141 tRCUuio uo1 UZ UZRCUURRTTZZ12212 tOuoZ12URRZ12URR (1) 改变比较器的输出改变比较器的输出 uo1、电阻、电阻R1 、R2 即可改即可改变三角波的幅值。变三角波的幅值。 (2) 改变积分常数改变积分常数RC 即可改变三角波的频率。即可改变三角波的频率。动画动画图与波形放一起书中实用电路举例书中实用电路举例4.6 集成函数信号发生器MAX038 新一代函数信号发生器IC MAX038，克服了上一代芯片的缺点，可以达到更高的技术指标。MAX038频率高、精度好，因此它被称为高频精密函数信号发
16、生器IC。在信号发生器、锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上，MAX038都是优选的器件。芯片特性1 MAX038能精密地产生正弦波信号、三角波、锯齿波、矩形波（含方波）；频率范围从0.1Hz20MHz，最高可达40MHz，各种波形的输出幅度均为2V（峰峰值 ）,占空比调节范围宽，占空比和频率均可单独调节，二者互不影响，占空比最大调节范围是1090；波形失真小，正弦波失真度小于0.75，占空比调节时非线性度低于2；采用5V双电源供电，允许有5变化范围，电源电流为80mA，典型功耗400mW，工作温度范围为070；内设2.5V电压基准，可利用该电压设定FADJ、DADJ的电压
17、值，实现频率微调和占空比调节。 MAX038采用20脚双列直插式封装。各管脚功能如表4-1所示。注：表中5个地内部不相连，需外部连接。芯片性能芯片性能2 2 MAX038可以产生正弦波、方波或三角波。具体的输出波形由地址A0和A1的输入数据进行设置，如表4. 1所示。其中x表示任意状态。1为高电平，0为低电平。波形切换可通过程序控制在任意时刻进行，而不必考虑输出信号当时的相位。 根据上述使用原则，给出正弦波输出的工作电路，如图4-17所示。该电路具有输出频率范围宽、波形稳定、失真小、使用方便等特点。输出信号频率控制由注入IIN引脚的电流、COSC引脚电容和FADJ引脚上的电压决定。输出频率粗调可通过改变COSC引脚电容和注入IIN引脚的电流；改变COSC引脚电容，可以达到分段调节频率；调节VREF引脚与IIN引脚之间电阻Rin，来改变注入IIN引脚的电流，可在分段内连续调节输出频率。输出频率微调时，可改变FDAJ端的电压，能对频率进行精细调节。FDAJ端电压VFADJ在2.4V 范围内变化时，输出频率的变化率为70%。