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1、第九章第九章 信号产生电路信号产生电路9.1 正弦波振荡电路的组成及振荡条件正弦波振荡电路的组成及振荡条件9.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.4 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路本章基本教学要求本章基本教学要求掌握产生正弦振荡的条件，掌握产生正弦振荡的条件，RCRC正弦波发正弦波发生电路。各种振荡电路的振荡频率的计生电路。各种振荡电路的振荡频率的计算公式。算公式。正确理解正确理解LCLC正弦波发生电路，非正弦波正弦波发生电路，非正弦波发生电路。发生电路。一般了解石英晶体振荡电路以及方波、一般了解石英晶体振荡电路以及方波、三角波、锯齿波产生电路
2、的工作原理。三角波、锯齿波产生电路的工作原理。本章重点内容本章重点内容产生正弦波振荡的条件。产生正弦波振荡的条件。RC RC 和和LC LC 选频网络的选频原理。选频网络的选频原理。RC RC 和和LC LC 正弦波振荡电路的判别及正弦波振荡电路的判别及振荡频率的估算。振荡频率的估算。正弦波发生电路能产生正弦波输出，它是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波发生电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振荡
3、器。荡器。9 9.1.1 正弦波发生电路的组成正弦波发生电路的组成 产生正弦波的电路条件产生正弦波的电路条件 9.1.3 起振条件和稳幅原理起振条件和稳幅原理9.1.1 9.1.1 正弦波发生电路的组成正弦波发生电路的组成 为了产生正弦波，为了产生正弦波，必须在放大电路必须在放大电路里加入正反馈，因此放大电路和正反馈里加入正反馈，因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要网络是振荡电路的最主要部分部分。如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。生非线性失真。反之，如果正反
4、馈量不足，则减幅，可能反之，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。停振，为此振荡电路要有一个稳幅电路。为了获得单一频率的正弦波输出，应该有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。选频网络由电路合而为一。选频网络由R、C和和L、C等电等电抗性元件组成。正弦波振荡器的名称一般由选抗性元件组成。正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。频网络来命名。正弦波发生电路的组成正弦波发生电路的组成:放大电路放大电路 正反馈网络正反馈网络选频网络选频网络稳幅电路稳幅电路 产生正弦波的条件产生正弦
5、波的条件 产生正弦波的条件与负反馈放大电路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。信号，无所谓附加相移。振荡条件：振荡条件：幅度平衡条件：幅度平衡条件：相位平衡条件：相位平衡条件：AF=A+F=2n 动画动画9-1(a)负反馈
6、放大电路负反馈放大电路 (b)正反馈振荡电路正反馈振荡电路 图图9.1 振荡器的方框图振荡器的方框图 比较图比较图9.1(a)9.1(a)和和 (b)b)可以看出负反馈放大电路和正可以看出负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区别。由于振荡电路的输入信号反馈振荡电路的区别。由于振荡电路的输入信号 所以所以 。由于正、负号的改变，有下式：。由于正、负号的改变，有下式：振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中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：的损耗，需要正反馈强一些，即要求：这称为这称为起振条件起振条件。起振条件和稳幅原理起振条件和稳幅原理 既然既然 ，起振后就要产生增幅，起
7、振后就要产生增幅振荡，电路必然产生失真。要靠稳幅环节作振荡，电路必然产生失真。要靠稳幅环节作用，获得正弦波输出。用，获得正弦波输出。也可以在反馈网络中加入非线性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，稳幅环节，用以调节放大电路的增益，从而达到稳幅的目的。从而达到稳幅的目的。综上所述，综上所述，判断一个电路是否为正弦波振荡电路，看其组成是判断一个电路是否为正弦波振荡电路，看其组成是否含有否含有以下几个基本部分：以下几个基本部分：（1 1）放大电路）放大电路 （2 2）正反馈网络）正反馈网络 （3 3）选频网络）选频网络 （4 4）稳幅电路）稳幅电路 分析正弦波振荡电路时，首
8、先要判断是否振荡，判断振荡的分析正弦波振荡电路时，首先要判断是否振荡，判断振荡的方法是：方法是：（1）是否满足相位条件，即电路是否为正反馈，只有满足相位条件才有）是否满足相位条件，即电路是否为正反馈，只有满足相位条件才有可能振荡。可能振荡。（2）放大电路的结构是否合理，有无放大能力，静态工作点是否合适。）放大电路的结构是否合理，有无放大能力，静态工作点是否合适。1 1，则不可能振荡。则不可能振荡。1 1，能振荡，但输出波形明显失真。能振荡，但输出波形明显失真。（3）分析是否满足幅度条件，检验）分析是否满足幅度条件，检验 ，若，若 1，产生振荡。振荡稳定后，有稳幅措施，振荡稳定，而且，产生振荡。
9、振荡稳定后，有稳幅措施，振荡稳定，而且输出波形失真小。输出波形失真小。9.2 9.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.2.1 RC网络的频率响应网络的频率响应9.2.2 RC文氏桥振荡器文氏桥振荡器 RC RC 网络的频率响应网络的频率响应 RCRC串并联网络的电路如图串并联网络的电路如图9.2(a)9.2(a)所示。所示。RCRC串串联臂的阻抗用联臂的阻抗用Z Z1 1表示，表示，RCRC并联臂的阻抗用并联臂的阻抗用Z Z2 2表示。表示。其频率响应如下其频率响应如下:图图9.2(a)RC串并联网络串并联网络1)w wCR1j(3CRw w-+=Rj+)Cj/1(CRR3Rw ww w+
10、=)j1()Cj/1(RCRRRw ww w+=谐振频率为谐振频率为:f0=)j1/(+)Cj/1()j1/(212CRRRCRRZZZw ww ww w+=+=图图9.2(a)RC串并联网络串并联网络幅频特性幅频特性:相频特性相频特性:当当f=ff=f0 0 时的反馈系数时的反馈系数 ,且与频率且与频率f f0 0 的的大小无关。此时的相角大小无关。此时的相角 F F=0=0。即改变频率不会。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，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。有关曲线见不会停振，也不会使输出幅度改变。有关曲线见图图9.2(b)
11、9.2(b)。图图9.2(b)RC串并联网络的频率特性曲线串并联网络的频率特性曲线 RC文氏桥振荡电路 (1)RC文氏桥振荡电路的构成文氏桥振荡电路的构成 RC文氏桥振荡电路如图文氏桥振荡电路如图9.3所示，所示，RC 串并联串并联网络是正反馈网络，另外还增加了网络是正反馈网络，另外还增加了R1和和R2负反馈负反馈网络网络。C、R和和C、R正正反馈支路与反馈支路与R1、R2负反馈支路正好构负反馈支路正好构成一个桥路，称为成一个桥路，称为文氏桥。文氏桥。图图9.3 RC文氏桥振荡电路文氏桥振荡电路 为满足振荡的幅度条件为满足振荡的幅度条件 =1=1，所以，所以A Af f33。加入。加入R1、R
12、2 2支路，构成串联电压负反馈。支路，构成串联电压负反馈。F=0 图图9.3 RC文氏桥振荡电路文氏桥振荡电路(2)RC文氏桥振荡电路的稳幅过程 RC文氏桥振荡文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠电路的稳幅作用是靠热敏电阻热敏电阻R2实现实现 的。的。R2是正温度系数热敏是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，电阻，当输出电压升高，R2上所加的电压升高，即上所加的电压升高，即温度升高，温度升高，R2的阻值增加，负反馈增强，输出幅度的阻值增加，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，应放置在数，应放置在R1的位置。见图的位置。见图9.
13、3。图图9.3 RC文氏桥振荡电路文氏桥振荡电路 (a)稳幅电路稳幅电路 (b)稳幅原理图稳幅原理图 图图9.4 反并联二极管的稳幅电路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采用反并联二极管的稳幅电路如图9.49.4所示。所示。电路的电压增益为：电路的电压增益为：式中式中 Rp是电位器上半部的电阻值，是电位器上半部的电阻值，Rp是是电位器下半部的电阻值。电位器下半部的电阻值。R1=R1/RD，RD是并是并联二极管的等效平均电阻值。联二极管的等效平均电阻值。当当Vo大时，二极管支路的交流电流较大，大时，二极管支路的交流电流较大，RD较小，较小，Avf较小，于是较小，于是Vo下降。
14、由图下降。由图(b)(b)可看出可看出二极管工作在二极管工作在C、D点所对应的等效电阻，小于点所对应的等效电阻，小于工作在工作在A、B点所对应的等效电阻，所以输出幅度点所对应的等效电阻，所以输出幅度小。小。二极管工作在二极管工作在A、B点，电路的增益较大，引点，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。降，最后达到稳定幅度的目的。动画动画9-29.39.3 LC LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 LCLC正弦波振荡电路可以产生高频振荡，构成与正弦波振荡电路可以产生高频振荡，构成与RCRC正弦波振荡正弦波振荡
15、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。这里的放大电路一般由分离元件承担，选频网络是由电路。这里的放大电路一般由分离元件承担，选频网络是由LCLC并联谐振电路构成，正反馈网络因不同类型的并联谐振电路构成，正反馈网络因不同类型的LCLC正弦波振荡正弦波振荡电路而有所不同。电路而有所不同。9.3.1 9.3.1 LCLC并联谐振电路并联谐振电路 9.3.2 9.3.2 变压器反馈变压器反馈LCLC振荡器振荡器 9.3.3 9.3.3 电感三点式电感三点式LCLC振荡器振荡器9.3.1 9.3.1 LCLC并联谐振电路的频率响应并
16、联谐振电路的频率响应 LCLC并联谐振电路如图并联谐振电路如图9.59.5所示。所示。电感支路的损耗，电感支路的损耗，用用R R表示。表示。显然输出电压是频率的函数。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。减小；反之频率太低，电感将短路输出。图图9.5 LC并联回路并联回路LCLC并联回路的等效阻抗为：并联回路的等效阻抗为：图图9.5 LC并联回路并联回路通常有通常有R11，所以有：，所以有：9.3.2 9.3.2 变压器反馈变压器反馈LCLC振荡电路振荡电路 LC并联谐振电路作并联谐振电
17、路作为三极管的负载，反馈线为三极管的负载，反馈线圈圈L2与电感线圈与电感线圈相耦合相耦合,将反馈信号送入三极管的将反馈信号送入三极管的输入回路。交换反馈线圈输入回路。交换反馈线圈的两个线头，可使反馈极的两个线头，可使反馈极性发生变化。调整反馈线性发生变化。调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信圈的匝数可以改变反馈信号的强度，以使正反馈的号的强度，以使正反馈的幅度条件得以满足。幅度条件得以满足。图图9.7 变压器反馈变压器反馈LC振荡电路振荡电路变压器反馈变压器反馈LC振荡电路如图振荡电路如图9.79.7所示。所示。有关同名端的极性有关同名端的极性请参阅图请参阅图9.89.8。图图9.8 9.8 同名
18、端的极性同名端的极性 变压器变压器反馈反馈LC振荡电振荡电路的振荡频率与并联路的振荡频率与并联LC谐谐振电路相同，振电路相同，为为:9.3 9.3 电感三点式电感三点式LCLC振荡器振荡器 图图9.9 9.9 为电感三点式为电感三点式LCLC振荡电路。电感线圈振荡电路。电感线圈L L1 1和和L L2 2是一个线是一个线圈，圈，2 2点是中间抽头。图中三极管是共基极接法，线圈上的点是中间抽头。图中三极管是共基极接法，线圈上的瞬时极性如图所示。反馈到输入端发射极的极性对地为正，瞬时极性如图所示。反馈到输入端发射极的极性对地为正，符合正反馈的相位条件。符合正反馈的相位条件。图图9.9 9.9 电感
19、三点式电感三点式LC振荡器（振荡器（CBCB）图图9.109.10电感三点式电感三点式LC振荡器（振荡器（CE）图图9.10 为另一种电感三点式为另一种电感三点式LC振荡电路。振荡电路。电容三点式电容三点式LC振荡电路振荡电路 与电感三点式与电感三点式LC振荡电路类似的有电容三振荡电路类似的有电容三点式点式LC振荡电路，见图振荡电路，见图9.12。（a）CB组态组态 （b）CE组态组态 图图9.12 电容三点式电容三点式LC振荡电路振荡电路例例9.19.1：图：图9.139.13为一个三点式振荡电路为一个三点式振荡电路,试判断是否试判断是否满足相位平衡条件。满足相位平衡条件。图图9.13 9.
20、13 例题例题11.111.1的电路图的电路图9.3.5 石英晶体石英晶体LC振荡电路振荡电路 利用石英晶体的高品质因数的特点，构成利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路，如图振荡电路，如图9.14所示。所示。(a)串串联联型型 f f0 0=f fs s （b）并并联联型型 f fs s f f0 0 uN时，时，uOUOM uP 0 时时 uO UOM;uI 0 时时 uO UOM 集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运放的集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运放的输入端，需加输入端限幅电路。输入端，需加输入端限幅电路。集成运放的净输入集成运放的净输入电压最大值为
21、电压最大值为UD输出限幅电路输出限幅电路 为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。UOH UZ1 UD2 UOL(UZ2 UD1)UOH UOL UZUOH UZ UOL UD 不可缺少！不可缺少！输出限幅电路输出限幅电路uO UZ（1）保护输入端）保护输入端（2）加速集成运放状态的转换）加速集成运放状态的转换电压比较器的分析方法：电压比较器的分析方法：（1 1）写出写出 uP、uN的表达式，的表达式，令令uP uN，求解出的求解出的 uI即为即为UT；（2 2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；
22、（3 3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出输出电压电压的跃变方向。的跃变方向。2.2.一般单限比较器一般单限比较器（1）若要）若要UTURH时，时，uO1=uO2=UOM，D1导通，导通，D2截止；截止；uO=UZ。当当uIURH时，时，uO2=uO1=UOM，D2导通，导通，D1截止；截止；uO=UZ。当当URLuI URH时，时，uO1=uO2=UOM，D1、D2均截止；均截止；uO=0。特点：特点：1.无需限幅电路，根据电源电压确定所需高、低电平；无需限幅电路，根据电源电压确定所需高、低电平；2.可直接驱动集成数字电路；可
23、直接驱动集成数字电路；3.响应速度快；响应速度快；4.可具有选通端；可具有选通端；5.电源电压升高，工作电流增大，工作速度加快。电源电压升高，工作电流增大，工作速度加快。五、集成比较器五、集成比较器某型号集成比较器的等效电路某型号集成比较器的等效电路讨论二讨论二 已知某型号集成电压比较器内部等效电路如图（已知某型号集成电压比较器内部等效电路如图（a）所）所示，试求解图（示，试求解图（b）（）（e）各电路的电压传输特性。）各电路的电压传输特性。讨论三讨论三 已知各电压比较器的电压传输特性如图所示，说出它们各已知各电压比较器的电压传输特性如图所示，说出它们各为哪种电压比较器；输入电压为为哪种电压比较器；输入电压为5sint(V)，画出各电路输出电，画出各电路输出电压的波形。压的波形。你能分别组成你能分别组成具有图示电压传输具有图示电压传输特性的电压比较器特性的电压比较器电路吗？电路吗？同相输入同相输入单限比较器单限比较器反相输入反相输入滞回比较器滞回比较器窗口窗口比较器比较器讨论四：讨论四：求解图示各电路的电压传输特性。求解图示各电路的电压传输特性。