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1、信号产生电路信号产生电路技术交流技术交流引言引言 在实践中,广泛采用各种类型的信号在实践中,广泛采用各种类型的信号产生电路,就其产生电路,就其波形波形来说,可能是来说,可能是正弦波正弦波或或非正弦波非正弦波。在在通信通信、广播广播、电视电视系统中,都需要系统中,都需要射频射频(高频高频)发射,这里的发射,这里的射频波射频波是是载波载波,把把音频音频、视频视频信号或信号或脉冲脉冲信号运载出去,信号运载出去,这就需要能产生这就需要能产生高频高频信号的信号的振荡器振荡器。在工业、农业以及生物医学等领域内,在工业、农业以及生物医学等领域内,如如高频感应加热高频感应加热、熔炼熔炼、淬火淬火,超声波焊超声
2、波焊接接,超声诊断超声诊断,核磁共振成象核磁共振成象等等,都需要都需要功率或大或小、频率或高或低的功率或大或小、频率或高或低的振荡器振荡器。正弦波振荡电路正弦波振荡电路在各个科学技术部门在各个科学技术部门的应用是广泛的。的应用是广泛的。非正弦非正弦信号信号(方波方波、锯齿波锯齿波)发生器发生器在在测量设备测量设备、数字系统数字系统及及自动控制系统自动控制系统中中的应用也日益广泛。的应用也日益广泛。讨论讨论正弦正弦振荡电路后、振荡电路后、非正弦非正弦波信号波信号产生之前,还要研究一种重要单元电路产生之前,还要研究一种重要单元电路-电压比较器电压比较器.电压比较器电压比较器是波形产生电路中常用的是
3、波形产生电路中常用的基本单元,也广泛应用于基本单元,也广泛应用于测量电路测量电路、自动自动控制系统控制系统和和信号处理信号处理电路中。电路中。1 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件结构:正弦振荡电路是一个结构:正弦振荡电路是一个没有输入没有输入信号的信号的 带选频网络带选频网络的的正反馈正反馈放大电路。放大电路。方框图:如图方框图:如图a a 所示,接成所示,接成正正反馈反馈,输入输入 ,改画得图改画得图b b.经过经过基本放大电路基本放大电路和和反馈网络反馈网络所构成的环路传输后,所构成的环路传输后,在在反馈网络反馈网络的输出端的输出端(2),得到反馈信号得到反馈信号 ,如果如
4、果 可除去外接信号可除去外接信号将将1、2 两端两端连接连接在一起(在一起(虚线虚线)而形成)而形成闭环闭环系统系统.其输出端可能继续维持与开环时一样的信号。其输出端可能继续维持与开环时一样的信号。大小和相位一致大小和相位一致 在放大电路输入端在放大电路输入端(1)外接外接一定频率、幅度的正弦信号一定频率、幅度的正弦信号 ,由于由于 ,有有或或设设得得 负反馈负反馈放大电路的放大电路的自激条件:自激条件:正弦波振荡电路产生持续正弦波振荡电路产生持续振荡振荡的两个的两个条件条件:振幅平衡条件:振幅平衡条件:相位平衡条件:相位平衡条件:但但振荡、振荡、自激自激(正正、负负反馈反馈)的相位条件不一致
5、的相位条件不一致.两者都是要求两者都是要求环路增益环路增益等于等于1.振荡振荡电路的电路的振荡条件:振荡条件:振荡条件振荡条件ch901ch901 可用可用 R、C 元件或元件或 L、C 元件组成元件组成。是由是由相位平衡条件相位平衡条件决定的决定的。振荡频率振荡频率 :一个正弦振荡电路只在一个频率下一个正弦振荡电路只在一个频率下满足相位平衡条件,该频率是满足相位平衡条件,该频率是 。在在 环路中包含一个具有选频特性环路中包含一个具有选频特性的网络,简称选频网络。的网络,简称选频网络。选频网络:选频网络:选频网络选频网络的的设置设置:(1).在放大电路在放大电路 中中;(2).在反馈网络在反馈
6、网络 中中。用用L、C 元件组成元件组成选频网络选频网络的振荡电路称为的振荡电路称为 LC振荡电路,产生振荡电路,产生1MHz以上的以上的高频高频信号。信号。振幅平衡条件振幅平衡条件 ,振荡电路能振荡电路能自行起振自行起振,必须满足,必须满足 的条件的条件.RC 振荡电路振荡电路:LC 振荡电路振荡电路:用用R、C 元件组成元件组成选频网络选频网络的振荡电路称为的振荡电路称为 RC 振荡电路,产生振荡电路,产生1Hz1MHz的的低频低频信号信号。是指振荡电路已进入是指振荡电路已进入稳态振荡稳态振荡而言的。而言的。(放大器件放大器件工作在线性区)工作在线性区)(放大器件放大器件工作接近线性区)工
7、作接近线性区)(正弦振荡电路可以近似按(正弦振荡电路可以近似按线性电路线性电路来处理来处理.)2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路.桥式桥式振荡电路;振荡电路;.双双T网络式;网络式;.移相式振荡电路。移相式振荡电路。1.电路原理图电路原理图(RC 桥式振荡电路)桥式振荡电路)(1 1)放大电路放大电路RC 正弦波振荡电路:正弦波振荡电路:组成组成:(2 2)选频网络选频网络 由集成运放组成的由集成运放组成的 电压串联负反馈电压串联负反馈电路电路.正正反馈网络反馈网络.分析分析 RC 串并联选频网络的串并联选频网络的选频特性选频特性,根据根据正弦波振荡电路的正弦波振荡电路的振幅平衡振幅平衡、相
8、位平衡相位平衡条件选择条件选择合适的放大电路合适的放大电路指标指标,构成一,构成一完整完整的的振荡电路振荡电路。特点特点:输入阻抗高、:输入阻抗高、输出阻抗低。输出阻抗低。和和 正好形成一个四臂电桥正好形成一个四臂电桥,形成形成桥式振荡电路桥式振荡电路。2.RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性 RC 串并联串并联选频网络选频网络(图中用虚线所表示图中用虚线所表示)有选频作用,它的频响特性曲线有明显的峰值有选频作用,它的频响特性曲线有明显的峰值。反馈网络的反馈网络的反馈系数反馈系数为:为:实际的频率用实际的频率用令令 RC串并联串并联选频网络选频网络的的幅频响应幅频响应及及相频响
9、应相频响应a.幅频响应幅频响应的的幅值最大幅值最大b.相频响应相频响应的的相位角为零相位角为零输出输出Vf 是输入是输入VO的的1/3,且输出且输出Vf 和输入和输入VO同相位同相位。输出输出Vf 的幅值最大。的幅值最大。(当输入电压的幅值一定,而频率可调时当输入电压的幅值一定,而频率可调时),串并联串并联选频网络选频网络的的幅频响应幅频响应及及相频响应相频响应如图所示如图所示3.振荡的建立与稳定振荡的建立与稳定由图可知由图可知,放大电路和由放大电路和由 组成组成反馈网络反馈网络刚好形成刚好形成正正反馈系统,满足反馈系统,满足相位平衡条件相位平衡条件,有可能,有可能振荡振荡。建立振荡建立振荡:
10、使电路:使电路自激自激,而产生持续的振荡,而产生持续的振荡,由直流电变为交流电信号。由直流电变为交流电信号。对于对于RC 振荡电路,振荡电路,直流电源直流电源就是就是能能源源。微弱的信号经过放大,通过微弱的信号经过放大,通过正正反馈的选频网络,反馈的选频网络,使输出使输出幅度幅度愈来愈愈来愈大大,最后受电路中,最后受电路中非线性元件非线性元件的的限限制,使振制,使振幅幅自动稳定下来。自动稳定下来。自激的因素自激的因素:电路中存在噪声,频谱分布很广,:电路中存在噪声,频谱分布很广,其中包括其中包括 这一成分这一成分。稳定平衡时稳定平衡时 开始时开始时略大于略大于 34.振荡频率与振荡波形振荡频率
11、与振荡波形 由由相位平衡条件相位平衡条件决定决定.只有只有 时时,才满足才满足相位平衡条件相位平衡条件,所以振荡频率,所以振荡频率 .(因振幅的增长,使放大器件工作到非线性区域因振幅的增长,使放大器件工作到非线性区域)使使 的值的值略略大于大于 3 3 时,其输出波形为时,其输出波形为正弦波正弦波。当适当调整当适当调整负反馈负反馈的强弱,的强弱,如如 的值的值远远大于大于 3 3 时,输出波形将时,输出波形将严重失真严重失真。(严重非线性失真严重非线性失真)5.稳幅措施稳幅措施 为进一步改善输出电压幅度的稳定问题,可以为进一步改善输出电压幅度的稳定问题,可以在放大电路的负反馈回路里采用在放大电
12、路的负反馈回路里采用非线性元件非线性元件来自动来自动调整反馈的强弱以维持输出电压恒定。调整反馈的强弱以维持输出电压恒定。可用一温度系数为可用一温度系数为 负负的的热敏电阻热敏电阻代替。代替。可用一温度系数为可用一温度系数为 正正的的热敏电阻热敏电阻代替。代替。非线性电阻非线性电阻稳定输出电压的另一种方案是稳定输出电压的另一种方案是利用利用JFET工作在可变电阻区。工作在可变电阻区。由由ch4讨论可知,当讨论可知,当JFET的漏源电压较小时,的漏源电压较小时,它的漏源电阻可通过栅源电压来改变。它的漏源电阻可通过栅源电压来改变。因此可用因此可用JFET 进行稳幅。进行稳幅。e.g.e.g.用用JF
13、ET 进行稳幅进行稳幅的振荡电路的振荡电路。振荡电路如下图所示振荡电路如下图所示负反馈负反馈网络:网络:可可自动稳幅。自动稳幅。正常工作时,正常工作时,当幅值增大时,当幅值增大时,电路调整时,电路调整时,调整调整使失真最小,使失真最小,例例 下图所示为移相式正弦波振荡电路,试简图所示为移相式正弦波振荡电路,试简述其工作原理。述其工作原理。解解解解:由由RC 高通高通电路的电路的幅频响应和相频响应知幅频响应和相频响应知,当相位移接近当相位移接近 90时,其频率必须很低,时,其频率必须很低,每节每节RC:相位超前电路,:相位超前电路,相位移小于相位移小于 。R 两端两端输出输出电压与电压与输入输入
14、电压的电压的幅值比幅值比接近于接近于零零。2节节RC 组成的反馈网络不能满足振荡组成的反馈网络不能满足振荡相位条件相位条件。3节节RC 移相网络的最大相移:移相网络的最大相移:放大电路的相移放大电路的相移:可同时满足可同时满足相位相位和和振幅振幅条件条件,产生正弦振荡产生正弦振荡。振荡频率振荡频率在频率在频率 可移相可移相只要调节只要调节 ,使使 适当适当,LC 振荡电路振荡电路 LC 振荡电路主要用来产生振荡电路主要用来产生高频高频正弦信号,正弦信号,一般在一般在1MHz 以上以上。LC 和和RC 振荡电路产生正弦振荡的原理基本振荡电路产生正弦振荡的原理基本相同,主要相同,主要区别区别是是
15、RC 振荡电路的振荡电路的选频网络选频网络由由电阻电阻和和电容电容组成,组成,LC 振荡电路的振荡电路的选频网络选频网络由由电感电感和和电容电容组成组成。组成组成LC 正弦振荡电路的基础正弦振荡电路的基础 LC 选频放大电路选频放大电路。3.1 LC 选频放大电路选频放大电路1.1.并联谐振回路并联谐振回路LC 并联谐振并联谐振回路如图回路如图示示LC 并联谐振并联谐振回路回路等效阻抗等效阻抗:回路的等效损耗电阻回路的等效损耗电阻通常有通常有LC 并联回路并联回路的特点的特点:(1 1)回路的回路的谐振频率谐振频率为为 (2 2)谐振时谐振时,回路的等效阻抗为,回路的等效阻抗为纯阻性纯阻性,值
16、最大,值最大,即:即:谐振谐振阻抗阻抗成成纯阻纯阻性质性质,信号源电流,信号源电流 与与 同相。同相。品质因数品质因数Q 值一般在值一般在几十几十几百几百范围内。范围内。(用来评价回路损耗大小的指标用来评价回路损耗大小的指标)(3 3)输入电流输入电流 和回路电流和回路电流 的关系的关系 谐振时,谐振时,LC并联电路并联电路的回路电流比输入电流的回路电流比输入电流大得多,既输入电流的影响可以忽略。大得多,既输入电流的影响可以忽略。由图可知由图可知通常通常 ,所以所以4 4)回路的回路的频率响应频率响应简要介绍如下:简要介绍如下:根据式根据式(9.3.2)有有 若讨论的若讨论的并联等效阻抗并联等
17、效阻抗只局限于只局限于 附近,则附近,则则式则式(9.3.6)改为改为阻抗阻抗的的模模为为相角(相角(阻抗角阻抗角)为)为LC并联谐振并联谐振回路的回路的频率响应频率响应曲线如下图所示曲线如下图所示 (1 1)幅频响应幅频响应:当当 时,时,并联谐振并联谐振,回路等效阻抗达最大值回路等效阻抗达最大值 。当当 偏离偏离 时时,|Z|Z|减小减小,而而结论:结论:(2 2)相频响应:当相频响应:当 时时,相对失谐为正,相对失谐为正,当当 时时,等效阻抗为等效阻抗为感性感性,为为正正,超前超前 等效阻抗为等效阻抗为容性容性,因此,因此Z的相角为的相角为负负值值,回路输出电压回路输出电压滞后滞后于输入
18、电流。于输入电流。(3 3)谐振曲线的形状与回路谐振曲线的形状与回路Q 值有密切关系值有密切关系,Q 值愈大,谐振曲线愈尖锐,相角变化愈快值愈大,谐振曲线愈尖锐,相角变化愈快,在在 附近附近|Z|Z|值和值和 值变化更为急剧值变化更为急剧。LC 组成组成并联谐振并联谐振回路回路 由于调谐回路的选频作用,它不仅可工作在由于调谐回路的选频作用,它不仅可工作在甲类,而且还可工作在乙类或丙类。甲类,而且还可工作在乙类或丙类。2.选频放大电路选频放大电路 一个由一个由BJT组成的单回路小信号选频放大电路组成的单回路小信号选频放大电路如图所示如图所示。选频放大电路是构成选频放大电路是构成LC正弦波振荡器的
19、基础。正弦波振荡器的基础。通过通过L 的抽头与的抽头与电源正端相连,有利电源正端相连,有利于实现于实现阻抗匹配阻抗匹配。变压器反馈式变压器反馈式LC 振荡电路振荡电路1.1.电路的组成及起振条件电路的组成及起振条件采用采用JFET的变压器反馈式的变压器反馈式LC振荡电路如图振荡电路如图a所示。所示。LC并联谐振回路作为管子的漏极负载并联谐振回路作为管子的漏极负载,是用来产生栅偏压的是用来产生栅偏压的,在在 时时,LC回路呈回路呈纯阻纯阻性,值最大性,值最大。R 表示回路的等效损耗表示回路的等效损耗,反馈信号:反馈信号:整个闭合环路的相位移为整个闭合环路的相位移为 ,满足了满足了相位平衡条件。相
20、位平衡条件。这只说明有可能产生自激振荡,为了确保电路这只说明有可能产生自激振荡,为了确保电路能振荡,还必须满足能振荡,还必须满足振幅条件。振幅条件。交流等效电路交流等效电路如图如图b b所所示,示,并联谐振并联谐振回路的回路的导纳导纳放大电路的放大电路的电压增益电压增益d而而 为并联回路中通过电感的电流。为并联回路中通过电感的电流。反馈系数反馈系数所以所以由式由式(9.3.109.3.10)及及(9.3.119.3.11)得得 振荡平衡条件振荡平衡条件 ,得,得此时的此时的振荡频率振荡频率为为当当 时时,由式由式(9.3.13)振幅平衡条件振幅平衡条件,为使电路能为使电路能够起振,必须使够起振
21、,必须使 。上述条件是假设上述条件是假设FETFET工作在线性放大区,用工作在线性放大区,用低频时的小信号模型来分析的。低频时的小信号模型来分析的。实际上,管子的工作点可能设置较低,而实际上,管子的工作点可能设置较低,而LC振荡电路的振荡频率较高,管子的极间电容影响振荡电路的振荡频率较高,管子的极间电容影响往往不能忽略。往往不能忽略。2.振荡的建立和稳定振荡的建立和稳定 在建立振荡的过程中,它们的栅源极间起整流元件作用,栅极为正,源极为负。图9.3.4所示电路的栅偏压是由 、所产生的。、为整流电路的负载,起滤波作用,当时间常数 大于振荡周期时,电容 将被充电到接近栅极信号电压的峰值,此电压就是
22、电路的栅偏压 。当电源接通后,由于电路中存在噪声或某种扰动,经过放大与选频循环往复,震荡就逐步建立起来。开始时,由于栅偏压为0,管子的跨导 较大,此时 ,易于起振。随着振幅的不断增长,栅偏压增加,管子的工作点下移,值减小,直到 振荡趋于稳定。起振过程中栅极电压和漏极电流的波形如下图示起振过程中栅极电压和漏极电流的波形如下图示 由图可知漏极电流为由图可知漏极电流为非正弦,但由于漏极负载非正弦,但由于漏极负载LC并联谐振回路,选择性并联谐振回路,选择性较强,所以输出波形还是较强,所以输出波形还是正弦波,这种工作状态是正弦波,这种工作状态是不同于不同于RC振荡电路的。振荡电路的。图9.3.6所示是用
23、BJT组成的反馈式LC振荡电路。、稳定管子的静态工作点,和 均为交流旁路电流。选用 较大的管子或增加变压器原副边之间的耦合程度,或增加副边的线圈匝数,都可使电路易于起振。变压器反馈式变压器反馈式LC 振荡器振荡器ch902 正弦波振荡电路的振荡条件演示动画正弦波振荡电路的振荡条件演示动画振荡条件振荡条件ch901ch901 正弦振荡电路中的正弦振荡电路中的放大器件放大器件是工作在线性区是工作在线性区(RC 振荡电路振荡电路)或接近线性区或接近线性区(LC 振荡电路振荡电路),),因此可以近似按因此可以近似按线性电路线性电路来处理。来处理。(2)设电路已产生稳幅正弦振荡,当输出电压达到波峰时,二极管正向压降约为0.6V,试粗略估算输出电压峰值 ;(4)试定性画出当 不慎开路时,输出电压 的波形。(1)为自动稳幅元件,试分析稳幅原理;(3)试定性说明因不慎使 短路时,输出电压 的波形;图9.2.4所示为RC桥式正弦波振荡电路,已知A为运放741,最大输出电压为14V。解:解:(1)稳幅原理
限制150内