電子技術(shù)基礎(chǔ) 課件 模電 第8章 信號發(fā)生器

信號發(fā)生器第8章按信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形特點分：a.正弦波信號發(fā)生器b.非正弦波信號發(fā)生器(1)信號發(fā)生器

利用自激振蕩的原理，使電路在沒有外加輸入信號的情況下，也有輸出信號，又稱為振蕩器(2)信號發(fā)生器的原理(3)信號發(fā)生器的分類信號發(fā)生器的基本概念無輸入信號就能產(chǎn)生周期性輸出波形的電路8.1正弦波信號發(fā)生器8.1.1

正弦波自激振蕩的基本原理正弦波信號發(fā)生器是按照自激振蕩原理構(gòu)成的自激振蕩原理方框圖1.產(chǎn)生正弦波自激振蕩的平衡條件.正反饋網(wǎng)絡(luò)放大環(huán)節(jié).XoA·F·.XidXf8.1正弦波信號發(fā)生器輸入Xid.反饋Xf=FXo...輸出Xo=AXid...放大環(huán)節(jié)A·正反饋網(wǎng)絡(luò)F·如果Xf=Xid..可在輸出端繼續(xù)維持原有的輸出信號正反饋8.1正弦波信號發(fā)生器輸入Xid.反饋Xf=FXo...輸出Xo=AXid...放大環(huán)節(jié)A·正反饋網(wǎng)絡(luò)F·如果Xf=Xid..··由知電路產(chǎn)生自激振蕩的平衡條件為：··8.1正弦波信號發(fā)生器(1)幅度平衡條件

(2)相位平衡條件

自激振蕩的條件可分解為：····式中8.1正弦波信號發(fā)生器放大環(huán)節(jié)A·正反饋網(wǎng)絡(luò)F·.Xf.Xid.Xo一個振蕩器，只在一個頻率即振蕩頻率f0下滿足相位平衡條件平衡條件討論：a.相位平衡條件電路中應(yīng)包含選頻網(wǎng)絡(luò)8.1正弦波信號發(fā)生器b.幅度平衡條件AF=1是維持等幅振蕩的唯一條件(a)若AF<1，則電路減幅振蕩，最后停止振蕩(b)若AF>1，電路增幅振蕩放大環(huán)節(jié)A·正反饋網(wǎng)絡(luò)F·.Xf.Xid.Xo8.1正弦波信號發(fā)生器2.振蕩的建立與穩(wěn)定放大電路中存在噪聲或干擾，如接通直流電源時電路中就會產(chǎn)生電壓或電流的瞬態(tài)過程，它的頻譜分布很廣，其中必然包含振蕩頻率f0的分量。經(jīng)過選頻網(wǎng)絡(luò)，只有f0這一頻率的分量滿足相位平衡條件，此時只要AF>1，就可形成增幅振蕩，使輸出電壓逐漸增大，建立起振蕩。實際的振蕩電路一般不會外加激勵信號。那么，振蕩怎樣才能建立起來呢?··AF=1只能維持振蕩，但不能建立振蕩。8.1正弦波信號發(fā)生器振蕩電路的起振條件：

如果電路滿足起振條件，在接通電源后，它的輸出信號將隨時間逐漸增大，當(dāng)它的幅值增大到一定程度后，放大環(huán)節(jié)的非線性器件就會接近甚至進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū)，這時放大電路的增益A將會逐漸下降，直到滿足幅度平衡條件AF=1，輸出信號不再增大而形成等幅振蕩輸出。A·F·>1AF>18.1正弦波信號發(fā)生器由于放大器件進(jìn)入非線性區(qū)，輸出波形會產(chǎn)生失真，形成失真等幅振蕩輸出。自激振蕩電路的起振過程

正弦波振蕩器應(yīng)避免放大器件進(jìn)入非線性區(qū)工作，在放大器件沒有進(jìn)入非線性區(qū)以前，應(yīng)設(shè)法使AF由大于1逐漸減小到AF=1。電路中還應(yīng)有穩(wěn)幅的環(huán)節(jié)8.1正弦波信號發(fā)生器3.正弦波信號發(fā)生器組成放大環(huán)節(jié)正反饋網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)4.正弦波信號發(fā)生器的分類RC型振蕩器LC型振蕩器晶體振蕩器根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件分為8.1正弦波信號發(fā)生器1.文氏電橋振蕩器文氏電橋振蕩電路移相式振蕩電路主要類型：雙T網(wǎng)絡(luò)式振蕩電路選頻網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)

放大電路8.1.2

RC型正弦波信號發(fā)生器電路組成Uo·RRCCAR1R2–+8.1正弦波信號發(fā)生器2.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性–RRCCUo·Uf·++–Z1Z2圖中Uo·RRCCAR1R2–+選頻網(wǎng)絡(luò)

選頻網(wǎng)絡(luò)8.1正弦波信號發(fā)生器–RRCCUo·Uf·++–Z1Z2反饋系數(shù)···8.1正弦波信號發(fā)生器令·F的幅頻特性與相頻特性·即···8.1正弦波信號發(fā)生器幅頻特性當(dāng)

0時，F(xiàn)0當(dāng)

時,F0當(dāng)

=

0時,F=Fmax=1/3f031/Ff0幅頻特性曲線幅頻特性分析8.1正弦波信號發(fā)生器當(dāng)

0時，

F90當(dāng)

時,

F

–90當(dāng)

=

0時,

F=0

F=0

，且反饋最強(qiáng)可見，當(dāng)

=

0時相頻特性相頻特性分析0jff0相頻特性曲線f031/Ff0幅頻特性曲線8.1正弦波信號發(fā)生器A3.工作原理(1)當(dāng)f=f0

時(3)振蕩頻率與同相位Uo·Uf·的幅值最大Uf·=/3Uo·Uf·(2)當(dāng)≥3時，滿足振蕩條件Uo·RRCCAR1R2–+8.1正弦波信號發(fā)生器【例】在圖所示文氏電橋振蕩器中。設(shè)C=0.01

F，R用3.3k

的固定電阻和100k的可變電阻串聯(lián)構(gòu)成。（1）試求可獲得的最低和最高振蕩頻率（2）如果C改用0.001F，求電路的振蕩頻率【解】

根據(jù)振蕩頻率Uo·RRCCAR1R2–+8.1正弦波信號發(fā)生器（1）當(dāng)C=0.01

F，最低振蕩頻率最高振蕩頻率（2）如果C改用0.001F，則在相同的R值下，頻率將比C=0.01

F時提高10倍。8.1正弦波信號發(fā)生器（1）利用二極管穩(wěn)幅穩(wěn)幅機(jī)理：uO↑→

uD↑→rD↓→R1//rD↓→A↓

A=34.穩(wěn)幅措施RRCCARWD1D2R1Uo?+–8.1正弦波信號發(fā)生器b.利用非線性熱敏電阻穩(wěn)幅穩(wěn)幅機(jī)理：uO↑→IRt↑→TRt↑→

Rt

↓→A↓Rt為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻RRCCARWUo?Rt–+8.1正弦波信號發(fā)生器(a)用LC并聯(lián)諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)(c)主要用來產(chǎn)生1MHz以上的高頻信號(1)LC型正弦波信號發(fā)生器的主要特點(d)頻率穩(wěn)定性較好1.LC型正弦波信號發(fā)生器的基本概念8.1.3LC型正弦波信號發(fā)生器(b)選頻放大電路是構(gòu)成LC振蕩電路的基礎(chǔ)8.1正弦波信號發(fā)生器按照反饋方式分為變壓器反饋式電感三點式電容三點式(2)LC型正弦波信號發(fā)生器類型8.1正弦波信號發(fā)生器RCLZ+–····(a)諧振頻率(b)諧振時的等值電阻R0

(c)電路的品質(zhì)因數(shù)(3)LC并聯(lián)諧振回路8.1正弦波信號發(fā)生器2.選頻放大電路當(dāng)f=f0（

LC并聯(lián)諧振頻率）時(a)輸出電壓幅值最大(b)輸出與輸入電壓反相工作原理:放大電路只對諧振頻率f0的信號有放大作用LC并聯(lián)諧振電路C++LT+··++––8.1正弦波信號發(fā)生器3.變壓器反饋式LC振蕩電路（1）電路組成+T+N1N2N3選頻放大電路8.1正弦波信號發(fā)生器（2）

相位條件的判斷判斷的方法——瞬時極性法a.假設(shè)諧振回路發(fā)生諧振b.斷開反饋回路+T+N1N2N38.1正弦波信號發(fā)生器

·Ui·Uo+T+N1N2N3·c.加入瞬時極性為輸入電壓Uid.輸出電壓Uo極性為·8.1正弦波信號發(fā)生器

·Ui·Uo+T+N1N2N3+-

e.反饋電壓極性Uf為

正反饋，滿足相位平衡條件8.1正弦波信號發(fā)生器（3）起振條件

合理地選擇電路參數(shù)，及變壓器的變比，可使AF>1，滿足起振條件。+T+N1N2N3因為8.1正弦波信號發(fā)生器（4）振蕩頻率（5）電路的特點(a)調(diào)節(jié)N2方便，起振容易L'+T+N1N2N3L8.1正弦波信號發(fā)生器(g)受變壓器分布參數(shù)的限制，振蕩頻率不能很高(b)振蕩頻率高(c)電路的品質(zhì)因數(shù)高(e)頻率穩(wěn)定性高(d)輸出波形好(f)體積、重量大+T+N1N2N38.1正弦波信號發(fā)生器4.電感三點式正弦振蕩電路(1)電路組成(2)電路分析C+T+N2N1L1L28.1正弦波信號發(fā)生器交流通路TL1RB1//RB2L2CC+T+N2N1L1L28.1正弦波信號發(fā)生器TL1L2C忽略RB1//RB2簡化的交流通路

線圈的三個端子分別與T的三個電極B、C、E相連接，故稱之為電感三點式振蕩電路TL1RB1//RB2L2C8.1正弦波信號發(fā)生器a.相位平衡條件的判斷(b)

斷開反饋回路(a)

假設(shè)諧振回路發(fā)生諧振TL1L2C8.1正弦波信號發(fā)生器

··UoTL1L2C+_+_·(c)加入瞬時極性為“+”輸入電壓Ui·(d)輸出電壓Uo的極性為“-”環(huán)路電流Uf·+_

·(e)反饋電壓Uf的極性為“+”滿足相位條件8.1正弦波信號發(fā)生器Uf·+_TL1L2C

由于反饋信號Uf取自電感L2，改變電感中間抽頭位置，調(diào)整反饋強(qiáng)弱，容易滿足幅度條件。b.幅度條件8.1正弦波信號發(fā)生器(3)諧振頻率M為線圈L1與L2之間的互感式中TL1L2C8.1正弦波信號發(fā)生器(4)電路特點

a.電感L1與L2之間耦合很緊，容易起振b.輸出波形中含有高次諧波，波形較差TL1L2C8.1正弦波信號發(fā)生器5.電容三點式正弦波振蕩電路電容器的三個端子分別與T的三個電極相連接，故稱之為電容三點式振蕩電路。(1)電路組成+T+L8.1正弦波信號發(fā)生器(2)電路分析交流通路+T+LTLa.畫交流通路8.1正弦波信號發(fā)生器TL簡化的交流通路TL8.1正弦波信號發(fā)生器(b)

斷開反饋回路(a)

假設(shè)諧振回路發(fā)生諧振b.相位平衡條件的判斷TL8.1正弦波信號發(fā)生器(c)加入瞬時極性為輸入電壓Ui·

·TL·Uo(d)輸出電壓

Uo極性為“—”·8.1正弦波信號發(fā)生器Uf為正，電路正反饋·環(huán)路電流Uf·

·TL·Uo+_8.1正弦波信號發(fā)生器c.幅度條件反饋電壓取自C2，改變C1/

C2，調(diào)整反饋強(qiáng)弱和電路的放大倍數(shù)，容易滿足幅度條件Uf·TL8.1正弦波信號發(fā)生器d.諧振頻率TL8.1正弦波信號發(fā)生器e.電路特點(a)容易起振(c)輸出波形中高次諧波少，波形好(d)改變電容時，容易停振(b)振蕩頻率高TL8.1正弦波信號發(fā)生器f.改進(jìn)的電容三點式振蕩電路諧振頻率L+T+8.1正弦波信號發(fā)生器1.非正弦波發(fā)生器的主要組成部分(a)具有開關(guān)特性的器件（如電壓比較器、BJT等）(b)反饋網(wǎng)絡(luò)主要作用——產(chǎn)生高、低電平主要作用——將輸出電壓反饋給開關(guān)器件使之改變輸出狀態(tài)(c)延時環(huán)節(jié)主要作用——實現(xiàn)延時，以獲得所需要的振蕩頻率8.2非正弦信號發(fā)生器非正弦發(fā)生器的基本概念2.非正弦發(fā)生器的主要特點

振蕩條件比較簡單，只要反饋信號能使比較電路的狀態(tài)發(fā)生變化，即能產(chǎn)生周期性的振蕩。8.2非正弦信號發(fā)生器1.方波發(fā)生器的原理圖8.2.1方波發(fā)生器RAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–8.2非正弦信號發(fā)生器延遲環(huán)節(jié)、反饋網(wǎng)絡(luò)遲滯比較器RAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–8.2非正弦信號發(fā)生器2.工作原理設(shè)t=0時uC(0)=0

uO=+UZ則=+FUZ式中RAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–8.2非正弦信號發(fā)生器uC按指數(shù)規(guī)律上升（1）當(dāng)t>0時電容C充電iCuO、uC波形圖

uO=+UZRAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–uOuCOtuO,uC+UZ-UZ-FUZ+FUZ8.2非正弦信號發(fā)生器（2）

當(dāng)uC>FUZ時uR=–FUZ

uO=–UZuOuC-FUZ+FUZOtuO,uC+UZ-UZiCRAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–8.2非正弦信號發(fā)生器（3）uO=–UZuC按指數(shù)規(guī)律下降電容C放電iCRAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–uOuCOtuO,uC+UZ-UZ-FUZ+FUZ8.2非正弦信號發(fā)生器（4）當(dāng)uC<–FUZ時

uO=UZiCRAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–uOuCOtuO,uC+UZ-UZ-FUZ+FUZ8.2非正弦信號發(fā)生器iCRAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–（5）當(dāng)uO=+UZ時UR=FUZuOuCOtuO,uC+UZ-UZ-FUZ+FUZuC又按指數(shù)規(guī)律上升電容C又充電8.2非正弦信號發(fā)生器uO、uC波形圖iCRAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–uOuCOtuO,uC+UZ-UZ-FUZ+FUZuO為方波8.2非正弦信號發(fā)生器根據(jù)三要素法3.振蕩頻率

如果選定時間起點為t2，那么tOuOuCt1t2+UZ-UZ+FUZ-FUZuO,

uC8.2非正弦信號發(fā)生器電路的振蕩周期當(dāng)t=T/2時即振蕩頻率tOuOuCt1t2+UZ-UZ+FUZ-FUZuO,

uC8.2非正弦信號發(fā)生器【例1】對圖示電路如何改進(jìn)，可改變輸出信號的占空比？RAuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–8.2非正弦信號發(fā)生器【答】如果將方波發(fā)生器中電容C的充電和放電回路分開，使充電和放電的時間常數(shù)不相等，即可改變信號的占空比。改進(jìn)電路AuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–R+R–D1D28.2非正弦信號發(fā)生器【例2】在圖示電路中，如果電阻R+>R

，輸出波形的占空比是大于還是小于50%？【答】如果電阻R+>R

，那么，電容C的充電時間將大于放電時間，輸出波形的占空比大于50%AuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–R+R–D1D28.2非正弦信號發(fā)生器【例3】在圖示電路中，已知R=5k

，R1=R2=25k

，RW=100k

，C=0.1F，UZ=8V。試問：AuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–R+R–D1D2RRW(a)輸出電壓的幅值和振蕩頻率約為多少?(b)占空比的調(diào)節(jié)范圍約為多少?(c)若D1斷路，則產(chǎn)生什么現(xiàn)象?

8.2非正弦信號發(fā)生器AuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–R+R–D1D2RRW【解】根據(jù)電路的工作原理，畫出uC、uO的波形8.2非正弦信號發(fā)生器AuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–R+R–D1D2RRW根據(jù)一階RC電路的三要素法8.2非正弦信號發(fā)生器AuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–R+R–D1D2RRW則振蕩周期振蕩頻率(b)占空比由RW1=0得q的最小值8.2非正弦信號發(fā)生器AuRCR1R2R3uO±UZDZu+u–uC+––++–R+R–D1D2RRW由RW1=RW得q的最大值(c)若D1斷路電路不振蕩輸出電壓uO恒為+UZ8.2非正弦信號發(fā)生器1.電路組成8.2.2三角波和方波發(fā)生器遲滯比較器積分器uO1RCA1A2R1R2R3uODZB–+–+8.2非正弦信號發(fā)生器2.工作原理t=0時，設(shè)uC(0)=0uO1RCA1A2R1R2R3uODZB–+–+8.2非正弦信號發(fā)生器（1）當(dāng)t>0時輸出電壓:電容C充電uO隨時間線性下降波形圖tuO,uO1OuOuO1UZ由于uO1RCA1A2R1R2R3uODZB–+–+8.2非正弦信號發(fā)生器（2）當(dāng)uB<0時令得使uO1翻轉(zhuǎn)的輸出電壓tuO,uO1OuOuO1UZ–UZuO1RCA1A2R1R2R3uODZB–+–+8.2非正弦信號發(fā)生器（3）由于

電容器放電輸出電壓uO隨時間線性上升–UZtuO,uO1OuOuO1UZ波形圖uO1RCA1A2R1R2R3uODZB–+–+8.2非正弦信號發(fā)生器令（4）當(dāng)uB>0時tuO,uO1OuOuO1UZ–UZ波形圖得uO1翻轉(zhuǎn)的輸出電壓電容器充電uO1RCA1A2R1R2R3uODZB–+–+8.2非正弦信號發(fā)生器uO1——方波uO——三角波輸出波形波形圖tuO,uO1OuOuO1UZ–UZuO1RCA1A2R1R2R3uODZB–+–+8.2非正弦信號發(fā)生器（1）輸出電壓幅值3.主要參數(shù)計算(a)三角波幅值(b)方波幅值tuO,uO1OuOuO1UZ–UZ8.2非正弦信號發(fā)生器（2）

振蕩頻率三角波從零上升到Uom的時間是T/4uO1t+UZOuOO+Uomt–Uom–UZ由于8.2非正弦信號發(fā)生器電路的振蕩周期:振蕩頻率:8.2非正弦信號發(fā)生器(a)(b)【答】輸出波形的上升和下降斜率不等【例4】如果用圖(a)示電路替代圖(b)示電路中的電阻R，那么輸出電壓uO的波形如何變化？uO1RCA1A2R1R2R3uODZB–+–+R+R–D1D28.2非正弦信號發(fā)生器tOuO【例5】在上題中，如果電阻R+>R

，畫出輸出電壓的波形?！窘狻枯敵鲂盘柕挠覉D示。(a)(b)uO1RCA1A2R1R2R3uODZB–+–+R+R–D1D2鋸齒波8.2非正弦信號發(fā)生器8.2.4壓控振蕩器1.原理圖模擬開關(guān)S受控于uOa.當(dāng)uO=+UZ時，開關(guān)S接通+Ub.當(dāng)uO=–UZ時，開關(guān)S接通–UuO1RCA2A1R1R2R3uODZB–+–+–U+US8.2非正弦信號發(fā)生器2.工作原理設(shè)uC(0)=0在t=0時uO1RCA2A1R1R2R3uODZB–+–+–U+US8.2非正弦信號發(fā)生器U通過R向C充電S接電源+UuO1隨時間線性下降(1)由于+–uCuO1RCA2A1R1R2R3uODZB–+–+–U+US8.2非正弦信號發(fā)生器(2)當(dāng)uB

<0時電容放電開關(guān)S接–UuO1隨時間線性上升uO1RCA2A1R1R2R3uODZB–+–+–U+US8.2非正弦信號發(fā)生器(3)當(dāng)uB>0時電容C充電S接+U+–uCuO1RCA2A1R1R2R3uODZB–+–+–U+USuO1隨時間線性下降8.2非正弦信號發(fā)生器uOuO1——三角波uO——

方波輸出波形uO1RCA2A1R1R2R3uODZB–+–+–U+US8.2非正弦信號發(fā)生器3.波形圖4.振蕩頻率tt0uO0+UZt1t2-UZuO1t1t2波形圖而故三角波從零上升到Uo1m的時間是T/48.2非正弦信號發(fā)生器由得f0∝U，實現(xiàn)了電壓控制振蕩頻率的目的8.2非正弦信號發(fā)生器模擬開關(guān)UD1RFuO3RRD2uO1RA2A1R1R3uODZ–+–+A3–+A4–+uO4CR2一種壓控振蕩電路8.2非正弦信號發(fā)生器第8章例題[例1]電路如圖所示，圖中運放A和二極管D1、D2都是理想器件，穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)壓值為UZ。試證明調(diào)節(jié)電位器RW改變矩形波的占空比時，周期T將保持不變。A+_RCR1R2R3DZD2D1uORW++__uFuC[解]由題意，畫出uO和uC的波形圖波形圖T1T2TUZ–UZUF–UFtuOuCOuO,uC圖中A+_RCR1R2R3DZD2D1uORW++__uFuC第8章例題當(dāng)uO=UZ時，uO通過D1對電容充電當(dāng)uO=–UZ時，電容通過D2放電

T1T2TUZ–UZUF–UFtuOuCOuO,uCA+_RCR1R2R3DZD2D1uORW++__uFuC第8章例題T1T2TUZ–UZUF–UFtuOuCOuO,uCA+_RCR1R2R3DZD2D1uORW++__uFuC即改變RW滑動端位置時，T保持不變振蕩周期

為常數(shù)

第8章例題[例2]在圖示矩形波發(fā)生電路中，UR=3V，理想運放的最大輸出電壓Uomax=12V，最小的輸出電壓Uomin=0V。(a)畫出輸出電壓uO和電容電壓uC的波形(b)求出uC的最大值和最小值(c)當(dāng)UR的大小超出什么范圍時，電路將不再產(chǎn)生矩形波？uOCA+–R4R5100kW+15V100kW0.01mF100kW100kW100kWR1R3R2+–uCUR第8章例題[解](a)方波發(fā)生器的輸出電壓只有高、低兩種電平，電容C隨輸出電壓的極性進(jìn)行充電或放電。當(dāng)uC大于運放同相端電位u+時，輸出為低電平；反之，輸出為高電平。uOCA+–R4R5100kW+15V100kW0.01mF100kW100kW100kWR1R3R2+–uCUR第8章例題輸出電壓uO和電容電壓uC的波形圖t00UomaxuO/VuC/VtUCmaxUCminuOCA+–R4R5100kW+15V100kW0.01mF100kW100kW100kWR1R3R2+–uCUR第8章例題(b)由圖可知，運放同相端電位的最大值和最小值，即為uC的最大值和最小值

由疊加定理得uOCA+–R4R5100kW+15V100kW0.01mF100kW100kW100kWR1R3R2+–uCUR當(dāng)uO=12V時當(dāng)uO=0V時第8章例題(3)如果Ucmax<U+max，或Ucmin>U+min，電路不能產(chǎn)生矩形波Ucmax=U