第9章 信号发生器.doc

甘肃工业职业技术学院 教 序 9 号 课 案 授课 计划 班级 课时 题 8 第九章 振荡电路 1、理解正弦波振荡的条件、电路的组成及各部分的作用； 2、掌握文氏桥振荡电路的特点，学会组成文氏桥振荡电路； 教学目的 3、理解各种 LC（包括石英晶体）正弦波振荡电路的组成及振荡原理； 及 教学要求 4、学会判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法。 5、理解非正弦波发生电路的组成、工作原理、波形分析及主要参数 的物理意义。 本章重点： 1、振荡电路的作用； 重点 2、振荡的基本原理。 3、振荡频率的的计算 和 本章难点： 难点 1、振荡电路的分析方法 2、振荡电路的工作原理。 3、振荡电路的应用 1、模拟电子技术（第二版） 胡宴如主编 高等教育出版社 2004.2 2、数字电路技术 杨志忠主编 高等教育出版社 2000.4 参考资料 3、电子技术基础 康华光等编 高等教育出版社 1995.8 4、电工电子技术 林平勇编 高等教育出版社 2000.4 1 教 材 教材：《电子电路与电子器件》（第二版）郭培源主编 高等教育出 版社 2004.2. 一、教学内容 9.1 振荡电路的作用及分类 9.2 正弦波振荡电路基本原理 9.3 非正弦波信号发生器基本原理 9.4 集成信号发生器 二、内容提要 本章介绍正弦波、非正弦波振荡器的电路组成及基本原理。按照选频网络的不同正弦波振荡器 有 RC、LC 正及晶体振荡器；非正弦波振荡器有矩形波、三角波和锯齿波、阶梯波等振荡器。通过 典型电路的工作原理分析介绍振荡电路的应用。 三、教学过程（教案） 第九章 振荡电路 9.1 振荡电路的作用与分类 【振荡电路 (也称为振荡器)的作用】一是能量的传递，二是信号的处理。 【振荡器的分类】 按振荡器工作原理分类 且 且正弦波振荡器（需满足幅度、相位平衡条件） 且反馈振荡器且 且 且非正弦波振荡器（采用定时强制正反馈方式） 且 且正弦波振荡器（用器件的负阻效应维持振荡） 且 且负阻振荡器且非正弦波振荡器（用器件的负阻效应维持振荡） 且 且 按电路元件分类 且分立元件振荡器（由R、L 、C、三极管、变压器的元件构成） 且 且集成振荡器（由集成放大器和门电路组成） 且晶体振荡器（物理器件 — 石英晶体） 且 按振荡器输出频率分类 且超低频振荡器（1Hz以下） 且 且低频振荡器（1Hz — 3KHz） 且 且高频振荡器（3KHz — 3MHz） 且超高频振荡器（3MHz以上） 且 2 9.2 正弦波振荡电路基本原理 【振荡电路的特点】 （1）无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号； （2）电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控； （3）在电扰动下，对于某一特定频率的信号形成正反馈； （4）由半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。 【正弦波振荡的条件】 正弦波振荡电路平衡条件 U且f ：反馈电压 F且 ：反馈系数 U且f 且 F且U且且 U且且 且 A且U且i 没有输入信号时， U且i 且 U且f且 且U且 且 AU且 且 A 且F且U且 此时， U且且 且 A i f 且 即： 且F且 且 1 且 且A A且F且 且 1且 且 且 且且 A 且 且 F 且 2nπ 且 且 且 幅度平衡 且 且 且 相位平衡 正弦波振荡电路起振副度条件 A且F且 且 1 【正弦波振荡电路的组成】 （1) 放大电路：放大作用 （2) 正反馈网络：满足相位条件 （3) 选频网络：确定 f0 ，保证电路产生正弦波振荡 （4) 非线性环节（稳幅环节）：稳幅 【正弦波振荡的分析方法】 （1）电路的组成是否具备正弦波振荡电路的四个基本环节； （2）判断基本放大电路能否正常工作，是否建立起合适的静态工作点并能正常放大； 3 （3）利用瞬时极性法判断电路是否引入正反馈； （4）分析是否满足幅值条件。 9.2.1 RC 型正弦波振荡器 1.RC 串并联电路的选频特性 R∥ 1 U且 j且 C 1 且且 F且 且 且f 且 F 1 U o R 且 1 ＋R ∥ 1 3且 j(且 RC 且 ) j且 C j且 C 且 RC 令f0 且 1 ，则F且 且 2π RC 若f 且 f0 且 1 3且 j( f f 且 0) f0 f 1 1 ，则FMAX 且 ,且 f 且 0 2π RC 3 2．RC 桥式正弦波振荡电路组成 为 RC 串并联网路配一个电压放大倍数略大于 3、 输入电阻趋于无穷大、输出电阻趋于 0 的放大电路。 3．振荡的建立与稳定 当电路接通电源后，电路中的噪声和干扰信号沿 放大电路和反馈网络的环路环行，不同的频率分量获 得了不同的环路增益和相移。 4．稳幅措施 振荡达到一定幅度后，环路增益从大于 1，自动减小到 1， 维持等幅输出。 一般有两类稳幅措施：（1）利用放大器件本身的非线性；（2）采用正温度系数的热敏电阻稳 幅。 5．振荡频率计算 4 RC 型正弦波振荡器适合产生几赫兹至几百千赫兹的低频信号。 f且 振荡频率 1 2且RC 9.2.2 ＬＣ正弦波振荡器 1． LC 并联回路的选频特性 Y且 且 1 且 且 j且 C R 且 j且 L R 且L 且 j[且 C 且 2 ] 2 R 且 (且 L) R 且 (且 L)2 2 发生并联谐振的条件为： 且C 且 且L R2 且 (且 L)2 谐振角频率为： 1 且0 且 LC 或f0 且 1 2且 LC 2.变压器反馈式 LC 正弦波振荡电路 且 必须有合适的同名端！ U且f 且 且 且 且 U且i ( f 且 f0) 且 分析电路的步骤： （1)组成部分是否完整 （2) 放大电路是否能正常工作 （3) 是否满足相位条件 电路特点： 优点：易振，波形较好； 5 缺点：耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。 3.电感反馈式 LC 正弦波振荡电路 且 U且f 且 且 且 且 U且i ( f 且 f0 ) 且 电感的三个抽头分别接晶体管的三个极，故称之为电感三点式电路。 电路特点： 优点：耦合紧密，易振，振幅大，C 用可调电容可获得较宽范围的振荡频率。 缺点：波形较差，常含有高次谐波。 为使振荡波形好，采用电容反馈式电路。 4.电容反馈式 LC 正弦波振荡电路 且 且 U且i 且 且 U且 f f0 且 且 且 且 1 2π L 且C1C2 (C1 且 C2 ) 且 C 且且 C1且 C 且且 C2且且 f0 且 1 2π LC 电路特点：波形好，振荡频率调整范围小，适于频率固定的场合。 用 LC 并联回路担任选频网络的ＬＣ正弦波振荡器。其振荡频率一般在１MHz 以上，甚至可高达 1000MHz。 9.2.3 石英晶体振荡器 6 1.石英晶体的基本特点 SiO2 结晶体按一定方向切割的晶片。 压电效应和压电振荡：机械变形和电场的关系 固有频率取决于其几何尺寸，故非常稳定。 2.石英晶体等效电路 电路有两个特定的谐振频率。 当 L，C，R 支路发生串联谐振时，谐振频率为 fs 且 1 2且 LC 当频率高于 fs时，L，C，R 支路呈感性，可与电容 Co 发生并联谐振，并联谐振频率为 fp 且 fs 1且 C C0 fo与 fp值非常接近。 3.石英晶体振荡器电路类型 （1）串联型石英晶体振荡器：当石英晶体发生串联谐振，即 f 且 f s 时，呈纯阻性，相移为零。 此时若把石英晶体作为放大电路的反馈网络，并起选频作用，只要满足相位条件就构成了串联型石 英晶体振荡器。 （2）并联型石英晶体振荡器：利用石英晶体在频率为 f s 和 f p 之间呈感性特点，与外接电容器 可构成并联晶体振荡器，又称电容三点式振荡器。由于 f s 和 f p 非常接近，故其振荡器频率高度稳 定。 9.3 非正弦波信号发生器基本原理 7 【常用的非正弦波】 矩形波 三角波 尖顶波 锯齿波 阶梯波 9.3.1 矩形波发生器 1. 工作状态 输出无稳态，有两个暂态；定义为第一暂态与第二暂态。 2. 电路组成 （1）开关电路：输出只有高电平和低电平两种状态，采用电压比较器。 （2）反馈网络：自控，在输出为某一状态时孕育翻转成另一状态的条件。应引入反馈。 （3）延迟环节：使得两个状态均维持一定的 时 间 ， 决定振荡频率。利用 RC 电路实现。 3.原理分析 （1）电容初始电压为零，设电源接通瞬间电压比较器输出高电平 且 U Z （第一暂态），电压比较 器同相输入端的电位为 u且 且 R1 UZ R1 且 RF 此时， u0 通过电阻 R 向电容 C 充电，电容电压 uC 以时间常数 且 =RC 的指数规律上升。 （2）当 uC 上升到 uC ≥ u且 时，比较器翻转，输出低电平 且 U Z （第二暂态），电压比较器同相 8 输入端电位变为 u且 且 且 R1 UZ R1 且 RF 此时，电容以时间常数 且 =RC 的规律放电， uC 下降，当 uC 下降到 uC ≤ u且 时，比较器又一次改 变状态，输出电压跳变为，高平 且 U Z 。 4.输出方波周期 T 且 RC ln(1且 2R1 Rf ) 若利用二极管的单向导点性，使电容充电和放电回路时间常数不同，便可得到占空比可调的矩 波信号发生器。 9.3.2 三角波和锯齿波发生器 1. 电路组成 用积分运算电路可将方波变为三角波。 2.原理分析 A 1 同相输入端电位可根据叠加原理求出，即 u 1且 = R2 R1 u0 u‘0 + R1 且 R2 R1 且 R2 由于 A 1 反相输入端电压 u 1且 =0，有 u 1且 =0,所以 u 0且 且 R2 , R u 0 且 且 2Uz R1 R1 在三角波信号发生器的基础上，只要对电路稍加改动，即可构成锯齿波信号发生电路。 9.4 集成信号发生器 9.4.1 集成函数发生器 5G8038及其应用 1. 5G8038的原理框图、封装外形 9 2．5G8038 主要特点 （1）同时有三种波形输出：正弦波、三角波、方波。 （2）工作频率范围：0。001Hz～500kHz 。 （3）失真度低：1%。 （4）使用简单，外接元件少。 3．集成函数发生器应用 如图所示是产生正弦波、三角波和方波信号的函数发生器的典型电路图。输出信号可直接从 2、 3、9 脚高阻输出或经一个集成放大器低阻输出。 函数发生器所产生的振荡频率为 fo 且 1 且 且 RPB 且且 1.66RPACT 且1且 且 且2R 且 R 且 且且 PB 且且 且 且 PA 9.4.2 555 集成信号发生器 1. 电路结构 555 内部电路结构及封装外形如图所示。 10 定时电路由电阻分压器、比较器、基本 RS 触发器、MOS 开关及输出缓冲器五个基本单位组成。 2.应用电路实例 （1）多谐振荡器： 输出信号周期： 振荡频率和占空比分别为 T 且 T1 且 T2 且 0.7(R1 且 2R2 )C ：f 且 1 T 且 1.43 且R1 且 2R2 且C T R 且 R2 q且 1 且 1 T R1 且 2R2 （2）施密特触发器： 11 【施密特触发器的应用】 （1）将正弦波（或三角波）变换成矩形波； （2）波形的整形； （3）幅度鉴别。 四、本章小节 本章讨论了正弦波信号发生器以及集成信号发生器的组成、工作原理和分析方法。 1.正弦波振荡电路是由电压放大电路、选频网络、正反快网络、非线性怀节组成的。振荡电路 必须同时满足幅值条件和相位条件才能产生正旋波振荡，按选频网络所用元件不同，分为 LC，RC 和石英晶体正旋波振荡器。 2.RC 正弦波振荡器用串并联 RC 电路做选频网络，振荡频绿 fO 且 1 2且RC 为，常用于产生低 频正旋波信号。 3.LC 正弦波振荡器采用 LC 谐振回路作选频网络，振荡频较高，近似为谐振回路的谐振频 fo 且 1 2且 LC 。该振荡器由分立元件放大电路够成，有变压器反馈式，电感反馈式和电容反馈式 等类型。 4.石英晶体正弦波振荡器的振荡频稳定性相当高，常用在振荡频不正常改变且频稳定度要求高 的场合。 5.非正弦波信号发生器一般有矩形波，三角波，阶梯波信号发生器几种。它们不仅可以用集成 放大器增加一些分立元件来实现，而且还可以用集成信号发生器来实现。 五、作业 1、4、7、9 12 12