第7章信号产生电路.docx

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第7章信号产生电路

第7章信号产生电路

7.1正弦波振荡电路

教学要求：

1.掌握正弦波振荡电路的工作原理；

2.掌握RC桥式振荡电路的工作原理；

3.理解变压器反馈式、三点式LC及石英晶体振荡电路的原理。

引言

 信号产生电路通常也称振荡器，用于产生一定频率和幅度的信号。

按输出信号波形的不同可分为两大类，即正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路，而正弦波振荡电路按电路形式又可分为RC振荡电路、LC振荡电路和石英晶体振荡电路等；非正弦波振荡电路按信号形式又可分为方波、三角波和锯齿波振荡电路等。

振荡电路的性能指标主要有两个：

1.要求输出信号的幅度要准确而且稳定；2.要求输出信号的频率要准确而且稳定。

一般来讲准确度比稳定度容易做到，而幅度稳定比频率稳定容易实现。

此外输出波形的失真度、输出功率和效率也是较重要的指标。

一、正弦波振荡电路的工作原理

（一）振荡产生的基本原理

 当反馈信号等于放大器的输入信号时，振荡电路的输出电压不再发生变化，电路达到平衡状态，因此将反馈信号等于放大器的输入信号称为振荡的平衡条件。

另外注意，这里的反馈信号和放大器的输入信号都是复数，所以两者相等是指大小相等而且相位也相同。

2.振荡的起振条件

为使振荡电路在接通直流电源后能够自动起振，则在相位上要求反馈电压与输入电压同相，在幅度上要求Uf＞Ui，因此振荡的起振条件也包括相位条件和振幅条件两个方面，即

（三）电路的组成和起振的判断

二、RC振荡电路

采用RC选频网络构成的振荡电路称为RC振荡电路，它适用于低频振荡，一般用于生产1Hz~1MHz的低频信号。

常用的RC振荡电路有RC桥式振荡电路和RC移相式振荡电路。

（一）RC桥式振荡电路

1.RC串并联选频网络

2.RC桥式振荡电路

将RC串并联选频网络和放大器结合起来即可构成RC振荡电路，放大器可采用集成运放。

电路如下动画所示，运算放大器的输入端和输出端分别跨接在电桥的对角线上，故把这种振荡电路称为RC桥式振荡电路。

图中Rf采用了具有负温度系数的热敏电阻，用以改善振荡波形、稳定振荡幅度。

负反馈支路中采用热敏电阻有不但使RC桥式振荡电路的起振容易，振幅波形改善，同时还具有很好的稳幅特性，所以实用RC桥式振荡电路中的热敏电阻的选择是很重要的。

 3.稳幅措施

为使电Au为非线性，起振时，应使Au>3，稳幅后Au=3。

（二）RC移相式振荡电路

 RC移相式振荡电路如下图所示，电路采用三节RC超前相移网络，三节相移网络对不同频率的信号产生的相移是不同的，电脑其中总有一个频率的信号，通过此网络产生的相移刚好为180°，满足相位平衡条件而产生振荡，该频率即为振荡频率f0。

RC移相式振荡电路具有结构简单、经济方便等优点。

其缺点是选频性能较差，频率调节不方便，由于输出幅度不够稳定，输出波形较差，一般只用于振荡频率固定，稳定性要求不高的场合。

三、LC振荡电路

采用LC谐振回路作为选频网络的振荡电路称为LC振荡电路，它主要用来生产高频正弦振荡信号，一般在1MHz以上。

根据反馈形式的不同，LC振荡电路可分为变压器反馈式和三点式振荡电路。

（一）变压器反馈式LC振荡电路

1.LC并联谐振电路

 回路品质因数Q用来评价回路损耗的大小，一般在几十到几百范围。

由以上分析可知，并联谐振的本质是电流谐振，并联谐振具有很好的选频作用。

2.变压器反馈式振荡电路

变压器反馈式振荡电路原理如下图所示。

L、Lf组成变压器，其中L为次侧线圈电感，Lf为反馈线圈电感，用来构成正反馈。

L、C构成并联谐振回路，作为放大器的负载，构成选频放大器。

由于LC回路的选频作用，电路中只有等于谐振频率的信号得到足够的放大，只要变压器一、二次间有足够的偶合度，就能满足振荡的幅度条件而产生正弦波振荡，其振荡频率决定于LC并联谐振回路的谐振频率ƒ0。

（二）三点式LC振荡电路

 三点式LC振荡电路的特点是电路中LC并联谐振回路的三个端子分别与放大器的三个端子相连，故而称为三点式振荡电路。

1.电感三点式振荡电路

电感三点式振荡电路（又称哈特莱振荡器）如上图所示。

三极管V构成共发射极放大电路，电感L1、L2和电容C构成正反馈选频网络。

谐振回路的三个端点1、2、3分别与三极管的三个电极相接，反馈信号取自电感线圈L2两端电压，故称为电感三点式振荡电路，也称电感反馈式振荡电路。

电感三点式振荡电路的优点是起振容易，因为L1、L2之间偶合很紧，正反馈较强的缘故。

此外，改变回路电容可调节振荡信号频率。

由于反馈信号取自电感L2两端，对高次偕波呈现高阻抗，故不能抑制高次偕波的反馈，因此振荡电路输出信号中的高次偕波较多，信号波形较差。

优点：

易起振（L间耦合紧）；易调节（C可调）。

缺点：

输出取自电感，对高次谐波阻抗大，输出波形差。

2.电容三点式振荡电路

电容三点式振荡电路又称考皮兹振荡电路，其电路原理如下图所示。

电容C1、C2和电感L构成正反馈选频网络，反馈信号取自电容C2两端，故称为电容三点式振荡电路，也称电容反馈式振荡电路。

反馈信号与输入端电压同相，满足振荡的相位平衡条件，电路的振荡频率近似等于回路的谐振频率。

电容三点式振荡电路的反馈信号取自电容C2两端，因为C2对高次偕波呈现较小的容抗，反馈信号中高次偕波的分量小，故振荡电路的输出信号波形较好。

但当改变C1或C2来调节振荡频率时，同时回改变正反馈量的大小，因而会使输出信号幅度发生变化，甚至可能会使振荡电路停振。

所以调节这种振荡电路的振荡频率很不方便。

优点：

波形较好。

缺点：

1.调频时易停振；2.V极间电容影响fo。

改进型电容三点式振荡电路又称可拉波电路，如上图所示。

在可拉波电路中，当C3比C1、C2小得多时，振荡频率仅由C3和L来决定，与C1、C2基本无关，C1、C2仅构成正反馈，它们的容量相对来说可以取得很大，从而减小与之相并联的晶体管输入电容、输出电容的影响，提高了频率的稳定度。

四、石英晶体（Crystal）振荡电路

（一）石英晶体谐振器的阻抗特性

石英晶体因其具有压电效应被用作振荡器。

所谓压电效应，即当机械力作用于石英晶体使其发生机械变形时，晶片的对应面上会产生正、负电荷，形成电场；反之，在晶片的对应面上加一电场时，石英晶片会发生机械变形。

当给石英晶片外加交变电压时，石英晶片将按交变电压的频率发生机械振动，同时机械振动又会在两个电极上产生交变电荷，结果在外电路中形成交变电流。

当外加交变电压的频率等于石英晶片的固有机械振动频率时，晶片发生共振，此时机械振动幅度最大，晶和片两面的电荷量电路中的交变电流也最大，产生了类似于回路的谐振现象，此现象称为压电谐振振。

晶片的固有机械动频率称为谐振频率。

1.结构和符号

5.使用注意事项

（1）要接一定的负载电容CL（微调），以达标称频率。

（2）要有合适的激励电平。

过大会影响频率稳定度、振坏晶片；过小会使噪声影响大，还能停振。

（二）石英晶体谐振电路

串联型晶体振荡电路——石英晶体作为一个正反馈通路元件，工作在串联谐振状态。

并联型晶体振荡电路——石英晶体作为一个高Q值的电感元件，和回路中的其它元件形成并联谐振。

7.2非正弦波信号产生电路

教学要求：

1.掌握单限比较器与迟滞比较器的工作原理；

2. 熟悉压控方波产生电路的工作原理； 

3.了解8038集成函数发生器的外部管脚排列及外接电路特点。

一、电压比较器（Comparer）

电压比较器的基本功能是对两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出高电平或低电平电压。

电压比较器广泛应用于非正弦波信号的产生和变换以及模/数转换等。

电压比较器分为基本比较器和迟滞比较器（施密特触发器）两大类，其中基本比较器又分为简单比较器（单门限）和窗口比较器（双门限）。

（一）单限电压比较器

理想集成运放工作在开环状态下，其输出只有正饱和和负饱和值两种状态，当同相端输入电压大于

反，输出为正饱和值，即UO=UOM，反之，输出为负饱和值，即UO=-UOM。

比较器输出由一种状态跳变到另一种状态时，所对应的输入电压值称为门限电压。

只有一个门限的比较器称单限比较器，若门限电压为零，称为过零比较器。

1.过零电压比较器

2.同相输入单门限比较器

如果将参考电压UREF接在运算放大器的反向端，待比较的输入电压uI接到同相端，如下图所示，即构成同相输入单限电压比较器，图中输出端所接稳压管用以限定输出高低电平幅度，R为稳压管限流电阻。

由于uI从同相端输入且只有一个门限，把比较器输出电平发生跳变时的输入电压称为门限电压UT，图中的UT=UREF。

由于uI从同相端输入且只有一个门限，故称同相输入单限电压比较器；反之，当uI从反相端输入，UREF改接到同相端，则称反相输入单限电压比较器。

特点：

1）工作在非线性区；2）不存在虚短（除了uI=UREF时）；3）存在虚断

（二）迟滞比较器

对于单限比较器，如果输入电压在门限附近有微小的干扰，就会导致状态翻转使比较器输出电压不稳定而出现错误阶跃，为了克服这一缺点，常将比较器的输出电压通过反馈网络加到同相输入端，形成正反馈，将待比较电压uI加到反相输入端，参考电压UREF通过R2接到运算放大器的同相端，如图所示，通常将此电路称为反相输入迟滞比较器，也称反相输入施密特触发器。

1.电路和门限电压

2.传输特性

二、方波产生电路（AstableMultivibrator）

用迟滞比较器构成的方波产生电路如下图所示，由于方波包含极丰富的谐波，因此方波产生电路又称多谐振荡器。

下图电路用来产生固定的低频率的方波信号，是一种较好的振荡电路，但是输出方波的前后沿陡度取决于集成运放的转换速率SR，所以当振荡频率较高时，为了获得前后沿较陡的方波，必须使用SR较大的集成运放。

1.电路组成和输出波形

三、压控方波产生电路

输出信号频率与输入控制电压成正比的波形产生电路称为。

若用直流电压作为控制电压，压控振荡器可制成频率调节十分方便的信号源；若用正弦波电压作为控制电压，压控振荡器就构成了调频波振荡器；当振荡受锯齿波电压控制时，就构成了扫频振荡器等。

（一）积分-施密特触发器型压控振荡器

（二）8038集成函数发生器

8038集成函数发生器是一种多用途的波形发生器，可以用来产生正弦波、方波、三角波和锯齿波，其振荡频率可通过外加的直流电压进行调节，所以是压控集成信号产生器。

其内部电路结构所如下图示。

外接电容C的充、放电电流由两个电流源控制，所以电容C两端电压uC的变化与时间成线性关系，从而可以获得理想的三角波输出。

另外，8038电路中含有正弦波变换器，故可以直接将三角波变成正弦波输出。

1.原理

2.实际应用  

7.3锁相频率合成电路

一、锁相环路PLL（Phase-LockedLoop）

锁相环路（简称PLL）由鉴相路、环路滤波器和压控振荡器组成的闭环电路，它是利用一种相位误差信号去消除频率误差自动反馈控制电路，可实现无误差频率跟踪，即当锁相环路锁定时，输出信号的频率与输入信号频率相等，若输入信号频率发生变化，输出信号的频率也跟随变化并保持相等。

假如环路的输出信号和输入信号频率不等，则称锁相环路处于失锁状态。

（一）锁相环路组成和工作原理

鉴相器是相位比较器部件，能够鉴别出两个输入信号之间的相位误差，其输出电压与两输入信号之间的相位误差成正比。

环路滤波器具有低通特性，用来消除鉴相器输出信号中的高频分量和噪声，改善压控振荡器控制电压的频谱纯度，提高系统的稳定性。

压控振荡器是一个电压频率（相位）变换电路，当uc（t）=0时它有一个固有振荡频率，用ωo0表示，在环路滤波器的输出电压uc（t）的作用下，其振荡频率ωo在ωo0上下发生变化，因此压控振荡器的振荡频率和相位是受uc（t）控制的。

锁定状态：

ji（t）-jo（t）=常数，wi=wo        失锁状态：

wi¹wo

（二）集成锁相环路

CD4046是低频多功能单片集成锁相环路。

具有电源电压范围宽、功耗低和输入阻抗高等优点，最高工作频率为1MHz，其内部组成框图如下图所示。

二、锁相频率合成器

锁相频率合成器由晶体振荡器、固定分频器、锁相环路和可编程序分频器等组成，通过改变可编程序

分频器的分频比，即可改变输出信号频率。

此时输出信号的频率与晶体振荡器有相同频率稳定度和准确度

，其缺点是频率调节不连续。

（一）原理框图

其原理框图如下图所示。

由石英晶体振荡器产生一高稳定度的标准频率源fs，经固定分频器进行M分频后得到参考频率fr，显然有fr=fsM，它被送到锁相环路的鉴相器的一个输入端，而锁相环路压控振荡器的输出频率为fo，经可编程序分频器N分频后，也送到鉴相器的另一个输入端。

当环路锁定时，一定有fr=foN因此，压控振荡器的输出信号频率为fo=NMfs=Nfr，亦即输出信号频率fo为输入参考信号频率fr的N倍，改变分频系数N就可得到不同频率的信号输出，fr也是各输出信号频率之间的频率间隔，称为频率合成器的频率分辨率。

（二）应用实例

第7章信号产生电路

本章小结

1.正弦振荡的条件电路的组成，放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节在正弦振荡电路中所起的作用；

2.RC、LC、石英晶体正弦波振荡电路振荡频率的范围及应用场合；

3.判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法；

4.RC串并联网络的选频特性；

5.怎样利用RC串并联网络作为选频网络和正反馈网络组成桥式正弦波振荡电路，应该选用什么样的放大电路；为什么电路中还引入电压串联负反馈，有什么好处；桥式正弦波振荡电路的特点是什么；

6.为什么LC正弦波振荡电路中采用分立元件放大电路，有些情况下还采用共基放大电路；如何将LC正弦波振荡电路从变压器反馈式演变为电感三点式再演变为电容三点式，进而演变为改进型电容三点式电路，根据什么需求产生这些变换,上述电路分别有什么特点；

7.石英晶体及其组成的正弦波振荡电路的工作原理和特点；

8.电压比较器的功能、种类及其电压传输特性；

9. 单限比较器电路分析，弄清阈值电压就是使得集成运放同相输入端电位和反相输入端电位相等的输入电压，输出高电平和输出低电平决定于集成运放的最大输出电压的峰-峰值或输出限幅电路稳压管的稳定电压和二极管的导通电压，输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向决定于输入信号是作用于集成运放的同相输入端还是反相输入端，从中总结电压传输特性的求解方法；

10.迟滞比较器的电路组成、工作原理和电压传输特性的分析；

11.集成电压比较器的参数特点，应用简介；

12.如何构成矩形波发生电路，矩形波发生电路的工作原理、波形、振荡频率、振荡幅值的分析，使得输出电压占空比可条的方法；

13.信号转换电路举例；

  本章简单介绍了锁相环及其在信号转换电路中的应用。

随着电子技术的发展，锁相环的应用越来越广泛。

本章介绍了锁相环的基本组成、工作原理及其在信号的调制、解调和频率合成方面的应用。