第 7 章 信号产生电路 7.1　正弦波振荡电路 7.2　非正弦波信号产生电路 7.3　锁相频率合成电路 第 7 章　小　结.

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1 第 7 章 信号产生电路 7.1　正弦波振荡电路 7.2　非正弦波信号产生电路 7.3　锁相频率合成电路 第 7 章　小　结

2 第 7 章 信号产生电路 7.1 正弦波振荡电路 引 言 7.1.1 正弦波振荡电路的工作原理 7.1.2 RC 正弦振荡
7.1　正弦波振荡电路 引　言 7.1.1 正弦波振荡电路的工作原理 RC 正弦振荡 LC 正弦振荡

3 引 言 信号产生电路 (振荡器—Oscillators) 分类： RC 振荡器(1 kHz ~ 数百 kHz) 正弦波振荡
第 7 章　信号产生电路 引　言 信号产生电路 (振荡器—Oscillators) 分类： RC 振荡器(1 kHz ~ 数百 kHz) 正弦波振荡 LC 振荡器(几百 kHz 以上) 石英晶体振荡器(频率稳定度高) 非正弦波振荡： 方波、 三角波、 锯齿波等 主要性 要求能： 输出信号的幅度准确稳定 输出信号的频率准确稳定

4 微弱的电扰动中，某一频率成分通过正反馈逐渐放大，则产生正弦振荡。 — 振幅平衡条件
第 7 章　信号产生电路 正弦波振荡电路的工作原理 一、振荡条件 • 放大器 反馈网络 Ui • Au Fu Uo Uf RL • • 微弱的电扰动中，某一频率成分通过正反馈逐渐放大，则产生正弦振荡。 • — 振幅平衡条件 — 相位平衡条件 n = 0, 1, 2, 

5 二、起振条件 起振条件 uo uo 1/Fu Au Fu < 1 Au Fu > 1 Au Au = 1/Fu uf Uf2
第 7 章　信号产生电路 二、起振条件 放大器 Au 反馈网络 Fu Uo Uf Ui • • 起振条件 uo uo 1/Fu Au Fu < 1 Au Fu > 1 Uo4 Au Uo3 Au = 1/Fu Uo2 uf Uo1 Uf1 Uf2 Uf2 ui uf O Ui1 Ui2 Ui3 Ui4 起振 稳幅

6 组成: 判断: 三、电路的组成和起振的判断 1. 放大电路 Au 满足振荡条件 2. 正反馈网络 Fu 3. 选频率网络—实现单一频率的振荡
第 7 章　信号产生电路 三、电路的组成和起振的判断 组成: 1. 放大电路 Au 满足振荡条件 2. 正反馈网络 Fu 3. 选频率网络—实现单一频率的振荡 4. 稳幅环节—使振荡稳定、波形好 放大器 选频正 反馈网络 Uo Uf Ui 选频 放大器 正反馈 网络 Uo Uf Ui 判断: 1. 检查电路组成 2.“Q”是否合适 3. 是否满足起振条件

7 7.1.2 RC 正弦振荡 一、RC 桥式振荡电路 1. RC 串并联选频网络 式中: 0 = 1/RC . 当  = 0 时
第 7 章　信号产生电路 RC 正弦振荡 一、RC 桥式振荡电路 1. RC 串并联选频网络 式中: 0 = 1/RC • •  0 Fu  . 当  = 0 时  0 f 90 -90 Fu= 1/3 .  = 0º

8 2. RC 桥氏振荡电路 1) 组成： 2) 电路： F = 0º A = 2n 3)振荡频率 4)振荡条件 应使：
第 7 章　信号产生电路 2. RC 桥氏振荡电路 1) 组成： 2) 电路： 8 C R1 Rf R • F = 0º 同相 放大器 A = 2n 3)振荡频率 • • • • 4)振荡条件 应使： Rf 不能太大，否则 正弦波将变成方波

9 5)稳幅措施 8 8 为使电 Au 为非线性，起振时，应使 Au > 3，稳幅后 Au = 3。 二极管稳幅 R1 R2 V1 V2
第 7 章　信号产生电路 5)稳幅措施 为使电 Au 为非线性，起振时，应使 Au > 3，稳幅后 Au = 3。 8.2 k 6.2 k 22 k 4.3 k 0.01 F 二极管稳幅 8 R1 R2 V1 V2 R3 热敏电阻稳幅 负温度系数 8 C R1 Rf R 正温度系数 f0 = 1.94 kHz 12.4 k > R2 > 8.1 k 起振时信号小，二极管电阻大 Au  1 + (R2+ R3)/R1 > 3 R2 > 2R1 - R3 起振后二极管电阻逐渐减小， Au  1 + R2/R1 = 3 为使失真小： R2 < 2R1

10 二、RC 移相式振荡电路 一节 RC 环节 移相  90 二节 RC 环节 移相  180 三节 RC 环节 移相  270
第 7 章　信号产生电路 二、RC 移相式振荡电路 一节 RC 环节 移相  90 8 C R Rf 二节 RC 环节 移相  180 三节 RC 环节 移相  270 对于 的信号， — 满足相位平衡条件 优点： 结构简单 缺点： 选频特性差，输出波形差

11 7.1.3 LC 振荡电路 (一) LC 并联回路的特性 1. 谐振频率 f0 . Is Z 2. 谐振阻抗 Z0 3. 回路品质因数 Q
第 7 章　信号产生电路 LC 振荡电路 一、变压器反馈式 LC 振荡电路 类型：变压器反馈式 、 电感三点式、 电容三点式 (一) LC 并联回路的特性 L 的等效损耗电阻 Is . L r C 1. 谐振频率 f0 Z 2. 谐振阻抗 Z0 3. 回路品质因数 Q

12 4. 频率特性 Z  f Z 0  0  0 Q 增大 90º -90º Q 大 Q 小 幅频特性 相频特性
第 7 章　信号产生电路 4. 频率特性 0 Z  Z 0  Q 增大  0 f 90º -90º Q 大 Q 小 幅频特性 相频特性

13 5. 并联谐振的本质 — 电流谐振 U I IL IC 1) Z = Z0 呈纯阻 2)形成环流，大小是总电流的 Q 倍 i iL + iC
第 7 章　信号产生电路 5. 并联谐振的本质 — 电流谐振 L u C r – + i iL iC U • I • IL • IC • • • 1) Z = Z0 呈纯阻 2)形成环流，大小是总电流的 Q 倍

14 第 7 章　信号产生电路 (二)变压器反馈式振荡电路 L C +VCC V RE RB1 RB2 CE CB × —满足相位平衡条件

15 × 二、三点式 LC 振荡电路 (一) 电感三点式 振荡电路 优点： 易起振(L 间耦合紧)； 易调节(C 可调)。 缺点：
第 7 章　信号产生电路 二、三点式 LC 振荡电路 (一) 电感三点式 振荡电路 优点： C +VCC V RE RB1 RB2 CE CB L1 L2 C1 易起振(L 间耦合紧)； 易调节(C 可调)。 • 1 2 3 缺点： × 输出取自电感，对 高次谐波阻抗大， 输出波形差。 M

16 × (二) 电容三点式振荡电路 考毕兹振荡器(Colpitts) 克拉泼振荡器(Clapp) 优点：波形较好 缺点： 1) 调频时易停振
第 7 章　信号产生电路 (二) 电容三点式振荡电路 克拉泼振荡器(Clapp) 考毕兹振荡器(Colpitts) 优点：波形较好 +VCC V RE RB1 RB2 CE CB L C1 C2 1 2 3 缺点： 1) 调频时易停振 • 2) V 极间电容影响 f0 L C3 × 改进

17 三、石英晶体(Crystal)振荡电路 (一)石英晶体谐振器的阻抗特性 1. 结构和符号 结构 符号 2. 压电效应 压电谐振—
第 7 章　信号产生电路 三、石英晶体(Crystal)振荡电路 压电谐振— 　　外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，机械振动幅度急剧加大的现象。 (一)石英晶体谐振器的阻抗特性 1. 结构和符号 化学成分 SiO2 结构 焊点 涂银层 符号 晶片 2. 压电效应 形变 形变 机械振动 外力

18  3. 等效电路 Cq Lq C0 rq 4. 频率特性和谐振频率 Co — 晶片静态电容(几 ~ 几十 pF)
第 7 章　信号产生电路 3. 等效电路 Co — 晶片静态电容(几 ~ 几十 pF) rq C0 Cq Lq Lq — 晶体的动态电感(10-3 ~ 102 H)(大) Cq — 晶体的动态电容(< 0.1 pF)(小) rq — 等效摩擦损耗电阻(小) 大 大 4. 频率特性和谐振频率 小 小 f X fP fS 感性  容性 容性

19 1)要接一定的负载电容 CL(微调)，以达标称频率。
第 7 章　信号产生电路 5. 使用注意 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。

20 × × (二)石英晶体谐振电路 1. 串联型 2. 并联型 f = fs，晶体呈纯阻 fs < f < fp，晶体呈感性
第 7 章　信号产生电路 (二)石英晶体谐振电路 1. 串联型 2. 并联型 f = fs，晶体呈纯阻 fs < f < fp，晶体呈感性 +VCC V RE RB1 RB2 CB L C +VCC V RE RB1 RB2 CE C3 C1 C2 RC × ×

21 第 7 章　信号产生电路 7.2　非正弦波信号 　产生电路 7.2.1 电压比较器 7.2.2 方波产生电路 7.2.3 压控方波产生电路

22 比较电压信号(被测试信号与标准信号)大小
第 7 章　信号产生电路 7.2.1 电压比较器(Comparer) 功能： 比较电压信号(被测试信号与标准信号)大小 简单比较器(单门限) 基本比较器 类型 窗口比较器(双门限) 迟滞比较器(施密特触发器) 一、单限电压比较器 UOH 1. 过零电压比较器 O uI uO uI < 0 UOmax 8 uI uO -UOmax UOL uI > 0

23 2. 同相输入单门限比较器 门限电压 UT = UREF 特点: 1)工作在非线性区 2)不存在虚短 (除了uI = UREF 时)
第 7 章　信号产生电路 2. 同相输入单门限比较器 O uI uO uI > UREF UZ 8 uI UREF UREF UZ 门限 电压 UT -UZ uI < UREF 门限电压 UT = UREF 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

24 二、窗口比较器 设 U1 > U2 ，比较器采用单电源 uO1 O uI uO 8 U1 U2 uI V1 V2 UZ uO uO2
第 7 章　信号产生电路 二、窗口比较器 uO1 O uI uO 8 U1 U2 uI V1 V2 UZ uO uO2 U2 U1 设 U1 > U2 ，比较器采用单电源 uI uO uO2 V V2 uO < U2 > U1 U2 < uI < U1 UOmax 截止 导通 UZ UOmax 导通 截止 UZ 截止 截止

25 应用举例 — 三极管  值分选电路 分析电路是否满足要求：  < 50 或  > 100，LED 亮，
第 7 章　信号产生电路 应用举例 — 三极管  值分选电路 8 5 V 2.5 V V1 V2 V +15 V 10 k 20 k 430 k 1 M 5 k 1.5 k 3CG 分析电路是否满足要求：  < 50 或  > 100，LED 亮， 50    100，LED 不亮。 [解] IB = ( ) /1430 = 0.01 mA 当  < 50 时，IC < 0.5 mA，UC < 2.5 V, V2 导通，LED 亮 当  > 100 时，IC > 1 mA，UC > 5 V V1 导通，LED 亮 当 50    100 时，2.5 V  UC <5 V， LED 不亮

26 三、迟滞比较器 1. 反相型迟滞比较器 1)电路和门限电压 当 uI > uP 时， uO = -UZ
第 7 章　信号产生电路 三、迟滞比较器 例：R1 = 30 k，R2 =15 k, UZ = 6 V, UREF = 0, 求 UT。 1. 反相型迟滞比较器 1)电路和门限电压 当 uI > uP 时， uO = -UZ uI R R1 8 UREF R2 R3 UZ P uO 当 uI < uP 时， uO = +UZ 当 uI = uP 时， 状态翻转 正反馈

27 2)传输特性 当 uI 逐渐增大时 只要 uI < UT+ ，则 uO = UZ U = UT+ - UT-
第 7 章　信号产生电路 2)传输特性 uO O uI UZ R R1 8 uI UREF R2 R3 UZ P uO 上门限 UT- UT+ 下门限 U 回差 电压 当 uI 逐渐增大时 -UZ 只要 uI < UT+ ，则 uO = UZ U = UT+ - UT- 一旦 uI > UT+ ，则 uO = -UZ 当 uI 逐渐减小时 特点： 只要 uI > U T- ，则 uO = -UZ uI 上升时与上门限比, uI 下降时与下门限比。 一旦 uI < UT- ，则 uO = UZ

28 2. 同相型迟滞比较器 状态翻转时，uP = uN = UREF 若 UREF = 0 U = UT+ - UT- 传输特性 O uI
第 7 章　信号产生电路 2. 同相型迟滞比较器 传输特性 O uI uO UT+ UT- UZ -UZ R1 R 8 uI UREF R2 R3 UZ N P uO 状态翻转时，uP = uN = UREF 若 UREF = 0 U = UT+ - UT-

29 应用举例 单门限比较 迟滞比较 抗 干 扰 uO uO uI uI 整 形 O uI t O uI t UT+ UT UT- UOH UOL
第 7 章　信号产生电路 应用举例 O uI t 单门限比较 O uI t 迟滞比较 UT+ UT 抗 干 扰 UT- uO UOH UOL O t uO UOH UOL O t O uI t UT+ UT- O uI t UT+ UT- 整 形 O uO t UOH UOL O uO t UOH UOL

30 7.2.2 方波产生电路(Astable Multivibrator) 1. 电路组成和输出波形 占空比 = 50% uO
第 7 章　信号产生电路 7.2.2 方波产生电路(Astable Multivibrator) 1. 电路组成和输出波形 占空比 = 50% -UZ uO uC t UT+ UT- UZ R1 C 8 R2 R3 UZ uO R 积分 电路 滞回比较器 2. 振荡频率

31 7.2.3 压控方波产生电路 一、积分 - 施密特触发器型压控振荡器 压控 恒流源 压控 恒流源 uC uC t uO 积分器 积分器 镜象
第 7 章　信号产生电路 7.2.3 压控方波产生电路 一、积分 - 施密特触发器型压控振荡器 压控 恒流源 压控 恒流源 V1 V2 +VCC V3 施密特 触发器 ud uO R C uC I0 V4 V5 占空比 50% uC t UOm uO UT+ UT- I0 积分器 积分器 镜象 电流源 镜象 电流源 V3 截止， V3 导通， uO = UOL uO = UOH uO = UOL C 充电至 UT+ C 放电至 UT-

32 二、8038 集成函数发生器 1. 原理 > I01 当 Q = 0，S 断开， C 充电 (I01) 至 2/3VCC Q = 1
第 7 章　信号产生电路 二、8038 集成函数发生器 11 8 +VCC R S C I01 I02 uC 6 9 3 2 -VEE 或地 10 反相器 电压跟随器 正弦波变换器 1. 原理 电子 开关 S > I01 当 Q = 0，S 断开， C 充电 (I01) 至 2/3VCC Q = 1 当 Q = 1，S 闭合， C 放电 (I02 -I01) 至 1/3VCC Q = 0 当 I02 = 2I01，引脚 9 输出方波，引脚 3 输出三角波； 当 I02 < 2I01，引脚 9 输出矩形波，引脚 3 输出锯齿波。

33 2. 应用 ICL 8038 +VCC -VEE (或地) 调占空比和正弦波失真 RP2 RP4 RP1 +VCC -VEE R RA
第 7 章　信号产生电路 1 2 3 4 5 6 7 8 ICL 8038 14 13 12 11 10 9 正弦波 失真度调整 正弦波失 真度调整 正弦波输出 三角波输出 矩形波输出 调频偏置 电压输入 电压输出 接电阻 RA 接电阻 RB 接电容 C +VCC -VEE (或地) 2. 应用 调占空比和正弦波失真 RP2 RP4 RP1 +VCC -VEE R RA ICL8038 4 5 1 3 10 11 12 8 RB RP3 C C1 6 9 2 调 频 率 调占空比和正弦波失真

34 第 7 章　信号产生电路 7.3　锁相频率 合成电路 锁相环路 锁相频率合成器

35 7.3.1 锁相环路 PLL (Phase-Locked Loop)
第 7 章　信号产生电路 7.3.1 锁相环路 PLL (Phase-Locked Loop) 　　PLL 是一种利用相位的自动调节消除频率误差，实现无误差频率跟踪的负反馈系统。 一. 组成和工作原理 鉴相器 (PD) 环路滤波器 (LF) 压控振荡器 (VCO) ud (t) uI (t) uC (t) uO (t) 参考信号 i o 锁定状态： i(t)- o(t)= 常数，i = o 失锁状态： i  o

36 二、 集成锁相环路 CMOS 数字集成锁相环路 CD4046 放大 鉴相 要求 50% 方波 C1 +VCC C R3 R4 C2 R5
第 7 章　信号产生电路 二、 集成锁相环路 CMOS 数字集成锁相环路 CD4046 放大 鉴相 要求 50% 方波 C1 14 16 7 6 11 12 8 15 10 13 +VCC C 1 9 2 5 R3 3 4 A1 VCO PDII PDI N R4 C2 R5 A2 R2 R1 R6 信号输入 环 路 滤 波 分频 压控 振荡 信号输出 缓冲 禁止

37 7.3.2 锁相频率合成器 一、原理框图 fS fr 晶体振荡器 压控 振荡器 环路 滤波器 可编程分频器  N 鉴相器 (PD)
第 7 章　信号产生电路 锁相频率合成器 一、原理框图 fS fr 晶体振荡器 压控 振荡器 环路 滤波器 可编程分频器  N 鉴相器 (PD) 固定分频器  M fo fr = fS /M PLL = fo /N fo/N fr— 频率间隔(分辨率)

38 二、应用实例 +12 V 晶振 fo = Nfr 输出信号 fr = 4 kHz 14 16 8 5 11 6 7 13 9 C R3 4
第 7 章　信号产生电路 二、应用实例 fo = Nfr 输出信号 fr = 4 kHz +12 V 14 16 11 8 10 13 9 C R3 4 3 C2 R1 R2 R4 5 6 7 11 12 1 15 3 8 晶振 C1 CD4046 CD4040 CD40103 1 024 kHz 编 程 控 制 固定 分频器 M = 256 可编程顺序分频器

39 第 7 章 小 结

40 一、信号产生电路的分类： 二、正弦波振荡条件、电路结构和选频电路 RC 振荡器 (低频) 正弦波振荡 LC 振荡器 (高频)
第 7 章　小　结 一、信号产生电路的分类： RC 振荡器 (低频) 正弦波振荡 LC 振荡器 (高频) 石英晶体振荡器(振荡频率精确) 非正弦波振荡： 方波、 三角波、 锯齿波等。 二、正弦波振荡条件、电路结构和选频电路 1. 振荡条件 • — 振幅平衡条件 — 相位平衡条件 n = 0, 1, 2,  判断电路是否起振采用瞬时极性法，即断开反馈网络，加一信号，如果信号极性逐级变化后，返回后与原信号同极性，则满足相位平衡条件。

41 选频 放大器 放大器 正反馈 选频正 . . 2. 振荡电路的两种结构 3. 选频电路及其特性 1) RC 串并联式
第 7 章　小　结 2. 振荡电路的两种结构 放大器 选频正 反馈网络 Uo Uf Ui 选频 放大器 正反馈 网络 Uo Uf Ui 3. 选频电路及其特性 1) RC 串并联式  0 Fu  .  0 f 90° – 90° 当  = 0 = 1/RC 时 Fu= 1/3 .  = 0º 电路 幅频特性 相频特性

42 2) LC并联谐振回路 谐振频率 谐振阻抗 回路品质因数 L u C r – + i iL iC 0 Z  Z 0   0 f
第 7 章　小　结 2) LC并联谐振回路 L u C r – + i iL iC 0 Z  Z 0   0 f 90º – 90º 电路 阻抗幅频特性 阻抗相频特性 谐振频率 谐振阻抗 回路品质因数

43 三、正弦波振荡电路 1. RC 桥氏振荡电路 振荡频率 振荡条件 即 自动稳幅措施： Rf 串接二极管(图略) Rf 串接负温度系数热敏电阻
第 7 章　小　结 三、正弦波振荡电路 1. RC 桥氏振荡电路 8 C R1 Rf R • 振荡频率 振荡条件 即 自动稳幅措施： Rf 串接二极管(图略) 使电 Au 成为非线性 Rf 串接负温度系数热敏电阻 R1 采用正温度系数热敏电阻

44 电感三点式 3. LC 振荡电路 变压器反馈式 电容三点式 第 7 章 小 结 L C +VCC V RE RB1 RB2 CE CB C
第 7 章　小　结 3. LC 振荡电路 变压器反馈式 L C +VCC V RE RB1 RB2 CE CB 电感三点式 C +VCC V RE RB1 RB2 CE CB L1 L2 C1 +VCC V RE RB1 RB2 CE CB L C1 C2 1 2 3 电容三点式

45 f = fs，晶体呈纯阻 四、石英晶体振荡电路 1. 等效电路和频率特性 2. 石英晶体谐振电路 串联型 并联型
第 7 章　小　结 四、石英晶体振荡电路 1. 等效电路和频率特性 f X fP fS rq C0 Cq Lq 串联谐振频率 并联谐振频率 符号 等效电路 频率特性 2. 石英晶体谐振电路 串联型 f = fs，晶体呈纯阻 并联型 fs < f < fp，晶体呈感性

46 uI UREF uI UREF 特点： 五、比较器 1. 单限电压比较器 门限电压 UT = UREF 1) 工作在非线性区
第 7 章　小　结 五、比较器 1. 单限电压比较器 O uI uO UZ UREF –UZ 8 uI UREF 传输特性 8 uI UREF O uI uO UZ UREF –UZ 门限电压 UT = UREF 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

47 uI 2. 迟滞比较器 (施密特触发器) O uI uO UT+ UT– UZ – UZ 反相型迟滞比较器 uI R R1 8 UREF
第 7 章　小　结 2. 迟滞比较器 (施密特触发器) O uI uO UT+ UT– UZ – UZ 反相型迟滞比较器 uI R R1 8 UREF R2 R3 UZ P uO 同相型迟滞比较器 传输特性 O uI uO UT+ UT- UZ –UZ R1 R 8 uI UREF R2 R3 UZ N P uO 门限电压的求法： 根据叠加定理求出同相端电压 uP 的表达式，当输出状态变化时，与反相端电压uN 相等, 此时的输入电压uI即为门限电压UT+和UT– 。

48 六、非正弦波振荡电路 1. 产生方波振荡的基本原理 2. 获得三角波的基本方法 当施密特触发器输出高(低)电平时，
第 7 章　小　结 六、非正弦波振荡电路 1. 产生方波振荡的基本原理 当施密特触发器输出高(低)电平时， 电容 C 的充电方向不同，每当 uC 超过上(下)门限电压时，施密特触发器的输出电平就发生跳变，使电容改变充电方向，于是形成 uO 周而复始的高、低电平跳变，即方波振荡。 C uO R 施密特 触发器 迟滞比较器 (运放接成正反馈) 施密特触发器的构成： 555 定时器的施密特触发器形式 集成施密特触发器 2. 获得三角波的基本方法 方波 积分电路 三角波