振荡器的基本原理课件.ppt

1、振荡器的基本原理一一.产生自激振荡的条件产生自激振荡的条件fidXXX-=改成正反馈改成正反馈只有正反馈电路才能产生自激振荡。只有正反馈电路才能产生自激振荡。8.1 正弦波振荡器的基本原理正弦波振荡器的基本原理+Xi f基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FX+doXX如果：如果：,ifXX=则去掉则去掉,iX仍有信号输出。仍有信号输出。反馈信号代替了放大反馈信号代替了放大电路的输入信号。电路的输入信号。Xi+f基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FX+doXXXdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXXFA=1Xd=Xf所以，自激振荡条件也可以写成：所以，自激振荡条件也可以写成：

2、自激振荡的条件：自激振荡的条件：1、振幅条件：、振幅条件：1|=AF 2、相位条件：、相位条件：pjjnFA2=+n是整数是整数1.=FAAAAj j=|因为：因为：FFFj j=|.Xdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXXdXXA0=0XXFf=二二.起振条件和稳幅原理起振条件和稳幅原理起振条件：起振条件：结果：产生增幅振荡结果：产生增幅振荡1|FA（略大于）略大于）1 1、被动稳幅：、被动稳幅：器件非线性器件非线性2 2、主动稳幅：、主动稳幅：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节调节放大电路的放大电路的增益。增益。稳幅过程：稳幅过程：起振

3、时，起振时，1|FA稳定振荡时，稳定振荡时，1|=FA稳幅措施：稳幅措施：起振过程起振过程Xdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXX1.1.放大电路放大电路实现能量控制。实现能量控制。2.2.正反馈网络正反馈网络满足起振条件。满足起振条件。3.3.选频网络选频网络只有一个频率满足振荡条件只有一个频率满足振荡条件，从而获得单一频率的正弦波输出。，从而获得单一频率的正弦波输出。常用的选频网络有常用的选频网络有RC选频选频和和LC选频选频4.4.稳幅环节稳幅环节使电路易于起振又能稳定振使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小。荡，波形失真小。三三.正弦波振荡器的一般组成正弦波振荡器的一般组成

4、8.2 RC正弦波正弦波振荡电路振荡电路一一.RC 串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性R1C1 串联阻抗：串联阻抗：212ofZZZUUF+=)j/1(111CRZ+=222222j1 )j/1/(CRRCRZ+=R2C2 并联阻抗：并联阻抗：选频特性：选频特性：+Ru+-o-fu+12RC12C1.定性分析定性分析（1）当信号的频率很低时。）当信号的频率很低时。R111C R221C 其低频等效电路为：其低频等效电路为：其频率特性为：其频率特性为：当当=0时，时，uf=0，F=0 =+90Fj当当时，时，uf=，F Fj+fo-+R21u-uC+0|F|0 F90（2）当信号的频率很高

5、时。）当信号的频率很高时。R111C R221C 其高频等效电路为：其高频等效电路为：其频率特性为：其频率特性为：当当=时，时，uf=0，F=0 =-90Fj当当时，时，uf=，F Fj+ou-f-u+2C+1R0|F|0 F-900=？Fmax=？由以上分析知：一定有一个频率由以上分析知：一定有一个频率0存在，存在，当当=0时，时，F最大，且最大，且 =0Fj0|F|0 F900|F|0 F-90频率很低频率很低频率很高频率很高2.定量分析定量分析)j/1(111CRZ+=222222j1 )j/1/(CRRCRZ +=R1C1 串联阻抗：串联阻抗：R2C2 并联阻抗：并联阻抗：212ofZ

6、ZZUUF+=+Ru+-o-fu+12RC12C)1j()1(1j1j1j11221211222211222CRCRRRCCCRRCRCRRF -+=+=)1j()1(1j1j1j11221211222211222CRCRRRCCCRRCRCRRF -+=+=通常，取通常，取R1R2R，C1C2C，则有：，则有：)j(3100 -+=F式中：式中：RC10=可见：当可见：当 时，时，F最大，且最大，且 =0RC10=Fj Fmax=1/3RC串并联网络完整的频率特性曲线：串并联网络完整的频率特性曲线：RC10=当当 时，时，F=Fmax=1/30F=jRC10=RCfp p210=Fo+90o

7、|F|1/3二二.RC桥式振荡器的工作原理桥式振荡器的工作原理0=Aj在在 f0 处处,0=Fj满足相位条件：满足相位条件：因为：因为：AF=131=F11f+=RRA1f2RR=只需：只需：A=3输出正弦波频率输出正弦波频率：RCfp p210=0=+FAjj振幅条件：振幅条件：uRf1RRRCCufA+o引入负反馈：引入负反馈：选：选：RC桥式桥式正弦波振荡电路正弦波振荡电路反馈网络构成桥路反馈网络构成桥路EWB仿真仿真例题例题:R=1k=1k，C=0.1=0.1 F F，R1 1=10k=10k。Rf f为多大时才为多大时才能起振？振荡频率能起振？振荡频率f0 0=？AF=1，31=F1

8、1f+=RRAA=3Rf=2R1=2 10=20k k RCfp210=1592 Hz起振条件：起振条件：uRf1RRRCCufA+o能自动稳幅的振荡电路能自动稳幅的振荡电路u0.1u10k0.1u+Afu10k10k39k100kotR半导体热敏电阻半导体热敏电阻(负温度系数）负温度系数）起振时起振时Rt较大较大 使使A3,易起振易起振 当当uo幅度自激增幅度自激增长时，长时，Rt减小，减小，A减小。减小。当当uo幅度达某一幅度达某一值时，值时，A3 当当uo进一步增大进一步增大时，时，RT再减小再减小,使使A UREF时时,uo=+Uom当当ui UREF时时,uo=-Uom 运放处于运放

9、处于开环状态开环状态uuU+i-uuAOREFuoui0+Uom-UomUREF当当ui UREF时时,uo=-Uom 若若ui从反相端输入从反相端输入uuU+i-uuAOREF+-uoui0+UZ-UZ（1）用稳压管稳定输出电压）用稳压管稳定输出电压忽略了忽略了UD3.限幅电路限幅电路使输出电压为一稳定的确定值使输出电压为一稳定的确定值uuZ+O+-AuZ+DuRi当当ui 0时时,uo=+UZ当当ui 0时时,uo=-UZ当当ui 0时时,uo=+UZ 二二.迟滞比较器迟滞比较器1.工作原理工作原理两个门限电压。两个门限电压。特点特点:电路中使用正反馈电路中使用正反馈运放工作在非线性区。运

10、放工作在非线性区。（1）当）当uo=+UZ时，时，（2）当）当uo=-UZ时，时，REFZURRRURRRUu2ff2f2T+=+REFZURRRURRRUuf2ff22T+-=-+UT+称称上门限电压上门限电压UT-称称下门限电压下门限电压(UT+-UT-)称为回差称为回差电压电压uuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2迟滞比较器的电压传输特性：迟滞比较器的电压传输特性：uoui0+UZ-UZUT+UT-设设ui ,当当ui=UT+时时,uo从从+UZ -UZuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2EWB仿真仿真同相滞回比同相滞回比较器电压传较器电压传输特性输特性反相滞回

11、比反相滞回比较器电压传较器电压传输特性输特性从运放的反相从运放的反相输入端输入输入端输入从运放的同相从运放的同相输入端输入输入端输入例题：例题：Rf=10k，R2=10k ，UZ=6V，UREF=10V。当输入当输入ui为如图所示的波形时，画为如图所示的波形时，画 出输出出输出uo的波形。的波形。上下限电压：上下限电压：V82ff2f2T=+=+REFZURRRURRRUV22ff2f2T=+-=-REFZURRRURRRUuoui08V2V传输特性传输特性+6V-6VuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R22V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V2V传输特性传输特性+6V-6Vu

12、uuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2三、窗口电压比较器三、窗口电压比较器 时时,V,VO1O1=V=VO2O2=V=VOLOL，V VO O=0=0；由此画出电压传输特性如图所示。由此画出电压传输特性如图所示。电路有两个参考电压电路有两个参考电压V VRHRH和和V VRLRL，当当 V VRHRH时，时，V VO1O1=V=VOHOH，V VO2O2=V=VOLOL，V VO O=V=VOHOH；当当 V VRLRL时，时，V VO1O1=V=VOLOL，V VO2O2=V=VOHOH，V VO O=V=VOHOH；当当 SvSvRHSRLVvV 1oV2oVRHVRLVRLRH

13、VV 令令1RV2RV三态电压比较器三态电压比较器21RRVV 令令1oV2oVoLooRSVVVVv=212,D2导，导，D1截，截，OLoVv=oHooRSVVVVv=211,D2截，截，D1导，导，OHoVv=21RSRVvV D2截，截，D1截，截，0=ov四、集成比较器四、集成比较器1.LM3111.LM311型集成比较器型集成比较器特点：特点：电源电压可以单组电源电压可以单组+5V+5V，也可，也可15V15V，适应，适应范围宽；输出与范围宽；输出与TTLTTL或或CMOSCMOS平兼容；可以直接驱平兼容；可以直接驱动多种负载（灯泡、继电器等）。动多种负载（灯泡、继电器等）。+-L

14、M311LM311的几种实际连接的几种实际连接集电极输集电极输出连接出连接集电极输集电极输出连接出连接发射极输发射极输出连接出连接2.MC145742.MC14574（CMOSCMOS）集成四电压比较器）集成四电压比较器MC14574MC14574比较器比较器电路原理图电路原理图MC14574MC14574比较器比较器引脚排列图引脚排列图1.电路结构电路结构由滞回比较电路和由滞回比较电路和RC定时电路构成定时电路构成ZURRRUf11T+=+ZURRRUf11T+-=-上下限上下限:8.6 8.6 非正弦波发生电路非正弦波发生电路u+A+-u+u1RfRZRZDORCuC一、方波（矩形波）发生

15、器一、方波（矩形波）发生器EWB仿真仿真2.工作原理：工作原理：(1)设设 uo=+UZ,此时，此时，uO给给C 充电充电,uc ，则：则：u+=UT+0tuo+UZ-UZucUT+0t一旦一旦 uc UT+,就有就有 u-u+,uo 立即由立即由UZ变成变成UZ。在在 uc UT+时，时，u-u+,设设uC初始值初始值uC(0+)=0方波发生器方波发生器uo保持保持+UZ不变不变+UZu+A+-u+u1RfRZRZDORCuC此时，此时，C向向u uO O放电放电,再反向充电再反向充电(2)当当uo =-UZ 时，时，u+=UT-uc达到达到UT-时，时，uo上跳。上跳。UT+uctUT-当

16、当uo 重新回到重新回到UZ 后，电路又进入另一个周期性的变化。后，电路又进入另一个周期性的变化。-UZu+A+-u+u1RfRZRZDORCuC0tuo+UZ-UZ0UT+uctUT-+UZuo0t -UZT完整的波形：完整的波形：如何计算振荡周期如何计算振荡周期T？u+A+-u+u1RfRZRZDORCuC周期与频率的计算：周期与频率的计算：0 UT+uct UT-+UZ -UZT1T2TT=T1+T2=2 T2 uc(t)=UC()+UC(0+)-UC()e ,=RC-t T2阶段阶段uc(t)的过渡过程方程为的过渡过程方程为:u+A+-u+u1RfRZRZDORCuC令令t=0t=T/

17、2+=+TCUU)0(ZCUU-=)(-=TCUTU)2/(RCTZTZeUUU2/)(-+-+-=周期与频率的计算：周期与频率的计算：0 UT+uct UT-+UZ -UZT1T2Tu+A+-u+u1RfRZRZDORCuC令令t=0t=T/2-=TCUTU)2/(RCTZTZeUUU2/)(-+-+-=ZURRRUf11T+=+ZURRRUf11T+-=-)21ln(2f1RRRCT+=代如可推出代如可推出:f =1/T3 3、占空比可调的方波发生器占空比可调的方波发生器UZuo0t-UZ 改变电位器改变电位器 RW 的滑动端，就改变了冲放电的的滑动端，就改变了冲放电的时间，从而使方波的占

18、空比可调。时间，从而使方波的占空比可调。u+A+-u+u1RfRZRZD1D2DORWRCuCTkTTTk=占空比占空比CRRW)(311+CRRW)(322+)21ln(2111RRT+=)21ln(2122RRT+=)21ln()2(21321RRCRRTTTW+=+=33112RRRRTTWW+=可见：调节电位器可改变占空比，不可改变周期。可见：调节电位器可改变占空比，不可改变周期。二、三角波及锯齿波信号发生器二、三角波及锯齿波信号发生器电路结构：迟滞比较器电路结构：迟滞比较器+反相积分器反相积分器1.三角波发生器三角波发生器u+R+A1+RZ-2ZDu4Ro2+R1R35RCuuo1A

19、2工作原理工作原理：2o2121o211uRRRuRRRu+=+2o212211uRRRURRRZ+=0=-+uu令令ZURRu212o=ZToURRUu212=+=ZToURRUu212-=-=对输出有上对输出有上下限电压：下限电压：EWB仿真仿真u+R+A1+RZ-2ZDu4Ro2+R1R35RCuuo1A2若若uo1=+UZ，uo2。当当u02-UT时，时，uo1由由+UZ翻转为翻转为-UZ若若uo1=-UZ，uo2。当当u02+UT时，时，uo1由由-UZ翻转为翻转为+UZZToURRUu212=+=ZToURRUu212-=-=O1uO2u同相同相滞回滞回)(0dt12o01o42o

20、+-=uuCRut由由积积分分运运算算波形图波形图0UT+uo2tUT-+UZuo10t -UZTO1uO2u同相同相滞回滞回当当u02-UT时时,uo1由由+UZ翻转为翻转为-UZ当当u02+UT时时,uo1由由-UZ翻转为翻转为+UZ若若uo1=-UZ，uo2。若若uo1=+UZ，uo2。)(0dt12o01o42o+-=uuCRut波形图波形图振荡周期：振荡周期：0UT+uo2tUT-+UZuo10t -UZTuR-+Z+uRR+12A1u4R+CA2RZD5+uo1o22414RCRRT=CRRRf4124=振荡频率：振荡频率：2.锯齿波发生器锯齿波发生器改变积分器的正反向充改变积分器

21、的正反向充电时间常数，从而改变电时间常数，从而改变占空比。占空比。uZo1Ro23Zu+RR5+Du4uRA1-R+1A2+2C+RD6Ruo1=+UZ，D截止，截止，充电充电时间常数：时间常数：R4C。uo1=-UZ，D导通，导通，充电时间充电时间常数：常数：(R6R4)CR6C。+UZuo10t -UZ R6R4T1T224112RCRRT=26122RCRRT=uZo1Ro23Zu+RR5+Du4uRA1-R+1A2+2C+RD6R+UZuo10t -UZ R6R4T1T224112RCRRT=26122RCRRT=1264121)(2TRCRRRTTT+=+=T6441RRRTT+=波

22、形图波形图0UT+uo2tUT-+UZuo10t -UZTT1O1uO2u同相同相滞回滞回当当u02-UT时时,uo1由由+UZ翻转为翻转为-UZ当当u02+UT时时,uo1由由-UZ翻转为翻转为+UZ若若uo1=-UZ，uo2。若若uo1=+UZ，uo2。1TT 三、单片集成多功能函数发生器三、单片集成多功能函数发生器一、单片集成一、单片集成ICL8038ICL8038型多功能函数发生器型多功能函数发生器特点：有正弦波、矩形波、三角波（锯齿波）三种波形输出；特点：有正弦波、矩形波、三角波（锯齿波）三种波形输出；矩形波的占空比任意调节，频率范围为矩形波的占空比任意调节，频率范围为0.001Hz

23、0.001Hz1MHz1MHz，失真，失真度度0.1%0.1%。ICL8038的引脚图的引脚图 电路外形为双列直插式电路外形为双列直插式1414引脚封装，内部有两个电引脚封装，内部有两个电压比较器，二个参考电压（压比较器，二个参考电压（,),),二个电流源，二个二个电流源，二个缓冲器，还有一个正弦函数转换器（三角波转换成正弦缓冲器，还有一个正弦函数转换器（三角波转换成正弦波电路）。波电路）。CCV31CCV32其原理是由触发器控制开关实现恒流充电还是恒流放电，其原理是由触发器控制开关实现恒流充电还是恒流放电，产生方波和三角波，三角波再转换成正弦波输出。产生方波和三角波，三角波再转换成正弦波输出。ICL8038 函数发生器原理框图函数发生器原理框图