文档介绍：第 8章
信号产生电路
内容提要:在各种电子设备和系统中,常常需要使用各种各样的电信号,这些电信号的发生装置就是信号产生电路。信号产生电路也可以称为振荡电路或振荡器。信号产生电路按其波形可分为正弦波和非正弦波两大类别。本章首先介绍正弦波振荡电路的基本概念和产生正弦波振荡的条件,然后介绍常见的正弦波振荡电路,包括RC正弦波产生电路、LC正弦波产生电路以及晶体振荡器;最后介绍非正弦波产生电路,包括方波、三角波和锯齿波产生电路。
基本概念:振幅平衡条件、相位平衡条件、起振条件、文氏电桥振荡器、谐振频率、谐振阻抗、品质因数、门限电压、过零比较器、迟滞比较器、占空比。
正弦波产生振荡的条件
图8-1-1 正弦波振荡电路方框图
振荡电路是一种不需要外接输入信号就能将直流能源转换成具有一定频率、一定幅度和波形的交流能量输出的电路。从结构上看,正弦波振荡器就是一种没有外部输入,带选频网络的正反馈放大器,其方框图如图8-1-1所示。其中放大器与反馈网络构成一个闭合回路,放大器输出信号经反馈网络送回放大器输入端进行放大。当信号符合特定的条件时,尽管没有外部的输入信号,依然可以在电路中形成稳定的波形输出,这种现象称为振荡。对于前面几章中介绍的各种放大电路,在实际应用中往往需要采取一定的措施避免出现振荡,放大电路若出现振荡现象,会导致放大的信号出现畸变和失真,甚至失去放大的功能。但是对于振荡器而言,其目的就是在没有外部输入信号的情况下产生特定的信号,故振荡器中的放大器的输入信号是来自内部的反馈网络。
如图8-1-1所示是正弦波振荡电路方框图,图中放大电路内部输入信号来自于反馈网络的输出,因此有
()
此外
由上述方程有
因此要求
()
上式是维持稳定振荡的条件,由于是复数,所以它包含了振荡的两个平衡条件:
(1)振幅平衡条件
()
(2)相位平衡条件
n=0,1,2,…()
上式中、为各自的相位角。
式()振幅平衡条件说明,反馈信号的大小与所需的输入信号相等。满足时产生等幅振荡;当时,振荡输出愈来愈大,产生增幅振荡;若,振荡输出愈来愈小,直到最后停振,称为减幅振荡。
式()相位平衡条件说明,产生振荡时,反馈信号的相位与所需输入信号的相位同相,即形成正反馈。因此,由相位平衡条件可确定振荡电路的振荡频率。
当正弦波振荡电路接通电源的一瞬间,振荡还未建立,输出端没有形成正弦波输出信号,但是电路中存在着各种频率成分的微弱噪声或扰动信号,这些噪声信号中一些符合反馈网络频率特性的成分,即满足相位平衡条件的成分进入放大器的输入端,从而被放大、得到加强。由于振荡初期,电路中的信号比较弱,仅有振幅平衡条件还不能形成稳定的振荡,因此在开始振荡时要求
()
该条件称为振荡器的起振条件。
振荡器的起振条件可以帮助振荡器在开启的初期形成振荡,但是随着振荡信号逐步加强,需要降低电路的环路增益,使得电路中的信号逐渐趋于稳定,直至达到平衡,此后电路满足振幅平衡条件。因此在振荡器电路中需要设置一定的稳定振幅措施来降低环路增益,这可以通过使用一些随信号强弱改变特性的非线性元器件来实现,如热敏电阻,三极管等。
图8-1-2 振荡电路起振和稳幅过程
正弦波起振和稳幅过程如图8-1-2所示。
正弦波振荡器所产生的正弦波信号频率,是由反馈网络以及放大器的频率特性决定的。实际应用中,常常以反馈网络作为振荡器的选频网络,即从放大器输出选取能够满足相位平衡条件的特定频率的信号进行反馈放大,建立振荡,而以外的频率成分因没有得到充分的放大而没有形成振荡。在振荡器的分析、设计过程中,常常根据相位平衡条件来确定振荡器所产生的信号频率。选频网络可以用电阻和电容组成,也可用电感和电容组成。用电阻和电容组成选频网络的振荡电路称为RC振荡电路,一般用来产生1Hz~1MHz范围内的低频信号;用电感和电容组成选频网络的振荡电路称为LC振荡电路,一般用来产生1MHz以上的高频信号。
正弦波振荡器的基本组成
正弦波振荡电路一般由四个部分组成,除了把放大电路和反馈网络接成正反馈外,还包括选频网络和稳幅环节。放大电路部分由集成运放或分立元器件电路构成。
保证电路能够有从起振到动态平衡的过程,使电路获得一定幅值的输出量,实现能量的控制。
把输出端的信号以正反馈的方式送回到放大器的输入端,振荡信号得到能量和幅度的补充,使得振荡电路在提供足够的输出信号时还能维持幅度恒定的振荡。
把反馈网络中的信号进行频率成分选取,只有符合相位平衡条件的频率成分才被送