信号的产生
可调谐LC振荡器(见下图)
Q1、Q2差动放大器的输入端是Q2的基极,输出端是Q1的集电极。无论在放大器内还是在经过分压器C1—C2的反馈路径内,都有近似为0的相移,所以满足前面给出的相移条件②。同样存在着超过条件①的足够可资利用的增益。因此,该电路将在(或十分接近)CL滤波器的谐振频率1/(2π
)处产生振荡。使振荡幅度稳定所需的限幅机构可以从为Q1周密安排的集电极电流中找到。几乎恒定在大约-V/Re上的总辐射极电流在两个晶体管之间切换,形成各自的方波电流。方波电流的基频分量与LC滤波器(或储能电路)的阻抗之乘积可加以控制,使Q1的集电极电压始终不饱和。这在降低滤波器的电阻性加载,以获得最大Q值和频率稳定性方面也很重要。另一个特点是在Q2的集电极上的R0两端获取输出信号。在此处与LC滤波器之间有极好的隔离,从而将在振荡器上加电抗性负载时可能发生的频移减至最小。自然这个信号是方波。如果这样还不能令人满意,则可从Q2的基极获得幅度小的正弦波。
晶体振荡器(见下图)
利用石英晶体作为反馈滤波器的另一类简单实用的振荡器中,放大器是数字倒相器,最好是COMS制成的倒相器。Rb是将倒相器加偏置到工作区以便启动振荡所需要的。右侧虚线框中示出的晶体的等效电路与C1和C2一起形成π型网络。该电路只在略高于晶体的串联谐振处起振,在此,晶体的电抗为感抗。π型网络的相移约为180°,在附加上倒相器的180°相移之后,开环便满足振荡的相位条件。电容器要做得尽可能大,同时仍超过增益条件①。这两种情况都会降低晶体上的加载(因而提高频率稳定性),并限制倒相器输入端的电压摆幅。自然,幅度限制是数字倒相器的内在特点。由于输出是逻辑电平,故这个电路及类似电路常用于计算机的时钟电路。
阈值判决振荡器
下图(a)是这类振荡器的基本形式。它产生周期波形的方式与反馈振荡器的方式截然不同。能产生时变电压(或电流)的电路,如RL充电电路从某个初始状态开始工作。这个电路并不真正属于振荡电路。当它发生变化时,其瞬时状态由找寻某个阈值条件如电压电平的检测器进行监视。当检测器判定已达到阈值时,检测器便起作用并将电路恢复到它的初始状态。检测器也复原,另一个周期开始。有时会存在两个检测器,时变电路在两个状态之间来回变动。
图(b)所示电路,当一开始加上电源时,开关打开,电容器C开始通过电阻器R充电,其电压按熟悉的指数方式上升(图c)。这个上升的电压由电容器电压变成等于参考电压(或阈值电压)时便起作用的比较器监视。发生上述事件时,比较器立即将开关闭合,使C几乎在一瞬间放电。然后C又重新开始充电。这些动作决定了振荡器的周期。振荡再有R和C之值以及+V与阈值电压之比决定的频率上周期性重复。很显然,这样的波形不是正弦波,而是由具有RC电路的指数充电特性的重复时段构成。
当需要从甚低频(mHz)到数兆赫兹的非正弦波时,常常采用阈值判决振荡器。阈值判决振荡器的频率不及优良反馈振荡器的频率稳定。但是通过仔细设计,可以在温度和电源的大变化范围内将频率变化维持到小于1%。
尽管有两类采用了术语合成器的信号发生器,但它们共用的技术是利用频率固定的振荡器使产生输出信号的各种信号处理电路同步。振荡器按不同情况称为“参考”或“时钟”。后一个术语来源于计算机,它的频率精度和稳定度直接影响发生器输出的质量。
频率合成器
这类信号发生器的突出特点是频率的多方面适用性:输出频率有极多的选择余地,每个频率都“锁定”到参考振荡器上。合成器的输出频率可以表示为有理数乘以参考频率:
fout=m/n X fref
式中,m、n为整数;fout为合成器的输出频率;fref为参考振荡器的频率。
合成器的输出波形通常是正弦波,在较低频率上用方波输出也很流行。
任意波形合成器
在这项技术中,某个所需波形的完整周期被定义为代表时间上均匀相隔的波形取样值的数列。将这些数据储存到读写存储器中,然后由参考数据确定间隔依顺序反复读出。数列必须以某种方式变换成一系列电压值。实现这一变换的器件便是数---模转换器(DAC)。该器件的功能是使它的数字输入将加权电流切换接入公共输出节点。
例如,在0~99十进制DAC中,十位数可以切换增量10mA,个位数则切换增量1mA。因此数字输入68将引起输出电流6 X 10+8 X 1=68mA。DAC电流输出变换成电压,经滤波、放大并用作发生器输出。由于采用了取样数据技术,故对波形的复杂性存在限制。也就是说,各种不同的波形曲线必须都能用现有的样本数量表示。依据在实施技术时所用数字硬件的速度,对波形的频率同样也存在限制。
当唯一需要的波形是波形样本永久储存在只读存储器中的正弦波时,便会发生应用这项技术的特殊情况。
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