波形產(chǎn)生電路

1、第八章 波形產(chǎn)生電路（6學(xué)時(shí)）主要內(nèi)容:8.1 正弦波振蕩電路的振蕩條件8.2 RC正弦波振蕩電路8.3 LC正弦波振蕩電路基本要求:8.1 掌握正弦波振蕩的相位平衡條件、幅度平衡條件8.2 掌握RC正弦波振蕩電路的工作原理、起振條件、穩(wěn)幅原理及振蕩頻率的計(jì)算8.3 掌握LC正弦波振蕩電路的工作原理、起振條件、穩(wěn)幅原理及振蕩頻率的計(jì)算教學(xué)要點(diǎn)：介紹正弦波振蕩電路的振蕩條件，重點(diǎn)介紹RC、LC正弦波振蕩電路講義摘要：8.1正弦波振蕩電路的振蕩條件引 言正弦波發(fā)生電路能產(chǎn)生正弦波輸出，它是在放大電路的基礎(chǔ)上加上正反饋而形成的，它是各類(lèi)波形發(fā)生器和信號(hào)源的核心電路。正弦波發(fā)生電路也稱(chēng)為正弦波振蕩電路

2、或正弦波振蕩器。一、正弦波產(chǎn)生條件 1. 正弦波振蕩電路 為了產(chǎn)生正弦波，必須在放大電路里加入正反饋，因此放大電路和正反饋網(wǎng)絡(luò)是振蕩電路的最主要部分。但是，這樣兩部分構(gòu)成的振蕩器一般得不到正弦波，這是由于很難控制正反饋的量。 如果正反饋量大，則增幅，輸出幅度越來(lái)越大，最后由三極管的非線性限幅，這必然產(chǎn)生非線性失真。反之，如果正反饋量不足，則減幅，可能停振，為此振蕩電路要有一個(gè)穩(wěn)幅電路。為了獲得單一頻率的正弦波輸出，應(yīng)該有選頻網(wǎng)絡(luò)，選頻網(wǎng)絡(luò)往往和正反饋網(wǎng)絡(luò)或放大電路合而為一。選頻網(wǎng)絡(luò)由R、C和L、C等電抗性元件組成。正弦波振蕩器的名稱(chēng)一般由選頻網(wǎng)絡(luò)來(lái)命名。因此,正弦波振蕩電路由放大電路、正反饋網(wǎng)

3、絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)幅電路組成。2. 振蕩平衡條件 產(chǎn)生正弦波的條件與負(fù)反饋放大電路產(chǎn)生自激的條件十分類(lèi)似。只不過(guò)負(fù)反饋放大電路中是由于信號(hào)頻率達(dá)到了通頻帶的兩端，產(chǎn)生了足夠的附加相移，從而使負(fù)反饋?zhàn)兂闪苏答仭Ｔ谡袷庪娐分屑拥木褪钦答?，振蕩建立后只是一種頻率的信號(hào)，無(wú)所謂附加相移。 (a) 負(fù)反饋放大電路 (b) 正反饋振蕩電路圖8.1.1負(fù)反饋放大電路和正反饋振蕩電路框圖比較 比較圖上兩圖可以明顯地看出負(fù)反饋放大電路和正反饋振蕩電路的區(qū)別。正反饋一般表達(dá)式的分母項(xiàng)變成負(fù)號(hào)，而且振蕩電路的輸入信號(hào) ，所以 正反饋一般表達(dá)式： 振蕩條件為：包括振幅平衡條件： ，相位平衡條件：j AF = jA+

4、j F= 2np3. 起振條件和穩(wěn)幅原理 振蕩器在剛剛起振時(shí)，為了克服電路中的損耗，需要正反饋強(qiáng)一些，即要求 。既然 ，起振后就要產(chǎn)生增幅振蕩，需要靠三極管大信號(hào)運(yùn)用時(shí)的非線性特性去限制幅度的增加，這樣電路必然產(chǎn)生失真。這就要靠選頻網(wǎng)絡(luò)的作用，選出失真波形的基波分量作為輸出信號(hào)，以獲得正弦波輸出。也可以在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)放大電路的增益，從而達(dá)到穩(wěn)幅的目的。這在下面具體的振蕩電路中加以介紹。二、RC正弦波振蕩電路1. RC網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)1） RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的電路如圖8.2.1 所示。RC串聯(lián)臂的阻抗用Z1表示，RC并聯(lián)臂的阻抗用Z2表示。其頻率響應(yīng)如下:圖8.2.1 RC串

5、并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)2）頻率特性(1) 幅頻特性表達(dá)式:（2）相頻特性表達(dá)式:頻率特性曲線如圖圖8.2.2(a) 幅頻特性曲線(b) 相頻特性曲線圖8.2.2 頻率特性曲線振蕩頻率為 時(shí) ，幅頻值最大為1/3，相位jF=0因此該網(wǎng)絡(luò)有選頻特性。當(dāng) 當(dāng)f=f0 時(shí)的反饋系數(shù) ,且與頻率f0的大小無(wú)關(guān)。此時(shí)的相角jF=0。即改變頻率不會(huì)影響反饋系數(shù)和相角，在調(diào)節(jié)諧振頻率的過(guò)程中，不會(huì)停振，也不會(huì)使輸出幅度改變。2. RC文氏橋振蕩器 (1) RC文氏橋振蕩電路的構(gòu)成RC文氏橋振蕩電路如圖8.2.3所示，RC 串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是正反饋網(wǎng)絡(luò)，另外還增加了R3和R4負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。C1、R1和C2、R2正反饋支路與R3、R4

6、負(fù)反饋支路正好構(gòu)成一個(gè)橋路，稱(chēng)為文氏橋。 如下圖8.2.3 文氏橋式振蕩電路圖8.2.3圖8.2.3可導(dǎo)出：圖8.2.3 文氏橋式振蕩電路為滿(mǎn)足振蕩的幅度條件 | |=1，所以Af3。加入R3、R4支路，構(gòu)成串聯(lián)電壓負(fù)反饋。(2) RC文氏橋振蕩電路的穩(wěn)幅過(guò)程 RC文氏橋振蕩電路的穩(wěn)幅作用是靠熱敏電阻R4實(shí)現(xiàn)的。R4是正溫度系數(shù)熱敏電阻，當(dāng)輸出電壓升高，R4上所加的電壓升高，即溫度升高，R4的阻值增加，負(fù)反饋增強(qiáng)，輸出幅度下降。反之輸出幅度增加。若熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)，應(yīng)放置在R3的位置。 采用反并聯(lián)二極管的穩(wěn)幅電路如圖8.2.4所示：二極管工作在A、B點(diǎn)，電路的增益較大，引起增幅過(guò)程。當(dāng)輸出

7、幅度大到一定程度，增益下降，最后達(dá)到穩(wěn)定幅度的目的。圖8.2.4 反并聯(lián)二極管的穩(wěn)幅電路三、LC正弦波振蕩電路LC正弦波振蕩電路的構(gòu)成與RC正弦波振蕩電路相似，包括有放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅電路。這里的選頻網(wǎng)絡(luò)是由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成，正反饋網(wǎng)絡(luò)因不同類(lèi)型的LC正弦波振蕩電路而有所不同。1.LC并聯(lián)諧振電路的頻率響應(yīng)LC并聯(lián)諧振電路如圖8.3.1所示。顯然輸出電壓是頻率的函數(shù)： 輸入信號(hào)頻率過(guò)高，電容的旁路作用加強(qiáng)，輸出減小；反之頻率太低，電感將短路輸出。并聯(lián)諧振曲線如圖8.3.2所示。圖8.3.1LC并聯(lián)諧振電路 圖8.3.2并聯(lián)諧振曲線2.變壓器反饋LC振蕩器 變壓器反饋LC振

8、蕩電路如圖8.3.3所示。LC并聯(lián)諧振電路作為三極管的負(fù)載，反饋線圈L2與電感線圈相耦合,將反饋信號(hào)送入三極管的輸入回路。交換反饋線圈的兩個(gè)線頭，可使反饋極性發(fā)生變化。調(diào)整反饋線圈的匝數(shù)可以改變反饋信號(hào)的強(qiáng)度，以使正反饋的幅度條件得以滿(mǎn)足。圖8.3.3 變壓器反饋LC振蕩電路 圖8.3.4同名端的極性有關(guān)同名端的極性請(qǐng)參閱圖8.3.4，變壓器反饋LC振蕩電路的振蕩頻率與并聯(lián)LC諧振電路相同，為2.電感三點(diǎn)式LC振蕩器圖8.3.5 為電感三點(diǎn)式LC振蕩電路。電感線圈L1和L2是一個(gè)線圈，2點(diǎn)是中間抽頭。如果設(shè)某個(gè)瞬間集電極電流減小，線圈上的瞬時(shí)極性如圖所示。反饋到發(fā)射極的極性對(duì)地為正，圖中三極管

9、是共基極接法，所以使發(fā)射結(jié)的凈輸入減小，集電極電流減小，符合正反饋的相位條件。圖8.3.6 為另一種電感三點(diǎn)式LC振蕩電路。 圖8.3.5 電感三點(diǎn)式LC振蕩電路 圖8.3.6 電感三點(diǎn)式LC振蕩電路分析三點(diǎn)式LC振蕩電路常用如下方法，將諧振回路的阻抗折算到三極管的各個(gè)電極之間，有Zbe、Zce、Zcb ,如圖8.3.7所示。對(duì)于圖8.3.5 Zbe是L2、 Zce是L1、 Zcb是C?？梢宰C明若滿(mǎn)足相位平衡條件， Zbe和Zce必須同性質(zhì)，即同為電容或同為電感，且與Zcb性質(zhì)相反。圖8.3.7 諧振回路的阻抗折算3.電容三點(diǎn)式LC振蕩電路 與電感三點(diǎn)式LC振蕩電路類(lèi)似的有電容三點(diǎn)式LC振蕩電

10、路，見(jiàn)圖8.3.8。 圖8.3.8 電容三點(diǎn)式LC振蕩電路4.石英晶體LC振蕩電路利用石英晶體的高品質(zhì)因數(shù)的特點(diǎn)，構(gòu)成LC振蕩電路，如圖8.3.9所示（a） (b) 圖8.3.9石英晶體LC振蕩電路 對(duì)于圖11.14(b)的電路，滿(mǎn)足正反饋的條件，為此，石英晶體必須呈電感性才能形成LC并聯(lián)諧振回路，產(chǎn)生振蕩。由于石英晶體的Q值很高，可達(dá)到幾千以上，所示電路可以獲得很高的振蕩頻率穩(wěn)定性。8.4非正弦波發(fā)生電路一、比較器比較器是將一個(gè)模擬電壓信號(hào)與一個(gè)基準(zhǔn)電壓相比較的電路。常用的幅度比較電路有電壓幅度比較器、窗口比較器和具有滯回特性的比較器。這些比較器的閾值是固定的，有的只有一個(gè)閾值，有的具有兩個(gè)

11、閾值。1. 固定幅度比較器1) 過(guò)零比較器和電壓幅度比較器過(guò)零電壓比較器是典型的幅度比較電路，它的電路圖和傳輸特性曲線如圖8.4.1所示圖8.4.1 過(guò)零比較器傳輸特性曲線將過(guò)零電壓比較器的一個(gè)輸入端從接地改接到一個(gè)電壓值VREF 上 , 就得到電壓幅度比較器，它的電路圖和傳輸特性曲線如圖8.4.2所示:圖8.4.2 電壓幅度比較器電路圖和傳輸特性曲線2) 比較器的基本特點(diǎn)(1) 工作在開(kāi)環(huán)或正反饋狀態(tài)。(2) 開(kāi)關(guān)特性，因開(kāi)環(huán)增益很大，比較器的輸出只有高電平和低電平兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。(3) 非線性，因大幅度工作，輸出和輸入不成線性關(guān)系。2. 滯回比較器從輸出引一個(gè)電阻分壓支路到同相輸入端，電路如

12、圖8.4.3所示。當(dāng)輸入電壓vI從零逐漸增大，且 時(shí)， ， 稱(chēng)為上限觸發(fā)電平。當(dāng)輸入電壓 時(shí)， ，此時(shí)觸發(fā)電平變?yōu)?， 稱(chēng)為下限閾值(觸發(fā))電平。 圖8.4.3 滯回比較器3. 窗口比較器 窗口比較器的電路如圖8.4.4所示。電路由兩個(gè)幅度比較器和一些二極管與電阻構(gòu)成。設(shè)R1 =R2，則有： 圖8.4.4 窗口比較器窗口比較器的電壓傳輸特性如下圖8.4.5所示.當(dāng)vIVH時(shí)，vO1為高電平，D3導(dǎo)通；vO2為低電平, D4截止，vO= vO1。當(dāng)vIvI VL時(shí)，vO1為低電平，vO2為低電平，D3、D4截止，vO為低電平。圖8.4.5 窗口比較器的電壓傳輸特性4. 比較器的應(yīng)用 比較器主要用

13、來(lái)對(duì)輸入波形進(jìn)行整形，可以將不規(guī)則的輸入波形整形為方波輸出,其原理圖如圖8.4.6所示: (a) 正弦波變換為矩形波 (b) 有干擾正弦波變換為方波圖8.4.6比較器原理圖二、 非正弦波發(fā)生電路1方波發(fā)生電路方波發(fā)生電路是由滯回比較電路和RC定時(shí)電路構(gòu)成的，電路如圖8.4.7所示。圖8.4.7 方波發(fā)生電路電源剛接通時(shí), 設(shè)電容C充電， 升高。參閱圖8.4.8：圖8.4.8方波發(fā)生電路 輸出波形當(dāng) 時(shí)， ，所以 電容C放電， 下降。當(dāng) ， 時(shí)，返回初態(tài)。方波周期用過(guò)渡過(guò)程公式可以方便地求出 2三角波發(fā)生電路三角波發(fā)生器的電路如圖8.4.9所示。它是由滯回比較器和積分器閉環(huán)組合而成的。圖8.4.

14、9三角波發(fā)生器電路（1）當(dāng)vO1=+VZ時(shí),則電容C充電, 同時(shí)vO按線性逐漸下降，當(dāng)使A1的VP 略低于VN 時(shí)，vO1 從+VZ跳變?yōu)?VZ。波形圖參閱圖8.4.10圖8.4.10三角波發(fā)生器電路輸出波形（2）在vO1=-VZ后，電容C開(kāi)始放電，vO按線性上升，當(dāng)使A1的VP略大于零時(shí)，vO1從-VZ跳變?yōu)? VZ ，如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振 蕩。vO的上升時(shí)間和下降時(shí)間相等，斜率絕對(duì)值也相等，故vO為三角波。（3）輸出峰值（4）振蕩周期：3 . 鋸齒波發(fā)生電路 鋸齒波發(fā)生器的電路如圖8.4.11所示。顯然，為了獲得鋸齒波，應(yīng)改變積分器的充放電時(shí)間常數(shù)。圖中的二極管D和R將使充電時(shí)間常數(shù)減為(RR)C，而放電時(shí)間常數(shù)仍為RC。鋸齒波電路的輸出波形圖如圖8.4.12所示。圖8.4.11鋸齒波電路鋸齒波周期可以根據(jù)時(shí)間常數(shù)和鋸齒波的幅值求得。鋸齒波的幅值為：vo1m=|Vz|= vomR2/R1 vom= |Vz| R1/R2于是有 圖8.4.12鋸齒波電路輸出波形 本章小結(jié)正弦波振蕩電路是