第6章 波形產(chǎn)生和變換

1、第六章第六章 波形產(chǎn)生和變換波形產(chǎn)生和變換 用來(lái)產(chǎn)生一定頻率和幅度的正弦交流電。用來(lái)產(chǎn)生一定頻率和幅度的正弦交流電。 正弦波振蕩信號(hào)的正弦波振蕩信號(hào)的：一赫以下至幾：一赫以下至幾 百兆赫。百兆赫。 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路輸出的交流電能是從電源的輸出的交流電能是從電源的 直流電能轉(zhuǎn)化而來(lái)。輸出功率可以從幾毫瓦到幾直流電能轉(zhuǎn)化而來(lái)。輸出功率可以從幾毫瓦到幾 十千瓦。十千瓦。 6.1 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 正弦波振蕩電路的應(yīng)用正弦波振蕩電路的應(yīng)用 1. 1. 作為信號(hào)源，廣泛用于量測(cè)、自動(dòng)控制、通訊、作為信號(hào)源，廣泛用于量測(cè)、自動(dòng)控制、通訊、 廣播電視及遙控等方面。廣播電視及遙控等方面

2、。 2. 2. 作為高頻能源，用于高頻感應(yīng)加熱、冶煉、淬作為高頻能源，用于高頻感應(yīng)加熱、冶煉、淬 火以及超聲波焊接等工業(yè)加工方面?；鹨约俺暡ê附拥裙I(yè)加工方面。 常用的正弦波振蕩電路常用的正弦波振蕩電路 1.1. RC 振蕩電路（輸出功率較小，頻率較低）振蕩電路（輸出功率較小，頻率較低） 2. LC 振蕩電路（輸出功率較大，頻率較高）振蕩電路（輸出功率較大，頻率較高） v正弦波振蕩電路是將正弦波振蕩電路是將直流電直流電轉(zhuǎn)換成頻率和幅值一轉(zhuǎn)換成頻率和幅值一 定的定的正弦交流電正弦交流電。 v振蕩電路是從無(wú)到有的建立起振蕩，因而電路屬振蕩電路是從無(wú)到有的建立起振蕩，因而電路屬 于于正反饋電路正反

3、饋電路，一般包含放大、反饋、選頻和穩(wěn)，一般包含放大、反饋、選頻和穩(wěn) 幅幾個(gè)環(huán)節(jié)。幅幾個(gè)環(huán)節(jié)。 正弦波正弦波 振蕩器振蕩器 放大環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié) 反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié) 選頻環(huán)節(jié)選頻環(huán)節(jié) 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié) 1. 1. 放大環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié) 2. 2. 反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié) 3. 3. 選頻環(huán)節(jié)選頻環(huán)節(jié) 4. 4. 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié) 保證放大電路能正常放大，以滿足幅度條件。保證放大電路能正常放大，以滿足幅度條件。 保證反饋為正反饋，以滿足相位條件。保證反饋為正反饋，以滿足相位條件。 保證輸出單一頻率的正弦波。保證輸出單一頻率的正弦波。 保證輸出正弦信號(hào)幅度的穩(wěn)定。保證輸出正弦信號(hào)幅度的穩(wěn)定。 1. 1. 產(chǎn)生自激振

4、蕩的條件產(chǎn)生自激振蕩的條件 . . o . i U A U . . . o fU F U 開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù) 反饋系數(shù)反饋系數(shù) . ifUU 若若時(shí)，時(shí)， 開關(guān)由開關(guān)由1撥向撥向2，反饋電壓代替輸入電壓，反饋電壓代替輸入電壓 將產(chǎn)生輸出電壓，即電路發(fā)生將產(chǎn)生輸出電壓，即電路發(fā)生自激振蕩自激振蕩。 . ifUU 當(dāng)當(dāng)時(shí)，時(shí)， 則則 . 1A F 因此，振蕩電路因此，振蕩電路是：是： （1 1）幅度條件：）幅度條件： （2 2）相位條件：）相位條件： 2 0,1,2, AF nn |1AF 反饋信號(hào)振幅應(yīng)等于輸入信號(hào)振幅。反饋信號(hào)振幅應(yīng)等于輸入信號(hào)振幅。 反饋信號(hào)相位應(yīng)于輸入信號(hào)同相

5、。反饋信號(hào)相位應(yīng)于輸入信號(hào)同相。 . . o . io |1 fUU A F UU . i| |fUU , AF AAFF 設(shè)設(shè) |1 2 AF AF n 幅度平衡條件為幅度平衡條件為: ,: ,是指振蕩電路已是指振蕩電路已 進(jìn)入穩(wěn)幅振蕩。進(jìn)入穩(wěn)幅振蕩。 |1AF |1AF 自激振蕩是一個(gè)經(jīng)過(guò)自激振蕩是一個(gè)經(jīng)過(guò)反饋反饋放放 大大再反饋再反饋再放大再放大的多次循環(huán)過(guò)的多次循環(huán)過(guò) 程，最后利用非線性元件使輸出的程，最后利用非線性元件使輸出的 電壓幅度穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值上。電壓幅度穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值上。 (ui1為初始電沖擊為初始電沖擊) R1 R R RF C C + - uo ui uf 用瞬時(shí)極性法判

6、斷反饋的極性用瞬時(shí)極性法判斷反饋的極性 判斷結(jié)果：判斷結(jié)果： ？ Z1 Z2 RC選頻電路選頻電路 當(dāng)當(dāng)R1=R2=R，C1=C2=C時(shí)時(shí) 0 1 RC 時(shí)時(shí) Ui與與 Uo同相同相、 Ui幅值達(dá)幅值達(dá) 到最大，且有：到最大，且有： . . 1 3 i U Uo . Uo . Ui R1 R2 C1 C2 RC選頻電路頻率特性選頻電路頻率特性 . Uo . Ui R1 R2 C1 C2 01/(RC) 0 . . i U Uo 振蕩頻率：振蕩頻率： RC f o 2 1 此時(shí)此時(shí) 2 1 fofo ZUUUU的電壓，且與同相的電壓，且與同相 3 3 滿足自激振蕩的相位平衡條件滿足自激振蕩的相位

7、平衡條件 幅值平衡條件：幅值平衡條件：Rf2R1 1 3 3 F O U FA U 由于反饋系數(shù)，因此電壓放大倍數(shù)由于反饋系數(shù)，因此電壓放大倍數(shù) 1 1 f R A R 由放大電路部分可得電壓放大倍數(shù)：由放大電路部分可得電壓放大倍數(shù)： 而自激振蕩的幅度平衡條件為而自激振蕩的幅度平衡條件為: : |1AF 當(dāng)當(dāng) 0 0=1/(RC)=1/(RC)時(shí)時(shí) 電路總結(jié)：電路總結(jié)： （1）RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)既是選頻網(wǎng)絡(luò)，又是正反饋網(wǎng)絡(luò)串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)既是選頻網(wǎng)絡(luò)，又是正反饋網(wǎng)絡(luò)，被選，被選 頻率的正弦信號(hào)通過(guò)頻率的正弦信號(hào)通過(guò)RC網(wǎng)絡(luò)相移為零，則反饋到輸入端的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)相移為零，則反饋到輸入端的信號(hào) 與原輸入信號(hào)同相

8、位，從而滿足與原輸入信號(hào)同相位，從而滿足相位平衡條件相位平衡條件。 （2）引入負(fù)反饋，以穩(wěn)定幅度，減小失真，改善性能。由）引入負(fù)反饋，以穩(wěn)定幅度，減小失真，改善性能。由 上推導(dǎo)有：上推導(dǎo)有： ，由，由振幅平衡條件振幅平衡條件： ，即：，即： 即可。而實(shí)際上兩級(jí)放大器的即可。而實(shí)際上兩級(jí)放大器的AV遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于3，這將使工作范圍超出，這將使工作范圍超出 線性區(qū)，產(chǎn)生失真，為此引入線性區(qū)，產(chǎn)生失真，為此引入深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋。 1AF 1 3 F 3 V A 對(duì)集成運(yùn)放對(duì)集成運(yùn)放3 R R 1A 1 f 即：即： 1f R2R 文氏電橋名稱的由來(lái)：文氏電橋名稱的由來(lái)：RCRC串并

9、聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和負(fù)反饋網(wǎng)串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和負(fù)反饋網(wǎng) 絡(luò)絡(luò) RfRf、R1R1組成四臂電橋，而放大器的輸入端和組成四臂電橋，而放大器的輸入端和 輸出端分別接在電橋的兩對(duì)角頂點(diǎn)上。輸出端分別接在電橋的兩對(duì)角頂點(diǎn)上。 能自動(dòng)穩(wěn)幅的振蕩電路能自動(dòng)穩(wěn)幅的振蕩電路 起振時(shí)起振時(shí)D1、D2不導(dǎo)通，不導(dǎo)通， Rf1+Rf2略大于略大于2R1。隨著。隨著uo 的增加，的增加，D1、D2逐漸導(dǎo)通，逐漸導(dǎo)通， Rf2被短接，被短接，A自動(dòng)下降，自動(dòng)下降， 起到穩(wěn)幅作用。起到穩(wěn)幅作用。 將將Rf分為分為Rf1 和和Rf2 ， Rf2并聯(lián)二極管 并聯(lián)二極管 u 12 A RC o 1 R R + C . + D1 D2 Rf1f2

10、R 能自動(dòng)穩(wěn)幅的振蕩電路能自動(dòng)穩(wěn)幅的振蕩電路 起振時(shí)起振時(shí)Rt較大較大 使使A3,易起振。易起振。 當(dāng)當(dāng)uo幅度自激幅度自激 增長(zhǎng)時(shí)，增長(zhǎng)時(shí)， Rt減減 小，小，A減小。減小。 當(dāng)當(dāng)uo幅度達(dá)某幅度達(dá)某 一值時(shí)，一值時(shí)， A3。 當(dāng)當(dāng)uo進(jìn)一步增進(jìn)一步增 大時(shí)，大時(shí)， RT再減再減 小小 ,使使A3。 因此因此uo幅度自幅度自 動(dòng)穩(wěn)定于某一動(dòng)穩(wěn)定于某一 幅值。幅值。 u 0.1u 10k0.1u + + A f u 10k 10k 39k 100k o t R 半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻 (負(fù)溫度系數(shù)）負(fù)溫度系數(shù)） 電路特點(diǎn)：電路特點(diǎn)： 易起振。由于電壓放大倍數(shù)略大于易起振。由于電壓放大倍數(shù)

11、略大于3即可。即可。 輸出波形好。因?yàn)橛泻苌畹呢?fù)反饋。輸出波形好。因?yàn)橛泻苌畹呢?fù)反饋。 振蕩頻率可以調(diào)解?？梢园褍蓚€(gè)振蕩頻率可以調(diào)解?？梢园褍蓚€(gè)R或或C做成同做成同 軸雙連可變。軸雙連可變。 K：雙聯(lián)波段開關(guān)，：雙聯(lián)波段開關(guān)， 切換切換R，用于，用于 粗調(diào)振蕩頻率。粗調(diào)振蕩頻率。 C：雙聯(lián)可調(diào)電容，改變雙聯(lián)可調(diào)電容，改變C，用于細(xì)調(diào)振蕩頻率。用于細(xì)調(diào)振蕩頻率。 振蕩頻率的調(diào)節(jié)：振蕩頻率的調(diào)節(jié)： _ + + Rf uo R C C R1 1 K K R1 R1 R2 R2 R3 R3 振蕩振蕩頻率：頻率： RC f 2 1 0 例題：電路如圖所示，例題：電路如圖所示， 試求解：試求解： 1）RW

12、的下限值；的下限值； 2）振蕩頻率的調(diào)節(jié)范圍。）振蕩頻率的調(diào)節(jié)范圍。 解：（解：（1）根據(jù)起振條件：）根據(jù)起振條件： （Rf+Rw）2R 故故RW的下限值為的下限值為2k。 （2）振蕩頻率的最大值和最?。┱袷庮l率的最大值和最小 值分別為：值分別為： Hz145 )( 2 1 kHz6 . 1 2 1 21 min0 1 max0 CRR f CR f 例題例題: :R=1k=1k ，C=0.1=0.1 F F，R1 1=10k=10k 。Rf f為多大時(shí)才為多大時(shí)才 能起振？振蕩頻率能起振？振蕩頻率f0 0= =？ Rf=2R1=2 10=20k k RC f 2 1 0 =1592 Hz 起

13、振條件：起振條件： u Rf 1 R R RC C uf A + + o 6.2 多諧振蕩器多諧振蕩器 返回返回 多諧振蕩器是一種能直接產(chǎn)生方波或矩形多諧振蕩器是一種能直接產(chǎn)生方波或矩形 波的自激振蕩器，由于方波或矩形波中含豐富的波的自激振蕩器，由于方波或矩形波中含豐富的 諧波，因此稱為多諧振蕩器。諧波，因此稱為多諧振蕩器。 C1 UR1 5k 5k C2 5k UR2 & & &1 4 G1 RQ Q G2 S G3G4 3 V1 8 UCC UCO U6 (TH) 5 (TR) 6 2 1 7 Uo RD (a) 1 2 3 4 8 7 6 5 地 U2 Uo RD UCC 放電端 U6

14、UCO 555 (b) U2 放電端 555定時(shí)器的組成與功能定時(shí)器的組成與功能 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu) 引腳圖引腳圖 6.2.2 由由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器定時(shí)器組成的多諧振蕩器 5K 5K 5K DR DS Q Q 8 +UCC 5 6 2 7 3 1 GND 4 1 GND 2 低電平觸發(fā)端低電平觸發(fā)端 3 輸出端輸出端 4 復(fù)位端復(fù)位端 6 高電平觸發(fā)端高電平觸發(fā)端 7 放電端放電端 8 正電源端正電源端518V C1 C2 RDU6(TH) U2(TR) U0V1 導(dǎo)通 導(dǎo)通 截止 不變不變 0 1 1 1 0 0 1 1 /3Ucc2 /3Ucc 1 /3Ucc2 /3Ucc 2

15、/3Ucc1 /3Ucc 555定時(shí)器功能表定時(shí)器功能表 特點(diǎn)特點(diǎn)： U623Ucc、U213Ucc，C1為為0，C2為為1，RS 置置0，V1導(dǎo)通，導(dǎo)通，U0為低電平。為低電平。 U623Ucc、U213Ucc，C1為為1，C2為為0，RS 置置1，V1截止，截止，U0為高電平。為高電平。 U623Ucc、U213Ucc，C1為為1，C2為為1，RS 不變，不變，V1和和U0也保持不變。也保持不變。 8 +UCC 5 6 3 1 5K 5K 5K DR DS Q Q 2 7 4+UCC+UCC R2 R1 C uo uc C1 C2 由由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器定時(shí)器組成的多諧振蕩器 u

16、c uo CC U 3 2 CC U 3 1 tp1tp2 1.上電初期上電初期,電容電壓小電容電壓小 于于 ,比較器比較器2輸出低電輸出低電 平平,使觸發(fā)器輸出高電平。使觸發(fā)器輸出高電平。 放電管截止。放電管截止。 CC U 3 1 2.電容充電使電壓電容充電使電壓uc上上 升到升到 大于大于 時(shí)，比時(shí)，比 較器較器1輸出低電平，使輸出低電平，使 觸發(fā)器輸出低電平。觸發(fā)器輸出低電平。 放電管導(dǎo)通，電容放放電管導(dǎo)通，電容放 電使電壓電使電壓uc下降。下降。 CC U 3 2 3. 當(dāng)電壓下降到當(dāng)電壓下降到 時(shí)，比較器時(shí)，比較器2輸出低電平使觸發(fā)器又輸出低電平使觸發(fā)器又 輸出高電平，放電管截止，

17、電容電壓重新因充電而重新上輸出高電平，放電管截止，電容電壓重新因充電而重新上 升。重復(fù)步驟升。重復(fù)步驟1。 CC U 3 1 t t 振蕩頻率的計(jì)算：振蕩頻率的計(jì)算： CC U 3 2 tp1 : uc 從從 上升到上升到 所需的時(shí)間為所需的時(shí)間為tp1 CC U 3 1 CRRCRRtp)( 7 . 02ln)( 21211 tp2 : uc 從從 下降到下降到 所需的時(shí)間為所需的時(shí)間為tp2 CC U 3 1 CC U 3 2 CRCRt p 222 7 . 02ln CRRttT pp )(7 . 0 2121 振蕩周期振蕩周期: CRRT f )2( 43. 11 21 振蕩頻率振蕩頻

18、率: 返回返回 1 R 2 R 2 R 1 D 2 D 1 R P R F01. 0 C 15 3 4 6 8 7 2 555 +UCC uo 占空比可調(diào)的多諧振蕩器占空比可調(diào)的多諧振蕩器 返回返回 uc uo CC U 3 2 CC U 3 1 tp1tp2 t t CRt p 11 7 . 0 CRt p 22 7 . 0 占空比占空比 2 1 1 21 1 RR R tt t D pp p 返回返回 21.4 21.4 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 21.4.1 CMOS21.4.1 CMOS積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 +UDD 1 1 A R uo1 ui uo C 返回返回 5

19、K 5K 5K DR DS Q Q 8 +UCC 5 6 2 7 3 1 GND 4 1 GND 2 低電平觸發(fā)端低電平觸發(fā)端 3 輸出端輸出端 4 復(fù)位端復(fù)位端 6 高電平觸發(fā)端高電平觸發(fā)端 7 放電端放電端 8 正電源端正電源端518V C1 C2 21.4.2 由由555集成定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器集成定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 1. 555集成定時(shí)器集成定時(shí)器 返回返回 2. 由由555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 5K 5K 5K DR DS Q Q 8 +UCC 5 6 2 7 3 1 4+UCC+UCC 0.01F ui u0 R C uc CC U 3 2 u

20、c ui u0 tp t t t tp=RC ln3=1.1RC C1 C2 返回返回 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的主要用途單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的主要用途: 1.用作定時(shí)控制用作定時(shí)控制,改變改變RC參數(shù)大小參數(shù)大小,可改變輸出可改變輸出 高電平時(shí)間寬度高電平時(shí)間寬度,即改變定時(shí)時(shí)間即改變定時(shí)時(shí)間. 2.用于脈沖整形。用于脈沖整形。 返回返回 施密特觸發(fā)器（施密特觸發(fā)器（電路電路）是一種特殊的）是一種特殊的雙穩(wěn)態(tài)時(shí)序電雙穩(wěn)態(tài)時(shí)序電 路路，與一般雙穩(wěn)態(tài)電路比較，它具有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：，與一般雙穩(wěn)態(tài)電路比較，它具有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)： 1.1.施密特觸發(fā)器是一種優(yōu)良的施密特觸發(fā)器是一種優(yōu)良的波形整形電路波形整形電路，只要，

21、只要 輸入信號(hào)電平達(dá)到觸發(fā)電平，輸出信號(hào)就會(huì)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)輸入信號(hào)電平達(dá)到觸發(fā)電平，輸出信號(hào)就會(huì)從一個(gè)穩(wěn)態(tài) 轉(zhuǎn)變到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)，且通過(guò)電路內(nèi)部的轉(zhuǎn)變到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)，且通過(guò)電路內(nèi)部的正反饋正反饋過(guò)程可使過(guò)程可使 輸出電壓的波形變得很陡。輸出電壓的波形變得很陡。 2.2.對(duì)正向和負(fù)向增長(zhǎng)的輸入信號(hào)，電路有不同的閾對(duì)正向和負(fù)向增長(zhǎng)的輸入信號(hào)，電路有不同的閾 值電平，這是施密特觸發(fā)器的值電平，這是施密特觸發(fā)器的滯后特性滯后特性或或回差特性回差特性，提，提 高了干擾能力，可有效濾除噪聲。高了干擾能力，可有效濾除噪聲。 6.3.2 施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器 Schmitt Trigger VCC1 R C 1 2

22、 3 4 5 6 7 8 555555 5 VCC2 由于施密特觸發(fā)器無(wú)須放電端，所以利用放電端與輸出由于施密特觸發(fā)器無(wú)須放電端，所以利用放電端與輸出 端狀態(tài)相一致的特點(diǎn)，從放電端加一上拉電阻后，可以獲得端狀態(tài)相一致的特點(diǎn)，從放電端加一上拉電阻后，可以獲得 與與3 3腳相同的輸出。但上拉電阻可以單獨(dú)接另外一組電源，腳相同的輸出。但上拉電阻可以單獨(dú)接另外一組電源， 以獲得與以獲得與3 3腳輸出不同的邏輯電平。腳輸出不同的邏輯電平。 施密特觸發(fā)器屬于波形變換電路，該電路可以將正弦波、三施密特觸發(fā)器屬于波形變換電路，該電路可以將正弦波、三 角波、鋸齒波變?yōu)槊}沖信號(hào)。角波、鋸齒波變?yōu)槊}沖信號(hào)。 uo2 ui uo1 施密特觸發(fā)器電路圖施密特觸發(fā)器電路圖 施密特觸發(fā)器的工作原理和多諧振施密特觸發(fā)器的工作原理和多諧振 蕩器基本一致，無(wú)原則不同。只不蕩器基本一致，無(wú)原則不同。只不 過(guò)多諧振蕩器是靠電容器的充放電過(guò)多諧振蕩器是靠電容器的充放電 去控制電路狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)