第八章波形的產(chǎn)生與變換電路

1、第八章第八章 波形的產(chǎn)生與變換電路波形的產(chǎn)生與變換電路8.1 正弦波振蕩的基本原理正弦波振蕩的基本原理8.2 rc正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路8.3 lc正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路8.4 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路8.5 比較器比較器8.6 方波發(fā)生器方波發(fā)生器8.7 三角波及鋸齒波發(fā)生器三角波及鋸齒波發(fā)生器一一. 產(chǎn)生自激振蕩的條件產(chǎn)生自激振蕩的條件fidxxx-=改成正反饋改成正反饋只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。8.1 正弦波振蕩器的基本原理正弦波振蕩器的基本原理+xi f基本放大器基本放大器a反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)fx+doxx如果：如果：,ifxx=

2、則去掉則去掉,ix仍有信號(hào)輸出。仍有信號(hào)輸出。反饋信號(hào)代替了放大反饋信號(hào)代替了放大電路的輸入信號(hào)。電路的輸入信號(hào)。xi +f基本放大器基本放大器a反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)fx+doxxxdof基本放大器基本放大器a反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)fxxfa=1xd=xf所以，自激振蕩條件也可以寫成：所以，自激振蕩條件也可以寫成：自激振蕩的條件：自激振蕩的條件：（1）振幅條件：）振幅條件：1|=af（2）相位條件：）相位條件：pjjnfa2=+n是整數(shù)是整數(shù)1.=faaaaj=|因?yàn)椋阂驗(yàn)椋篺ffj=|.動(dòng)畫演示動(dòng)畫演示xdof基本放大器基本放大器a反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)fxx二二.起振條件和穩(wěn)幅原理起振條件和穩(wěn)幅原理起振條

3、件：起振條件：結(jié)果：產(chǎn)生增幅振蕩結(jié)果：產(chǎn)生增幅振蕩1|fa（略大于）（略大于）1 1、被動(dòng)：器件非線性、被動(dòng)：器件非線性2 2、主動(dòng)：在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以、主動(dòng)：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)調(diào)節(jié)放大電路的放大電路的增益增益穩(wěn)幅過程：穩(wěn)幅過程：起振時(shí)，起振時(shí)，1|fa穩(wěn)定振蕩時(shí)，穩(wěn)定振蕩時(shí)，1|=fa穩(wěn)幅措施：穩(wěn)幅措施：起振過程起振過程xdof基本放大器基本放大器a反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)fxx1.1.放大電路放大電路2.2.正反饋網(wǎng)絡(luò)正反饋網(wǎng)絡(luò)3.3.選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)只對(duì)一個(gè)頻率滿足振蕩條件只對(duì)一個(gè)頻率滿足振蕩條件，從而獲得單一頻率的正弦波輸出。，從而獲得單一頻率的正弦波輸

4、出。 常用的選頻網(wǎng)絡(luò)有常用的選頻網(wǎng)絡(luò)有rc選頻選頻和和lc選頻選頻4.4.穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)使電路易于起振又能穩(wěn)定振使電路易于起振又能穩(wěn)定振蕩，波形失真小。蕩，波形失真小。三三. .正弦波振蕩器的一般組成正弦波振蕩器的一般組成8 . 2 rc正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路一一. rc 串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性r1c1 串聯(lián)阻抗：串聯(lián)阻抗：212ofzzzuuf+=)j/1 (111crz+=222222j1 )j/1/(crrcrz+=r2c2 并聯(lián)阻抗：并聯(lián)阻抗：選頻特性：選頻特性：+ru+-o-fu+12rc12c1.定性分析：定性分析：（1）當(dāng)信號(hào)的頻率很低時(shí)。）當(dāng)信號(hào)的頻率

5、很低時(shí)。r111cr221c其低頻等效電路為：其低頻等效電路為：其頻率特性為：其頻率特性為：當(dāng)當(dāng)=0時(shí)，時(shí)，uf=0，f=0 =+90fj當(dāng)當(dāng)時(shí)，時(shí)，uf=，f fj+fo-+r21u-uc+0 |f|0 f90（2）當(dāng)信號(hào)的頻率很高時(shí)。）當(dāng)信號(hào)的頻率很高時(shí)。r111cr221c其高頻等效電路為：其高頻等效電路為：其頻率特性為：其頻率特性為：當(dāng)當(dāng)=時(shí)，時(shí)，uf=0，f=0 =-90fj當(dāng)當(dāng)時(shí)，時(shí)，uf=，f fj+ou-f-u+2c+1r0 |f|0 f-900=？ fmax=？由以上分析知：一定有一個(gè)頻率由以上分析知：一定有一個(gè)頻率0存在，存在，當(dāng)當(dāng)=0時(shí)，時(shí)，f最大，且最大，且 =0fj0

6、 |f|0 f900 |f|0 f-902. 定量分析定量分析)j/1(111crz + += =222222j1 )j/1/(crrcrz + += = =r1c1 串聯(lián)阻抗：串聯(lián)阻抗：r2c2 并聯(lián)阻抗：并聯(lián)阻抗：212ofzzzuuf+ += = =頻率特性：頻率特性：+ru+-o-fu+12rc12c)1j()1(1j1j1j11221211222211222crcrrrcccrrcrcrrf - -+ + + += =+ + + + += = 通常，取通常，取r1r2r，c1c2c，則有：，則有：)j(3100 - -+ += = f式中：式中：rc10= = 可見：當(dāng)可見：當(dāng) 時(shí)，

7、時(shí)， f最大，且最大，且 =0rc10=fj fmax=1/3rc串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)完整的頻率特性曲線：串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)完整的頻率特性曲線：rc10= = 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， f= fmax=1/30f=jrc10=rcfp p210= = fo +90o |f|1/3二二.rc橋式振蕩器的工作原理：橋式振蕩器的工作原理：0=aj在在 f0 處處,0=fj滿足相位條件：滿足相位條件：因?yàn)椋阂驗(yàn)椋篴f=131=f11f+=rra1f2rr =只需：只需：a=3輸出正弦波頻率輸出正弦波頻率：rcfp210=0=+fajj振幅條件：振幅條件：urf1rrrccufa+o引入負(fù)反饋：引入負(fù)反饋：選：選：例題例題: :r

8、=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= =？ af=1，31=f11f+=rraa=3rf=2r1=2 10=20k k rcfp210=1592 hz起振條件：起振條件：urf1rrrccufa+o能自動(dòng)穩(wěn)幅的振蕩電路能自動(dòng)穩(wěn)幅的振蕩電路半導(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)）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

9、大時(shí)，大時(shí)， rt再減再減小小 ,使使a uref時(shí)時(shí) , uo = +uom當(dāng)當(dāng)ui uref時(shí)時(shí) , uo = -uom 運(yùn)放處于運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)開環(huán)狀態(tài)uuu+i-uuaorefuoui0+uom-uomuref當(dāng)當(dāng)ui uref時(shí)時(shí) , uo = -uom 若若ui從反相端輸入從反相端輸入uuu-+ui+oa+uoui0+uz-uz（1）用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓）用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓忽略了忽略了ud3. 限幅電路限幅電路使輸出電壓為一穩(wěn)定的確定值使輸出電壓為一穩(wěn)定的確定值uuz+o+-auz+duri當(dāng)當(dāng)ui 0時(shí)時(shí) , uo = +uz當(dāng)當(dāng)ui 0時(shí)時(shí) , uo = -uz當(dāng)當(dāng)ui 0時(shí)

10、時(shí) , uo = +uz 二二. 遲滯比較器遲滯比較器1.工作原理工作原理兩個(gè)門限電壓。兩個(gè)門限電壓。特點(diǎn)特點(diǎn):電路中使用正反饋電路中使用正反饋運(yùn)放工作在非線性區(qū)。運(yùn)放工作在非線性區(qū)。（1）當(dāng)）當(dāng)uo =+uz時(shí)，時(shí)，（2）當(dāng)）當(dāng)uo =-uz時(shí)，時(shí)，refzurrrurrruu2ff2f2t+ + + += = =+ + +refzurrrurrruuf2ff22t+ + + +- -= = =- -+ +ut+稱上門限電壓稱上門限電壓ut-稱下門限電壓稱下門限電壓ut+- ut-稱為回差電壓稱為回差電壓uuua+r-zu+do+furzirefr1r2遲滯比較器的電壓傳輸特性：遲滯比較器的

11、電壓傳輸特性：uoui0+uz-uzut+ut-設(shè)設(shè)ui , 當(dāng)當(dāng)ui = ut+時(shí)時(shí), uo從從+uz -uzuuua+r-zu+do+furzirefr1r2例題：例題：rf=10k ，r2=10k ，uz=6v， uref=10v。當(dāng)輸入當(dāng)輸入ui為如圖所示的波形時(shí)，畫為如圖所示的波形時(shí)，畫 出輸出出輸出uo的波形。的波形。上下限：上下限：v82ff2f2t= =+ + + += =+ +rzurrrurrruv32ff2f2t= =+ + + +- -= =- -rzurrrurrruuoui08v3v傳輸特性傳輸特性+6v-6vuuua+r-zu+do+furzirefr1r23v8

12、vuiuo+6v-6vuoui08v3v傳輸特性傳輸特性+6v-6vuuua+r-zu+do+furzirefr1r21.電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)由滯回比較電路和由滯回比較電路和rc定時(shí)電路構(gòu)成定時(shí)電路構(gòu)成zurrruf11t+ += =+ +zurrruf11t+ +- -= =- -上下限上下限:8.6 方波發(fā)生器方波發(fā)生器u+a+-u+u1rfrzrzdorcuc2.工作原理：工作原理：(1) 設(shè)設(shè) uo = + uz , 此時(shí)，此時(shí)，uo給給c 充電充電, uc ，則：則：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

13、變成變成uz 。在在 uc ut+ 時(shí)，時(shí)，u- u+ , 設(shè)設(shè)uc初始值初始值uc(0+)= 0方波發(fā)生器方波發(fā)生器uo保持保持+uz不變不變+uzu+a+-u+u1rfrzrzdorcuc此時(shí)，此時(shí)，c向向u uo o放電放電, ,再反向充電再反向充電(2) 當(dāng)當(dāng)uo = -uz 時(shí)，時(shí)， u+=ut-uc達(dá)到達(dá)到ut-時(shí)，時(shí)，uo上跳。上跳。ut+uctut-當(dāng)當(dāng)uo 重新回到重新回到uz 后，電路又進(jìn)入另一個(gè)周期性的變化。后，電路又進(jìn)入另一個(gè)周期性的變化。-uzu+a+-u+u1rfrzrzdorcuc0ut+uctut-+uzuo0t - uzt完整的波形：完整的波形：動(dòng)畫演示動(dòng)畫演

14、示計(jì)算振蕩周期計(jì)算振蕩周期t。u+a+-u+u1rfrzrzdorcucewb演示演示方波發(fā)生器方波發(fā)生器周期與頻率的計(jì)算：周期與頻率的計(jì)算：0 ut+uct ut- +uz -uzt1t2tt= t1 + t2 =2 t2 uc(t)=uc ( )+ uc (0+) -uc ( ) e , =rc-t t2階段階段uc(t)的過渡過程方程為的過渡過程方程為:)21ln(2f1rrrct+ += =f = 1/t可推出可推出:u+a+-u+u1rfrzrzdorcuc3 3、占空比可調(diào)的方波發(fā)生器占空比可調(diào)的方波發(fā)生器uzuo0t- uz 改變電位器改變電位器 rw 的滑動(dòng)端，就改變了沖放電的

15、的滑動(dòng)端，就改變了沖放電的時(shí)間，從而使方波的占空比可調(diào)。時(shí)間，從而使方波的占空比可調(diào)。u+a+-u+u1rfrzrzd1d2dorwrcuc8.7 三角波及鋸齒波信號(hào)發(fā)生器三角波及鋸齒波信號(hào)發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)：遲滯比較器電路結(jié)構(gòu)：遲滯比較器+反相積分器反相積分器一一. 三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器u+r+a1+rz-2zdu4ro2+r1r35rcuuo1a2工作原理工作原理：若若uo1=+uz， uo2， u+ 。)(0dt12o01o42o+ + +- -= = uucrut2o2121o211urrrurrru+ + + += =+ + 當(dāng)當(dāng)u+ 0時(shí)，時(shí)， uo1翻轉(zhuǎn)為翻轉(zhuǎn)為-uz。若若uo1

16、=-uz， uo2， u+ 。 當(dāng)當(dāng)u+ 0時(shí)，時(shí)， uo1翻轉(zhuǎn)為翻轉(zhuǎn)為+uz。波形圖波形圖振蕩周期：振蕩周期：0ut+uo2tut-+uzuo10t - uztur-+z+urr+12a1u4r+ca2rzd5+uo1o2zturru21= =+ +zturru21- -= =- -2414rcrrt = = 二二.鋸齒波發(fā)生器鋸齒波發(fā)生器改變積分器的正反向改變積分器的正反向充電時(shí)間常數(shù)充電時(shí)間常數(shù)uzo1ro23zu+rr5+du4ura1-r+1a2+2c+rd6ruo1=+uz，d截止，截止，充電充電時(shí)間常數(shù)：時(shí)間常數(shù)：r4c。uo1=-uz，d導(dǎo)通，導(dǎo)通，充電時(shí)充電時(shí)間常數(shù)：間常數(shù)：

17、(r6r4)c。+uzuo10t - uz r6r4本章小結(jié)本章小結(jié)1正弦波振蕩的條件：正弦波振蕩的條件： af=1 （振幅條件）（振幅條件） （相位條件（相位條件pjjn2fa=+正弦波振蕩電路由放大器、反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)構(gòu)成。正弦波振蕩電路由放大器、反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)構(gòu)成。2正弦波振蕩電路主要有正弦波振蕩電路主要有rc振蕩電路和振蕩電路和lc振蕩電路兩種。振蕩電路兩種。rc振蕩電振蕩電路主要用于中低頻場(chǎng)合，路主要用于中低頻場(chǎng)合，lc振蕩電路主要用于高頻場(chǎng)合。石英晶體振振蕩電路主要用于高頻場(chǎng)合。石英晶體振蕩電路是一種特殊的蕩電路是一種特殊的lc振蕩電路，其特點(diǎn)是具有很高的頻率穩(wěn)定性。振蕩電路，其特點(diǎn)是具有很高的頻率穩(wěn)定性。3當(dāng)運(yùn)放開環(huán)工作或引入正反饋時(shí)，運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)。其分析當(dāng)運(yùn)放開環(huán)工作或引入正反饋時(shí)，運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)。其分析方法為：方法為： 若若u u+ +u u- - 則則u uo o=+u=+uomo