正弦波信號(hào)發(fā)生器制作

1、 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)生電路也稱為正弦波振蕩電路或正弦波振蕩器。正弦波振蕩電路的振蕩條件RC正弦波振蕩電路LC正弦波振蕩電路石英晶體振蕩電路 正弦波振蕩電路就是一個(gè)沒有輸入信號(hào)的帶選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大電路。1FA1FAFAAF = a+ f= 2nfiaXXXfaXX100XXXXXXfaaf振蕩條件1faFAFA幅度平衡條件 相位平衡條件 n = 0,1,2動(dòng)畫振蕩頻率f0由相位平衡條件決定。選頻網(wǎng)絡(luò)可設(shè)在 中或 中。FA選頻網(wǎng)絡(luò)由RC元件或LC元件組成。低頻1HZ 1MHZ高頻1MHZ以上

2、正弦波振蕩電路只在一個(gè)頻率下(f0)滿足相位平衡條件。電路原理(1) 電路的構(gòu)成 RC 串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是正反饋網(wǎng)絡(luò)，Rf 和R1為負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與Rf、R1負(fù)反饋支路正好構(gòu)成一個(gè)橋路，稱為橋式。（2 2）RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性212ofZZZVVFVRRCjCjRR11RCRCj131RCjRCjRRCjR1/)/1 (1/）（令0=1/RC0031jFV)j/1 (1CRZ )j/1/(2CRZRCRj1 0031jFV=0=1/RC或 f = f0 =1/2RCFVmax=1/30fRC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線 當(dāng) f=f0 時(shí)的反饋系數(shù) 與頻率f0

3、無關(guān)。此時(shí)的相角 f =0。即改變頻率不會(huì)影響反饋系數(shù)和相角，在調(diào)節(jié)諧振頻率的過程中，不會(huì)停振，也不會(huì)使輸出幅度改變。當(dāng)C1 =C2、R1 =R2時(shí): (3)振蕩的建立與穩(wěn)定RCff210 為滿足振蕩的幅度條件 =1，所以Af3。加入Rf、R1支路，構(gòu)成串聯(lián)電壓負(fù)反饋。FA31ofVVFV311fRRAf當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)時(shí)：3VA 振蕩電路的穩(wěn)幅作用是靠熱敏電阻R1實(shí)現(xiàn)的。R1是正溫度系數(shù)熱敏電阻，當(dāng)輸出電壓升高，R1上所加的電壓升高，即溫度升高，R1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Rf 的位置。.試分析D1、D2自動(dòng)穩(wěn)幅原理；.估

4、算輸出電壓V0m；(VD=0.6V).試畫出若R2短路時(shí)，輸出電壓V0的波形；.試畫出若R2開路時(shí)，輸出電壓V0的波形；.穩(wěn)幅原理 當(dāng)v0幅值很小時(shí)， D1、D2接近開路，R3=2.7K。3 . 3/1132RRRRAV 當(dāng)v0幅值較大時(shí)， D1或D2導(dǎo)通，R3減小，AV下降。.估算輸出電壓V0m (VD=0.6V)31 . 5/1 . 51 . 93KKRKAV穩(wěn)幅時(shí)：KR1 . 13IKVI1 . 16 . 0KKKVm1 . 91 . 51 . 10KKKVKVm1 . 91 . 51 . 16 . 03 .150V35. 8.若R2短路時(shí)(4). 若R2開路時(shí)，輸出電壓V0的波形AV3

5、，電路停振，輸出電壓V0的波形為1132/ RRRRAV運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用（運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用（I） 正弦波正弦波發(fā)生器發(fā)生器 制作制作集成運(yùn)放的外引線排列集成運(yùn)放的外引線排列LM324uA741引腳及符號(hào)引腳及符號(hào)圖125正弦波發(fā)生器電路圖圖3.2.1 RC橋式正弦波振蕩器 方波輸出方波輸出正弦波輸出正弦波輸出正弦波輸入正弦波輸入運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用（運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用（II） 信號(hào)放大、轉(zhuǎn)換制作信號(hào)放大、轉(zhuǎn)換制作正弦波發(fā)生器正弦波發(fā)生器 調(diào)試調(diào)試1、按圖焊接好電路。用萬用表仔細(xì)檢查電路安裝的、按圖焊接好電路。用萬用表仔細(xì)檢查電路安裝的正確性。正確性。2、接通、接通5V電源，調(diào)節(jié)電位器

6、電源，調(diào)節(jié)電位器RW，用示波器觀察到，用示波器觀察到一個(gè)不失真的正弦波；用交流毫伏表測(cè)量正弦波一個(gè)不失真的正弦波；用交流毫伏表測(cè)量正弦波大小。大小。3、用示波器或頻率計(jì)測(cè)量振蕩頻率、用示波器或頻率計(jì)測(cè)量振蕩頻率fO，并與理論值進(jìn)，并與理論值進(jìn)行比較。行比較。4、若要得到一個(gè)輸出幅值可調(diào)的正弦波信號(hào)，如何、若要得到一個(gè)輸出幅值可調(diào)的正弦波信號(hào)，如何解決？在輸出正弦波信號(hào)加入直流偏移量，如何解決？在輸出正弦波信號(hào)加入直流偏移量，如何解決？解決？5、注意：集成運(yùn)算放大器電源端要加入濾波電容。、注意：集成運(yùn)算放大器電源端要加入濾波電容。正弦波發(fā)生器所用元件正弦波發(fā)生器所用元件1、14腳腳IC座；集成運(yùn)

7、算放大器座；集成運(yùn)算放大器LM324。2、10k電位器。電位器。3、電阻若干。、電阻若干。4、二極管、二極管1N4148.5、電容若干。、電容若干。 電壓比較器及弛張振蕩器電壓比較器及弛張振蕩器1電壓比較器電壓比較器一、一、電壓比較器的基本特性電壓比較器的基本特性 電壓比較器的功能是比較兩個(gè)輸入電壓的大小，據(jù)此決定輸出是高電平還是低電平。高電平相當(dāng)于數(shù)字電路中的邏輯“1”，低電平相當(dāng)于邏輯“0”。比較器輸出只有兩個(gè)狀態(tài)，不論是“1”或是“0”，比較器都工作在非線性狀態(tài)。所以，“虛短路”概念不能隨便應(yīng)用。 圖給出了電壓比較器的符號(hào)及傳輸特性。其反相輸入端加信號(hào)ui，同相輸入端加參考電壓(ur)。

8、比較器一般是開環(huán)工作，其增益很大。所以，當(dāng)ui ur時(shí)，輸出為“高”；反之，當(dāng)ui ur時(shí)，輸出為“低”。而當(dāng)ui接近ur時(shí)，輸出電平發(fā)生轉(zhuǎn)換，此刻同相端和反相端可看成“虛短路”。其它時(shí)刻U+與U-可能差得很遠(yuǎn)(即U+U-)。電壓比較器的輸入為模擬量，輸出為數(shù)字量(0或1)，可作為模擬和數(shù)字電路的接口電路，也可作為一位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在實(shí)際中有著廣泛應(yīng)用。 uiurCUCCUEEuo0uiuourUoHUoL鑒別不靈敏區(qū)(a)(b) 電壓比較器的符號(hào)及傳輸特性1. 高電平高電平(UoH)和低電平和低電平(UoL) 電壓比較器可以用運(yùn)放構(gòu)成，也可用專用芯片構(gòu)成。用運(yùn)放構(gòu)成的比較器，其高電平UoH可接

9、近于正電源電壓(UCC)，低電平UoL可接近于負(fù)電源電壓(-UEE)。在有些應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)輸出加以限幅，如圖所示。其中圖749(a)電路的高低電平等于(UVZ+UVD)，圖749(b)電路的高低電平等于(UVZ+UVD)。2. 鑒別靈敏度鑒別靈敏度 事實(shí)上，集成運(yùn)放和專用比較器芯片的Aud不為無窮大，ui在ur附近的一個(gè)很小范圍內(nèi)存在著一個(gè)比較器的不靈敏區(qū)。如圖748(b)中虛線所示的輸入電壓變化范圍，在該范圍內(nèi)輸出狀態(tài)既非UoH，也非UoL，故無法實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電平大小進(jìn)行判別。 Aud越大，則這個(gè)不靈敏區(qū)就越小，工程上稱比較器的鑒別靈敏度越高。 圖749 輸出限幅電路 (a)UoH=UVZ1+U

10、VD2,UoL=-(UVD1+UVZ2); (b)UoH=UVD1+UVZ+UVD2,UoL=-(UVD4+UVZ+UVD3) CUCCUEEuo(a)RCUCC UEEuoR(b)VD2VD4VD3VD1VZVZ1VZ2 3.轉(zhuǎn)換速度 作為比較器的另一個(gè)重要特性就是轉(zhuǎn)換速度，即比較器的輸出狀態(tài)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。通常要求轉(zhuǎn)換時(shí)間盡可能短，以便實(shí)現(xiàn)高速比較。比較器的轉(zhuǎn)換速度與器件壓擺率SR有關(guān)， SR越大，輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間就越短，比較器的轉(zhuǎn)換速度越高。電壓比較器一般為開環(huán)應(yīng)用或正反饋應(yīng)用，不需要相位補(bǔ)償電容。二、二、電壓比較器的開環(huán)應(yīng)用電壓比較器的開環(huán)應(yīng)用簡單比較器簡單比較器1.過零比

11、較器過零比較器 在圖748(a)中，令參考電平ur=0,則輸入信號(hào)ur與零比較， ur 0，輸出為低(UoL),而ur 0，輸出為高，其波形如圖7-50(a)所示。這種電路可做為零電平檢測(cè)器。該電路也可用于“整形”，將不規(guī)則的輸入波形整形成規(guī)則的矩形波。 圖750過零比較器及脈寬調(diào)制器輸出波形(a)過零比較器整形波形；(b)脈寬調(diào)制器輸出波形2. 脈寬調(diào)制器脈寬調(diào)制器 若參考信號(hào)ur為三角波，而輸入信號(hào)ui為緩變信號(hào)，如經(jīng)傳感器變換的溫度、壓力等信號(hào)，則隨著ui的變化，輸出矩形波的脈寬也隨之變化。所以，開環(huán)比較器還可實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制，如圖750(b)所示。 三、遲滯比較器三、遲滯比較器雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

12、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1.簡單比較器應(yīng)用中存在的問題簡單比較器應(yīng)用中存在的問題 如圖748(a)所示的比較器存在兩個(gè)問題：一是輸出電壓轉(zhuǎn)換時(shí)間受運(yùn)放壓擺率SR的限制，導(dǎo)致高頻脈沖的邊緣不夠陡峭(如圖751(a)所示)；二是抗干擾能力差，如圖751(b)所示，若ui在參考電壓ur(=0)附近有噪聲或干擾，則輸出波形將產(chǎn)生錯(cuò)誤的跳變，直至ui遠(yuǎn)離ur值才穩(wěn)定下來。如果對(duì)受干擾的uo波形去計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值必然會(huì)多出許多，從而造成極大的誤差。 圖7-51 簡單比較器輸出波形邊緣不陡峭及受干擾的情況(a)輸出波形邊緣不陡峭 (b)受干擾情況2.遲滯比較器電路及傳輸特性遲滯比較器電路及傳輸特性 為了解決以上兩個(gè)問題，在

13、比較器中引入正反饋，構(gòu)成所謂“遲滯比較器”。這種比較器具有很強(qiáng)的抗干擾能力，而且，由于正反饋加速了狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從而改善了輸出波形的邊緣。 1)反向輸入的遲滯比較器 反向輸入的遲滯比較器電路如圖752(a)所示。其中R2將uo反饋到運(yùn)放的同相端與R1一起構(gòu)成正反饋，其正反饋系數(shù)F正為圖752遲滯比較器電路及傳輸特性 (a)電路； (b)傳輸特性 Cuo(a)RRuiR2R1VZ1VZ2Uf圖752遲滯比較器電路及傳輸特性 (a)電路； (b)傳輸特性 00uiuouiuouiuoUoH UUrLUoLUrH(b)UrLUrH 電路中R及帶溫度補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)壓管(VZ1、VZ2)組成輸出限幅電路，使輸出電

14、壓的高低電平限制在(UVZ+UVD)。下面我們來分析該電路的傳輸特性。 因?yàn)樾盘?hào)加在運(yùn)放反相端，所以u(píng)i為負(fù)時(shí)，uo必為正，且等于高電平UoH=+(UVZ1+UVD2)。此時(shí)，同相端電壓(U+)為參考電平Ur1:211RRRUUFof正(759) )(2121121111VDVZoHoHfrUURRRURRRUFUU正(760) 當(dāng)ui由負(fù)逐漸向正變化，且ui =Uf=Ur1時(shí)，輸出將由高電平轉(zhuǎn)換為低電平。我們稱uo從高到低所對(duì)應(yīng)的ui轉(zhuǎn)換電平為上門限電壓，記為UTH?？梢妎HrTHURRRUU2111(761) 而后，ui再增大，uo將維持在低電平。此時(shí)，比較器的參考電壓Ur將發(fā)生變化，即)

15、()(2121121122VDVDoLoLfrUURRRURRRUFUU正(762) 當(dāng)ui由正變負(fù)的比較電平將是Ur2(負(fù)值)，故只有當(dāng)ui變得比Ur2更負(fù)時(shí)，uo才又從低變高。所以，稱Ur2為下門限電壓，記為UTL。 )(212112112VZVDoLrTHUURRRURRRUU(763) 綜上所述，遲滯比較器的傳輸特性如圖752(b)所示。由于它像磁性材料的磁滯回線，所以稱之為遲滯比較器或滯回比較器。遲滯比較器的上、下門限之差稱之為回差，用U表示： )(2211VDVZTLTHUURRRUUU(764) 如圖753所示。由于使電路輸出狀態(tài)跳變的輸入電壓不發(fā)生在同一電平上，若ui上疊加有干

16、擾信號(hào)時(shí)，只要該干擾信號(hào)的幅度不大于回差U，則該干擾的存在就不會(huì)導(dǎo)致比較器輸出狀態(tài)的錯(cuò)誤跳變。應(yīng)該指出，回差U的存在使比較器的鑒別靈敏度降低了。輸入電壓ui的峰峰值必須大于回差，否則，輸出電平不可能轉(zhuǎn)換。圖753遲滯比較器輸出波形2)同相輸入遲滯比較器 電路如圖754(a)所示，信號(hào)與反饋都加到運(yùn)放同相端，而反相端接地(U-=0)。只有當(dāng)同相端電壓U+=U-=0時(shí)，輸出狀態(tài)才發(fā)生跳變。而同相端電壓等于正反饋電壓與ui在此端分壓的疊加。據(jù)此，可得該電路的上門限電壓和下門限電壓分別為 )()(2121VDVZTLVDVZTHUURRUUURRU(765a) (765b) 其傳輸特性如圖754(b)

17、所示，讀者可自行分析。 遲滯比較器又名施密特觸發(fā)器或雙穩(wěn)態(tài)電路，它有兩個(gè)狀態(tài)，且具有記憶功能。 (a)uoRR1uiR2(UVZ UVD)(b)uiuoUoHUrLUoLUrHC圖754同相輸入遲滯比較器及其傳輸特性 (a)電路；(b)傳輸特性742弛張振蕩器弛張振蕩器 弛張振蕩器即方波三角波產(chǎn)生器。對(duì)于方波信號(hào)發(fā)生器，其狀態(tài)有時(shí)維持不變，而有時(shí)則發(fā)生突跳。為區(qū)別于正弦振蕩器，人們將這種有張有弛的信號(hào)發(fā)生器稱之為弛張振蕩器。 弛張振蕩器必須是一個(gè)正反饋電路，它由兩部分組成：一部分是狀態(tài)記憶電路;另一部分是定時(shí)電路，即控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間的電路。如圖755所示，一般用遲滯比較器作為狀態(tài)記憶電路，而用

18、積分器作為定時(shí)電路。 狀態(tài)記憶單元定時(shí)單元圖755 弛張振蕩器框圖一、單運(yùn)放弛張振蕩器一、單運(yùn)放弛張振蕩器 單運(yùn)放將狀態(tài)記憶電路和定時(shí)電路集中在一起，如圖756(a)所示，其中帶正反饋的運(yùn)放構(gòu)成遲滯比較器，RC構(gòu)成積分器即定時(shí)電路。其波形如圖756(b)所示。(a)AuoRR3C(UVZ UVD)R2R1 R2BAuCR1R2uo(t)tUoH0R2R1 R2UoHR2R1 R2UoLUoLT2t1TuC(t)t2T1T2(b)圖756 單運(yùn)放弛張振蕩器電路及波形 假定輸出為高電平(UoH=UVZ+UVD)，且電容初始電壓uC(0)=0，那么電容被充電，uC(t)以指數(shù)規(guī)律上升，并趨向UoH。

19、此時(shí)，運(yùn)放同相端電壓U+為)(212212VDVZoHoHUURRRURRRUFU正(766) 該電壓為比較器的參考電平。當(dāng)uC上升到該電平值時(shí)，即U-=U+，則輸出狀態(tài)要發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即由高電平跳變到低電平UoL。我們將此時(shí)的U+記為高門限電壓UTH：oHoHTHURRRUFU211正(767) 一旦Uo變?yōu)榈碗娖?，電容開始放電，后又反充電，uC以指數(shù)規(guī)律下降，并趨向UoL。但是，因?yàn)榇藭r(shí)的U+變?yōu)榱硪粋€(gè)參考電平(下門限電壓) )(2)(212VDVZoLoHoppVDVZoLUUUUUUURRRUFU正 當(dāng)uC下降到UTL時(shí)，輸出又從低電平跳變到高電平。周而復(fù)始，運(yùn)放輸出為方波，其峰峰值為 (

20、768) (769) 電容電壓uC(t)為近似的三角波，其峰峰值為)(2212VDVZTLTHCppUURRRUUU(770) 因?yàn)殡娙莩潆姾头烹姇r(shí)常數(shù)均等于RC，所以T1=T2，占空比D=T2/T=50%。 現(xiàn)在來計(jì)算振蕩頻率f0。首先計(jì)算時(shí)間T1。如圖756(b)所示，根據(jù)三要素法，電容電壓uC(t)為tCCCCeUUUtu)0()()()(771) oHTHCoLTLCVDVZoHCURRRUTuTtRCURRRUUUUUU212111212)(0時(shí)，轉(zhuǎn)換值：當(dāng)時(shí)常值：）（初始值：）（趨向值：(772)將式(771)代入式(770)，得THoHTLoHUUUUTln2 如果要求改變占空比，只要令電容C充電和放電時(shí)常數(shù)不同即可，如圖757(a)所示。只要調(diào)節(jié)電位器抽頭的位置，充放電時(shí)常數(shù)就不等。)21ln(21,211120020RRRCffTTf為故震蕩頻率(773) AuoR3R1R2aCbV1V2RWRbRa(a)uo(t)t0UoHRbCRaCUoL(b)圖757占空比可調(diào)的弛張振蕩器 (a)電路；(b)波形 二、雙運(yùn)放構(gòu)成的弛張振蕩器二、雙運(yùn)放構(gòu)成的弛張振蕩器 如圖758所示，運(yùn)放A1構(gòu)成同相輸入的遲滯比較器，A2為理想積分器。 A1輸出為方波，該方波通過電阻R給電容C恒流充放電，形成三角波，反過