波形發(fā)生電路

1、第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路模擬電子技術(shù)第8章波形發(fā)生電路 范立南 恩莉 代紅艷 李雪飛中國水利水電出版社第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路8.1正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路8.2 非正弦波振蕩電路非正弦波振蕩電路8.3波形變換電路波形變換電路第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路 波形發(fā)生電路在組成和參數(shù)選擇上必須保證能產(chǎn)生自激振蕩，從而為電子線路和設(shè)備提供正弦波和非正弦波（例如矩形波、三角波和鋸齒波等）信號。自激振蕩是指在沒有外加信號的條件下，在電路內(nèi)部自發(fā)地產(chǎn)生某一頻率和幅度的振蕩波形的現(xiàn)象，自激振蕩所產(chǎn)生的交流信號波形可以是正弦波，也可以是非正弦波。產(chǎn)生正弦波的自激振蕩電

2、路叫做“正弦波振蕩電路”。產(chǎn)生非正弦波的自激振蕩電路可分別叫做“矩形波發(fā)生電路”、“鋸齒波發(fā)生電路”和“脈沖發(fā)生電路”等。 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路8.1正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 正弦波振蕩電路是一種基本的模擬電路，它是在沒有外加輸入信號的情況下，依靠電路自激振蕩而產(chǎn)生正弦波輸出電壓的電路。正弦波振蕩在量測、遙控、通信、自動控制、熱處理和超聲波電焊等加工設(shè)備中有著廣泛的應用。 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路8.1.1正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識1、自激振蕩條件正反饋放大電路的方框圖如圖8.1所示。 圖8.1正反饋放大電路的方框圖第第8 8章波形發(fā)生

3、電路章波形發(fā)生電路8.1.1正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識由圖8.1可得，ofXFXidoXAX又因為idfXX所以有 ooXFAX于是得到1FA （8-1） 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路8.1.1正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識 式（8-1）是在人為引入正反饋的放大電路中能維持等幅自激振蕩的平衡條件。因為 、 是復數(shù)，所以式（8-1）包含相位平衡條件和幅值平衡條件。（1）產(chǎn)生自激振蕩的相位平衡條件由式（8-1）得AFn2FA（n為整數(shù)） （8-2） （2）產(chǎn)生自激振蕩的幅值平衡條件 由式（8-1）得1FA（8-3） 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)

4、生電路8.1.1正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識1.起振和穩(wěn)幅自激振蕩的起振條件 1FA（8-4） 振蕩頻率 的信號經(jīng)過圖8.1中虛線所示的環(huán)路，如果此時電路滿足正反饋的條件，且反饋信號大于凈輸入信號，則輸出信號就會由小到大建立起來 。0f 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路8.1.1正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識 自激振蕩一旦建立起來，振蕩電路的輸出信號的幅值就將逐漸增大，當增大到一定程度后，放大電路部分中的管子就會接近甚至進入飽和區(qū)或截止區(qū)，輸出波形就會失真，所以要在電路中設(shè)有穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，使輸出信號的幅值增大到一定大小以后，電路滿足 ，保持等幅振蕩。1F

5、A第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路8.1.1正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識3、基本組成部分一般應包括以下幾個基本組成部分： （1）放大電路。 （2）反饋網(wǎng)絡(luò)。 （3）選頻網(wǎng)絡(luò)。 （4）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路8.1.1正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識4、分析方法判斷能否產(chǎn)生正弦波振蕩的一般方法和步驟是：（1）檢查電路是否具有放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)等。（2）檢查放大電路是否能夠正常放大，即是否有合適的靜態(tài)工作點且動態(tài)信號是否能夠輸入、輸出和放大。（3）利用瞬時極性法判斷電路是否滿足正弦波振蕩的相位條件。 第第8 8章波形發(fā)生

6、電路章波形發(fā)生電路8.1.1正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識 具體方法是：在合適的地方（K點）將振蕩電路斷開，使之成為放大電路和反饋網(wǎng)絡(luò)，如圖8.2所示。 圖8.2正弦波振蕩電路的振蕩條件分析示意圖 在斷開處給放大電路加頻率為f0的輸入信號 ，并且給定其瞬時極性，然后以 的極性為依據(jù)，判斷出 和 的極性，計算是否滿足 ，若滿足，電路有可能產(chǎn)生正弦波振蕩，否則電路不可能產(chǎn)生正弦波振蕩。iXiXoXfXn2FA第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路8.1.1正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識（4）若電路滿足相位平衡條件，還要分析是否滿足幅值條件，即是否滿足起振條件。

7、5、分類 正弦波振蕩電路按組成選頻網(wǎng)絡(luò)的元件類型不同可分為RC正弦波振蕩電路，LC正弦波振蕩電路和石英晶體正弦波振蕩電路。第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路8.1.2RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 RC正弦波振蕩電路有RC串并聯(lián)式振蕩電路，移相式振蕩電路和雙T網(wǎng)絡(luò)振蕩電路。 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1、RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路如圖8.3所示。 圖8.3RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路又稱橋式正弦波振蕩電路。第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1、RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路（1）RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)111Cj1RZ2222CRj

8、1RZ選頻網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓為 ，輸出電壓為 ，則oUfU212ofZZZUUF通常選取， ， RRR21CCC21則Cj1/RCj1RCj1/RUUFof第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1、RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路整理，可得RC1RCj31F令 ，代入上式，得出RC1000j31F（8-5） 由式（8-5）可得200231F（8-6） 00F31arctan（8-7） 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1、RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路由式（8-6）和式（8-7）可知，當RC10或 RC21ff0 （8-8） 時，幅頻響應的幅值最大，即31Fmax（8-9） 而相頻響應的相位角為零，即o

9、F0（8-10） 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1、RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路 根據(jù)式（8-6）和式（8-7）畫出的幅頻特性和相頻特性如圖8.4（a）（b）所示。（a）（b）（a）幅頻特性 （b）相頻特性圖8.4RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率特性第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1、RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路（2）RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路分析 圖8.3所示的RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路，在a點斷開， oA0oF0當 時，有 0oFA0電路滿足自激振蕩的相位條件。第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1、RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路 若放大電路的電壓放大倍數(shù)A=3，則有 AF=1，此時電路又

10、滿足自激振蕩的幅值條件。 因此，該振蕩電路對頻率為 的信號可以產(chǎn)生自激振蕩，輸出頻率為 的正弦信號，且 。00RC10 為使上述電路能夠起振，應該使放大電路的電壓放大倍數(shù)A3，以滿足起振條件AF1 由于放大電路為同相比例運算電路，則3RR1A4343R2R（8-11） 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1、RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路電路起振后， 具有負溫度特性，穩(wěn)定振蕩電路的正弦信號輸出幅值。3R 在回路中串聯(lián)兩個并聯(lián)的二極管的非線性環(huán)節(jié)，如圖8.5所示。 圖8.5利用二極管作為非線性環(huán)節(jié)此時比例系數(shù)為 4d3RrR1A （8-12） 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1、RC串并聯(lián)式

11、正弦波振蕩電路（3）振蕩頻率可調(diào)的RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路圖8.6振蕩頻率可調(diào)的RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò) 用雙層波段開關(guān)接不 同的電容，作為振蕩頻率的粗調(diào)；用同軸電位器實現(xiàn)頻率的微調(diào)，該電路振蕩頻率的可調(diào)范圍能夠從幾赫茲到幾百千赫。 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路例8.1.1RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路如圖7所示。（1）說明電路由哪幾部分組成？各具什么作用？（2）當R=16k，C=0.01F時，振蕩頻率f為多大？（3）滿足什么條件電路才能起振？圖7 例8.1.1的圖第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路例8.1.1解：（1）電路由三部分組成： 運算放大器作為放大環(huán)節(jié)，對輸入信號進行放大。 R

12、C串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在電路中作為反饋通道兼有選頻的作用，是一種正反饋的組態(tài)。 電阻Rf、Rt構(gòu)成負反饋支路，其組態(tài)為電壓串聯(lián)負反饋，主要起穩(wěn)定振蕩電路工作的作用。這些作用包括穩(wěn)定電路的電壓放大倍數(shù)、振蕩幅度；使輸出電阻下降，提高電路的帶負載能力；使輸入電阻增加，減小放大電路對串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)性能的影響；減小輸出波形失真等。第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路例8.1.1（2）當R=16k，C=0.01F時，振蕩頻率f為： )Hz(10001001. 0101614. 321RC21f63（3）在相位平衡條件滿足的前提下，幅度條件若能滿足1FA電路即能起振。 由于在0處的 ，故電壓放大倍數(shù)A的幅度 根據(jù)電路

13、的電壓串聯(lián)負反饋組態(tài)，可知其閉環(huán)增益A為31F 3A ftftfRR1RRRA由此可知，只要 ，電路便能起振。ftR2R 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路例8.1.2 用理想運放組成的正弦波振蕩電路如圖8.8所示。圖中 為熱敏電阻，兩個電容C為雙連電容，即可同時調(diào)整其大小的電容器。tR（1）試標出運放A的同相、反相端。（2）說明 的作用。（3）要求振蕩頻率在500 Hz5000Hz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，試確定電容C的調(diào)整范圍。tR圖8.8 例8.1.2的圖 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路例8.1.2解：（1）運放A的上端（接 一端）為反相端，而下端為同相端。tR（2）熱敏電阻 起穩(wěn)幅作

14、用。tR（3）當頻率為500 Hz時，電容C的最大值為 )F(318. 0101050014. 321fR21C3max當頻率為5000Hz時，C的最小值為)F(0318. 01010500014. 321fR21C3min因此，雙連電容C的調(diào)整范圍為0.0318F0.318F。第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路2、RC移相式正弦波振蕩電路 圖8.9所示為正弦波振蕩電路。它是由一級反相比例運算電路和三節(jié)超前RC相移電路構(gòu)成。 圖8.9 RC移相式正弦波振蕩電路 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路2、RC移相式正弦波振蕩電路 為了判斷該電路能否滿足相位平衡條件，可以在a點斷開，并加輸入信

15、號 ，可知 ，若 ，則說明該電路滿足相位平衡條件，可能產(chǎn)生正弦波振蕩。 iUAF圖8.10超前RC相移電路 超前RC相移電路重畫于圖8.10,一節(jié)RC電路的最大相移不超過 ,實際上至少需要三節(jié)超前RC相移電路，才能使 ，圖8.9滿足 ， 滿足振蕩的相位平衡條件 。o90F2FA可以證明，該電路的振蕩頻率為6RC10或 6RC21f0（8-13） 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路3、RC正弦波振蕩電路的適用范圍 RC正弦波振蕩電路的振蕩頻率與R、C的乘積成反比，如果希望提高它的振蕩頻率，必須減小R和C的數(shù)值。而減小R將使放大電路的負載加重，減小C也不能超過一定的限度，否則振蕩頻率將受寄生電

16、容的影響而不穩(wěn)定，此外，普通集成運放的帶寬較窄，也限制了振蕩頻率的提高。因此由集成運放構(gòu)成的RC正弦波振蕩電路的振蕩頻率一般不超過1MHz。因此，當振蕩頻率較高時，應選用LC正弦波振蕩電路。第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路8.1.3LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路1、LC并聯(lián)電路的選頻特性并聯(lián)電路的選頻特性圖8.11是最簡單的LC并聯(lián)電路。 圖8.11 LC并聯(lián)電路 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1、LC并聯(lián)電路的選頻特性并聯(lián)電路的選頻特性 R為電感和電路的其他損耗總的等效電阻，其值很小，則LC并聯(lián)電路的等效阻抗為LjRCj1LjRCj1Z（8-14） 由于 ，所以LRC1LjR

17、CLZ（8-15） 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1、LC并聯(lián)電路的選頻特性并聯(lián)電路的選頻特性 由式（8-15）可知，當 時電路發(fā)生并聯(lián)諧振，并且有以下特點： CL1（1）諧振頻率為LC10LC21f0 或 （8-16） （2）電路的等效阻抗為純阻性，且其值最大，即CQLQRCLZ000（8-17） 式中Q稱為回路的品質(zhì)因數(shù)，其值為CLR1CR1RLQ00（8-18） UI由于電路呈純阻性，所以與同相。第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1、LC并聯(lián)電路的選頻特性并聯(lián)電路的選頻特性 將式（8-18）代入式（8-15），可得復阻抗Z的幅頻特性為 20002Q1ZZ（8-19） 復阻抗Z

18、的相頻特性為00Z2Qarctan（8-20） 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1、LC并聯(lián)電路的選頻特性并聯(lián)電路的選頻特性復阻抗Z的幅頻特性曲線和相頻特性曲線如圖8.12所示。 （a）Z的幅頻特性曲線 （b）Z的相頻特性曲線 圖8.12復阻抗Z的頻率特性第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1、LC并聯(lián)電路的選頻特性并聯(lián)電路的選頻特性 以LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為共射放大電路的集電極負載，如圖8.13所示， 圖8.13選頻放大電路電路的電壓放大倍數(shù)為beurZA （8-21） 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路 根據(jù)引入反饋的方式不同，LC正弦波振蕩電路分為變壓器反饋式振蕩電路、電感反饋式振

19、蕩電路和電容反饋式振蕩電路。 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路2、變壓器反饋式振蕩電路變壓器反饋式振蕩電路如圖8.14所示。 圖8.14變壓器反饋式振蕩電路 oA180oF180oFA360 說明電路引入的是正反饋，電路滿足自激振蕩的相位平衡條件。 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路2、變壓器反饋式振蕩電路其振蕩頻率為LC21f0（8-22） 振蕩電路的起振條件為MCRrbe（8-23） 式中 為三極管b、e間的等效電阻，M為互感， 是折合到諧振回路中的等效總損耗電阻。 berR 變壓器反饋式振蕩頻率的穩(wěn)定性不高 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路3、電感反饋式振蕩電路 電感反饋

20、式振蕩電路又稱電感三點式振蕩電路，電路如圖8.15所示。 圖8.15電感反饋式振蕩電路oA180oF180oFA360滿足相位平衡條件，可能發(fā)生正弦波振蕩 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路3、電感反饋式振蕩電路其振蕩頻率為CL21CM2LL21f210（8-24） 式中 M2LLL21為回路的總電感，M為線圈 1N與 2N之間的互感。電路的起振條件為RrMLMLbe21 （8-25） 式中 為折合到三極管集電極和發(fā)射極間的等效并聯(lián)總損耗電阻。 R 電感反饋式振蕩電路輸出波形中常含有高次諧波，使輸出波形變差。第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路4、電容反饋式振蕩電路 電容反饋式振蕩電路又

21、稱電容三點式振蕩電路如圖8.16所示。 圖8.16電容反饋式振蕩電路 oFA360即 ifUU故電路滿足正弦波振蕩的條件，可能發(fā)生振蕩。 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路4、電容反饋式振蕩電路振蕩頻率為CL21CCCCL21f21210（8-26） 式中 2121CCCCC為回路的總電容。起振條件為 RrCCbe12（8-27） 式中 為折合到三極管集電極和發(fā)射極間的等效并聯(lián)總損耗電阻 R電容反饋式振蕩電路的振蕩頻率可高達100MHz以上 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路4、電容反饋式振蕩電路 但是應該注意，調(diào)節(jié)電容C1或C2可以改變振蕩頻率，但同時會影響起振條件，因此這種電路適于

22、產(chǎn)生固定頻率的振蕩。如果要改變頻率，可給電感L串聯(lián)一個可變電容來調(diào)節(jié)頻率，如圖8.17所示。 圖8.17電容反饋式改進電路 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路例8.1.3 圖8.18 所示電路為各種LC正弦波振蕩電路，試判斷它們是否可能振蕩，若不能振蕩，試修改電路。 圖8.18 例8.1.3的圖(a)(b)(c)(d)(e)(f)第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路例8.1.3解：圖（a）不能正常工作。應加隔直電容。將右側(cè)線圈的同名端改在下方時，電路才滿足相位平衡條件。修改后的電路示于圖(d)中，圖（b）不能正常工作。由于反饋量被短接至地，因此應將原圖中的電容Ce去掉，修改后的電路示于圖

23、(e)中。圖（c）不能正常工作。電感對直流信號相當于短路，故三極管發(fā)射極電位UE等于電源電壓Vcc，這樣三極管便不能正常工作，因此在圖（f）中三極管發(fā)射極和電感之間接有隔直電容C以實現(xiàn)隔離直流量并使交流信號能順利通過的目的。第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路例8.1.4 電路如圖8.19所示，圖中Cb為旁路電容，C1為耦合電容，對交流信號均可視為短路。為使電路可能產(chǎn)生正弦波振蕩，試說明變壓器原邊線圈和副邊線圈的同名端。 圖8.19 例8.1.4的圖 N1的下端（與集電極相連的一端）與N2的上端（與T的發(fā)射極相連的一端）為同名端。 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路8.1.4 石英晶體正

24、弦波振蕩電路石英晶體正弦波振蕩電路1、石英晶體振蕩器的電特性、石英晶體振蕩器的電特性石英晶體示意圖如圖8.20所示。 圖8.20石英晶體示意圖 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1、石英晶體振蕩器的電特性、石英晶體振蕩器的電特性石英晶體的等效電路如圖8.21（a）所示 （a）等效電路 （b）幅頻特性圖8.21石英晶體的等效電路及其幅頻特性第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1、石英晶體振蕩器的電特性、石英晶體振蕩器的電特性對于圖8.21（a）所示等效電路，當忽略電阻R時，有Cj1LjCj1Cj1LjCj1Z00（8-28） 整理后，得到02021LCCCCLCjZ（8-29） 則0202

25、LCCCC1LCZ（8-30） 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1、石英晶體振蕩器的電特性、石英晶體振蕩器的電特性阻抗Z的幅頻特性如圖8.21（b）所示。 0Z 當 ，也即電路呈純阻性時，電路發(fā)生串聯(lián)諧振，對應的串聯(lián)諧振角頻率為 或 。當 時， ，電路呈容性。當 時， ，電路呈感性。LC1SLC21fSS0Z PS0Z 當 時， 時，電路又發(fā)生并聯(lián)諧振，此時并聯(lián)諧振角頻率為 或 。當 時，電路又呈容性。PZ0SPCC10SPCC1ffP 由于 ，因此 ?？梢?，只有在 這個很窄的頻帶內(nèi)，電路才呈感性，其余頻率下電路均呈容性。0CC SPPS第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1、石英晶體

26、振蕩器的電特性、石英晶體振蕩器的電特性 由于石英晶體的電感L很大，電容C和電阻R都很小，因此品質(zhì)因數(shù)Q很大，其值可高達 。而且因為振蕩頻率幾乎僅決定于晶片的尺寸，所以其穩(wěn)定度可達 ，一些產(chǎn)品甚至高達 ，而即使最好的LC振蕩電路，Q值也只能達到幾百，振蕩頻率的穩(wěn)定度也只能達到 。因此，石英晶體的選頻特性是其它選頻網(wǎng)絡(luò)不能比擬的。64101086101011101010510第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路2石英晶體振蕩電路利用石英晶體可以構(gòu)成并聯(lián)型和串聯(lián)型兩類振蕩電路。（1）并聯(lián)型石英晶體振蕩電路如圖8.22所示。圖8.22并聯(lián)型石英晶體振蕩電路 （2）串聯(lián)型石英晶體振蕩電路圖8.23串聯(lián)

27、型石英晶體振蕩電路 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路8.2 非正弦波振蕩電路非正弦波振蕩電路 在自動控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要進行性能的測試以及信息的傳送，這些都離不開一定的波形作為測試和傳送的依據(jù)。在模擬系統(tǒng)中，經(jīng)常用到的波形除了前面講過的正弦波振蕩電路以外，還有矩形波、鋸齒波和三角波等。 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路8.2.1 非正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識非正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識1.非正弦波發(fā)生電路的基本工作原理矩形波發(fā)生電路的原理圖如圖8.24（a）所示。 （a）原理圖 （b）矩形波圖8.24矩形波發(fā)生電路的原理圖在輸出端得到的矩形波，如圖圖8.24（b）的所示。第第8 8章波

28、形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路8.2.1 非正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識非正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識2、基本組成部分非正弦波形發(fā)生電路應有以下幾個基本組成部分：（1）具有開關(guān)特性的器件。（2）反饋網(wǎng)絡(luò)。（3）延遲環(huán)節(jié)。（4）如果要求產(chǎn)生三角波或鋸齒波，還應加積分環(huán)節(jié)。第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路8.2.1 非正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識非正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識3、振蕩條件 非正弦波形發(fā)生電路的振蕩條件是：無論開關(guān)器伴的輸出電壓為高電平或低電平，如果經(jīng)過一定的延遲時間后可使開關(guān)器件的輸出改變狀態(tài)，便能產(chǎn)生周期性的振蕩。否則不能振蕩。 分析非正弦波發(fā)生電路能否發(fā)生振蕩的基本方法是：（1）檢查非正弦波發(fā)

29、生電路的組成環(huán)節(jié)是否具有作為開關(guān)的器件、反饋網(wǎng)絡(luò)和延遲環(huán)節(jié)等。（2）分析它是否滿足非正弦波的振蕩條件。4、分析方法第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路8.2.2 矩形波發(fā)生電路矩形波發(fā)生電路 矩形波有兩種：一種是輸出電壓處于高電平和低電平的時間相等，叫“方波”；另一種是輸出電壓處于高電平和低電平的時間不等，叫“矩形波”。下面先介紹方波發(fā)生電路，再介紹矩形波發(fā)生電路。第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1方波發(fā)生電路（1）電路結(jié)構(gòu)方波發(fā)生電路如圖8.25所示。 圖8.25方波發(fā)生電路 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1方波發(fā)生電路（2）工作原理 滯回比較器的輸出電壓為 ，則運放同相輸入

30、端 ，考慮到滯回比較器翻轉(zhuǎn)時有 所以可得滯回比較器的上、下門限電壓分別為ZoUuZ322PURRRuNPuuZ322TURRRU（8-31） Z322TURRRU（8-32） 因而電壓傳輸特性如圖8.26所示。圖8.26電壓傳輸特性 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1方波發(fā)生電路 的波形和電容器充、放電時 的波形如圖8.27所示。ouCu圖8.27方波發(fā)生電路的波形圖第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1方波發(fā)生電路（3）振蕩周期 由圖8.27的波形可以看出，uc的值從t1時刻的UT+下降到t2時刻的UT-所需要的時間就是振蕩周期的一半，即12tt2T（8-33） / tCCCCe)(

31、U)0(U)(U) t (u而（8-34） 其中 CR1Z322TCURRRU)0(UZCU)(U第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1方波發(fā)生電路將這些值代入式（8-34），得CR/ tZZ322ZC1eUURRRU) t (u（8-35） 式中 ，且 。當 時， ，即1ttt21ttt2Tt TCUuZ322TCURRRUu于是CR2/TZZ322ZZ3221eUURRRUURRR解此方程可得321RR21lnCR2T（8-36） 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路2、矩形波發(fā)生電路矩形波發(fā)生電路如圖8.28所示。 圖8.28矩形波發(fā)生電路 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路2、

32、矩形波發(fā)生電路 若忽略二極管D1和D2導通時的管壓降，則電容器充電的時間常數(shù)為RC，而放電的時間常數(shù)為RC。由式（8-36）可得，輸出電壓處于高電平的時間（即電容器充電的時間）為321RR21lnRCT （8-37） 輸出電壓處于低電平的時間（即電容器放電的時間）為322RR21lnCRT （8-38） 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路2、矩形波發(fā)生電路若選擇RCRC，則T1T2。此時輸出電壓和電容器電壓的波形如圖8.29所示。 圖8.29矩形發(fā)生電路的波形圖 輸出波形的周期T=T1+T2。通常把 叫做“占空比”。利用式（8-37）和（8-38）可得TTD1RR11RRRTTD1（8-3

33、9） 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路2、矩形波發(fā)生電路 為了能夠靈活地調(diào)節(jié)占空比可以采用如圖8.30所示電路，這里，電容器充電的時間為圖8.30占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路2、矩形波發(fā)生電路電容器充電的時間為3211121lnRRCRRTw（8-40） 電容器放電的時間為3212w2RR21lnCRRT（8-41） 輸出波形的周期為3212121ln2RRCRRTTTw（8-42） 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路例例8.2.1在圖8.30所示電路中，已知 ， ,試求：（1）輸出電壓的幅值和振蕩頻率為多少？（2）占空比的調(diào)節(jié)范圍約為多少？ K5

34、R1K25RR32K100RwF1 . 0CV8UZ 解：（1）輸出電壓V8uo振蕩周期12.1ms s1012.1 1025102521ln101 . 01010100 RR21lnCR2RTTT3-3363321w21振蕩頻率 Hz83T1f第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路例例8.2.1（2） 3211w1RR21lnCRRT其中， K1000R1w，所以T1的最小值為 s1055. 01025102521ln101 . 0105T33363min1T1的最大值為s105 .111025102521ln101 . 0101005T33363max1所以，占空比為 95. 0045.

35、0TT1第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路8.2.3三角波發(fā)生電路三角波發(fā)生電路1電路的組成電路的組成 只要將方波電壓作為積分運算電路的輸入，在積分運算電路的輸出就得到三角波電壓，如圖8.31（a）所示。 （a）電路 （b）波形 圖8.31采用波形變換的方法得到三角波 當方波發(fā)生電路的輸出電壓 時，積分運算電路的輸出電壓Uo將線性下降；而當 時，Uo將線性上升。波形如圖8.31（b）所示。Z1oUuZ1oUu第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路1電路的組成電路的組成 在實用電路中，一般不采用上述波形變換的手段獲得三角波，而是將方波發(fā)生電路中的RC充、放電回路用積分運算電路來取代，滯回比較

36、器和積分電路的輸出互為另一個電路的輸入，如圖8.32所示。 圖8.32三角波發(fā)生電路第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路2工作原理 滯回比較器的輸出電壓 ，它的輸入電壓是積分電路的輸出電壓，根據(jù)疊加原理有Z1oUuo2121o2111PuRRRuRRRu（8-43） 考慮到電路翻轉(zhuǎn)時，有 0uu1P1N，則 1o21ouRRu （8-44） 將 代入式（8-44），可以分別求出上、下門限電壓為Z1oUuZ21TURRU（8-45） Z21TURRU （8-46） 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路2工作原理 假定接通電源后，比較器的輸出 ，則門限電壓為UT-。Uo1經(jīng)R4向電容器C充電，

37、Uo(=Up1)線性下降，當Uo下降到下門限電壓UT-時，使 ，比較器的輸出Uo1從+Uz跳變到-Uz，同時，門限電壓上跳到UT+，以后Uo1=-Uz使電容器C經(jīng)R4放電， Uo(=Up1)線性上升，當Uo上到上門限電壓UT+時，使 ，比較器的輸出Uo1又從-Uz跳變到+Uz ，如此周而復始，就產(chǎn)生了振蕩。Z1oUu1N1Puu1N1Puu第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路2工作原理 由以上分析可知，Uo是三角波，幅值為UT；UO1是方波，幅值為Uz。波形圖如圖8.33所示。因此，也稱圖8.32所示電路為三角波方波發(fā)生電路。 圖8.33三角波方波發(fā)生電路的波形圖第第8 8章波形發(fā)生電路章波

38、形發(fā)生電路3、振蕩周期 1o121o4otuttuCR1u（8-47） TZ4TU2TUCR1U（8-48） 將式（8-45）和（8-46）代入式（8-48），整理后可得振蕩周期為241RCRR4T （8-49） 振蕩頻率為CRR4Rf412 （8-50） 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路8.2.4鋸齒波發(fā)生電路鋸齒波發(fā)生電路1、電路結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)鋸齒波發(fā)生電路 如圖8.34所示 圖8.34鋸齒波發(fā)生電路第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路2、工作原理 當比較器的輸出電壓為 時，Uo1經(jīng)R4、D1和R向C充電，時間常數(shù)為(R4+R)C（設(shè)二極管的內(nèi)阻可忽略不計）。當比較器的輸出電壓為

39、時，Uo1使C經(jīng)R4、D2和R放電，時間常數(shù)為(R4+R)C。若選取RR，則積分電路的輸出波形的上升速率小于下降速率，其波形如圖8.35所示。Z1oUuZ1oUu圖8.35鋸齒波發(fā)生電路的波形圖第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路3、振蕩周期 0o01ootuttuRC1u鋸齒波的下降時間為 CRRRR2ttT421011（8-51） 鋸齒波的上升時間為 CRRRR2ttT421122（8-52） 所以振蕩周期為CRR2RR2Tw421（8-53） 根據(jù)T1和T的表達式，可得的占空比為 w441RR2RTTD （8-54） 利用 第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路8.3波形變換電路波形變

40、換電路 從三角波和鋸齒波發(fā)生電路的分析可知，這些電路構(gòu)成的基本思路是將一種形狀的波形變換成另一種形狀的波形，即實現(xiàn)波形變換。只是由于電路中兩個組成部分的輸出互為另一部分的輸入，因此產(chǎn)生了自激振蕩。實際上，也可以利用基本電路來實現(xiàn)波形的變換。比如前面講過的，可以利用積分電路將方波變?yōu)槿遣?，利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榫匦尾ǖ鹊?。而本?jié)所介紹的是采用特殊方法實現(xiàn)的三角波變鋸齒波電路和三角波變正弦波電路。第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路8.3.1三角波變鋸齒波電路三角波變鋸齒波電路1、電路結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)三角波變鋸齒波電路如圖8.36所示。 圖8.36三角波變鋸齒波電路 圖中R1=R5=Rf=R，R2=R3=R4=R/2，UI 端輸入三角波電壓，Uc端輸入控制電壓。第第8 8章波形發(fā)生電路章波形發(fā)生電路2、工作原理Uc與UI的對應關(guān)系如圖8.36所示。 根據(jù)虛短和虛斷的概念有 2uu