模電課件波形的產(chǎn)生與變換

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8.1 正弦波振蕩器的基本原理正弦波振蕩器的基本原理一一. 產(chǎn)生自激振蕩的條件產(chǎn)生自激振蕩的條件fidXXX-=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。+Xi f基本放大器基本放大器A反饋網(wǎng)絡反饋網(wǎng)絡FX+doXX改成正反饋改成正反饋+如果：如果：,dfXX

2、=則去掉則去掉,iX仍有信號輸出。仍有信號輸出。即反饋信號代替了放即反饋信號代替了放大電路的輸入信號。大電路的輸入信號。Xi +f基本放大器基本放大器A反饋網(wǎng)絡反饋網(wǎng)絡FX+doXXfidXXX+=AF=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=|因為：因為：FFFj=|.Xdof基本放大器基本放大器A反饋網(wǎng)絡反饋網(wǎng)絡FXX二二.起振條件和穩(wěn)幅原理起振條件和穩(wěn)幅原理起振條件：起振條件：結(jié)果：產(chǎn)生增幅振蕩結(jié)果：產(chǎn)生增幅

3、振蕩1| FA（略大于）略大于）1 1、被動：利用放大器的限幅特性、被動：利用放大器的限幅特性2 2、主動：在電路中加入穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以、主動：在電路中加入穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)放大電路的環(huán)路調(diào)節(jié)放大電路的環(huán)路增益增益穩(wěn)幅過程穩(wěn)幅過程：穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施：Xdof基本放大器基本放大器A反饋網(wǎng)絡反饋網(wǎng)絡FXX干擾、噪聲中選擇所干擾、噪聲中選擇所需的頻率成分需的頻率成分起振時，起振時，1| FA穩(wěn)定振蕩時，穩(wěn)定振蕩時，1|= = FA 1.1.基本放大電路基本放大電路 A 三三. . 正弦波振蕩器的組成正弦波振蕩器的組成2.2.正反饋網(wǎng)絡正反饋網(wǎng)絡 F3.3.選頻網(wǎng)絡選頻網(wǎng)絡4.4.穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié) 使電

4、路易于起振又能使電路易于起振又能穩(wěn)定振蕩，波形失真小穩(wěn)定振蕩，波形失真小RC，LC，晶體晶體A與與F首尾相連首尾相連正弦波振蕩器命名正弦波振蕩器命名RCLC低頻低頻高頻高頻晶體晶體穩(wěn)頻穩(wěn)頻幾百幾百KHzKHz以下以下 幾百幾百KHzKHz至幾百至幾百MHzMHz振蕩頻振蕩頻率穩(wěn)定率穩(wěn)定四四. . 振蕩電路的分析方法振蕩電路的分析方法判斷能否產(chǎn)生振蕩的一般方法判斷能否產(chǎn)生振蕩的一般方法(1). 檢查電路的基本組成(4). 用相位平衡條件相位平衡條件判定電路能否振蕩。將電路在放大器輸入端斷開，利用瞬時極性法判斷電路是否是正反饋 (2). 檢查放大電路是否正常工作(3). 分析是否滿足振蕩產(chǎn)生的幅值

5、平衡條件幅值平衡條件。 一般一般|AF|應略大于18 . 2 RC正弦波正弦波振蕩電路振蕩電路 8.2.1、RC橋式振蕩電路橋式振蕩電路 8.2.2、RC移相式振蕩電路移相式振蕩電路8.2.1 RC橋式橋式振蕩電路振蕩電路RC橋式振蕩器結(jié)構(gòu)圖橋式振蕩器結(jié)構(gòu)圖基本放大器基本放大器A正反饋網(wǎng)絡正反饋網(wǎng)絡F選頻網(wǎng)絡運放的限幅特性運放的限幅特性uRf1RRRCCufA+oRC 串并聯(lián)串并聯(lián)網(wǎng)絡網(wǎng)絡一一. RC 串并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特性串并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特性R1C1 串聯(lián)阻抗：串聯(lián)阻抗：)j/1(111CRZ + += =222222j1 )j/1/(CRRCRZ + += = =R2C2 并聯(lián)阻抗：并聯(lián)阻抗

6、：選頻特性選頻特性(傳輸增益?zhèn)鬏斣鲆?+Ru+-o-fu+12RC12C212ofZZZUUF+ += = =.1.定性分析：定性分析：（1）當信號的頻率很低時）當信號的頻率很低時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：當當=0時，時，uf=0，F(xiàn)=0 =+90Fj當當時，時，uf=，F(xiàn) Fj+fo-+R21u-uC+0 |F|0 F90+Ru+-o-fu+12RC12C.ofUUF = =.（2）當信號的頻率很高時）當信號的頻率很高時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：當當=時，時，uf=0，F(xiàn)=0

7、=-90Fj當當時，時，uf=，F(xiàn) Fj+ou-f-u+2C+1R0 |F|0 F-90+Ru+-o-fu+12RC12C0=？ Fmax=？由以上分析知：一定有一個頻率由以上分析知：一定有一個頻率0存在，存在，當當=0時，時，F(xiàn)最大，且最大，且 =0Fj0 |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：頻率特性：頻率特性：+Ru+-o-fu+12RC12C212ofZZZUUF+ += = =.)1j()1 (1j1j1j112212112222

8、11222CRCRRRCCCRRCRCRR-+=+=)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：當可見：當 時，時， F最大，且最大，且 =0RC10=Fj Fmax=1/3+Ru+-o-fu+12RC12C+Ru+-o-fu+RCCRC串并聯(lián)網(wǎng)絡完整的頻率特性曲線：串并聯(lián)網(wǎng)絡完整的頻率特性曲線：RC10= = 當當 時，時， F= Fmax=1/30F=jRC10=

9、RCfp p210= = Fo +90o |F|1/32002)(31|-+=F3)(arctg00j-=F)j(3100 - -+ += = F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：因為：因為：AF=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引入負反饋：引入負反饋：選：選：例題例題: :R=1k=1k ，C=0.1=0.1 F F，R1 1=10k=10k 。Rf f為多大時才為多大時才能起振？振

10、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能自動穩(wěn)幅的振蕩電路能自動穩(wěn)幅的振蕩電路半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻(負溫度系數(shù)）負溫度系數(shù)）起振時起振時Rt較大較大 使使A3,易起振。易起振。 當當uo幅度自激增長幅度自激增長時，時， Rt減小，減小，A減減小。小。 當當uo幅度達某一值幅度達某一值時，時， A3。 當當uo進一步增大時，進一步增大時， Rt再減小再減小 ,使使A3。 因此因此uo幅度自動穩(wěn)幅度自動穩(wěn)定于某一幅值定于某一幅值。u0.

11、1u10k0.1u+Afu10k10k39k100kotRfHz15910102121740=-RCf能自動穩(wěn)幅的振蕩電路能自動穩(wěn)幅的振蕩電路 起振時起振時D1、D2不導通，不導通，Rf1+Rf2略大于略大于2R1。隨著。隨著uo的增加，的增加， D1、D2逐漸逐漸導通，導通，Rf2被短接，被短接，A自動自動下降，起到穩(wěn)幅作用。下降，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u12ARCo1RR+C.+D1D2Rf1f2RRC橋式振蕩電路仿真仿真電路結(jié)果K：雙聯(lián)波段開關，：雙聯(lián)波段開關，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，

12、改變：雙聯(lián)可調(diào)電容，改變C，用于細調(diào)振蕩頻率。，用于細調(diào)振蕩頻率。振蕩頻率的調(diào)節(jié)：振蕩頻率的調(diào)節(jié)：_+ + RfuoRCCR1 1KKR1R1R2R2R3R3振蕩頻率：振蕩頻率：RCfp210=三三.RC移相式振蕩電路移相式振蕩電路 基本放大器基本放大器A正反饋網(wǎng)絡正反饋網(wǎng)絡F移相式選頻網(wǎng)絡1+uofuRRRCCCRC超前移相電路超前移相電路 +uouf+RRRCCCRC滯后移相電路滯后移相電路 Fo +90+180+2700 Fo -90-180-2700移相網(wǎng)絡的選頻特性：移相網(wǎng)絡的選頻特性：RCf6210p p= =RC610= = 基本放大器基本放大器A正反饋網(wǎng)絡正反饋網(wǎng)絡FRC移相式

13、振蕩電路的工作原理移相式振蕩電路的工作原理相位條件：相位條件：o180= =Aj j在在 f0 處處o180= =Fj jo360= =+ +FAj jj j滿足相位條件：滿足相位條件：幅值條件幅值條件:很易滿足很易滿足RCf6210p p= =振蕩頻率：振蕩頻率：u+A+/ /= =/oR2R1R0RRCCCufRRR01R1判斷電路能否產(chǎn)生振蕩判斷電路能否產(chǎn)生振蕩CRCCRT1T2Re1Re2Rc2Rc1Rb1VCCCCT1T2Re1Re2Rc2Rc1Rb1VCC判斷電路能否產(chǎn)生振蕩判斷電路能否產(chǎn)生振蕩CCT1T2Re1Re2Rc1Rb1VCCCRRReR1R2R4R3RRRCCCVCC-

14、VEERC正弦波振蕩器共同點正弦波振蕩器共同點1. 結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，經(jīng)濟可靠；結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，經(jīng)濟可靠；2. 振蕩頻率與振蕩頻率與RC的乘積成反比，如果需要振蕩頻率較的乘積成反比，如果需要振蕩頻率較高時，要求高時，要求R，C值較小，實現(xiàn)困難。值較小，實現(xiàn)困難。3. RC選頻網(wǎng)絡的選頻特性較差。選頻網(wǎng)絡的選頻特性較差。變壓器反饋式變壓器反饋式電感三點式電感三點式電容三點式電容三點式分類分類8.3 LC 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 由于由于LC振蕩電路的振蕩頻率很高，放大電路的振蕩電路的振蕩頻率很高，放大電路的帶寬會影響振蕩頻率。一般集成運放頻帶較窄，所以帶寬會影響振蕩頻率。一般集成運放

15、頻帶較窄，所以LC振蕩電路中的放大器一般采用高頻振蕩電路中的放大器一般采用高頻BJT分離元件分離元件組成，而且組成，而且BJT放大器的組態(tài)多用共基極接法。放大器的組態(tài)多用共基極接法。結(jié)構(gòu)上：結(jié)構(gòu)上：選頻網(wǎng)絡由選頻網(wǎng)絡由L和和C元件組成，一般作為放大元件組成，一般作為放大器的負載，使放大環(huán)節(jié)具有選頻特性。器的負載，使放大環(huán)節(jié)具有選頻特性。1. LC并聯(lián)諧振回路的并聯(lián)諧振回路的選頻特性選頻特性R為電感線圈中的損耗電阻為電感線圈中的損耗電阻等效阻抗：等效阻抗： CL001 = =并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振 ：LC10= =諧振頻率諧振頻率 RCLZ = =0諧振阻抗諧振阻抗LC10= =RCLZZ= = =0

16、(阻值最大阻值最大且為純阻且為純阻)1j(jj1)j(j1CLRCLLRCLRCIUZ - -+ += =+ + + + = = -+LCRiCiLiuZ一、一、 LC并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路LC 并聯(lián)回路的基本特性并聯(lián)回路的基本特性)1(CLjRCLZ-+=b. 諧振時的等效阻抗諧振時的等效阻抗CQLQRCLZ000 =CLRRCRLQ1100= Q: 回路品質(zhì)因數(shù)回路品質(zhì)因數(shù),用來評價回路損耗的大小用來評價回路損耗的大小, 一般為幾十到幾百一般為幾十到幾百a. 諧振頻率諧振頻率LC10=LCfp210=LC10= = RCLZZ= = =0|(阻性阻性)幅頻特性幅頻特性 相頻特性相頻特性Q

17、值越高，則幅頻特性越尖銳，選頻特性越好。值越高，則幅頻特性越尖銳，選頻特性越好。LC并聯(lián)諧振回路的并聯(lián)諧振回路的特性曲線特性曲線)21(0LCfp p= =0= = （最大值（最大值)CLRQ1= =品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù) 由相頻特性可由相頻特性可知，當知，當0 0時，由于時，由于L1/L UREF時時 , uo = +Uom當當ui UREF時時 , uo = -Uom 運放處于運放處于開環(huán)狀態(tài)開環(huán)狀態(tài)uuU+i-uuAOREFuoui0+Uom-UomUREF當當ui UREF時時 , uo = -Uom 若若ui從反相端輸入從反相端輸入uoui0+UZ-UZ（1）用雙向穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓）用雙

18、向穩(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當當ui 0時時 , uo = +UZ當當ui 0時時 , uo = -UZ當當ui 0時時 , uo = +UZ 電路中存在非線性負反饋元件，運放工作在線性狀態(tài)電路中存在非線性負反饋元件，運放工作在線性狀態(tài)對于單門限比較器，如果輸入在對于單門限比較器，如果輸入在門限電平附近波動時，輸出將不門限電平附近波動時，輸出將不斷在高、低電平之間跳變斷在高、低電平之間跳變。二二. 遲滯遲滯(滯回滯回)比較器比較器1.工作原理工作原理兩個門限電壓。兩個門限電壓。特點特

19、點:電路中使用正反饋電路中使用正反饋運放工作在非線性區(qū)。運放工作在非線性區(qū)。（1）當）當uo =+UZ時，時，（2）當）當uo =-UZ時，時，REFZURRRURRRUu2ff2f2T+ + + += = =+ + +REFZURRRURRRUuf2ff22T+ + + +- -= = =- -+ +UT+稱稱上門限電壓上門限電壓UT-稱稱下門限電壓下門限電壓UT+- UT-稱為回差稱為回差電壓電壓uuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2疊加原理！疊加原理！遲滯比較器的電壓傳輸特性：遲滯比較器的電壓傳輸特性：uoui0+UZ-UZUT+UT-設設ui , 當當ui = UT+時時,

20、 uo從從+UZ -UZuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2主要特點：抗干擾能力強。當輸入信號受干擾或噪聲的影響而上下波動的時候，只要根主要特點：抗干擾能力強。當輸入信號受干擾或噪聲的影響而上下波動的時候，只要根據(jù)噪聲或干擾的電平適當調(diào)整兩個閾值電壓就可以避免輸出電壓在高低電平之間反復跳據(jù)噪聲或干擾的電平適當調(diào)整兩個閾值電壓就可以避免輸出電壓在高低電平之間反復跳變。變。例題：例題：Rf=10k ，R2=10k ，UZ=6V， UREF=10V。當輸入當輸入ui為如圖所示的波形時，畫為如圖所示的波形時，畫 出輸出出輸出uo的波形。的波形。上下門限電壓：上下門限電壓：V82ff2f2

21、T= =+ + + += =+ +RZURRRURRRUV32ff2f2T= =+ + + +- -= =- -RZURRRURRRUuoui08V3V傳輸特性傳輸特性+6V-6VuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R23V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V3V傳輸特性傳輸特性+6V-6VuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R28.6 方波發(fā)生器方波發(fā)生器1.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定時電路構(gòu)成定時電路構(gòu)成ZURRRUf11T+ += =+ +ZURRRUf11T+ +- -= =- -上下門限電壓上下門限電壓:u+A+-u+u1RfRZRZ

22、DORCuC2.工作原理：工作原理：(1) 設設 uo = + UZ , 此時，此時，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變成變成UZ在在 uc UT+ 時，時，u- u+ , 設設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，此時，C向向u uO O放電放電, ,再反向充電再反向充電(2) 當當uo = -UZ 時，時， u+=UT-uc達到達到UT-時，時，uo上跳。上跳。UT+

23、uctUT-當當uo 重新回到重新回到UZ 后，電路又進入另一個周期性的變化。后，電路又進入另一個周期性的變化。-UZu+A+-u+u1RfRZRZDORCuC0UT+uctUT-+UZuo0t - UZT完整的波形：完整的波形：計算振蕩周期計算振蕩周期T。u+A+-u+u1RfRZRZDORCuC周期與頻率的計算：周期與頻率的計算：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

24、= 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 的滑動端，就改變了沖放電的的滑動端，就改變了沖放電的時間，從而使方波的占空比可調(diào)。時間，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發(fā)生器三角波及鋸齒波信號發(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+ + + += =+ + 當當u+ 0時，時， uo1翻轉(zhuǎn)為翻轉(zhuǎn)為-UZ。若若uo1=-UZ， uo2， u+ 。 當當u+ 0時，時， 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