波形的產生與變換電路教學ppt課件

1、Chapter 6 波形的產生與變換波形的產生與變換波形產生與變換是電子技術中廣泛運用的電路。波形產生與變換是電子技術中廣泛運用的電路。波形產生電路：在無外加輸入信號的情況下，能自波形產生電路：在無外加輸入信號的情況下，能自動產生一定波形、一定頻率和幅值的交流信號。動產生一定波形、一定頻率和幅值的交流信號。波形變換電路：能把外加輸入信號的波形變換成指波形變換電路：能把外加輸入信號的波形變換成指定的適宜于系統運用和處置的波形。定的適宜于系統運用和處置的波形。波形產生電路波形產生電路正弦波振蕩電路的任務原理正弦波振蕩電路的任務原理RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路石英

2、晶體振蕩器石英晶體振蕩器6.1 正弦波振蕩電路的任務原理正弦波振蕩電路的任務原理在振蕩電路中，是利用正反響產生自激振蕩。在振蕩電路中，是利用正反響產生自激振蕩。但正反響的引入只是為振蕩提供了必要條件，而但正反響的引入只是為振蕩提供了必要條件，而非充分條件。非充分條件。1、正弦波振蕩電路產生振蕩的條件、正弦波振蕩電路產生振蕩的條件dfUU 假設假設，那么環(huán)路輸出可得到繼續(xù)穩(wěn)定的正弦波。，那么環(huán)路輸出可得到繼續(xù)穩(wěn)定的正弦波。dfUU 由由1ofdodf UUUUUU得得1 FA正弦波振蕩電路產生振蕩的條件正弦波振蕩電路產生振蕩的條件 幅度平衡條件：幅度平衡條件：1 AFFA相位平衡條件：相位平衡條

3、件：), 2, 1, 0(2FA nn 1 FA與上式差一負號，這是由于輸入端規(guī)定的反響信號與上式差一負號，這是由于輸入端規(guī)定的反響信號正方向不同所呵斥的。正方向不同所呵斥的。2、振蕩的建立和穩(wěn)定、振蕩的建立和穩(wěn)定1 FA3、電路組成、電路組成 放大電路放大電路正反響網絡正反響網絡選頻網絡選頻網絡穩(wěn)幅電路穩(wěn)幅電路按組成選頻網絡的元件不同：按組成選頻網絡的元件不同： RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 石英晶體正弦波振蕩電路石英晶體正弦波振蕩電路4、正弦波振蕩電路的分類、正弦波振蕩電路的分類正弦波振蕩電路應具備下正弦波振蕩電路應具備下述四個功能的部分組成：述四個功

4、能的部分組成：6.2 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路1、文氏電橋、文氏電橋RC串并聯振蕩器串并聯振蕩器同相比例同相比例放大電路放大電路Z1、Z2、 R3 與與R4構構成四個橋臂成四個橋臂RC選頻網絡，選頻網絡，兼正反響網絡兼正反響網絡1RC串并聯網絡的選頻特性串并聯網絡的選頻特性)/1(111CjRZ 2222221/1/(CRjRCjRZ ）212ifZZZUUF 12211221111CRCRjCCRR RRR 21CCC 21 RCRCjF 131 oo31jRC1o 2oo231 F3arctanoof 幅頻特性：幅頻特性：相頻特性：相頻特性：當當=o時，電路到達諧振，時，電路到達諧

5、振，電路呈電路呈“電阻性，此時電阻性，此時31 F 0f RCf 21o 幅值最大幅值最大RC1o 2起振條件及振蕩頻率起振條件及振蕩頻率RC網絡諧振時滿足自激網絡諧振時滿足自激振蕩的相位平衡條件。振蕩的相位平衡條件。RCf 21o 振蕩頻率：振蕩頻率：由同相放大電路：由同相放大電路：431RRA 由幅度起振條件：由幅度起振條件：31 F由選頻網絡可知，諧振時：由選頻網絡可知，諧振時：1 FA3 A或或432RR 3穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié) 為了改善振蕩波形，普為了改善振蕩波形，普通采用外穩(wěn)幅電路。通采用外穩(wěn)幅電路。UoIR4 PR4 TR4 R4 431RRAUo 也可采用負溫度系數的熱敏電阻作也可

6、采用負溫度系數的熱敏電阻作R3。R4采用正溫度系數的熱采用正溫度系數的熱敏電阻，可起穩(wěn)幅作用敏電阻，可起穩(wěn)幅作用2、RC移相式正弦波振蕩器移相式正弦波振蕩器移相網絡采用移相網絡采用RC移相器最大移相移相器最大移相90 。超前超前移相移相滯后滯后移相移相反相放大電路在通頻帶內的反相放大電路在通頻帶內的移相為移相為180。三節(jié)三節(jié)RC電路為移相兼反響網電路為移相兼反響網絡，對某一頻率可實現絡，對某一頻率可實現180相移，從而滿足振蕩條件。相移，從而滿足振蕩條件。RCf621o 振蕩頻率：振蕩頻率：優(yōu)點：構造簡單。優(yōu)點：構造簡單。缺陷：缺陷：選頻作用較差；選頻作用較差；頻率調理不方便；頻率調理不方便

7、；輸出波形較差。輸出波形較差。普通用于振蕩頻率固定且穩(wěn)定性要求不高的場所。普通用于振蕩頻率固定且穩(wěn)定性要求不高的場所。RCf621o RCf 21o 例如，橋式振蕩器。例如，橋式振蕩器。選選R=1k，C=200pF，那么，那么 fo=796Hz RC正弦波振蕩器的振蕩頻率取決于正弦波振蕩器的振蕩頻率取決于R、C的數值。的數值。假設提高振蕩頻率假設提高振蕩頻率fo ，必需選擇較小的，必需選擇較小的R和和C值。值。foR根本放大電路的負載加重；根本放大電路的負載加重；C遭到管子結電容和分布電容的限制。遭到管子結電容和分布電容的限制。當振蕩頻率高于當振蕩頻率高于1MHz時，采用時，采用LC正弦波振蕩

8、器。正弦波振蕩器。6.3 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路nLC選頻電路選頻電路n變壓器反響式振蕩電路變壓器反響式振蕩電路n電感反響式電感三點式振蕩電路電感反響式電感三點式振蕩電路n電容反響式電容三點式振蕩電路電容反響式電容三點式振蕩電路LjRCjLjRCjZ 1)(1普通普通R R，故近似以為石英晶體對，故近似以為石英晶體對于于fs 呈純阻性。呈純阻性。 當當f fs時，時，LCR支路呈感性，與支路呈感性，與Co產生并聯諧振，產生并聯諧振，等效為很大的純電阻。等效為很大的純電阻。串聯諧振頻率串聯諧振頻率LCf 21s 并聯諧振頻率并聯諧振頻率oop21CCCCLf os1CCf fsfp 1

9、串聯型串聯型 利用利用f = fs時，石英晶體呈純阻性，相移時，石英晶體呈純阻性，相移為為0的特性構成。的特性構成。2并聯型并聯型 當頻率在當頻率在fs與與fp之間之間 fsfp ，石英，石英晶體相當于電感。晶體相當于電感。3、石英晶體正弦波振蕩電路、石英晶體正弦波振蕩電路 比較器是將一個模擬電壓信號與一個基準電壓相比較器是將一個模擬電壓信號與一個基準電壓相比較的電路。其輸出表示比較結果，只需兩種能夠比較的電路。其輸出表示比較結果，只需兩種能夠的形狀：高電平或低電平。的形狀：高電平或低電平。 比較器的輸入信號是延續(xù)變化的模擬量，而輸出比較器的輸入信號是延續(xù)變化的模擬量，而輸出信號那么是高、低電

10、平。所以，比較器可作為模擬信號那么是高、低電平。所以，比較器可作為模擬電路和數字電路的電路和數字電路的“接口，廣泛地運用于接口，廣泛地運用于A/D變換、變換、數字儀表、自動控制和自動檢測等技術領域，此外數字儀表、自動控制和自動檢測等技術領域，此外還可以用于非正弦波形的產生和變換電路。還可以用于非正弦波形的產生和變換電路。 比較器可用通用的集成運放組成，也可采用公用比較器可用通用的集成運放組成，也可采用公用集成比較器。集成比較器。常用的比較器類型有：單門限比較器、遲滯常用的比較器類型有：單門限比較器、遲滯(滯回滯回)比較器、窗口比較器等。比較器、窗口比較器等。 由集成運放構成的比較器，運放通常任

11、務在開環(huán)由集成運放構成的比較器，運放通常任務在開環(huán)形狀或者引入正反響，此時運放任務在非線性區(qū)。形狀或者引入正反響，此時運放任務在非線性區(qū)。虛斷：虛斷：ii0uu時，時，uoUom或或uoUZuu時，時，uoUom或或uoUZ6.5.1 單門限比較器單門限比較器1、過零比較器、過零比較器1任務原理任務原理當當ui0時，時，uo=+Uom；當；當ui0 時，時，uo=Uom；運放開環(huán)任務。運放開環(huán)任務。ui與與u+相比較。相比較。電壓傳輸特性電壓傳輸特性波形變換波形變換2門限電壓門限電壓(閾值閾值 當比較器的輸出電壓由一種形狀跳變?yōu)榱硪划敱容^器的輸出電壓由一種形狀跳變?yōu)榱硪环N形狀時相對應的輸入電壓

12、稱門限電壓種形狀時相對應的輸入電壓稱門限電壓UT。門限電壓門限電壓UT = 0如何求門限值如何求門限值列出集成運放同相輸入端列出集成運放同相輸入端u和反相輸和反相輸入端入端u電位的表達式，令它們相等，電位的表達式，令它們相等，求出的輸入電壓即為閾值電壓。求出的輸入電壓即為閾值電壓。3帶限幅的比較器帶限幅的比較器輸出電壓幅度限制在某一范圍。輸出電壓幅度限制在某一范圍。引入負反響引入負反響令令u= u+0 uREF12iURRUuT REF12iURRu 假設假設即即u+ u-那么那么uo = +Uz2、恣意電平比較器、恣意電平比較器RFF212i211URRRuRRRu 單門限比較器只需一個門限

13、電壓又稱單門限比較器只需一個門限電壓又稱為閾值，當輸入電壓越過該門限電壓時，為閾值，當輸入電壓越過該門限電壓時，輸出電壓發(fā)生跳變。具有電路簡單、靈敏度輸出電壓發(fā)生跳變。具有電路簡單、靈敏度高的特點。高的特點。小結小結 當輸入信號在參考電壓附近時，當輸入信號在參考電壓附近時，假設輸入信號還沒有變化時，出假設輸入信號還沒有變化時，出現干擾信號，這個干擾信號就有現干擾信號，這個干擾信號就有能夠使比較器翻轉，出現不希望能夠使比較器翻轉，出現不希望的誤動作。的誤動作。處理方法：采用遲滯比較器。處理方法：采用遲滯比較器。 6.5.2 遲滯比較器遲滯比較器1、電路構造及任務原理、電路構造及任務原理uu 令令

14、得門限電壓：得門限電壓：o2f2RFF2ffuRRRURRRu z2f2RFF2ffTURRRURRRU z2f2RFF2ffTURRRURRRU 正反響正反響iuu uiuo0UT+UZ-UZUTz2f2TTT2URRRUUU UT稱為門限寬度回差稱為門限寬度回差 UT與與Uz、R2和和Rf有關，與有關，與UREF無關。無關。 UT 靈敏度靈敏度 抗干擾才干抗干擾才干 ui UT時，比較器不翻轉。時，比較器不翻轉。uiuo0UT+UZ-UZUTz2f2TTT2URRRUUU 單門限比較器滯回比較器小結小結遲滯比較器有滯回特性。有兩個閾值，但當輸遲滯比較器有滯回特性。有兩個閾值，但當輸入電壓向

15、單一方向變化時輸出僅躍變一次。入電壓向單一方向變化時輸出僅躍變一次。uiuo0UT+UZ-UZUT如何繪制電壓傳輸特性曲線？如何繪制電壓傳輸特性曲線？電壓傳輸特性具有三個要素：電壓傳輸特性具有三個要素：輸出高、低電平，輸出高、低電平，閾值電壓，閾值電壓，輸入電壓過閾值電壓時輸出電壓的躍變方向。輸入電壓過閾值電壓時輸出電壓的躍變方向。知：集成運放的最大輸出電壓知：集成運放的最大輸出電壓Uom15V，穩(wěn)，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值壓管的穩(wěn)壓值UZ= 6V。 輸出高、低電平：取決于集成運放輸出電壓的最輸出高、低電平：取決于集成運放輸出電壓的最大幅值或輸出端限幅穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。大幅值或輸出端限幅穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓

16、。輸入電壓過閾值電壓時輸出電壓的躍變方向決議輸入電壓過閾值電壓時輸出電壓的躍變方向決議于輸入電壓是作用于集成運放的反相輸入端還是于輸入電壓是作用于集成運放的反相輸入端還是同相輸入端。假設為前者，那么輸入電壓大于閾同相輸入端。假設為前者，那么輸入電壓大于閾值電壓時輸出為低電平。假設為后者，那么輸入值電壓時輸出為低電平。假設為后者，那么輸入電壓大于閾值電壓時輸出為高電平。電壓大于閾值電壓時輸出為高電平。閾值電壓：列出集成運放同相輸入端閾值電壓：列出集成運放同相輸入端u和和反相輸入端反相輸入端u電位的表達式，令它們相等，電位的表達式，令它們相等，求出的輸入電壓即為閾值電壓。求出的輸入電壓即為閾值電壓

17、。知：集成運放的最大輸出電壓知：集成運放的最大輸出電壓Uom15V，穩(wěn)，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值壓管的穩(wěn)壓值UZ= 6V。6.5.3 窗口比較器窗口比較器1、電路構造、電路構造 用于判別輸入電平能否處于兩個知電壓之間的用于判別輸入電平能否處于兩個知電壓之間的電壓比較器，常用于自動測試系統、缺點檢測系電壓比較器，常用于自動測試系統、缺點檢測系統等場所。統等場所。 當當uiUH時，時，uo1為高電為高電平，平，D1導通；導通；uo2為低電為低電平平, D2截止，截止，uo= uo1。 當當uiUL時，時，uo2為高為高電平，電平，D2導通；導通；uo1為低為低電平，電平，D1截止，截止，uo= uo2。 當

18、當UHuiUL時，時，uo1為低電平，為低電平，uo2為低電平，為低電平，D1、D2截止，截止，uo為低電平為低電平。n方波發(fā)生電路方波發(fā)生電路n三角波發(fā)生電路三角波發(fā)生電路n 鋸齒波發(fā)生電路鋸齒波發(fā)生電路6.6.1 方波發(fā)生電路方波發(fā)生電路比較器的輸出電壓經一定延時，饋送作為比較器的比較器的輸出電壓經一定延時，饋送作為比較器的輸入電壓，使比較器自行翻轉，產生方波輸出。輸入電壓，使比較器自行翻轉，產生方波輸出。1、電路組成、電路組成RC積分電路積分電路延時兼反響延時兼反響遲滯比較器遲滯比較器開關電路開關電路限流限流電阻電阻2、任務原理、任務原理設設t=0時，時，uo=+Uz ， uC=0門限電

19、平門限電平Z211TURRRU Z211TURRRU UZ 經經R向向C充電充電 uC按指數規(guī)律按指數規(guī)律當當uC UT+ 時時 uo跳變?yōu)樘優(yōu)?UZ此時此時C經經R放電放電 uC按指數規(guī)律按指數規(guī)律當當uC UT-時時 uo又上跳到又上跳到UZ如此周而復始，產生如此周而復始，產生振蕩，輸出方波。振蕩，輸出方波。3、振蕩周期、振蕩周期電容充放電過程中，電容充放電過程中，uc的變化規(guī)律如下：的變化規(guī)律如下： tCCCCeuuutu )()0()()(把把t1作為計時的起點作為計時的起點Z2110URRR)(uC ZU)(uC ZtZZCUeUURRRtu )(211RC t2t1=T/2Z21

20、12URRR)t (uC 21212RRlnRCT振蕩頻率：振蕩頻率：Tf1 4、占空比可調的矩形波產生電路、占空比可調的矩形波產生電路 占空比：矩形波中高電平的繼續(xù)時間與振蕩周期占空比：矩形波中高電平的繼續(xù)時間與振蕩周期的比值。方波的占空比為的比值。方波的占空比為50%。%100%1002111 TT CRrR 1dw1 CRrRR 2d ww2 其中其中rd是二極管是二極管D的導通電阻。的導通電阻。改動改動Rw 的中點位置，占空比就可的中點位置，占空比就可改動。改動。 為改動輸出方波的占空比，可改動電容為改動輸出方波的占空比，可改動電容C的充、的充、放電時間常數。放電時間常數。占空比：占空

21、比：6.6.2 三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器是由遲滯比較器三角波發(fā)生器是由遲滯比較器A1和積分器和積分器A2閉環(huán)組閉環(huán)組合而成的。合而成的。1、電路組成、電路組成2、任務原理、任務原理設設t = 0時，時，uo1=+Uz 運放運放A1同相端的電位：同相端的電位：212o211zRRRuRRRUu uC=0 ，uo= uC=0此時，此時， uo1經過經過R4向電容向電容C恒流充電，恒流充電，uC，uo。iC=Uz/R4過零比較過零比較 212o211zRRRuRRRUu當當u+0時，時，A1翻轉，翻轉，uo1Uzz21omoURRUu C恒流放電，恒流放電，uC線性線性 ，uo線性線性。

22、C恒流充電，恒流充電，uC線性線性，uo線性線性 。 212o211zRRRuRRRUu 212o211zRRRuRRRUu當當u+0時，時，A1翻轉，翻轉，uo1跳變?yōu)樘優(yōu)?Uz。z21omoURRUu 如此周而復始，產生振如此周而復始，產生振蕩，輸出三角波蕩，輸出三角波C恒流放電，恒流放電，uC線性線性 ，uo線性線性。3、振蕩周期、振蕩周期214zmo444RCRRUUCRT mo4Z2121UdtRUCuttC t2 t1=T/26.6.3 鋸齒波發(fā)生電路鋸齒波發(fā)生電路為了獲得鋸齒波，應改動積分器的充放電時間常數。為了獲得鋸齒波，應改動積分器的充放電時間常數。6.6.4 6.6.4 壓控振蕩電路壓控振蕩電路 經過外加的電壓控制端來控制輸出信號的頻率經過外加的電壓控制端來控制輸出信號的頻率 -+R2R1R3uo1DZ-+uoCR5A1A2ZUR4Duiu+控制電壓控制電壓ui0 ui0 設電源接通時，設電源接通時，uo1=+UZuo1=+UZ，D D截止，截止，C C充電，充電，uouo從零開場線性下降從零開場線性下降OtOtuo1UZ-UZuoUom-Uomu+u+隨之下降，當隨之下降，當u+u+降至零時，降至零時，uo1uo1跳變?yōu)樘優(yōu)?UZ-UZ，( (同時同時u+u+跳變成一個負