波形產(chǎn)生電路與變換電路課件

1、第八章 波形產(chǎn)生電路與變換電路 8.1 非正弦波產(chǎn)生電路 8.2 集成函數(shù)發(fā)生器 8.3 正弦波產(chǎn)生電路 8.1 非正弦波產(chǎn)生電路 圖 8 1 利用電容充放電產(chǎn)生脈沖波形原理圖 由圖 8 - 1 得其三要素為 其充放電的波形如圖 8 - 2 所示, 改變充放電時(shí)間常數(shù), 可得到不同波形。 圖 8 2 電容充放電的波形 8.1.1 矩形波產(chǎn)生電路 圖 8 3 矩形波產(chǎn)生電路 1. 工作原理 在圖 8 - 3 所示電路中, 通過(guò)Ro和穩(wěn)壓管VDz1、VDz2對(duì)輸出限幅, 如果它們的穩(wěn)壓值相等, 即Uz1=Uz2=Uz, 那么電路輸出電壓正、 負(fù)幅度對(duì)稱：UOH=+Uz, UOL=-Uz, 同相端電

2、位 由uo通過(guò)R2、R3分壓后得到, 這是引入的正反饋；反相端電壓 受積分器電容兩端的電壓uC控制。 當(dāng)電路接通電源時(shí), 與 必存在差別。 或 是隨機(jī)的。 盡管這種差別極其微小, 但一旦出現(xiàn) , uo=UOH=+Uz。反之, 當(dāng)出現(xiàn) 時(shí), uo=UOL=-Uz。因此, uo不可能居于其它中間值。設(shè)t=0(電源接通時(shí)刻)，電容兩端電壓uC=0, 滯回比較器的輸出電壓uo=+Uz, 則集成運(yùn)放同相輸入端的電位為 此時(shí), 輸出電壓uo=+Uz對(duì)電容充電, 使 由零逐漸上升。在等于以前, uo=+Uz不變。當(dāng) 時(shí) 輸出電壓uo從高電平+Uz跳變?yōu)榈碗娖?Uz。 當(dāng)uo=-Uz時(shí), 集成運(yùn)放同相輸入端的

3、電位也隨之發(fā)生跳變, 其值為同時(shí)電容器經(jīng)R放電, 使 逐漸下降。在 等于 以前, 不變, 當(dāng) 時(shí), uo從-Uz跳變?yōu)?Uz, 也隨之而跳變?yōu)?, 電容器C再次充電。如此周而復(fù)始, 產(chǎn)生振蕩, 從uo輸出矩形波，其波形如圖 8 - 4 所示。 QU圖 8 4 矩形波產(chǎn)生電路波形圖 2. 振蕩周期計(jì)算 其中 （8-4）代入式(8 - 4)得同理求得 如果UOH|UOL|, 則上述 , T1T2, 輸出為矩形波。 如果|UOH|=|UOL|, 但充放, T1T2, 那么輸出也為矩形波。 通常定義矩形波為高電平的時(shí)間T2與周期T之比為占空比D, 即圖 8 5 占空比可調(diào)電路8.1.2 三角波產(chǎn)生電路

4、 圖 8 6 三角波產(chǎn)生電路 1. 工作原理 圖 8 7 雙運(yùn)放非正弦波產(chǎn)生電路的波形2. 計(jì)算(1) uo幅值計(jì)算。 當(dāng) 時(shí), 對(duì)應(yīng)的uo值為輸出三角波的幅值Uom, 即當(dāng)uo1=+Uz時(shí) 當(dāng)uo1=-Uz時(shí) （8-11） (2) 振蕩周期的計(jì)算。由A2的積分電路可求出振蕩周期, 其輸出電壓uo從-Uom上升到+Uom所需時(shí)間為T(mén)/2, 所以得將式(8 -11)代入, 可得 8.1.3 鋸齒波產(chǎn)生電路 圖 8 8 鋸齒波產(chǎn)生電路 圖 8 9 鋸齒波產(chǎn)生電路波形 鋸齒波的幅度和振蕩周期與三角波相似。 當(dāng) 時(shí), 對(duì)應(yīng)的uo值為 當(dāng)uo1=+Uz時(shí) 當(dāng)uo1=-Uz時(shí) 振蕩周期為T(mén)=T1+T2,

5、電容充電時(shí)間T1為則 電容放電時(shí)間T2為 則故振蕩周期為式中rd1、rd2為二極管VD1、VD2導(dǎo)通時(shí)的電阻。 8.1.4 波形變換電路 波形變換電路的功能是將一種形狀的波形變換成另一種形狀的波形, 以適應(yīng)各種不同的需要。 8.2 集成函數(shù)發(fā)生器ICL8038簡(jiǎn)介* 圖 8 10 ICL8038的原理框圖 圖 8 - 11ICL8038管腳圖(頂視圖) 圖 8 - 12ICL8038基本接法 上升時(shí)間t1為 下降時(shí)間t2為因此振蕩周期為振蕩頻率為 其中RA和RB的阻值宜在 范圍內(nèi)(“UCC-U”是管腳與管腳之間的電壓), 且RB應(yīng)小于2RA。 當(dāng)RA=RB時(shí), 管腳、和的輸出波形分別為矩形波、

6、三角波和正弦波, 振蕩頻率為 。調(diào)節(jié)電位器RW 可使正弦波的失真度減小到1.5%以下。用100k電位器接成可變電阻形式代替圖 8 - 12中的 82k電阻, 調(diào)節(jié)它也可以減小正弦波的失真度。如果希望進(jìn)一步減小正弦波的失真度, 可用圖 8 - 13 所示的調(diào)整電路, 使正弦波的失真度減小到0.5%左右。 圖 8 13 頻率可調(diào)和失真小的函數(shù)發(fā)生器圖 8 14 掃描信號(hào)發(fā)生器(RA=RB) 8.3 正弦波產(chǎn)生電路 8.3.1 產(chǎn)生正弦波振蕩的條件 圖8 15 正弦波產(chǎn)生電路的基本結(jié)構(gòu) 正弦波發(fā)生電路的基本結(jié)構(gòu)是引入正反饋的反饋網(wǎng)絡(luò)和放大電路, 如圖8 - 15所示。接成正反饋是產(chǎn)生振蕩的首要條件,

7、 又稱為相位條件。為了使電路在沒(méi)有外加信號(hào)時(shí) , 就產(chǎn)生振蕩, 所以還要求電路在開(kāi)環(huán)時(shí)滿足即 正弦波產(chǎn)生電路一般應(yīng)包括以下幾個(gè)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)幅電路。 判斷一個(gè)電路是否為正弦波振蕩器, 就看其組成是否含有上述四個(gè)部分。 判斷振蕩的一般方法是: (1) 是否滿足相位條件, 即電路是否為正反饋, 只有滿足相位條件才有可能振蕩。 (2) 放大電路的結(jié)構(gòu)是否合理, 有無(wú)放大能力, 靜態(tài)工作點(diǎn)是否合適。 (3) 分析是否滿足幅度條件, 檢驗(yàn) , 若 , 則不可能振蕩。 , 能振蕩, 但輸出波形明顯失真。 , 產(chǎn)生振蕩。振蕩穩(wěn)定后 。再

8、加上穩(wěn)幅措施, 振蕩穩(wěn)定, 而且輸出波形失真小。 8.3.2 正弦波振蕩電路 1. RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性 圖 8 16 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及其高低頻等效電路 當(dāng)信號(hào)頻率足夠低時(shí), , 可得到近似的低頻等效電路, 如圖8 - 16(b)所示。它是一個(gè)超前網(wǎng)絡(luò)。 輸出電壓 相位超前輸入電壓 。 當(dāng)信號(hào)頻率足夠高時(shí), , 其近似的高頻等效電路如圖 8 - 16(c)所示。它是一個(gè)滯后網(wǎng)絡(luò)。 輸出電壓 相位落后輸入電壓 。 因此可以斷定, 在高頻與低頻之間存在一個(gè)頻率fo, 其相位關(guān)系既不是超前也不是落后, 輸出電壓 與輸入電壓 相位一致。這就是RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性。 整理后得 由圖8 - 16(

9、a)可得 通常取R1=R2=R, C1=C2=C, 則 其中 , 即(8-23)式(8 - 23)所代表的幅頻特性為 相頻特性為 圖 8 17 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性 可見(jiàn),當(dāng)=o=1/RC時(shí) , 達(dá)到最大值, 且等于 1/3, 而相移=0。 2. RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)正弦波振蕩電路 圖 8 18 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)正弦波振蕩電路 由RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性得知,在=o=1/RC時(shí), 其相移F=0, 為了使振蕩電路滿足相位條件要求放大器的相移A也為0(或360)。 所以, 放大電路可選用同相輸入方式的集成運(yùn)算放大器或兩級(jí)共射分立元件放大電路等。由于它是RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)選頻特性, 所以使信號(hào)通過(guò)閉合環(huán)路

10、后, 僅有=o的信號(hào)才滿足相位條件, 因此, 該電路振蕩頻率為o, 從而保證了電路輸出為單一頻率的正弦波。 為了使電路能振蕩, 還應(yīng)滿足起振條件, 即要求 而圖 8 - 18 所示的反饋系數(shù)就是RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù), 如式(8 - 23)所示, 即放大器的放大倍數(shù)(8-27)當(dāng)=o時(shí), , 因而按起振條件式(8 - 27), 要求即 例如, 若Rf=20k, 則取R1=10k, 用 8.2 k的電阻和 4.7k的電位器串聯(lián)作為R1, 這樣便于調(diào)整, 使之滿足式(8-29)而起振。該電路的振蕩頻率為圖 8 19 二極管穩(wěn)幅電路的RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路 8.3.3LC正弦波振蕩電路 1. LC

11、并聯(lián)回路的選頻特性 圖 8 20 LC并聯(lián)電路 對(duì)于某個(gè)特定頻率o, 滿足 , 即或 諧振頻率 此時(shí)電路產(chǎn)生并聯(lián)諧振, 所以fo叫作諧振頻率。諧振時(shí), 回路的等效阻抗呈現(xiàn)純電阻性質(zhì), 且達(dá)到最大值, 稱為諧振阻抗Zo, 這時(shí)其中 LC并聯(lián)回路諧振時(shí)的輸入電流為 品質(zhì)因素而流過(guò)電感的電流為 所以 通常Q1, 所以 , 即諧振時(shí), LC并聯(lián)電路的回路電流比輸入電流大得多, 此時(shí)諧振回路外界的影響可忽略。 諧振時(shí)式(8 - 31)虛部為零, 所以相移也為零。 圖 8 21 LC并聯(lián)回路的頻率特性 fofQ1Q2(Q11Q2)z(a)阻抗頻率特性j90o90ofofQ1Q2(b) (Q1Q2)相頻特性

12、2. 變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路 圖 8 22 變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路+fU&ReCe2bR1bRCbCLUCC(a)IF I、F同點(diǎn)為并，并聯(lián)同號(hào)為正+用瞬時(shí)極性法判斷，應(yīng)滿足正反饋的要求。+I、F同點(diǎn)為并，并聯(lián)同號(hào)為正2bR1bRUCCfU&ReCeLCbC(b)IFCb2bR1bRReCefU&LCUCC(c)+FII、F同點(diǎn)為并，并聯(lián)同號(hào)為正 振蕩的起振幅值條件為 , 只要變壓器的匝數(shù)比設(shè)計(jì)恰當(dāng), 一般都可滿足幅值條件。 在滿足相位條件的前提下仍不起振, 可加、減變壓器次級(jí)繞組的匝數(shù), 或更換較大的三極管,使之振蕩。 當(dāng)Q值較高時(shí), 振蕩頻率fo就等于LC并聯(lián)回路的諧振頻率

13、, 即3. 三點(diǎn)式LC正弦波振蕩電路 （1）三點(diǎn)式振蕩電路的一般形式和判別法則相位條件：Xce與be為同性電抗+ebcxcexbexcbI、F同點(diǎn)為并，并聯(lián)同號(hào)為正諧振條件：Xcb與be為異性電抗總之：射同基異（）電感三點(diǎn)式振蕩電路fU&ReCeUCC1bRCbL1L2C基異：b接L、C射同：e同接LcL1L2eb交流通路故為電感三點(diǎn)式振蕩電路，C、B組態(tài)ReCe2bR1bRUCCRcCbCcCL1L2fU&(b)故為電感三點(diǎn)式振蕩電路，C、E組態(tài)基異：b接L、C射同：e同接LcL1L2eb交流通路C1C2fU&ReUCC2bR1bRCb(c)C1C2L（3）電容三點(diǎn)式振蕩電路交流通路基異：b

14、接L、C射同：e同接Ce bL故為電容三點(diǎn)式振蕩電路，C、B組態(tài)基異：b接L、CC1C2交流通路射同：e同接Ce bL故為電容三點(diǎn)式振蕩電路，C、E組態(tài)ReCe2bR1bRUCCRcCbLC1C2fU&(d) 電感三點(diǎn)式正弦波振蕩電路的振蕩頻率基本上等于LC并聯(lián)電路的諧振頻率, 即其中L是諧振回路的等效電感, 即 電容三點(diǎn)式正弦波振蕩電路的振蕩頻率近似等于LC并聯(lián)電路的諧振頻率, 即對(duì)圖 8 - 23(c)、 (d)圖 8 24 電容三點(diǎn)式改進(jìn)型正弦波振蕩電路 在選取電容參數(shù)時(shí), 可使C1C, C2C, 所以 故 fo僅取決于電感L和電容C, 與C1、C2和管子的極間電容關(guān)系很小, 因此振蕩頻率的穩(wěn)定度較高, 其頻率穩(wěn)定度f(wàn)/fo的值可小于0.01%。 4. 石英晶體正弦波振蕩電路1) 石英晶體的基本知識(shí) 圖 8 25 石英晶體諧振器 QC 從石英晶體諧振器的等效電路可知,它有兩個(gè)諧振頻率, 即當(dāng)L、C、R支路發(fā)生諧振時(shí), 它的等效阻抗最小(等于R)。 串聯(lián)諧振頻率為 當(dāng)頻率高于fs時(shí), L、C、R支路呈感性, 可與電容Co發(fā)生并聯(lián)諧振, 并聯(lián)諧振頻率為 由于CCo, 因此fs和fp非常接近。 石英晶體振蕩器類型：并聯(lián)型晶振 Q