波形發(fā)生電路

1、關(guān)于波形發(fā)生電路第一張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月7.1 正弦波振蕩電路 7.1.1 正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識 1. 自激振蕩現(xiàn)象 擴(kuò)音系統(tǒng)在使用中有時會發(fā)出刺耳的嘯叫聲, 其形成的過程如圖7.1所示。 圖 7.1 自激振蕩現(xiàn)象 第二張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 2. 自激振蕩形成的條件 可以借助圖.所示的方框圖來分析正弦波振蕩形成的條件。 圖 7.2 振蕩電路的方框圖 第三張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 由此可見, 自激振蕩形成的基本條件是反饋信號與 輸入信號大小相等、 相位相同, 即 , 而 可得 (7.1) 這包含著兩層含義: （） 反饋信號與輸入信

2、號大小相等, 表示 即 （） 反饋信號與輸入信號相位相同, 表示輸入信號經(jīng)過放大電路產(chǎn)生的相移A和反饋網(wǎng)絡(luò)的相移F之和為0, 2, 4, , 2n, 即（7.2） 第四張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 A+F=2n(n=0, 1, 2, 3, ) （7.3） 稱為相位平衡條件。 圖 7.3 自激振蕩的起振波形 第五張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 . 正弦波振蕩的形成過程 放大電路在接通電源的瞬間, 隨著電源電壓由零開始的突然增大, 電路受到擾動, 在放大器的輸入端產(chǎn)生一個微弱的擾動電壓ui, 經(jīng)放大器放大、 正反饋, 再放大、 再反饋, 如此反復(fù)循環(huán), 輸出信號的幅度很快

3、增加。 這個擾動電壓包括從低頻到甚高頻的各種頻率的諧波成分。 為了能得到我們所需要頻率的正弦波信號, 必須增加選頻網(wǎng)絡(luò), 只有在選頻網(wǎng)絡(luò)中心頻率上的信號能通過, 其他頻率的信號被抑制, 在輸出端就會得到如圖7.3的ab段所示的起振波形。 第六張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 那么, 振蕩電路在起振以后, 振蕩幅度會不會無休止地增長下去了呢？這就需要增加穩(wěn)幅環(huán)節(jié), 當(dāng)振蕩電路的輸出達(dá)到一定幅度后, 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)就會使輸出減小, 維持一個相對穩(wěn)定的穩(wěn)幅振蕩, 如圖7.3的bc段所示。 也就是說, 在振蕩建立的初期, 必須使反饋信號大于原輸入信號, 反饋信號一次比一次大, 才能使振蕩幅度逐漸增

4、大; 當(dāng)振蕩建立后, 還必須使反饋信號等于原輸入信號, 才能使建立的振蕩得以維持下去。 第七張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 由上述分析可知, 起振條件應(yīng)為 穩(wěn)幅后的幅度平衡條件為（7.4） . 振蕩電路的組成要形成振蕩, 電路中必須包含以下組成部分: 放大器; 正反饋網(wǎng)絡(luò); 選頻網(wǎng)絡(luò); 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。第八張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)組成元件的不同, 正弦波振蕩電路通常分為振蕩電路, 振蕩電路和石英晶體振蕩電路。 7.1.2 RC正弦波振蕩電路 RC正弦波振蕩電路結(jié)構(gòu)簡單, 性能可靠, 用來產(chǎn)生幾兆赫茲以下的低頻信號, 常用的RC振蕩電路有RC橋式振蕩電路和移

5、相式振蕩電路。 1. RC橋式振蕩電路 1） RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)由R2和C2并聯(lián)后與R1和C1串聯(lián)組成, 如圖7.4所示。 第九張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖 7.4 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 第十張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 設(shè)R1、 C1的串聯(lián)阻抗用Z1表示, R2和C2的并聯(lián)阻抗 用Z2表示, 那么 輸出電壓 與輸入電壓 之比為RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸系數(shù), 記為 , 則第十一張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月在實(shí)際電路中取C1=C2=C, R1=R2=R, 則上式可簡化為其模值 相角 第十二張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 將f0

6、的表達(dá)式代入模值和相角的表達(dá)式, 并將角頻 率變換為由頻率f表示, 則 令 即 第十三張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 根據(jù)上式可作出RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)頻率特性如圖7.5所示。 圖 7.5 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性 第十四張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 當(dāng) f=f0時, 電壓傳輸系數(shù)最大, 其值為: F=1/3, 相角為零, 即F=0。 此時, 輸出電壓與輸入電壓同相位。 當(dāng)ff0時, F3的要求。 其中, 1、 2和R2是實(shí)現(xiàn)自動穩(wěn)幅的限幅電路。 （7.5） 2RC移相式振蕩電路 電路如圖7.7所示, 圖中反饋網(wǎng)絡(luò)由三節(jié)RC移相電路構(gòu)成。 第十八張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于

7、2022年6月 圖 7.7 RC超前型移相式振蕩電路 第十九張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 由于集成運(yùn)算放大器的相移為180, 為滿足振蕩的相位平衡條件, 要求反饋網(wǎng)絡(luò)對某一頻率的信號再移相180, 圖7.7中RC構(gòu)成超前相移網(wǎng)絡(luò)。 正如所知, 一節(jié)RC電路的最大相移為90, 不能滿足振蕩的相位條件; 二節(jié)RC電路的最大相移可以達(dá)到180, 但當(dāng)相移等于180時, 輸出電壓已接近于零, 故不能滿足起振的幅度條件 。 為此, 在圖7.7所示的電路中, 采用三節(jié)RC超前相移網(wǎng)絡(luò), 三節(jié)相移網(wǎng)絡(luò)對不同頻率的信號所產(chǎn)生的相移是不同的, 但其中總有某一個頻率的信號, 通過此相移網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的相移

8、剛好為180, 滿足相位平衡條件而產(chǎn)生振蕩, 該頻率即為振蕩頻率f0。 第二十張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 RC移相式振蕩電路具有結(jié)構(gòu)簡單、 經(jīng)濟(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)。 其缺點(diǎn)是選頻性能較差, 頻率調(diào)節(jié)不方便, 由于輸出幅度不夠穩(wěn)定, 輸出波形較差, 一般只用于振蕩頻率固定、 穩(wěn)定性要求不高的場合。 振幅起振條件為 （7.6） （7.7） 第二十一張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 7.1.3 LC振蕩電路 LC振蕩電路分為變壓器反饋式LC振蕩電路、 電感反饋式LC振蕩電路、 電容反饋式LC振蕩電路, 用來產(chǎn)生幾兆赫茲以上的高頻信號。 1. 變壓器反饋式LC振蕩電路 ） 電路組成

9、變壓器反饋式LC振蕩電路如圖7.8所示。 第二十二張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖 7.8 變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路第二十三張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 ） 振蕩條件 （1） 相位平衡條件。 為了滿足相位平衡條件, 變壓器初次級之間的同名端必須正確連接。 電路振蕩時, f=f0, LC回路的諧振阻抗是純電阻性, 由圖中L1及L2同名端可知, 反饋信號與輸出電壓極性相反, 即F=180。 于是A+F=360, 保證了電路的正反饋, 滿足振蕩的相位平衡條件。 對頻率ff0的信號, LC回路的阻抗不是純阻抗, 而是感性或容性阻抗。 此時, LC回路對信號會產(chǎn)生附加第

10、二十四張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 相移, 造成F180, 那A+F360, 不能滿足相位平衡條件, 電路也不可能產(chǎn)生振蕩。 由此可見, LC振蕩電路只有在f=f0這個頻率上, 才有可能振蕩。 （2） 幅度條件。 為了滿足幅度條件AF1, 對晶體管的值有一定要求。 一般只要值較大, 就能滿足振幅平衡條件。 反饋線圈匝數(shù)越多, 耦合越強(qiáng), 電路越容易起振。 （7.8）第二十五張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 4） 電路優(yōu)缺點(diǎn) (1) 易起振, 輸出電壓較大。 由于采用變壓器耦合, 易滿足阻抗匹配的要求。 (2) 調(diào)頻方便。 一般在LC回路中采用接入可變電容器的方法來實(shí)現(xiàn),

11、 調(diào)頻范圍較寬, 工作頻率通常在幾兆赫左右。 (3) 輸出波形不理想。 由于反饋電壓取自電感兩端, 它對高次諧波的阻抗大, 反饋也強(qiáng), 因此在輸出波形中含有較多高次諧波成分。 2. 電感反饋式LC振蕩電路 1) 如圖7.9所示是電感反饋式LC振蕩電路, 又稱 哈特萊振蕩電路。 第二十六張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖 7.9 電感反饋式LC振蕩電路 第二十七張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 ）振蕩條件分析 （1）相位條件。 設(shè)基極瞬時極性為正, 由于放大器的倒相作用, 集電極電位為負(fù), 與基極相位相反, 則電感的端為負(fù), 2端為公共端, 端為正, 各瞬時極性如圖7.9所

12、示。 反饋電壓由1端引至三極管的基極, 故為正反饋, 滿足相位平衡條件。 （2） 幅度條件。 從圖7.9可以看出反饋電壓是取自電感L2兩端, 加到晶體管b、e間的。 所以改變線圈抽頭的位置, 即改變L2的大小, 就可調(diào)節(jié)反饋電壓的大小。 當(dāng)滿足| |1的條件時, 電路便可起振。 第二十八張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 上式中, L1+L2+2M為LC回路的總電感, M為L1與L2 間的互感耦合系數(shù)。 4） 電路優(yōu)缺點(diǎn) (1) 由于L1和L2之間耦合很緊, 故電路易起振, 輸出幅度大。 (2) 調(diào)頻方便, 電容C若采用可變電容器, 就能獲得較大的頻率調(diào)節(jié)范圍。 3） 振蕩頻率 （7.

13、9） 第二十九張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 (3) 由于反饋電壓取自電感L2兩端, 它對高次諧波的阻抗大, 反饋也強(qiáng), 因此在輸出波形中含有較多高次諧波成分, 輸出波形不理想。 3 電容反饋式振蕩電路 電容反饋式LC振蕩電路又稱為考畢茲振蕩電路，如圖 7.10 所示。 第三十張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖 7.10 電容反饋式振蕩電路 第三十一張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 1） 相位條件 與分析電感反饋式振蕩電路相位條件的方法相同, 該電路也滿足相位平衡條件。 2） 幅度條件 由圖7.10的電路可看出, 反饋電壓取自電容C2兩端, 所以適當(dāng)?shù)剡x擇C1

14、、 C2的數(shù)值, 并使放大器有足夠的放大量, 電路便可起振。 3）振蕩頻率 振蕩頻率為 （7.10） 第三十二張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 是諧振回路的總電容。 4） 電路優(yōu)缺點(diǎn) 容易起振, 振蕩頻率高, 可達(dá)100 MHz以上。 輸出波形較好, 這是由于C2對高次諧波的阻抗小, 反饋電壓中的諧波成分少, 故振蕩波形較好。 但調(diào)節(jié)頻率不方便。 因?yàn)镃1、 C2的大小既與振蕩頻率有關(guān), 也與反饋量有關(guān)。 改變C1（或C2）時會影響反饋系數(shù), 從而影響反饋電壓的大小, 造成電路工作性能不穩(wěn)定。 其中 第三十三張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 *. 串聯(lián)改進(jìn)型電容反饋式LC振

15、蕩電路 串聯(lián)改進(jìn)型電容反饋式LC振蕩電路又稱克拉潑振蕩電路, 如圖7.11所示。 其中C表示回路總電容 （7.11） （7.12） 當(dāng)CC1, C3C2時, CC3。 第三十四張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖 7.11 克拉潑振蕩電路 第三十五張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 7.1.4 晶體振蕩電路 1. 石英晶體的諧振特性與等效電路 石英晶體諧振器是晶振電路的核心元件, 其結(jié)構(gòu)和外形如圖7.12所示。 石英晶體諧振 器是從一塊石英晶體上按確定的方位角切下的薄片, 這種晶片可以是正方形、矩形或圓形、 音叉形的, 然后將晶片的兩個對應(yīng)表面上涂敷銀層, 并裝上一對金屬板,

16、 接出引線, 封裝于金屬殼內(nèi)。 第三十六張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 為什么石英晶體能作為一個諧振回路, 而且具有極高的頻率穩(wěn)定度呢？這要從石英晶體的固有特性來進(jìn)行分析。 物理學(xué)的研究表明, 當(dāng)石英晶體受到交變電場作用時, 即在兩極板上加以交流電壓, 石英晶體便會產(chǎn)生機(jī)械振動。 反過來, 若對石英晶體施加周期性機(jī)械力, 使其發(fā)生振動, 則又會在晶體表面出現(xiàn)相應(yīng)的交變電場和電荷, 即在極板上有交變電壓。當(dāng)外加電場的頻率等于晶體的固有頻率時, 便會產(chǎn)生“機(jī)電共振”, 振幅明顯加大, 這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。 它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。 第三十七張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022

17、年6月 圖 7.12石英晶體諧振器(a) 石英晶體振蕩器； (b) 外形圖 第三十八張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 壓電諧振的固有頻率與石英晶體的外形尺寸及切割方式有關(guān)。 從電路上分析, 石英晶體可以等效為一個LC電路, 把它接到振蕩器上便可作為選頻環(huán)節(jié)應(yīng)用。 圖7.13為石英晶體在電路中的符號和等效電路。 圖 7.13石英晶體的符號和 等效電路 (a) 符號； (b) 等效電路 第三十九張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖7.14為石英晶體諧振器的電抗-頻率特性。 由圖7.14可知, 它具有兩個諧振頻率, 一個是L、 C、 R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時的串聯(lián)諧振頻率fs, 另一

18、個是L、 C、 R支路與C0支路發(fā)生并聯(lián)諧振時的并聯(lián)諧振頻率fp, 由圖 7.13 等效電路得（7.13） （7.14） 第四十張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖7.14 石英晶體的電抗頻率特性 第四十一張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 2 石英晶體振蕩電路 石英晶體振蕩器可以歸結(jié)為兩類, 一類稱為并聯(lián)型, 另一類稱為串聯(lián)型。 前者的振蕩頻率接近于fp, 后者的振蕩頻率接近于fs, 分別介紹如下。 圖7.15所示為并聯(lián)型石英晶體振蕩器。 當(dāng)f0在 fs fp的窄小的頻率范圍內(nèi)時, 晶體在電路中起一個電感作用, 它與C1、 C2組成電容反饋式振蕩電路。 第四十二張，PPT共

19、七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖 7.15 并聯(lián)型石英晶體振蕩電路 第四十三張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 可見, 電路的諧振頻率f0應(yīng)略高于fs, C1 、 C2對f0的影響很小, 電路的振蕩頻率由石英晶體決定, 改變C1、 C2的值可以在很小的范圍內(nèi)微調(diào)f0。 圖7.16所示為串聯(lián)型石英晶體振蕩電路。 第四十四張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖 7.16 串聯(lián)型石英晶體振蕩電路 第四十五張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月7.2 非正弦信號發(fā)生器 7.2.1矩形波發(fā)生器 圖7.17(a)是一種能產(chǎn)生矩形波的基本電路, 也稱為方波振蕩器。 由圖可見, 它是在滯

20、回比較器的基礎(chǔ)上, 增加一條RC充、 放電負(fù)反饋支路構(gòu)成的。 1. 工作原理 在圖7.17（a）中, 電容上的電壓加在集成運(yùn)放的反相端, 集成運(yùn)放工作在非線性區(qū), 輸出只有兩個值: +Uz和-Uz。 設(shè)在剛接通電源時, 電容上的電壓為零, 輸出為正飽和電壓+Uz, 同相端的電壓為第四十六張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 電容C在輸出電壓+Uz的作用下開始充電, 充電電流 i經(jīng)過電阻Rf, 如圖7.17（a）的實(shí)線所示。 當(dāng)充電電壓uC升至 值時, 由于運(yùn)放輸入端uu, 于是電路翻轉(zhuǎn), 輸出電壓由+Uz值翻至Uz, 同相端電壓變?yōu)榈谒氖邚?，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十

21、八張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖 7.17 矩形波發(fā)生電路及其波形 第四十九張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 電容C開始放電, uC開始下降, 放電電流iC如圖（a）中虛線所示。 當(dāng)電容電壓uC降至值時, 由于u0時, uo1z; 當(dāng)uI1, 因此外接電容C放電, uC隨時間線性下降。 第六十三張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 當(dāng)uC下降到uC（UCC+UEE）/3時, 比較器輸出發(fā)生跳變, 使觸發(fā)器輸出端又由高電平變?yōu)榈碗娖? I2再次斷開, I1再次向C充電, uC又隨時間線性上升。 如此周而復(fù)始, 產(chǎn)生振蕩。 外接電容C交替地從一個電流源充電后向另一個

22、電流源放電, 就會在電容C的兩端產(chǎn)生三角波并輸出到腳3。 該三角波經(jīng)電壓跟隨器緩沖后, 一路經(jīng)正弦波變換器變成正弦波后由腳2 輸出, 另一路通過比較器和觸發(fā)器, 并經(jīng)過反向器緩沖, 由腳 9 輸出方波。 圖 7.22 為 8038的外部引腳排列圖。 第六十四張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月圖 7.22 8038的外部引腳排列圖 第六十五張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 . 8038 的典型應(yīng)用 利用8038構(gòu)成的函數(shù)發(fā)生器如圖7.23所示, 其振蕩頻率由電位器RP1滑動觸點(diǎn)的位置、 C的容量、 RA和RB的阻值決定, 圖中C1為高頻旁路電容, 用以消除 8 腳的寄生交流電壓

23、, RP2為方波占空比和正弦波失真度調(diào)節(jié)電位器, 當(dāng)RP2位于中間時, 可輸出方波。 第六十六張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月圖7.23 8038 的典型應(yīng)用 第六十七張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月*7.4 壓控振蕩器 1. 電路組成 壓控振蕩器如圖7.24所示, 該電路的輸入控制電壓為直流電壓。 A1為差動積分電路, 積分電壓由控制電壓UI提供, 積分方向由場效應(yīng)管V來改變; A2為滯回比較器, 它的輸出控制著場效應(yīng)管的導(dǎo)通和截止。 第六十八張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖 7.24 壓控振蕩器 第六十九張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 2. 工

24、作原理 設(shè)滯回比較器A2的輸出電壓為負(fù)飽和電壓Uom, 此值一方面使比較器的同相端電壓為下門限電壓, 即 另一方面通過隔離二極管V2將比較大的負(fù)電壓加在了場效應(yīng)管的柵極, 使場效應(yīng)管進(jìn)入夾斷區(qū)而截止, 此時, 積分電路可等效為圖7.25(a)。 第七十張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖7.25積分電流的流向 (a) FET截止； (b) FET導(dǎo)通 第七十一張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 由圖可以看出, u+=UI/2, 根據(jù)“虛短”的概念, u-=u+=UI/2, 再根據(jù) “虛斷”的概念, 電容器上的充電電流為 由于輸入電壓UI為直流電壓, 因此電容器C為恒流充電, 電容器C上的電壓直線上升, 而A1的輸出電壓uo1直線下降, 當(dāng)uo1降至 （7.17） 第七十二張，PPT共七十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 時, 比較器A2翻轉(zhuǎn)為+Uom。 比較器A2的輸出電壓+U