波形發(fā)生器課件

第九章波形產(chǎn)生與變換電路

9.1正弦波振蕩電路

9.2非正弦波發(fā)生電路200404018JG0102018第九章波形產(chǎn)生與變換電路200404018JG01029.1正弦波振蕩電路的振蕩條件正弦波發(fā)生電路能產(chǎn)生正弦波輸出，它是在放大電路的基礎(chǔ)上加上正反饋而形成的，它是各類波形發(fā)生器和信號(hào)源的核心電路。正弦波發(fā)生電路也稱為正弦波振蕩電路或正弦波振蕩器。

9.1.1產(chǎn)生正弦波的條件9.1.2RC正弦波振蕩電路9.1.3LC正弦波振蕩電路200404018JG01020189.1正弦波振蕩電路的振蕩條件正弦9.1.1產(chǎn)生正弦波的條件一、正弦波發(fā)生電路的組成

為了產(chǎn)生正弦波，必須在放大電路里加入正反饋，因此放大電路和正反饋網(wǎng)絡(luò)是振蕩電路的最主要部分。但是，這樣兩部分構(gòu)成的振蕩器一般得不到正弦波，這是由于很難控制正反饋的量。如果正反饋量大，則增幅，輸出幅度越來越大，最后由三極管的非線性限幅，這必然產(chǎn)生非線性失真。反之，如果正反饋量不足，則減幅，可能停振，為此振蕩電路要有一個(gè)穩(wěn)幅電路。200404018JG01020189.1.1產(chǎn)生正弦波的條件一、正弦波發(fā)生電路的組成

為了獲得單一頻率的正弦波輸出，應(yīng)該有選頻網(wǎng)絡(luò)，選頻網(wǎng)絡(luò)往往和正反饋網(wǎng)絡(luò)或放大電路合而為一。選頻網(wǎng)絡(luò)由R、C和L、C等電抗性元件組成。正弦波振蕩器的名稱一般由選頻網(wǎng)絡(luò)來命名。正弦波發(fā)生電路的組成

放大電路正反饋網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)幅電路200404018JG0102018為了獲得單一頻率的正弦波輸出，應(yīng)該有選頻網(wǎng)絡(luò)，選頻網(wǎng)二、產(chǎn)生正弦波的條件

產(chǎn)生正弦波的條件與負(fù)反饋放大電路產(chǎn)生自激的條件十分類似。只不過負(fù)反饋放大電路中是由于信號(hào)頻率達(dá)到了通頻帶的兩端，產(chǎn)生了足夠的附加相移，從而使負(fù)反饋?zhàn)兂闪苏答?。在振蕩電路中加的就是正反饋，振蕩建立后只是一種頻率的信號(hào)，無所謂附加相移。200404018JG0102018二、產(chǎn)生正弦波的條件產(chǎn)生正弦波

振蕩條件

幅度平衡條件

相位平衡條件

AF=A+

F=2n圖9.1.1振蕩器的方框圖

比較圖9.1.1(a)和(b)就可以明顯地看出負(fù)反饋放大電路和正反饋振蕩電路的區(qū)別了。由于振蕩電路的輸入信號(hào)，所以

。由于正、負(fù)號(hào)的改變200404018JG0102018振蕩條件AF=A+F=2

振蕩器在剛剛起振時(shí)，為了克服電路中的損耗，需要正反饋強(qiáng)一些，即要求

AF=A+

F=2n這稱為起振條件。三、起振條件和穩(wěn)幅原理既然，起振后就要產(chǎn)生增幅振蕩，需要靠三極管大信號(hào)運(yùn)用時(shí)的非線性特性去限制幅度的增加，這樣電路必然產(chǎn)生失真。這就要靠選頻網(wǎng)絡(luò)的作用，選出失真波形的基波分量作為輸出信號(hào)，以獲得正弦波輸出。200404018JG0102018振蕩器在剛剛起振時(shí)，為了克服電路中的損耗，需要正反饋也可以在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)放大電路的增益，從而達(dá)到穩(wěn)幅的目的。這在下面具體的振蕩電路中加以介紹。200404018JG0102018也可以在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)放大電9.1.2

RC正弦波振蕩電路一、RC網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)二、RC文氏橋振蕩器200404018JG01020189.1.2RC正弦波振蕩電路一、RC網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)2一、RC網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)

RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的電路如圖9.1.2(a)所示。RC串聯(lián)臂的阻抗用Z1表示，RC并聯(lián)臂的阻抗用Z2表示。其頻率響應(yīng)如下:圖9.1.2(a)RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)200404018JG0102018一、RC網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)1)122Cw1RCR1j()1(2121CRCRw-+++=R/j+)Cj/1(2122221112RCCRCRRRww+++=)j1]()Cj/1([222112RCRRRww+++=諧振頻率為:f0=當(dāng)R1=R2，C1=C2時(shí)，諧振角頻率和諧振頻率分別為:w+)]j1/([+)Cj/1()j1/(22211222212CRRRCRRZZZww++=+=200404018JG01020181)122Cw1RCR1j()1(2121CRCRw-+++幅頻特性:相頻特性:

當(dāng)f=f0時(shí)的反饋系數(shù),且與頻率f0的大小無關(guān)。此時(shí)的相角F=0。即改變頻率不會(huì)影響反饋系數(shù)和相角，在調(diào)節(jié)諧振頻率的過程中，不會(huì)停振，也不會(huì)使輸出幅度改變。有關(guān)曲線見圖9.2.1(b)。200404018JG0102018幅頻特性:相頻特性:當(dāng)f圖9.1.2(b)RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線200404018JG0102018圖9.1.2(b)RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線200404二、RC文氏橋振蕩電路

(1)RC文氏橋振蕩電路的構(gòu)成RC文氏橋振蕩電路如圖9.2.1(c)所示，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是正反饋網(wǎng)絡(luò)，另外還增加了R3和R4負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。

C1、R1和C2、R2正反饋支路與R3、R4負(fù)反饋支路正好構(gòu)成一個(gè)橋路，稱為文氏橋。200404018JG0102018二、RC文氏橋振蕩電路(1)RC文氏橋振蕩電路的當(dāng)C1=C2、R1=R2時(shí):

為滿足振蕩的幅度條件=1，所以Af≥3。加入R3、R4支路，構(gòu)成串聯(lián)電壓負(fù)反饋。F=0200404018JG0102018當(dāng)C1=C2、R1=R2時(shí):

(2)

RC文氏橋振蕩電路的穩(wěn)幅過程

RC文氏橋振蕩電路的穩(wěn)幅作用是靠熱敏電阻R4實(shí)現(xiàn)的。R4是正溫度系數(shù)熱敏電阻，當(dāng)輸出電壓升高，R4上所加的電壓升高，即溫度升高，R4的阻值增加，負(fù)反饋增強(qiáng)，輸出幅度下降。反之輸出幅度增加。若熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)，應(yīng)放置在R3的位置。見圖9.2.1(c)。200404018JG0102018(2)RC文氏橋振蕩電路的穩(wěn)幅過程RC文氏(a)穩(wěn)幅電路(b)穩(wěn)幅原理圖圖9.1.2(d)反并聯(lián)二極管的穩(wěn)幅電路采用反并聯(lián)二極管的穩(wěn)幅電路如圖9.1.2.(d)所示。電路的電壓增益為式中

R"p是電位器上半部的電阻值，R'p是電位器下半部的電阻值。R'3=R3//RD，RD是并聯(lián)二極管的等效平均電阻值。當(dāng)Vo大時(shí)，二極管支路的交流電流較大，RD較小，Avf較小，于是Vo下降。由圖(b)可看出二極管工作在C、D點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的等效電阻，小于工作在A、B點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的等效電阻，所以輸出幅度小。二極管工作在A、B點(diǎn)，電路的增益較大，引起增幅過程。當(dāng)輸出幅度大到一定程度，增益下降，最后達(dá)到穩(wěn)定幅度的目的。200404018JG0102018(a)穩(wěn)幅電路9.1.3LC正弦波振蕩電路

LC正弦波振蕩電路的構(gòu)成與RC正弦波振蕩電路相似，包括有放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅電路。這里的選頻網(wǎng)絡(luò)是由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成，正反饋網(wǎng)絡(luò)因不同類型的LC正弦波振蕩電路而有所不同。

一、LC并聯(lián)諧振電路的頻率響應(yīng)二、變壓器反饋LC振蕩器三、電感三點(diǎn)式LC振蕩器200404018JG01020189.1.3LC正弦波振蕩電路LC正一、LC并聯(lián)諧振電路的頻率響應(yīng)

LC并聯(lián)諧振電路如圖9.1.3（a）所示。顯然輸出電壓是頻率的函數(shù)：

輸入信號(hào)頻率過高，電容的旁路作用加強(qiáng)，輸出減?。环粗l率太低，電感將短路輸出。并聯(lián)諧振曲線如圖9.3.1(b)所示。

（a）LC并聯(lián)諧振電路圖9.1.3LC并聯(lián)諧振電路與并聯(lián)諧振曲線

（b）并聯(lián)諧振曲線200404018JG0102018一、LC并聯(lián)諧振電路的頻率響應(yīng)LC并聯(lián)諧振頻率諧振時(shí)電感支路電流或電容支路電流與總電流之比，稱為并聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)考慮電感支路的損耗，用R表示，如圖9.3.1(c)所示。

圖9.1.3(c)有損耗的諧振電路諧振時(shí)200404018JG0102018諧振頻率諧振時(shí)電感支路電流或電容支路電流與總

對(duì)于圖9.3.1(d)的諧振曲線，Q值大的曲線較陡較窄，圖中Q1＞Q2。并聯(lián)諧振電路的諧振阻抗諧振時(shí)LC并聯(lián)諧振電路相當(dāng)一個(gè)電阻。圖9.1.3(d)諧振曲線200404018JG0102018對(duì)于圖9.3.1(d)的諧振曲線，Q值大二、變壓器反饋LC振蕩電路從放大器到振蕩器從能量的觀點(diǎn)分析，前面所討論的各種放大器都是在輸入信號(hào)的控制下，將直流電源提供的電能轉(zhuǎn)換成按輸入信號(hào)規(guī)律變化的電信號(hào)，并饋送給負(fù)載。正弦波振蕩器則是一種不需要外加輸入信號(hào)，自動(dòng)將直流電能轉(zhuǎn)換成某一特定頻率和適當(dāng)幅度的正弦波電壓的電路。它實(shí)質(zhì)上是由反饋放大器演變而來。200404018JG0102018二、變壓器反饋LC振蕩電路從放大器到振蕩器從能量的觀點(diǎn)分析，圖(a)是調(diào)諧放大器，如果通過反饋使得與等幅同相，則可以令=反饋到輸入端，取代圖(a)中的，成為圖(b)所示電路。它是這種典型的變壓器耦合式(亦稱為互感耦合)振蕩器的交流通路。圖9.1.4200404018JG0102018圖(a)是調(diào)諧放大器，如果通過反饋使得與等幅同相，則變壓器反饋LC振蕩電路如圖9.1.5所示。

LC并聯(lián)諧振電路作為三極管的負(fù)載，反饋線圈L2與電感線圈Ｌ相耦合,將反饋信號(hào)送入三極管的輸入回路。交換反饋線圈的兩個(gè)線頭，可使反饋極性發(fā)生變化。調(diào)整反饋線圈的匝數(shù)可以改變反饋信號(hào)的強(qiáng)度，以使正反饋的幅度條件得以滿足。從圖9.1.5變壓器反饋LC振蕩電路200404018JG0102018變壓器反饋LC振蕩電路如圖9.1.5所示。L

有關(guān)同名端的極性請(qǐng)參閱圖9.1.6。圖9.1.6同名端的極性

變壓器反饋LC振蕩電路的振蕩頻率與并聯(lián)LC諧振電路相同，為200404018JG0102018有關(guān)同名端的極性圖9.1.6同名端的極性三點(diǎn)式LC振蕩器設(shè)諧振回路的Ｘ1、Ｘ2、Ｘ3均為純電抗元件。

忽略三極管的電抗效應(yīng)，對(duì)于諧振頻率，與反相，即φA()＝π。設(shè)回路Ｑ值較高，由圖(a)得：，反饋系數(shù)為：

圖9.1.7200404018JG0102018三點(diǎn)式LC振蕩器設(shè)諧振回路的Ｘ1、Ｘ2、Ｘ3均為純電抗元件。電路諧振時(shí)，在平衡狀態(tài)下，振蕩頻率近似等于回路的諧振頻率，即能滿足:Ｘ1＋Ｘ2＋Ｘ3=0

-X2=Ｘ1＋Ｘ3

即有

=-Ｘ1／Ｘ2并考慮到φA()=π，則當(dāng)φF=π時(shí)，電路滿足正弦波振蕩的相位條件，也就是Ｘ1與Ｘ2為同性質(zhì)電抗。

判斷準(zhǔn)則：(2)Ｘ1、Ｘ2與Ｘ3為異性質(zhì)電抗。

(1)Ｘ1與Ｘ2為同性質(zhì)電抗；對(duì)于BJT：射同它異

200404018JG0102018電路諧振時(shí)，在平衡狀態(tài)下，振蕩頻率近似等于回路的諧振頻率，即三、電感三點(diǎn)式LC振蕩器圖9.1.8(a)為電感三點(diǎn)式LC振蕩電路。電感線圈L1和L2是一個(gè)線圈，2點(diǎn)是中間抽頭。如果設(shè)某個(gè)瞬間集電極電流減小，線圈上的瞬時(shí)極性如圖所示。反饋到發(fā)射極的極性對(duì)地為正，圖中三極管是共基極接法，所以使發(fā)射結(jié)的凈輸入減小，集電極電流減小，符合正反饋的相位條件。圖9.1.8(b)為另一種電感三點(diǎn)式LC振蕩電路。

圖9.1.8(a)電感三點(diǎn)式LC振蕩器（CB）圖9.1.8(b)電感三點(diǎn)式LC振蕩器（CE）200404018JG0102018三、電感三點(diǎn)式LC振蕩器圖9.1.8

分析三點(diǎn)式LC振蕩電路常用如下方法，將諧振回路的阻抗折算到三極管的各個(gè)電極之間，有Zbe、Zce、Zcb,如圖9.1.8(c)所示。對(duì)于圖9.1.8(d)Zbe是L2、Zce是L1、Zcb是C?？梢宰C明若滿足相位平衡條件，Zbe和Zce必須同性質(zhì)，即同為電容或同為電感，且與Zcb性質(zhì)相反。

圖9.1.8(c)三點(diǎn)式振蕩器

圖9.1.8(d)三點(diǎn)式振蕩器200404018JG0102018分析三點(diǎn)式LC振蕩電路常用如下方法，將諧振回路的阻抗四、電容三點(diǎn)式LC振蕩電路

與電感三點(diǎn)式LC振蕩電路類似的有電容三點(diǎn)式LC振蕩電路，見圖9.1.9。（a）CB組態(tài)（b）CE組態(tài)圖9.1.9電容三點(diǎn)式LC振蕩電路200404018JG0102018四、電容三點(diǎn)式LC振蕩電路與電感三點(diǎn)式LC振例9.1：例圖9.1為一個(gè)三點(diǎn)式振蕩電路,試判斷是否滿足相位平衡條件。(a)(b)例圖9.1200404018JG0102018例9.1：例圖9.1為一個(gè)三點(diǎn)式振蕩電路,試判斷是否滿足相位五、石英晶體振蕩電路

利用石英晶體的高品質(zhì)因數(shù)的特點(diǎn)，構(gòu)成LC振蕩電路，如圖9.1.10所示。

(a)串聯(lián)型f0=fs

（b）并聯(lián)型fs<f0<fp

圖9.1.10石英晶體振蕩電路200404018JG0102018五、石英晶體振蕩電路利用石英晶體的高品質(zhì)因數(shù)的圖9.1.10c石英晶體的電抗曲線

對(duì)于圖9.3.12(b)的電路與電感三點(diǎn)式振蕩電路相似。要使反饋信號(hào)能傳遞到發(fā)射極，為此石英晶體應(yīng)處于串聯(lián)諧振點(diǎn)，此時(shí)晶體的阻抗接近為零。

對(duì)于圖9.1.10(b)的電路，滿足正反饋的條件，為此，石英晶體必須呈電感性才能形成LC并聯(lián)諧振回路，產(chǎn)生振蕩。由于石英晶體的Q值很高，可達(dá)到幾千以上，所示電路可以獲得很高的振蕩頻率穩(wěn)定性。石英晶體的阻抗頻率特性曲線見圖9.3.12c,200404018JG0102018圖9.1.10c石英晶體的電抗曲線對(duì)于圖9.3.19.2非正弦波發(fā)生電路一、固定幅度比較器二、滯回比較器三、窗口比較器四、比較器的應(yīng)用

比較器是將一個(gè)模擬電壓信號(hào)與一個(gè)基準(zhǔn)電壓相比較的電路。常用的幅度比較電路有電壓幅度比較器、窗口比較器和具有滯回特性的比較器。這些比較器的閾值是固定的，有的只有一個(gè)閾值，有的具有兩個(gè)閾值。9.2.1比較器200404018JG01020189.2非正弦波發(fā)生電路一、固定幅度比較器一、固定幅度比較器

(1)過零比較器和電壓幅度比較器

過零電壓比較器是典型的幅度比較電路，它的電路圖和傳輸特性曲線如圖9.2.1所示。(a)(b)

圖9.2.1過零電壓比較器(a)電路圖(b)傳輸特性曲線200404018JG0102018一、固定幅度比較器(1)過零比較器和電壓幅度比較器

將過零電壓比較器的一個(gè)輸入端從接地改接到一個(gè)電壓值VREF上,就得到電壓幅度比較器，它的電路圖和傳輸特性曲線如圖9.2.2所示。

圖9.2.2固定電壓比較器(a)電路圖(b)傳輸特性曲線200404018JG0102018將過零電壓比較器的一個(gè)輸入端從接地改接到(2)比較器的基本特點(diǎn)工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)。開關(guān)特性，因開環(huán)增益很大，比較器的輸出只有高電平和低電平兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。非線性，因大幅度工作，輸出和輸入不成線性關(guān)系。200404018JG0102018(2)比較器的基本特點(diǎn)工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)。2004040二、滯回比較器

從輸出引一個(gè)電阻分壓支路到同相輸入端，電路如圖9.2.3(a)所示。當(dāng)輸入電壓vI從零逐漸增大，且時(shí)，，稱為上限閾值(觸發(fā))電平。當(dāng)輸入電壓時(shí)，，此時(shí)觸發(fā)電平變?yōu)椋Q為下限閾值(觸發(fā))電平。圖9.2.3(a)滯回比較器電路圖200404018JG0102018二、滯回比較器從輸出引一個(gè)電阻分壓支路到同

當(dāng)逐漸減小，且以前，始終等于，因此出現(xiàn)如圖9.2.3(b)所示的滯回特性曲線?；夭铍妷?/p>

：圖9.2.3(b)滯回比較電路的傳輸特性200404018JG0102018當(dāng)逐漸減小，且三、窗口比較器

窗口比較器的電路如圖9.2.4所示。電路由兩個(gè)幅度比較器和一些二極管與電阻構(gòu)成。設(shè)R1=R2，則有：

圖9.2.4窗口比較器

窗口比較器的電壓傳輸特性如下頁圖9.2.5所示。200404018JG0102018三、窗口比較器窗口比較器的電路如圖9.2.4所

當(dāng)vI＞VH時(shí)，vo1為高電平，D3導(dǎo)通；vo2為低電平,D4截止，vo=vo1。

當(dāng)vI＜VL時(shí)，vo2為高電平，D4導(dǎo)通；vo1為低電平，D3截止，vo=vo2。

當(dāng)VH

＞vI＞VL時(shí)，vo1為低電平，vo2為低電平，D3、D4截止，vo為低電平。

圖9.2.5窗口比較器的傳輸特性信號(hào)的電位水平高于某規(guī)定值VH的情況，相當(dāng)比較電路正飽和輸出。

信號(hào)的電位水平低于某規(guī)定值VL的情況，相當(dāng)比較電路負(fù)飽和輸出。該比較器有兩個(gè)閾值，傳輸特性曲線呈窗口狀，故稱為窗口比較器。200404018JG0102018當(dāng)vI＞VH時(shí)，vo1為高電平，D3導(dǎo)通；vo2四、比較器的應(yīng)用

比較器主要用來對(duì)輸入波形進(jìn)行整形，可以將不規(guī)則的輸入波形整形為方波輸出,其原理圖如圖9.2.6所示。(a)正弦波變換為矩形波(b)有干擾正弦波變換為方波圖9.2.6用比較器實(shí)現(xiàn)波形變換200404018JG0102018四、比較器的應(yīng)用比較器主要用來對(duì)輸入波形進(jìn)行整9.2.2非正弦波發(fā)生電路一、方波發(fā)生電路二、三角波發(fā)生電路三、鋸齒波發(fā)生電路200404018JG01020189.2.2非正弦波發(fā)生電路一、方波發(fā)生電路2004040一、方波發(fā)生電路

方波發(fā)生電路是由滯回比較電路和RC定時(shí)電路構(gòu)成的，電路如圖9.2.7所示。(1)工作原理電源剛接通時(shí),設(shè)

電容C充電，升高。參閱圖9.2.8。圖9.2.7方波發(fā)生器200404018JG0102018一、方波發(fā)生電路方波發(fā)生電路是由滯回比較電路和R

當(dāng)時(shí)，，所以電容C放電，下降。

當(dāng)，時(shí)，返回初態(tài)。

方波周期Ｔ用過渡過程公式可以方便地求出

圖9.2.8方波發(fā)生器波形圖200404018JG0102018當(dāng)(2)占空比可調(diào)的矩形波電路

顯然為了改變輸出方波的占空比，應(yīng)改變電容器C的充電和放電時(shí)間常數(shù)。占空比可調(diào)的矩形波電路見圖9.2.9。

C充電時(shí)，充電電流經(jīng)電位器的上半部、二極管D1、Rf；

C放電時(shí)，放電電流經(jīng)Rf、二極管D2、電位器的下半部。

圖9.2.9占空比可調(diào)方波發(fā)生電路

200404018JG0102018(2)占空比可調(diào)的矩形波電路顯然為了改變輸出方占空比為：