波形產(chǎn)生電路與變換電路課件

第六章波形產(chǎn)生電路與變換電路6.1非正弦波產(chǎn)生電路6.2正弦波產(chǎn)生電路第六章波形產(chǎn)生電路與變換電路6.1非正弦波產(chǎn)生16.1非正弦波產(chǎn)生電路圖6–1利用電容充放電產(chǎn)生脈沖波形原理圖6.1非正弦波產(chǎn)生電路圖6–1利用電容充放電2由圖6-1得其三要素為其充放電的波形如圖6-2所示,改變充放電時間常數(shù),可得到不同波形。由圖6-1得其三要素為其充放電的波形如圖6-23圖6–2電容充放電的波形圖6–2電容充放電的波形46.1.1矩形波產(chǎn)生電路圖6–3矩形波產(chǎn)生電路

6.1.1矩形波產(chǎn)生電路圖6–3矩形波產(chǎn)生電51.工作原理在圖6-3所示電路中,通過Ro和穩(wěn)壓管VDz1、VDz2對輸出限幅,如果它們的穩(wěn)壓值相等,即Uz1=Uz2=Uz,那么電路輸出電壓正、負幅度對稱：UOH=+Uz,UOL=-Uz,同相端電位由uo通過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。1.工作原理在圖6-3所示電路中,6當電路接通電源時,與必存在差別?；蚴请S機的。盡管這種差別極其微小,但一旦出現(xiàn),uo=UOH=+Uz。反之,當出現(xiàn)時,uo=UOL=-Uz。因此,uo不可能居于其它中間值。設t=0(電源接通時刻)，電容兩端電壓uC=0,滯回比較器的輸出電壓uo=+Uz,則集成運放同相輸入端的電位為當電路接通電源時,與必存在差別7此時,輸出電壓uo=+Uz對電容充電,使由零逐漸上升。在等于以前,uo=+Uz不變。當時輸出電壓uo從高電平+Uz跳變?yōu)榈碗娖?Uz。當uo=-Uz時,集成運放同相輸入端的電位也隨之發(fā)生跳變,其值為同時電容器經(jīng)R放電,使逐漸下降。在等于以前,不變,當時,uo從-Uz跳變?yōu)?Uz,也隨之而跳變?yōu)?電容器C再次充電。如此周而復始,產(chǎn)生振蕩,從uo輸出矩形波，其波形如圖6-4所示。此時,輸出電壓uo=+Uz對電容充電,使8圖6–4矩形波產(chǎn)生電路波形圖圖6–4矩形波產(chǎn)生電路波形圖92.振蕩周期計算其中（6-4）2.振蕩周期計算其中（6-4）10代入式(6-4)得同理求得代入式(6-4)得同理求得11如果UOH≠|(zhì)UOL|,則上述,T1≠T2,輸出為矩形波。如果|UOH|=|UOL|,但τ充≠τ放,T1≠T2,那么輸出也為矩形波。通常定義矩形波為高電平的時間T2與周期T之比為占空比D,即如果UOH≠|(zhì)UOL|,則上述12圖6–5占空比可調(diào)電路圖6–5占空比可調(diào)電路136.1.2三角波產(chǎn)生電路圖6–6三角波產(chǎn)生電路6.1.2三角波產(chǎn)生電路圖6–6三角波產(chǎn)生電141.工作原理圖6–7雙運放非正弦波產(chǎn)生電路的波形1.工作原理圖6–7雙運放非正弦波產(chǎn)生電路的波152.計算(1)uo幅值計算。當時,對應的uo值為輸出三角波的幅值Uom,即2.計算當16當uo1=+Uz時當uo1=-Uz時（6-11）當uo1=+Uz時當uo1=-Uz時（6-11）17(2)振蕩周期的計算。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所需時間為T/2,所以得將式(6-11)代入,可得(2)振蕩周期的計算。由A2的積分電路可求出186.1.3鋸齒波產(chǎn)生電路圖6–8鋸齒波產(chǎn)生電路6.1.3鋸齒波產(chǎn)生電路圖6–8鋸齒波產(chǎn)生電19圖6–9鋸齒波產(chǎn)生電路波形圖6–9鋸齒波產(chǎn)生電路波形20鋸齒波的幅度和振蕩周期與三角波相似。當時,對應的uo值為當uo1=+Uz時當uo1=-Uz時鋸齒波的幅度和振蕩周期與三角波相似。當21振蕩周期為T=T1+T2,電容充電時間T1為則電容放電時間T2為振蕩周期為T=T1+T2,電容充電時間T1為則電容放電22則故振蕩周期為式中rd1、rd2為二極管VD1、VD2導通時的電阻。則故振蕩周期為式中rd1、rd2為二極管VD1、VD2導通時236.1.4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,以適應各種不同的需要。6.1.4波形變換電路波形變換電路的功246.2正弦波產(chǎn)生電路6.2.1產(chǎn)生正弦波振蕩的條件圖6–15正弦波產(chǎn)生電路的基本結構6.2正弦波產(chǎn)生電路6.2.1產(chǎn)生正弦波振蕩的條件25正弦波發(fā)生電路的基本結構是引入正反饋的反饋網(wǎng)絡和放大電路,如圖6-15所示。接成正反饋是產(chǎn)生振蕩的首要條件,又稱為相位條件。為了使電路在沒有外加信號時,就產(chǎn)生振蕩,所以還要求電路在開環(huán)時滿足即正弦波發(fā)生電路的基本結構是引入正反饋的反饋網(wǎng)絡26正弦波產(chǎn)生電路一般應包括以下幾個基本組成部分:(1)放大電路。(2)反饋網(wǎng)絡。(3)選頻網(wǎng)絡。(4)穩(wěn)幅電路。判斷一個電路是否為正弦波振蕩器,就看其組成是否含有上述四個部分。正弦波產(chǎn)生電路一般應包括以下幾個基本組成部分:27

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)放大電路的結構是否合理,有無放大能力,靜態(tài)工作點是否合適。(3)分析是否滿足幅度條件,檢驗,若①,則不可能振蕩。②,能振蕩,但輸出波形明顯失真。③,產(chǎn)生振蕩。振蕩穩(wěn)定后。再加上穩(wěn)幅措施,振蕩穩(wěn)定,而且輸出波形失真小。判斷振蕩的一般方法是:286.2.2正弦波振蕩電路1.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特性圖6–16RC串并聯(lián)網(wǎng)絡及其高低頻等效電路6.2.2正弦波振蕩電路1.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特29當信號頻率足夠低時, ,可得到近似的低頻等效電路,如圖6-16(b)所示。它是一個超前網(wǎng)絡。輸出電壓相位超前輸入電壓。當信號頻率足夠高時,,其近似的高頻等效電路如圖6-16(c)所示。它是一個滯后網(wǎng)絡。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頻率fo,其相位關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)絡的選頻特性。當信號頻率足夠低時, 30整理后得由圖6-16(a)可得整理后得由圖6-16(a)可得31通常取R1=R2=R,C1=C2=C,則其中,即(6-23)式(6-23)所代表的幅頻特性為通常取R1=R2=R,C1=C2=C,則其中32相頻特性為圖6–17RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的頻率特性可見,當ω=ωo=1/RC時,達到最大值,且等于1/3,而相移φ=0。相頻特性為圖6–17RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的頻率特性332.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡正弦波振蕩電路圖6–18RC串并聯(lián)網(wǎng)絡正弦波振蕩電路2.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡正弦波振蕩電路圖6–1834由RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特性得知,在ω=ωo=1/RC時,其相移φF=0,為了使振蕩電路滿足相位條件要求放大器的相移φA也為0°(或360°)。所以,放大電路可選用同相輸入方式的集成運算放大器或兩級共射分立元件放大電路等。由于它是RC串并聯(lián)網(wǎng)絡選頻特性,所以使信號通過閉合環(huán)路后,僅有ω=ωo的信號才滿足相位條件,因此,該電路振蕩頻率為ωo,從而保證了電路輸出為單一頻率的正弦波。由RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特性得知,在ω=ωo=1/35為了使電路能振蕩,還應滿足起振條件,即要求而圖6-18所示的反饋系數(shù)就是RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的傳輸系數(shù),如式(6-23)所示,即放大器的放大倍數(shù)(6-27)為了使電路能振蕩,還應滿足起振條件,即要求36當ω=ωo時,,因而按起振條件式(6-27),要求即例如,若Rf=20kΩ,則取R1=10kΩ,用8.2kΩ的電阻和4.7kΩ的電位器串聯(lián)作為R1,這樣便于調(diào)整,使之滿足式(6-29)而起振。該電路的振蕩頻率為當ω=ωo時,,因而按起37圖6–19二極管穩(wěn)幅電路的RC串并聯(lián)網(wǎng)絡振蕩電路圖6–19二極管穩(wěn)幅電路的RC串并聯(lián)網(wǎng)絡振蕩電路386.2.3LC正弦波振蕩電路1.LC并聯(lián)回路的選頻特性圖6–20LC并聯(lián)電路6.2.3LC正弦波振蕩電路1.LC并聯(lián)回路的選頻特39對于某個特定頻率ωo,滿足,即或?qū)τ谀硞€特定頻率ωo,滿足40此時電路產(chǎn)生并聯(lián)諧振,所以fo叫作諧振頻率。諧振時,回路的等效阻抗呈現(xiàn)純電阻性質(zhì),且達到最大值,稱為諧振阻抗Zo,這時其中LC并聯(lián)回路諧振時的輸入電流為此時電路產(chǎn)生并聯(lián)諧振,所以fo叫作諧振頻率41而流過電感的電流為所以通常Q>>1,所以,即諧振時,LC并聯(lián)電路的回路電流比輸入電流大得多,此時諧振回路外界的影響可忽略。諧振時式(6-31)虛部為零,所以相移也為零。而流過電感的電流為所以通常Q>>1,所以42圖6–21LC并聯(lián)回路的頻率特性圖6–21LC并聯(lián)回路的頻率特性432.變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路圖6–22變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路2.變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路圖6–2244振蕩的起振幅值條件為,只要變壓器的匝數(shù)比設計恰當,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、減變壓器次級繞組的匝數(shù),使之振蕩。當Q值較高時,振蕩頻率fo就等于LC并聯(lián)回路的諧振頻率,即振蕩的起振幅值條件為453.三點式LC正弦波振蕩電路圖6–23三點式振蕩電路3.三點式LC正弦波振蕩電路圖6–23三點式46電感三點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,即對圖6-23(c)、(d)電感三點式正弦波振蕩電路的振蕩頻率基本上等于L47圖6–24電容三點式改進型正弦波振蕩電路圖6–24電容三點式改進型正弦波振蕩電路48在選取電容參數(shù)時,可使C1>>C,C2>>C,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系很小,因此振蕩頻率的穩(wěn)定度較高,其頻率穩(wěn)定度Δf/fo的值可小于0.01%。在選取電容參數(shù)時,可使C1>>C,C2>>C,所494.石英晶體正弦波振蕩電路1)石英晶體的基本知識圖6–25石英晶體諧振器4.石英晶體正弦波振蕩電路圖6–25石英晶體諧50從石英晶體諧振器的等效電路可知,它有兩個諧振頻率,即當L、C、R支路發(fā)生諧振時,它的等效阻抗最小(等于R)。串聯(lián)諧振頻率為當頻率高于fs時,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C<<Co,因此fs和fp非常接近。從石英晶體諧振器的等效電路可知,它有兩個諧振頻512)石英晶體振蕩器圖6-26并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路式中,由于,所以fo≈fs,此時石英晶體的阻抗呈感性。2)石英晶體振蕩器圖6-26并聯(lián)型石英晶體正弦波52圖6-27串聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路圖6-27串聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路53第六章波形產(chǎn)生電路與變換電路6.1非正弦波產(chǎn)生電路6.2正弦波產(chǎn)生電路第六章波形產(chǎn)生電路與變換電路6.1非正弦波產(chǎn)生546.1非正弦波產(chǎn)生電路圖6–1利用電容充放電產(chǎn)生脈沖波形原理圖6.1非正弦波產(chǎn)生電路圖6–1利用電容充放電55由圖6-1得其三要素為其充放電的波形如圖6-2所示,改變充放電時間常數(shù),可得到不同波形。由圖6-1得其三要素為其充放電的波形如圖6-256圖6–2電容充放電的波形圖6–2電容充放電的波形576.1.1矩形波產(chǎn)生電路圖6–3矩形波產(chǎn)生電路

6.1.1矩形波產(chǎn)生電路圖6–3矩形波產(chǎn)生電581.工作原理在圖6-3所示電路中,通過Ro和穩(wěn)壓管VDz1、VDz2對輸出限幅,如果它們的穩(wěn)壓值相等,即Uz1=Uz2=Uz,那么電路輸出電壓正、負幅度對稱：UOH=+Uz,UOL=-Uz,同相端電位由uo通過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。1.工作原理在圖6-3所示電路中,59當電路接通電源時,與必存在差別?；蚴请S機的。盡管這種差別極其微小,但一旦出現(xiàn),uo=UOH=+Uz。反之,當出現(xiàn)時,uo=UOL=-Uz。因此,uo不可能居于其它中間值。設t=0(電源接通時刻)，電容兩端電壓uC=0,滯回比較器的輸出電壓uo=+Uz,則集成運放同相輸入端的電位為當電路接通電源時,與必存在差別60此時,輸出電壓uo=+Uz對電容充電,使由零逐漸上升。在等于以前,uo=+Uz不變。當時輸出電壓uo從高電平+Uz跳變?yōu)榈碗娖?Uz。當uo=-Uz時,集成運放同相輸入端的電位也隨之發(fā)生跳變,其值為同時電容器經(jīng)R放電,使逐漸下降。在等于以前,不變,當時,uo從-Uz跳變?yōu)?Uz,也隨之而跳變?yōu)?電容器C再次充電。如此周而復始,產(chǎn)生振蕩,從uo輸出矩形波，其波形如圖6-4所示。此時,輸出電壓uo=+Uz對電容充電,使61圖6–4矩形波產(chǎn)生電路波形圖圖6–4矩形波產(chǎn)生電路波形圖622.振蕩周期計算其中（6-4）2.振蕩周期計算其中（6-4）63代入式(6-4)得同理求得代入式(6-4)得同理求得64如果UOH≠|(zhì)UOL|,則上述,T1≠T2,輸出為矩形波。如果|UOH|=|UOL|,但τ充≠τ放,T1≠T2,那么輸出也為矩形波。通常定義矩形波為高電平的時間T2與周期T之比為占空比D,即如果UOH≠|(zhì)UOL|,則上述65圖6–5占空比可調(diào)電路圖6–5占空比可調(diào)電路666.1.2三角波產(chǎn)生電路圖6–6三角波產(chǎn)生電路6.1.2三角波產(chǎn)生電路圖6–6三角波產(chǎn)生電671.工作原理圖6–7雙運放非正弦波產(chǎn)生電路的波形1.工作原理圖6–7雙運放非正弦波產(chǎn)生電路的波682.計算(1)uo幅值計算。當時,對應的uo值為輸出三角波的幅值Uom,即2.計算當69當uo1=+Uz時當uo1=-Uz時（6-11）當uo1=+Uz時當uo1=-Uz時（6-11）70(2)振蕩周期的計算。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所需時間為T/2,所以得將式(6-11)代入,可得(2)振蕩周期的計算。由A2的積分電路可求出716.1.3鋸齒波產(chǎn)生電路圖6–8鋸齒波產(chǎn)生電路6.1.3鋸齒波產(chǎn)生電路圖6–8鋸齒波產(chǎn)生電72圖6–9鋸齒波產(chǎn)生電路波形圖6–9鋸齒波產(chǎn)生電路波形73鋸齒波的幅度和振蕩周期與三角波相似。當時,對應的uo值為當uo1=+Uz時當uo1=-Uz時鋸齒波的幅度和振蕩周期與三角波相似。當74振蕩周期為T=T1+T2,電容充電時間T1為則電容放電時間T2為振蕩周期為T=T1+T2,電容充電時間T1為則電容放電75則故振蕩周期為式中rd1、rd2為二極管VD1、VD2導通時的電阻。則故振蕩周期為式中rd1、rd2為二極管VD1、VD2導通時766.1.4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,以適應各種不同的需要。6.1.4波形變換電路波形變換電路的功776.2正弦波產(chǎn)生電路6.2.1產(chǎn)生正弦波振蕩的條件圖6–15正弦波產(chǎn)生電路的基本結構6.2正弦波產(chǎn)生電路6.2.1產(chǎn)生正弦波振蕩的條件78正弦波發(fā)生電路的基本結構是引入正反饋的反饋網(wǎng)絡和放大電路,如圖6-15所示。接成正反饋是產(chǎn)生振蕩的首要條件,又稱為相位條件。為了使電路在沒有外加信號時,就產(chǎn)生振蕩,所以還要求電路在開環(huán)時滿足即正弦波發(fā)生電路的基本結構是引入正反饋的反饋網(wǎng)絡79正弦波產(chǎn)生電路一般應包括以下幾個基本組成部分:(1)放大電路。(2)反饋網(wǎng)絡。(3)選頻網(wǎng)絡。(4)穩(wěn)幅電路。判斷一個電路是否為正弦波振蕩器,就看其組成是否含有上述四個部分。正弦波產(chǎn)生電路一般應包括以下幾個基本組成部分:80

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)放大電路的結構是否合理,有無放大能力,靜態(tài)工作點是否合適。(3)分析是否滿足幅度條件,檢驗,若①,則不可能振蕩。②,能振蕩,但輸出波形明顯失真。③,產(chǎn)生振蕩。振蕩穩(wěn)定后。再加上穩(wěn)幅措施,振蕩穩(wěn)定,而且輸出波形失真小。判斷振蕩的一般方法是:816.2.2正弦波振蕩電路1.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特性圖6–16RC串并聯(lián)網(wǎng)絡及其高低頻等效電路6.2.2正弦波振蕩電路1.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特82當信號頻率足夠低時, ,可得到近似的低頻等效電路,如圖6-16(b)所示。它是一個超前網(wǎng)絡。輸出電壓相位超前輸入電壓。當信號頻率足夠高時,,其近似的高頻等效電路如圖6-16(c)所示。它是一個滯后網(wǎng)絡。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頻率fo,其相位關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)絡的選頻特性。當信號頻率足夠低時, 83整理后得由圖6-16(a)可得整理后得由圖6-16(a)可得84通常取R1=R2=R,C1=C2=C,則其中,即(6-23)式(6-23)所代表的幅頻特性為通常取R1=R2=R,C1=C2=C,則其中85相頻特性為圖6–17RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的頻率特性可見,當ω=ωo=1/RC時,達到最大值,且等于1/3,而相移φ=0。相頻特性為圖6–17RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的頻率特性862.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡正弦波振蕩電路圖6–18RC串并聯(lián)網(wǎng)絡正弦波振蕩電路2.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡正弦波振蕩電路圖6–1887由RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特性得知,在ω=ωo=1/RC時,其相移φF=0,為了使振蕩電路滿足相位條件要求放大器的相移φA也為0°(或360°)。所以,放大電路可選用同相輸入方式的集成運算放大器或兩級共射分立元件放大電路等。由于它是RC串并聯(lián)網(wǎng)絡選頻特性,所以使信號通過閉合環(huán)路后,僅有ω=ωo的信號才滿足相位條件,因此,該電路振蕩頻率為ωo,從而保證了電路輸出為單一頻率的正弦波。由RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特性得知,在ω=ωo=1/88為了使電路能振蕩,還應滿足起振條件,即要求而圖6-18所示的反饋系數(shù)就是RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的傳輸系數(shù),如式(6-23)所示,即放大器的放大倍數(shù)(6-27)為了使電路能振蕩,還應滿足起振條件,即要求89當ω=ωo時,,因而按起振條件式(6-27),要求即例如,若Rf=20kΩ,則取R1=10kΩ,用8.2kΩ的電阻和4.7kΩ的電位器串聯(lián)作為R1,這樣便于調(diào)整,使之滿足式(6-29)而起振。該電路的振蕩頻率為當ω=ωo時,,因而按起90圖6–19二極管穩(wěn)幅電路的RC串并聯(lián)網(wǎng)絡振蕩電路圖6–19二極管穩(wěn)幅電路的RC串并聯(lián)網(wǎng)絡振蕩電路916.2.3LC正弦波振蕩電路1.LC并聯(lián)回路的選頻特性圖6–20LC并聯(lián)電路6.2.3LC正弦波振蕩電路1.LC并聯(lián)回路的選頻特92對于某個特定頻率ωo,滿足,即或?qū)τ谀硞€特定頻率ωo,滿足93此時電路產(chǎn)生并聯(lián)諧振,所以fo叫作諧振頻率。諧振時,回路的等效阻抗呈現(xiàn)純電阻性質(zhì),且達到最大值,稱為諧振阻抗Zo,這時其中LC并聯(lián)回路諧振時的輸入電流為此時電路產(chǎn)生并聯(lián)諧振,所以fo叫作諧振頻率94而流過電感的電流為所以通常Q>>1,所以,即諧振時,LC并聯(lián)電路的回路電流比輸入電流大得多,此時諧振回路外界的