第9章(14)波形的發(fā)生與變換電路

第9章波形的發(fā)生和變換電路9.1正弦波振蕩電路9.1.1概述

放大電路在無輸入信號的情況下，就能輸出一定頻率和幅值的交流信號（又稱振蕩器）。

信號發(fā)生器從波形上分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器（方波、鋸齒波、三角波等）。信號發(fā)生器：振蕩波形：

應(yīng)用：無線電通訊、廣播電視，工業(yè)上的高頻感應(yīng)爐、超聲波發(fā)生器、正弦波信號發(fā)生器、半導(dǎo)體接近開關(guān)等。輸出的交流電能是從電源的直流電能轉(zhuǎn)換而來的。AF=a+f=2n振蕩條件幅度平衡條件

仍有穩(wěn)定的輸出。反饋信號代替了放大電路的輸入信號。1、產(chǎn)生正弦波振蕩的條件相位平衡條件n=0,1,2．．．

2）

幅度條件表明反饋放大器要產(chǎn)生自激振蕩，必須有足夠的反饋量(可以通過調(diào)整放大倍數(shù)A或反饋系數(shù)F達(dá)到)。3）起振及穩(wěn)幅振蕩的過程●起振過程中:

要求|AF|>1

，●穩(wěn)定振蕩時:

要求

|AF|=1

，

從AF

>

1到AF

=

1，就是自激振蕩建立的過程。可使輸出電壓的幅度不斷增大。使輸出電壓的幅度得以穩(wěn)定?！衿鹗夹盘柕漠a(chǎn)生：電源接通時，在電路中激起一個微小的擾動信號，它是個非正弦信號，含有一系列頻率不同的正弦分量。討論：1）相位條件意味著振蕩電路在頻率f0下必須是正反饋；正弦波振蕩電路只在一個頻率(f0)下滿足相位平衡條件。所以正弦波振蕩電路必須有一個選頻網(wǎng)絡(luò)。選頻網(wǎng)絡(luò)可設(shè)在中或中。選頻網(wǎng)絡(luò)由RC元件或LC元件組成。2、正弦波振蕩電路的組成及各部分的作用（1）放大電路——電路具有放大功能,保證幅值條件（2）反饋網(wǎng)絡(luò)——形成正反饋，以滿足相位平衡條件（3）選頻網(wǎng)絡(luò)——以產(chǎn)生單一頻率的正弦波(RC、LC)（4）穩(wěn)幅電路——以保證輸出端得到不失真的正弦波，使振蕩穩(wěn)定3、正弦波振蕩電路的分類LC正弦波振蕩電路:輸出功率大、頻率高。RC正弦波振蕩電路:輸出功率小、頻率低。石英晶體正弦波振蕩電路：頻率穩(wěn)定度高。根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件來命名4、判斷電路是否為正弦波振蕩電路的方法和步驟a.檢查電路的組成部分c.將電路在放大器反饋端斷開，利用瞬時極性法判斷電路是否滿足相位平衡條件b.檢查放大電路是否正常工作d.分析是否滿足振蕩產(chǎn)生的幅度條件。一般︱AF︱應(yīng)略大于19.1.2RC正弦波振蕩電路電路的構(gòu)成

RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是正反饋網(wǎng)絡(luò)，Rf和R1為負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。

RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與Rf、R1負(fù)反饋支路正好構(gòu)成一個橋路，稱為橋式。令ω0=1/RC1、RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性反饋系數(shù)RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線當(dāng)f=f0

時相角f=0。反饋系數(shù)FVmax=1/3。改變RC可調(diào)節(jié)諧振頻率穩(wěn)定振蕩條件AuF

=1，|F|=1/3，則起振條件AuF

>1，因?yàn)閨F|=1/3，則考慮到起振條件AuF

>1,一般應(yīng)選取RF

略大于2R1。如果這個比值取得過大，會引起振蕩波形嚴(yán)重非線性失真。2.振蕩的建立與穩(wěn)定3.振蕩頻率與振蕩波形因?yàn)锳

=

0，而僅在f

0處F=

0，滿足相位平衡條件改變R、C可改變振蕩頻率RC振蕩電路的振蕩頻率一般在200KHz以下。振蕩頻率由相位平衡條件決定。振蕩頻率為單一頻率f

0，故振蕩波形是正弦波所以振蕩頻率4.

穩(wěn)幅措施降低放大器放大倍數(shù)A起振時穩(wěn)幅可把R1用熱敏電阻來實(shí)現(xiàn)，R1是正溫度系數(shù)熱敏電阻，當(dāng)輸出電壓升高，R1上所加的電壓升高，即溫度升高，R1的阻值增加，Au下降。也可把Rf用熱敏電阻來實(shí)現(xiàn)，Rf是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，當(dāng)輸出電壓升高，Rf上所加的電壓升高，即溫度升高，Rf的阻值減小，Au下降。改變開關(guān)K的位置可改變選頻網(wǎng)絡(luò)的電阻，實(shí)現(xiàn)頻率粗調(diào)；改變電容C的大小可實(shí)現(xiàn)頻率的細(xì)調(diào)。振蕩頻率5.振蕩頻率的調(diào)整+RFRCC–uO–+SSR1R2R3R3R2R19.1.3LC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。1.LC并聯(lián)諧振電路通常R<<ωL諧振時：諧振頻率：品質(zhì)因數(shù)Q值越大，曲線較陡較窄。并聯(lián)諧振時總電流與電感支路電流或電容支路電流之比。

諧振曲線0Z

Q大Q小幅頻特性0f90o-90oQ減小相頻特性并聯(lián)諧振電路的諧振阻抗輸入電流IS和IL或IC的關(guān)系諧振時LC并聯(lián)諧振電路相當(dāng)一個電阻。通常Q>>1，所以IC≈IL>>IS2.選頻放大電路：對于頻率為諧振頻率的信號，Z最大，所以放大倍數(shù)最大所以具有選頻放大的功能3、變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路雖然波形出現(xiàn)了失真，但由于LC諧振電路的Q值很高，選頻特性好，所以仍能選出0的正弦波信號。(1)相位平衡條件的滿足(2)幅值平衡條件的滿足(3)穩(wěn)幅(4)選頻通過選擇高值的BJT和調(diào)整變壓器的匝數(shù)比，可以滿足，電路可以起振。BJT進(jìn)入非線性區(qū)，波形出現(xiàn)失真，從而幅值不再增加，達(dá)到穩(wěn)幅目的。

優(yōu)點(diǎn)：易于產(chǎn)生振蕩，輸出波形失真不大。缺點(diǎn)：耦合不緊密，損耗較大，振蕩頻率的穩(wěn)定性不高。+_+(5)振蕩頻率靠同名端實(shí)現(xiàn)正反饋+-+-放大電路選頻電路反饋網(wǎng)絡(luò)+UCCC1RB1RB2RECEL1CL2RC反饋電壓取自L2電路構(gòu)成：UoUf選頻電路：L1、L2、C產(chǎn)生諧振4.電感三點(diǎn)式振蕩電路電感三點(diǎn)式振蕩電路分析正反饋+UCCC1RB1RB2RECEL1CL2RC－振蕩頻率：

通常改變電容C來調(diào)節(jié)振蕩頻率。振蕩頻率一般在幾十MHz以下。相位條件的滿足：幅值條件的滿足：因AV較大，適當(dāng)選擇L1和L2即可反相－－反饋網(wǎng)絡(luò)分析：IB很小，并呈容性設(shè)輸入加入5.電容三點(diǎn)式振蕩電路正反饋放大電路反饋網(wǎng)絡(luò)－－振蕩頻率

通常再與線圈串聯(lián)一個較小的可變電容來調(diào)節(jié)振蕩頻率。反饋電壓取自C2+UCCC1RB1RB2RECEC1LC2RC反相振蕩頻率可達(dá)100MHz以上。選頻電路與前面分析相同，C1和C2的電壓反相－－判斷圖示各電路是否可能產(chǎn)生正弦波振蕩，簡述理由。（9.4題）相位條件判別舉例：共射放大器：三級移相電路：共基放大器：當(dāng)f從0→∞時：可滿足相位條件不滿足相位條件9.7題共基放大器：uf電感三點(diǎn)式電容三點(diǎn)式9.8題uf共基放大器：--隔直隔直ufuf--反饋被短路ufuf--9.1.4石英晶體正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路振蕩頻率的穩(wěn)定LC振蕩器的振蕩頻率的穩(wěn)定與L、C、R參數(shù)有關(guān),也與品質(zhì)因數(shù)Q有關(guān)，Q越大振蕩頻率越穩(wěn)定。1、石英晶體①特性：

當(dāng)電壓變化頻率等于晶體的固有頻率時，產(chǎn)生壓電諧振。極板間加電場極板間加機(jī)械力晶體機(jī)械變形晶體產(chǎn)生電場交變電壓機(jī)械振動交變電場②符號及等效電路等效電路符號石英晶體的品質(zhì)因數(shù)很高機(jī)械振蕩慣性：L晶片彈性：C品質(zhì)因數(shù)損耗：R數(shù)百歐小靜態(tài)電容:C0③石英晶體諧振頻率（固有頻率）

電抗-頻率響應(yīng)特性等效電路1.當(dāng)R、L、C支路發(fā)生串聯(lián)諧振時，串聯(lián)諧振頻率為：2.當(dāng)R、L、C支路與C0發(fā)生并聯(lián)諧振時，并聯(lián)諧振頻率為：2.石英晶體振蕩電路并聯(lián)型石英晶體振蕩電路對于f=fp，晶體相當(dāng)于電感相當(dāng)于電容三點(diǎn)式振蕩電路振蕩頻率f0串聯(lián)型石英晶體振蕩電路對于f=fs，晶體相當(dāng)于電阻對于f=fs的信號正反饋?zhàn)饔米顝?qiáng)＋共基極放大電路＋＋＋串聯(lián)型石英晶體振蕩電路

石英晶體工作在fs處，呈電阻性，且阻抗最小，正反饋?zhàn)顝?qiáng)。該電路為電感三點(diǎn)式振蕩器。加入石英晶體是利用石英晶體的高Q值，提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。9.2非正弦波發(fā)生電路9.2.1矩形波發(fā)生電路1.方波發(fā)生電路電路的組成：●滯回比較器●RC充放電電路(1)電源剛接通時,設(shè)vc=0,v0=+vz：電容C充電，vc開始升高；(3)當(dāng)vc≤V2時，vo=+VZ先看VP：工作原理vctv0tv1v2(2)當(dāng)vc≥V1時，vo=-VZ，Vp=V2電容C放電，vc開始下降。這時，Vp=V1這時又，Vp=V1，電容C充電＋VZ－VZt1t2震蕩周期計算注意推導(dǎo)時:如何改變方波的占空比?2.矩形波發(fā)生電路改變電容器C的充電和放電時間常數(shù)。充電時間常數(shù)：是二極管D1的導(dǎo)通電阻放電時間常數(shù)：占空比：vctv0tv1v2＋VZ舉例：本章結(jié)束下一章總目錄結(jié)束放映作業(yè)講解9.1題√×××√√√9.2題DEACFCFCG9.3題9.5題放大反饋選頻穩(wěn)幅f0=1／（2πRC）由于網(wǎng)絡(luò)的附加相移變成了正反饋9.12題閥值電壓:輸出高電平UOH=6V輸出低電平UOL=0V求震蕩頻率電容電壓上升段暫態(tài)過程：得：T=811μs6.5集成運(yùn)放中的電流源6.5.1

基本電流源電路1.鏡像電流源其中：基準(zhǔn)電流是穩(wěn)定的，故輸出電流也是穩(wěn)定的。IC2和IR是鏡像關(guān)系。

鏡像電流源6.5.4以電流源作為有源負(fù)載的放大電路1.有源負(fù)載共射放大電路T2和T3組成的鏡像電流源一方面為T1管提供靜態(tài)電流，另一方面作為有源負(fù)載。靜態(tài)分析：ui+VCCT1RbT3uoRLT2IRR動態(tài)分析：交流等效電路如下Rbrce11ibuirbe1ibrce2RL考慮參數(shù)h22相當(dāng)于基本電路的RC●雙端輸入單端輸出：將RC用恒流源代替RL同相輸出端接入RLui+VCCuoT1T2RLI-VEEiC3iC2iC1iC4T3T4iO2.有源負(fù)載差分放大電路T3和T4組成的鏡像電流源作為差分放大電路有源負(fù)載。靜態(tài)分析：動態(tài)分析：有差模輸入信號采用恒流源負(fù)載后，單端輸出獲得雙端輸出放大倍數(shù)積分器的輸出vo反饋給滯回比較器，作為滯回比較器的輸入電壓VI。9.2.2三角波發(fā)生電路電路構(gòu)成：滯回比較器積分器+VT-VT+VZ-VZ工作原理滯回比較器的閥值電壓：vI積分器輸出：當(dāng)vO1=+VZ時當(dāng)vO1=-VZ時設(shè)開始v01=+VZ到t1時刻：v0=-VT→v01=-VZ到t2時刻：v0=+VT→v01=+VZ重復(fù)輸出波形峰值:轉(zhuǎn)折點(diǎn)為vo=±VT故輸出波形峰值振蕩周期：從T1到T2為周期的一半，vO從-VT到+VT為了獲得鋸齒波，應(yīng)改變積分器的充放電時間常數(shù)。鋸齒波發(fā)生器的電路如圖所示。圖中的二極管D和R'將使充電時間常數(shù)減為(R∥R')C，而放電時間常數(shù)仍為RC。9.2.3鋸齒波發(fā)生電路鋸齒波周期可以根據(jù)時間常數(shù)和鋸齒波的幅值求得。鋸齒波的幅值為：vo1m=Vzvom=Vz

R1/R2于是有：輸出波形9.2.4壓控振蕩器≈T電路的組成：由鋸齒波發(fā)生電路演變而來。若T2決定于外加電壓，則電路的振蕩頻率就幾乎僅僅受控于外加電壓，實(shí)現(xiàn)了u→f的轉(zhuǎn)換。R1>>R5單位時間內(nèi)脈沖個數(shù)表示電壓的數(shù)值，故實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換若uI>0，則電路作何改動？9.2.4壓控振蕩器9.3波形變換電路周期性變化的信號方波三角波比較器積分器微分器鋸齒波正弦波精密整流9.3.1三角波-鋸齒波變換電路三角波上升的半個周期中,方波為負(fù),使T夾斷,這時vo=vi三角波下降的半個周期中,方波為正,使T工作在可變電阻區(qū),與其他電阻相比其阻值可忽略。這時vo=-viARf=RR2=1/2RR1=R1/2R1/2R100KR20PDT+15V-15VRfR19.3.2三角波-正弦波變換電路為什么一般的整流電路不能作為精密的信號處理電路？若uImax<Uon，則在uI的整個周期中uO始終為零；若uImax>Uon，則uO僅在大于Uon近似為uI，失真。精密整流電路是信號處理電路，不是電源中AC-DC的能量轉(zhuǎn)換電路；實(shí)現(xiàn)微小信號的整流。9.3.3精密整流電路設(shè)R＝Rf

對于將二極管和晶體管作電子開關(guān)的集成運(yùn)放應(yīng)用電路，在分析電路時，首先應(yīng)判斷管子相當(dāng)于開關(guān)閉合還是斷開，它們的狀態(tài)往往決定于輸入信號或輸出信號的極性。精密整流電路的組成半波整流，若加uI的負(fù)半周，則實(shí)現(xiàn)全波整流全波精密整流電路二倍頻三角波絕對值運(yùn)算電路uot-－++R2R1++R4CuoR+–R3改變?nèi)遣òl(fā)生器中積分電路的充放電時間常數(shù)，使放電的時間常數(shù)為0，即把三角波發(fā)生器轉(zhuǎn)換成了鋸齒波發(fā)生器。uct§7.3鋸齒波發(fā)生器-－++R2R1++R4CuoR+–R3|ui|

<UZ－++R2R1ui-++R3CuoRA1A2uo1D1D2把鋸齒波發(fā)生