波形的產(chǎn)生與變換電路

第八章

波形的產(chǎn)生與變換電路8.1正弦波振蕩的基本原理8.2RC正弦波振蕩電路8.3LC正弦波振蕩電路8.4石英晶體振蕩電路8.5比較器8.6方波發(fā)生器8.7三角波及鋸齒波發(fā)生器8.1正弦波振蕩電路8.1.1概述~放大電路反饋網(wǎng)絡(luò)如果反饋電壓uf

與原輸入信號(hào)ui

完全相等，則即使無外輸入信號(hào)，放大電路輸出端也有一個(gè)正弦波信號(hào)——自激振蕩。(電路要引入正反饋)圖

正弦波振蕩電路的方框圖一、產(chǎn)生正弦波振蕩的條件如果：,ifXX=則去掉,iX仍有信號(hào)輸出。反饋信號(hào)代替了放大電路的輸入信號(hào)。Xi

+f基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)FX+doXXXdof基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)FXX如果反饋電壓uf

與原輸入信號(hào)ui

完全相等，則即使無外輸入信號(hào)，放大電路輸出端也有一個(gè)正弦波信號(hào)——自激振蕩。(電路要引入正反饋)由此知放大電路產(chǎn)生自激振蕩的條件是：即：所以產(chǎn)生正弦波振蕩的條件是：——幅度平衡條件——相位平衡條件電路起振的條件：

圖自激振蕩的起振波形

二、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(dòng),在放大器的輸入端產(chǎn)生一個(gè)微弱的擾動(dòng)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(hào)的幅度很快增加。這個(gè)擾動(dòng)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(hào),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(hào)能通過,其他頻率的信號(hào)被抑制,在輸出端就會(huì)得到如圖ab段所示的起振波形。那么,振蕩電路在起振以后,振蕩幅度會(huì)不會(huì)無休止地增長(zhǎng)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(huì)使輸出減小,維持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的穩(wěn)幅振蕩,如圖的bc段所示。也就是說,在振蕩建立的初期,必須使反饋信號(hào)大于原輸入信號(hào),反饋信號(hào)一次比一次大,才能使振蕩幅度逐漸增大;當(dāng)振蕩建立后,還必須使反饋信號(hào)等于原輸入信號(hào),才能使建立的振蕩得以維持下去。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

三、正弦波振蕩電路的組成及分類

組成：放大電路：集成運(yùn)放選頻網(wǎng)絡(luò)：確定電路的振蕩頻率反饋網(wǎng)絡(luò)：引入正反饋穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：非線性環(huán)節(jié)，使輸出信號(hào)幅值穩(wěn)定分類：RC正弦波振蕩電路，頻率較低，在1MHz以下。LC正弦波振蕩電路，頻率較高，在1MHz以上。石英晶體振蕩電路，頻率較高，振蕩頻率非常穩(wěn)定。8.2RC正弦波振蕩電路一.RC

串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性R1C1

串聯(lián)阻抗：R2C2

并聯(lián)阻抗：選頻特性：1.定性分析：（1）當(dāng)信號(hào)的頻率很低時(shí)。>>R1>>R2其低頻等效電路為：其頻率特性為：當(dāng)ω=0時(shí)，uf=0，│F│=0=+90°當(dāng)ω↑時(shí)，uf=↑，│F│↑↓0|F|0φF90°（2）當(dāng)信號(hào)的頻率很高時(shí)。＜＜R1＜＜R2其高頻等效電路為：其頻率特性為：當(dāng)ω=∞時(shí)，uf=0，│F│=0=-90°當(dāng)ω↓時(shí)，uf=↑，│F│↑↓0|F|0φF-90°ω0=？│F│max=？由以上分析知：一定有一個(gè)頻率ω0存在，當(dāng)ω=ω0時(shí)，│F│最大，且=0°0|F|0φF90°0|F|0φF-90°2.定量分析R1C1

串聯(lián)阻抗：R2C2

并聯(lián)阻抗：頻率特性：通常，取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，則有：式中：可見：當(dāng)時(shí)，│F│最大，且=0°

│F│max=1/3RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)完整的頻率特性曲線：當(dāng)時(shí)，│F│=│F│max=1/3φF+90°|F|當(dāng)f=f0時(shí),電壓傳輸系數(shù)最大,其值為:F=1/3,相角為零,即φF=0。此時(shí),輸出電壓與輸入電壓同相位。當(dāng)f≠f0時(shí),F<1/3,且φF≠0,此時(shí)輸出電壓的相位滯后或超前于輸入電壓。由以上分析可知:

RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)只在

f=f0=1/2πRC

時(shí),輸出幅度最大,而且輸出電壓與輸入電壓同相,即相位移為零。所以,RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性。

圖7.6RC橋式正弦波振蕩電路二.RC橋式振蕩器的工作原理：二.RC橋式振蕩器的工作原理：在f0

處滿足相位條件：因?yàn)椋篈F=131=F11f+=RRA1f2RR=只需：A=3輸出正弦波頻率：振幅條件：引入負(fù)反饋：選：例題:R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf為多大時(shí)才能起振？振蕩頻率f0=？AF=1，31=F11f+=RRAA=3Rf=2R1=210=20k=1592Hz起振條件：能自動(dòng)穩(wěn)幅的振蕩電路半導(dǎo)體熱敏電阻(負(fù)溫度系數(shù)）起振時(shí)Rt較大使A>3,易起振。當(dāng)uo幅度自激增長(zhǎng)時(shí)，Rt減小，A減小。

當(dāng)uo幅度達(dá)某一值時(shí)，A→3。

當(dāng)uo進(jìn)一步增大時(shí)，RT再減小,使A<3。因此uo幅度自動(dòng)穩(wěn)定于某一幅值。能自動(dòng)穩(wěn)幅的振蕩電路

起振時(shí)D1、D2不導(dǎo)通，Rf1+Rf2略大于2R1。隨著uo的增加，D1、D2逐漸導(dǎo)通，Rf2被短接，A自動(dòng)下降，起到穩(wěn)幅作用。將Rf分為Rf1

和Rf2，

Rf2并聯(lián)二極管EWB演示——RC振蕩器例：分析下圖的振蕩電路能否產(chǎn)生振蕩，若產(chǎn)生振蕩,石英晶體處于何種狀態(tài)？8.5比較器

將一個(gè)模擬電壓信號(hào)與一參考電壓相比較，輸出一定的高低電平。功能：構(gòu)成：運(yùn)放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關(guān)系uo=f(ui)是非線性函數(shù)。uoui0+UOM-UOM單限比較器、滯回比較器及窗口比較器分類：應(yīng)用：比較器是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元，在測(cè)量、控制、D/A和A/D轉(zhuǎn)換電路中應(yīng)用廣泛。2.閾值電壓：UT當(dāng)比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。3.電壓傳輸特性的三要素(1)輸出電壓的高電平UOH和低電平UOL的數(shù)值。(2)閾值電壓的數(shù)值UT。(3)當(dāng)uI變化且經(jīng)過UT時(shí)，uO躍變的方向。1.運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的判定：電路開環(huán)或引入正反饋。2.運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的分析方法：若U+＞U-

則UO=+UOM；若U+＜U-

則UO=-UOM。

虛斷（運(yùn)放輸入端電流=0）

注意：此時(shí)不能用虛短！運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)基本分析方法uoui0+UOM-UOM1.過零比較器:（門限電平=0）uoui0+UOM-UOM一.單門限電壓比較器閾值電壓：tuituo+Uom-Uom例題：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā?.單門限比較器（與參考電壓比較）uoui0+Uom-UomUREFUREF為參考電壓當(dāng)ui>UREF時(shí),uo=+Uom當(dāng)ui<UREF時(shí),uo=-Uom

運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)閾值電壓：uoui0+Uom-UomUREF當(dāng)ui<UREF時(shí),uo=+Uom當(dāng)ui

>UREF時(shí),uo=-Uom

若ui從反相端輸入uoui0+UZ-UZ（1）用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓忽略了UD3.限幅電路——使輸出電壓為一穩(wěn)定的確定值當(dāng)ui>0時(shí),uo=+UZ當(dāng)ui

<0時(shí),uo=-UZ

傳輸特性u(píng)IuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ將正弦波變?yōu)榫匦尾ǎ?）穩(wěn)幅電路的另一種形式：將雙向穩(wěn)壓管接在負(fù)反饋回路中uoui0+UZ-UZ當(dāng)ui>0時(shí),uo=-UZ當(dāng)ui

<0時(shí),uo=+UZ

利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器設(shè)任何一個(gè)穩(wěn)壓管被反向擊穿時(shí)，兩個(gè)穩(wěn)壓管兩端總的的穩(wěn)定電壓為UZ

<UOMuIuO+UOM

-UOMO+UZ-UZ當(dāng)uI<0時(shí)，不接穩(wěn)壓管時(shí)，uO=+

UOM

，接入穩(wěn)壓管后，左邊的穩(wěn)壓管被反向擊穿，集成運(yùn)放的反向輸入端“虛地”，uO=+

UZ

；當(dāng)uI>0時(shí)，右邊的穩(wěn)壓管被反向擊穿，uO=-

UZ

；圖

8.2.6例：?jiǎn)蜗薇容^器有一個(gè)門限電平，當(dāng)輸入電壓等于此門限電平時(shí)，輸出端的狀態(tài)立即發(fā)生跳變。當(dāng)輸入電壓uI變化，使反相輸入端的電位為零時(shí)，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變，門限電平為：uIuO+UOM-UOMO+UZ-UZ過零比較器是門限電平為零的單限比較器。圖

8.2.7存在干擾時(shí)單限比較器的uI、uO

波形單限比較器的作用：檢測(cè)輸入的模擬信號(hào)是否達(dá)到某一給定電平。

缺點(diǎn)：抗干擾能力差。

解決辦法：采用具有滯回傳輸特性的比較器。二.遲滯比較器1.工作原理——兩個(gè)門限電壓。特點(diǎn):電路中使用正反饋——運(yùn)放工作在非線性區(qū)。（1）當(dāng)uo=+UZ時(shí)，（2）當(dāng)uo=-UZ時(shí)，UT+稱上門限電壓UT-稱下門限電壓UT+-UT-稱為回差電壓遲滯比較器的電壓傳輸特性：uoui0+UZ-UZUT+UT-設(shè)ui

,當(dāng)ui=<UT-時(shí),

uo從-UZ+UZ這時(shí),uo=-UZ,u+=UT-設(shè)初始值:

uo=+UZ,

u+=UT+設(shè)ui

,當(dāng)ui=>UT+時(shí),

uo從+UZ-UZ若uO=

UZ

，當(dāng)uI

逐漸減小時(shí)，使uO由UZ

跳變?yōu)閁Z

所需的門限電平UT-

回差(門限寬度)UT

：若uO=UZ

，當(dāng)uI

逐漸增大時(shí)，使uO由+UZ

跳變?yōu)?UZ

所需的門限電平UT+例題：Rf=10k，R2=10k

，UZ=6V，UREF=10V。當(dāng)輸入ui為如圖所示的波形時(shí)，畫出輸出uo的波形。上下限：uoui08V3V傳輸特性+6V-6V3V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V3V傳輸特性+6V-6V三、窗口比較器參考電壓UREF1>UREF2若uI

低于UREF2

，運(yùn)放A1輸出低電平，A2輸出高電平，二極管VD1

截止，VD2導(dǎo)通，輸出電壓uO為高電平；若uI

高于UREF1

，運(yùn)放A1輸出高電平，A2輸出低電平，二極管VD2

截止，VD1

導(dǎo)通，輸出電壓uO為高電平；圖

雙限比較器(a)前面的比較器在輸入電壓?jiǎn)我环较蜃兓瘯r(shí)，輸出電壓只躍變一次，因而不能檢測(cè)出輸入電壓是否在二個(gè)電壓之間。當(dāng)uI

高于UREF2而低于UREF1時(shí)，運(yùn)放A1、A2均輸出低電平，二極管VD1

、VD2

均截止，輸出電壓uO為低電平；

上門限電平UTH=UREF1；

下門限電平UTL

=UREF2。uIuOOUTHUTL綜上所述，雙限比較器在輸入信號(hào)uI

<UREF2

或uI

>UREF1時(shí)，輸出為高電平；而當(dāng)UREF2<

uI<

UREF1時(shí)，輸出為低電平。圖

8.2.13(b)1.電路結(jié)構(gòu)由滯回比較電路和RC定時(shí)電路構(gòu)成上下限:8.6方波發(fā)生器2.工作原理：(1)設(shè)uo

=

+UZ,

此時(shí)，uO給C充電,uc

，則：u+=UT+0tuo+UZ-UZucUT+0t一旦uc>UT+

,就有u->u+,

uo

立即由＋UZ變成－UZ

。在uc<UT+

時(shí)，u-

<u+

,

設(shè)uC初始值uC(0+)=0方波發(fā)生器uo保持+UZ不變+UZ此時(shí)，C向uO放電,再反向充電(2)當(dāng)uo

=

-UZ時(shí)，u+=UT-uc達(dá)到UT-時(shí)，uo上跳。UT+uctUT-當(dāng)uo

重新回到＋UZ

后，電路又進(jìn)入另一個(gè)周期性的變化。-UZ0UT+uctUT-+UZuo0t

-UZT完整的波形：動(dòng)畫演示計(jì)算振蕩周期T。EWB演示——方波發(fā)生器周期與頻率的計(jì)算：0UT+uctUT-

+UZ

-UZT1T2TT=T1+T2=2T2

uc(t)=UC()+UC(0+)-UC()e,=RC-tT2階段uc(t)的過渡過程方程為:f=1/T可推出:3、占空比可調(diào)的方波發(fā)生器UZuo0t-UZ改變電位器RW

的滑動(dòng)端，就改變了沖放電的時(shí)間，從而使方波的占空比可調(diào)。8.7三角波及鋸齒波信號(hào)發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)：遲滯比較器+反相積分器一.三角波發(fā)生器工作原理：若uo1=+UZ，uo2↓，u+↓。當(dāng)u+≤0時(shí)，uo1翻轉(zhuǎn)為-UZ。若u