第十章波形產(chǎn)生電路

第10章波形產(chǎn)生電路第10章波形產(chǎn)生電路10.1正弦波振蕩電路

10.1.1正弦波振蕩電路的振蕩條件

10.1.2RC文氏橋正弦波振蕩電路

10.1.3LC正弦波振蕩電路

10.1.4石英晶體正弦波振蕩電路10.2非正弦波產(chǎn)生電路

10.2.1電壓比較器

10.2.2方波發(fā)生器

10.2.3三角波發(fā)生器

10.2.4鋸齒波發(fā)生器1.正弦波振蕩的條件無外加信號，輸出一定頻率一定幅值的信號。與負(fù)反饋放大電路振蕩的不同之處：在正弦波振蕩電路中引入的是正反饋，且振蕩頻率可控。在電擾動下，對于某一特定頻率f0的信號形成正反饋：由于半導(dǎo)體器件的非線性特性及供電電源的限制，最終達(dá)到動態(tài)平衡，穩(wěn)定在一定的幅值。。10.1.1正弦波振蕩電路的振蕩條件10.1正弦波振蕩電路顯然，要使電路維持振蕩，必須有幅值平衡條件相位平衡條件起振條件：

要產(chǎn)生正弦波振蕩，必須有滿足相位條件的f0，且在合閘通電時對于f=f0信號有從小到大直至穩(wěn)幅的過程，即滿足起振條件。10.1.1正弦波振蕩電路的振蕩條件1.正弦波振蕩的條件幅值很小頻率豐富頻率趨于單一幅值逐漸增大逐漸變?yōu)閱我活l率的穩(wěn)幅振蕩2.起振與穩(wěn)幅：輸出電壓從幅值很小、含有豐富頻率，到僅有一種頻率且幅值由小逐漸增大直至穩(wěn)幅。10.1.1正弦波振蕩電路的振蕩條件1)放大電路(包括負(fù)反饋放大電路)：放大作用2)正反饋網(wǎng)絡(luò)：滿足相位條件3)選頻網(wǎng)絡(luò)：確定f0，保證電路產(chǎn)生正弦波振蕩4)非線性環(huán)節(jié)（穩(wěn)幅環(huán)節(jié)）：穩(wěn)幅1)是否存在主要組成部分；2)放大電路能否正常工作，即是否有合適的Q點(diǎn)，信號是否可能正常傳遞，沒有被短路或斷路；3)是否滿足相位條件，即是否存在f0，是否可能振蕩

；4)是否滿足幅值條件，即是否一定振蕩。常合二為一4、分析方法3.基本組成部分10.1.1正弦波振蕩電路的振蕩條件相位條件的判斷方法：瞬時極性法

斷開反饋，在斷開處給放大電路加f＝f0的信號Ui，且規(guī)定其極性，然后根據(jù)

Ui的極性→Uo的極性→Uf的極性若Uf與Ui極性相同，則電路可能產(chǎn)生自激振蕩；否則電路不可能產(chǎn)生自激振蕩。

在多數(shù)正弦波振蕩電路中，輸出量、凈輸入量和反饋量均為電壓量。極性？常用選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件分類。1)RC正弦波振蕩電路：1兆赫以下2)LC正弦波振蕩電路：幾百千赫～幾百兆赫3)石英晶體正弦波振蕩電路：振蕩頻率穩(wěn)定5.分類10.1.1正弦波振蕩電路的振蕩條件1.RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)低頻段高頻段在頻率從0～∞中必有一個頻率f0，φF＝0o。10.1.2RC文氏橋正弦波振蕩電路當(dāng)f=f0時，不但φ=0，且最大，為1/3。RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)10.1.2RC文氏橋正弦波振蕩電路1)是否可用共射放大電路？2)是否可用共集放大電路？3)是否可用共基放大電路？4)是否可用兩級共射放大電路？應(yīng)為RC串并聯(lián)網(wǎng)路配一個電壓放大倍數(shù)略大于3、輸入電阻趨于無窮大、輸出電阻趨于0的放大電路。不符合相位條件不符合幅值條件輸入電阻小、輸出電阻大，影響f0

可引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使電壓放大倍數(shù)大于3，且Ri大、Ro小，對f0影響小2.RC文氏橋正弦波振蕩電路10.1.2RC文氏橋正弦波振蕩電路用同相比例運(yùn)算電路作放大電路。

因同相比例運(yùn)算電路有非常好的線性度，故R1

或Rf

用熱敏電阻，或加二極管作為非線性環(huán)節(jié)。文氏橋振蕩器的特點(diǎn)？以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)、并引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，兩個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成橋路，一對頂點(diǎn)作為輸出電壓，一對頂點(diǎn)作為放大電路的凈輸入電壓，就構(gòu)成文氏橋振蕩器。2.RC文氏橋正弦波振蕩電路10.1.2RC文氏橋正弦波振蕩電路用瞬時極性法判斷可知，電路滿足相位平衡條件電路可以輸出頻率為的正弦波當(dāng)時，此時若放大電路的電壓增益為則振蕩電路滿足振幅平衡條件振蕩電路工作原理10.1.2RC文氏橋正弦波振蕩電路采用非線性元件穩(wěn)幅措施熱敏元件熱敏電阻即熱敏電阻的作用起振時，Rf溫度↑10.1.2RC文氏橋正弦波振蕩電路改變電容以粗調(diào)，改變電位器滑動端以微調(diào)。加穩(wěn)壓管可以限制輸出電壓的峰-峰值。同軸電位器頻率可調(diào)的文氏橋振蕩器RC雙T選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)是兩個網(wǎng)絡(luò)。正反饋網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)討論：判斷圖示電路有可能產(chǎn)生正弦波振蕩嗎？等效損耗電阻一般有R<<ωL則當(dāng)時，電路諧振。為諧振頻率1．LC并聯(lián)電路的選頻特性10.1.3LC正弦波振蕩器為諧振頻率諧振時阻抗最大，且為純阻性其中為品質(zhì)因數(shù)同時有即10.1.3LC正弦波振蕩器理想LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在諧振時呈純阻性，且阻抗無窮大。諧振頻率為在損耗較小時，品質(zhì)因數(shù)及諧振頻率損耗

1.LC并聯(lián)電路的選頻特性10.1.3LC正弦波振蕩器阻抗頻率響應(yīng)（a）幅頻響應(yīng)（b）相頻響應(yīng)1．LC并聯(lián)電路的選頻特性純阻性

呈感性

呈容性Q越大，頻率的選擇性越好10.1.3LC正弦波振蕩器

構(gòu)成正弦波振蕩電路最簡單的做法是通過變壓器引入反饋。附加相移

當(dāng)f=f0時，電壓放大倍數(shù)的數(shù)值最大，且附加相移為0。共射電路φA=-πLC選頻放大電路→正弦波振蕩電路10.1.3LC正弦波振蕩器C1是必要的嗎？特點(diǎn)：易振，波形較好；耦合不緊密，損耗大，頻率穩(wěn)定性不高。分析電路是否可能產(chǎn)生正弦波振蕩的步驟：1)是否存在四個組成部分2)放大電路是否能正常工作3)是否滿足相位條件4)是否可能滿足幅值條件為使N1、N2耦合緊密，將它們合二為一，組成電感反饋式電路。必須有合適的同名端！非線性穩(wěn)幅如何組成？2.變壓器反饋式電路10.1.3LC正弦波振蕩器仍然由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)A.若中間點(diǎn)交流接地，則首端與尾端相位相反。3．LC三點(diǎn)式振蕩器中間端的瞬時電位一定在首、尾端電位之間。三點(diǎn)的相位關(guān)系B.若首端或尾端交流接地，則其他兩端相位相同。10.1.3LC正弦波振蕩器電感三點(diǎn)式振蕩電路反饋電壓取自哪個線圈？反饋電壓的極性？必要嗎？

電感的三個抽頭分別接晶體管的三個極，故稱之為電感三點(diǎn)式電路。特點(diǎn)：耦合緊密，易振，振幅大，C用可調(diào)電容可獲得較寬范圍的振蕩頻率。波形較差，常含有高次諧波。為使振蕩波形好，采用電容反饋式電路10.1.3LC正弦波振蕩器3．LC三點(diǎn)式振蕩器電容三點(diǎn)式電路特點(diǎn)：波形好，振蕩頻率調(diào)整范圍小，適于頻率固定的場合。與放大電路參數(shù)無關(guān)10.1.3LC正弦波振蕩器3．LC三點(diǎn)式振蕩器10.1.4石英晶體振蕩器SiO2結(jié)晶體按一定方向切割的晶片。固有頻率只決定于其幾何尺寸，故非常穩(wěn)定。

一般LC選頻網(wǎng)絡(luò)的Q為幾百，石英晶體的Q可達(dá)104～106；前者Δf/f為10－5，后者可達(dá)10－10～10－11。1.石英晶體的特性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)生電場壓電效應(yīng)交變電壓機(jī)械振動交變電壓當(dāng)交變電壓頻率=固有頻率時，振幅最大。壓電諧振10.1.4石英晶體振蕩器容性感性阻性1.石英晶體的特性A.串聯(lián)諧振晶體等效阻抗為純阻性B.并聯(lián)諧振所以2．石英晶體正弦波振蕩電路（1）并聯(lián)型石英晶體振蕩電路10.1.4石英晶體振蕩器電容三點(diǎn)式石英晶體的阻抗呈電感性時，與外接電容構(gòu)成并聯(lián)諧振,諧振頻率在fp和fs之間，由此構(gòu)成并聯(lián)型石英晶體振蕩電路作等效電感振蕩頻率振蕩頻率10.1.4石英晶體振蕩器2．石英晶體正弦波振蕩電路（2）串聯(lián)型石英晶體振蕩電路電容三點(diǎn)式當(dāng)石英晶體發(fā)生串聯(lián)諧振時，它呈電阻性，諧振頻率等于fs，構(gòu)成串聯(lián)型石英晶體振蕩電路。作短路元件振蕩頻率①石英晶體工作在哪個區(qū)？②是哪種典型的正弦波振蕩電路？①石英晶體工作在哪個區(qū)？②兩級放大電路分別為哪種基本接法？③C1的作用？（1）并聯(lián)型電路（2）串聯(lián)型電路2．石英晶體正弦波振蕩電路10.1.4石英晶體振蕩器討論：三個電路有什么相同之處？同名端？能產(chǎn)生正弦波振蕩嗎？“判振”時的注意事項(xiàng)：1.放大電路必須能夠正常工作，放大電路的基本接法；2.斷開反饋，在斷開處加f=f0的輸入電壓；3.找出在哪個元件上獲得反饋電壓，是否能取代輸入電壓。同名端對嗎？放大電路能放大嗎？各電容的作用？討論：改錯，使電路有可能產(chǎn)生正弦波振蕩矩形波三角波鋸齒波尖頂波常見的非正弦波10.2非正弦波產(chǎn)生電路1.電壓比較器的功能：比較電壓的大小。輸入電壓是模擬信號；輸出電壓表示比較的結(jié)果，只有高電平和低電平兩種情況，為二值信號。使輸出產(chǎn)生躍變的輸入電壓稱為閾值電壓。廣泛用于各種報警電路。2.電壓比較器的描述方法

:電壓傳輸特性uO＝f(uI)電壓傳輸特性的三個要素：（1）輸出高電平UOH和輸出低電平UOL（2）閾值電壓UTH（3）輸入電壓過閾值電壓時輸出電壓躍變的方向10.2.1電壓比較器概述電路特征：集成運(yùn)放處于開環(huán)或僅引入正反饋理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特點(diǎn)：1)凈輸入電流為02)u+>u-時，

uO＝＋UOHu+<u-時，

uO＝－UOL無源網(wǎng)絡(luò)教學(xué)基本要求

1)電路的識別及選用；2)電壓傳輸特性的分析。10.2.1電壓比較器10.2.1電壓比較器特點(diǎn)：1.單門限電壓比較器虛斷成立，虛短不成立電壓比較器中的運(yùn)放通常為開環(huán)或正反饋狀態(tài)，輸出只有、低兩種電平，因此集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)10.2.1電壓比較器1.單門限電壓比較器

輸入為正負(fù)對稱的正弦波時，輸出為方波。稱為過零比較器當(dāng)把輸出電壓從一個電平跳變到另一個電平時所對應(yīng)的輸入電壓值稱為門限電壓10.2.1電壓比較器1.單門限電壓比較器

當(dāng)解：圖示為另一種形式的單門限電壓比較器，試求出其門限電壓(閾值電壓)UTH，畫出其電壓傳輸特性。設(shè)運(yùn)放輸出的高、低電平分別為UOH和UOL。利用疊加原理可得理想情況下，輸出電壓發(fā)生跳變時對應(yīng)的U+＝U-＝0，即門限電壓例（1）若要UTH>0，則應(yīng)如何修改電路？（2）若要改變曲線躍變方向，則應(yīng)如何修改電路？（3）若要改變UOL、UOH呢？門限電壓例應(yīng)為高電平錯誤電平簡單電壓比較器結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，但抗干擾能力較差。因此提出了另一種抗干擾能力較的強(qiáng)遲滯電壓比較器。10.2.1電壓比較器2.遲滯比較器（1）電路組成（2）門限電壓為U+上門限電壓下門限電壓回差電壓10.2.1電壓比較器而U+與uo有關(guān)，對于uo的兩個值可得U+的兩個門限電壓2.遲滯比較器（3）傳輸特性10.2.1電壓比較器遲滯寬度表示抗干擾能力的強(qiáng)弱，遲滯寬度越寬，抗干擾能力越強(qiáng)，同時靈敏度越低。并且輸入電壓的峰值必須大于遲滯寬度，否則輸出電壓不可能跳變。遲滯寬度

設(shè)ui＜UTH-，則u-＜u+，

uO＝+UZ。此時u+＝UTH+，增大

ui，直至+UTH+，再增大，

uO才從+UZ躍變?yōu)椋璘Z。

設(shè)ui＞+UTH+，則u-＞u+，

uO＝－UZ。此時u+＝UTH-，減小

ui，直至UTH-，再減小，

uO才從－UZ躍變?yōu)?UZ。解：（1）門限電壓（3）輸出電壓波形例電路如圖所示，試求門限電壓，畫出傳輸特性和如圖所示輸入信號下的輸出電壓波形。（2）傳輸特性（1）寫出u+、u-的表達(dá)式，令u+＝u-，求解出的uI即為UTH；（2）根據(jù)集成運(yùn)放的輸出電壓幅值或輸出端限幅電路決定輸出的高、低電平；電壓比較器的分析方法（三要素）（3）根據(jù)輸入電壓作用于同相輸入端還是反相輸入端決定輸出電壓的躍變方向。1.若要電壓傳輸特性曲線左右移動，則應(yīng)如何修改電路？討論一：如何改變滯回比較器的電壓傳輸特性2.若要電壓傳輸特性曲線上下移動，則應(yīng)如何修改電路？3.若要改變輸入電壓過閾值電壓時輸出電壓的躍變方向，則應(yīng)如何修改電路？向左右移多少？改變輸出限幅電路討論二：從電壓傳輸特性識別電路，畫波形已知各電壓比較器的電壓傳輸特性如圖所示，說出它們各為哪種電壓比較器；輸入電壓如圖所示，畫出各電路輸出電壓的波形。同相輸入單限比較器反相輸入滯回比較器窗口比較器你能分別組成具有圖示電壓傳輸特性的電壓比較器電路嗎？

輸出無穩(wěn)態(tài)，有兩個暫態(tài)；若輸出為高電平時定義為第一暫態(tài)，則輸出為低電平為第二暫態(tài)。1.基本組成部分

（1）開關(guān)電路：因?yàn)檩敵鲋挥懈唠娖胶偷碗娖絻煞N情況，即兩個暫態(tài)；故采用電壓比較器。

（2）反饋網(wǎng)絡(luò)：因需自控，在輸出為某一暫態(tài)時孕育翻轉(zhuǎn)成另一暫態(tài)的條件，故應(yīng)引入反饋。

（3）延遲環(huán)節(jié)：要使兩個暫態(tài)均維持一定的時間，故采用RC環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，從而決定振蕩頻率。10.2.2方波發(fā)生器2.電路組成正向充電：

uO（+UZ）→R3→C→地反向充電：地→C→R3→uO（－UZ）RC回路滯回比較器10.2.2方波發(fā)生器3.工作原理

設(shè)合閘通電時電容上電壓為0，uO上升，則產(chǎn)生正反饋過程：

uO↑→u+↑→uO↑↑，直至uO＝UZ，u+＝+UT，為第一暫態(tài)。10.2.2方波發(fā)生器第一暫態(tài)：uO＝UZ，u+＝+UT。3.工作原理

電容正向充電，t↑→u-↑，t→∞，u-

→UZ；但當(dāng)u-

＝+UT時，再增大，uO從+UZ躍變?yōu)椋璘Z，u+＝－UT，電路進(jìn)入第二暫態(tài)。

電容放電，t↑→u-

↓，t→∞，u-

→－UZ；但當(dāng)u-

＝－UT時，再減小，uO從－UZ躍變?yōu)?UZ，u+

＝+UT，電路返回第一暫態(tài)。10.2.2方波發(fā)生器4.波形分析10.2.2方波發(fā)生器5.占空比可調(diào)電路

正向充電和反向充電時間常數(shù)可調(diào)，占空比就可調(diào)。10.2.2方波發(fā)生器10.2.3