第八章波形產(chǎn)生電路與變換電路

第八章波形產(chǎn)生電路與變換電路

8.1非正弦波產(chǎn)生電路8.2集成函數(shù)發(fā)生器8.3正弦波產(chǎn)生電路

8.1非正弦波產(chǎn)生電路

電容充放電原理圖

矩形波、鋸齒波、三角波等非正弦波,實(shí)質(zhì)是脈沖波形。產(chǎn)生這些波形一般是利用惰性元件電容C和電感L的充放電來實(shí)現(xiàn)的。由于電容使用起來方便，因而實(shí)際中主要用電容。在穩(wěn)態(tài)下將開關(guān)由“1”扳向“2”，電容充電。暫態(tài)過程的三要素為：穩(wěn)定以后，將開關(guān)由“2”扳向“1”，電容放電。暫態(tài)過程的三要素為：電容充放電的波形電容充放電的波形

改變充放電時(shí)間常數(shù),可得到不同波形。脈沖電路里，開關(guān)使用電子開關(guān)。

如果,可得右圖所示近似的矩形波形。如果,可得右圖所示近似的三角波形。如果,可得右圖所示近似的鋸齒波形。

8.1.1矩形波產(chǎn)生電路

矩形波產(chǎn)生電路

＋－＋RROR3R2CVDz1VDz2∞同相端電位：1.工作原理

當(dāng)電路接通電源時(shí),必然存在差別，和二者必有一個(gè)成立。

結(jié)構(gòu)：用滯回電壓比較器作開關(guān)，RC組成積分電路，通過Ro和穩(wěn)壓管VDz1、VDz2對輸出限幅。反相端電壓：若Uz1=Uz2=Uz，則UOH=+Uz,UOL=﹣Uz。若u+>u–，則uo=UOH=+Uz。若u+<u–，則uo=UOL=﹣Uz。因此,uo不可能居于其它中間值。＋－＋RROR3R2CVDz1VDz2∞設(shè)t=0+(電源接通時(shí)刻)，uC=0,輸出電壓uo=UOH=+Uz,則當(dāng)uC=UTH1時(shí)，u–=u+時(shí)，uo從+Uz跳變?yōu)椹乁z。此時(shí)，uo=+Uz對電容充電，則u–

=uC上升。tuo0UZ-UZUTH10uCt在uC<UTH1時(shí)，u-<u+,

uo=+Uz。此時(shí)，C

經(jīng)R向uo放電。使u-=uC逐漸下降。當(dāng)uo=﹣Uz時(shí),u+發(fā)生跳變,其值為：＋－＋RROR3R2CVDz1VDz2∞tuo0UZ-UZ在uC>UTH2

時(shí)，u->u+,

uo=－Uz。當(dāng)uC=UTH2時(shí)，u–=u+時(shí)，uo從﹣Uz跳變?yōu)?Uz，U+跳變?yōu)閁TH10uCtUTH2電容C再次充電，當(dāng)uo

重新回到＋Uz

以后，電路又進(jìn)入另一個(gè)周期性的變化。如此周而復(fù)始,產(chǎn)生振蕩,從uo輸出矩形波。

2.振蕩周期計(jì)算tuo0UZ-UZUTH10uCtUTH2

應(yīng)用一階RC電路全狀態(tài)響應(yīng)的結(jié)果,得：解此方程,得：式中：

同理求得：tuo0UZ-UZUTH10uCtUTH2振蕩周期為：通常定義矩形波為高電平的時(shí)間T2與周期T之比為占空比D,即UTH10uCtUTH2tuo0UZ-UZ如果UOH≠|(zhì)UOL|,則上述u+

≠u_,

T1≠T2,輸出為正向幅值和負(fù)向幅值不等、D≠1/2的矩形波。如果|UOH|=|UOL|,但τ充≠τ放,T1≠T2,那么輸出為正向幅值和負(fù)向幅值相等、D≠1/2的矩形波。占空比可調(diào)電路8.1.2三角波產(chǎn)生電路

結(jié)構(gòu)：運(yùn)放A1組成滯回電壓比較器，A2組成反相積分電路，通過Ro和穩(wěn)壓管VDz1、VDz1對輸出uo1限幅。u+=0特點(diǎn)：滯回(遲滯)比較器的輸出作為反相積分器的輸入，反相積分器的輸出也作為遲滯比較器的輸入。滯回(遲滯)比較器輸入u+由uo1和uo兩個(gè)電壓共同作用。若Uz1=Uz2=Uz，則UO1H=+Uz,UO1L=﹣Uz。三角波產(chǎn)生電路

＋－＋RROR3R2CVDz1VDz2∞＋－＋∞u-

=000uo1tUZ－UZuotUom－Uom1.工作原理

設(shè)t=0時(shí)，u+>u–，則uo1=UOH=+Uz。電容恒流充電，i充=UZ/R，則uo

=﹣uC線性下降。當(dāng)uo

下降到某一負(fù)值，使

A1的

u+≤

u–=0時(shí)，uo1從+Uz跳變?yōu)椹乁z，此時(shí)電容恒流放電，i放=UZ/R，則uo

線性上升。＋－＋RROR3R2CVDz1VDz2∞＋－＋∞u+=0u–=0當(dāng)uo

上升到某一正值，使

A1的

u+≥

u–=0時(shí)，uo1從﹣Uz跳變?yōu)?Uz，電容恒流充電，i充=UZ/R，則uo

再次下降。00uo1tUZ－UZuotUom－Uom如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩，由于充電時(shí)間常數(shù)和放電時(shí)間常數(shù)相同，所以輸出uo為三角波

。＋－＋RROR3R2CVDz1VDz2∞＋－＋∞u+=0u–=02.計(jì)算(1)uo幅值計(jì)算。

當(dāng)時(shí),對應(yīng)的uo值為輸出三角波的幅值Uom,即當(dāng)uo1=+Uz時(shí)

當(dāng)uo1=-Uz時(shí)

00uo1tUZ－UZuotUom－Uom

(2)振蕩周期的計(jì)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(shí)間為T/2,所以得頻率：T00uo1tUZ－UZuotUom－Uom

一般先調(diào)整R2、R3，使輸出電壓uo的峰值達(dá)到所需要的值，然后再調(diào)整R、C值使振蕩頻率滿足要求。T00uo1tUZ－UZuotUom－Uom＋－＋RROR3R2CVDz1VDz2∞＋－＋∞u+=0u–=08.1.3鋸齒波產(chǎn)生電路

結(jié)構(gòu)：運(yùn)放A1組成滯回電壓比較器，A2組成反相積分電路，通過Ro和穩(wěn)壓管VDz3、VDz4對輸出uo1限幅。VD1、

VD1及電位器RP構(gòu)成充、放電回路。特點(diǎn)：調(diào)整電位器RP可改變充、放電時(shí)間常數(shù)，從輸出端得到不同的波形。如果電位器RP調(diào)在中間位置，充、放電時(shí)間常數(shù)相等，輸出uo為三角波。＋－＋ROR3R2CVDz3VDz4∞＋－＋∞u+=0u–=0RPVD1VD2鋸齒波產(chǎn)生電路

鋸齒波產(chǎn)生電路波形

00如果電位器RP調(diào)在中間位置偏上，充電時(shí)間常數(shù)大于放電時(shí)間常數(shù)，輸出uo為負(fù)向鋸齒波。如果電位器RP調(diào)在中間位置偏下，充電時(shí)間常數(shù)小于放電時(shí)間常數(shù)，輸出uo為正向鋸齒波。鋸齒波的幅度和振蕩周期與三角波相似。

當(dāng)時(shí),對應(yīng)的uo值為輸出三角波的幅值Uom,即當(dāng)uo1=+Uz時(shí)

當(dāng)uo1=-Uz時(shí)

(1)uo幅值計(jì)算。

0振蕩周期為T=T1+T2，rd1、rd2為VD1、VD2導(dǎo)通電阻.

T1為則

電容放電時(shí)間T2為

則故振蕩周期為08.1.4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(yīng)各種不同的需要。在實(shí)踐中，廣泛采用各種類型的信號產(chǎn)生電路，就其波形來說，可能是正弦波或非正弦波。非正弦信號(方波、鋸齒波等)發(fā)生器在測量設(shè)備、數(shù)字系統(tǒng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻(高頻)發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻(低頻)、視頻信號或脈沖信號運(yùn)載出去，這就需要能產(chǎn)生高頻信號的振蕩器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，如高頻感應(yīng)加熱、熔煉，超聲波焊接，超聲診斷，核磁共振成像等，都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器。可見，正弦波振蕩電路在各個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用是十分廣泛的。

8.3正弦波產(chǎn)生電路負(fù)反饋放大電路的自激條件產(chǎn)生自激振蕩又得自激振蕩條件幅值條件相位條件（附加相移）閉環(huán)增益基本放大電路反饋網(wǎng)絡(luò)自激振蕩電路方框圖–18.3.1產(chǎn)生正弦波振蕩的條件

在第五章負(fù)反饋放大電路中,我們討論過放大器在通頻帶內(nèi)引入的負(fù)反饋,在通頻帶外由于附加相移達(dá)到±180o,可能變?yōu)檎答?當(dāng)滿足一定的相位和幅度條件時(shí),將產(chǎn)生自激振蕩.對于正弦波產(chǎn)生電路,其目的就是要使電路產(chǎn)生一定頻率和幅度的正弦波,因而在放大電路中有意地引入正反饋,并創(chuàng)造條件,使之產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的振蕩。1.振蕩條件若環(huán)路增益則去掉仍有穩(wěn)定的輸出又所以振蕩條件為振幅平衡條件相位平衡條件說明同相位或引入的反饋為正反饋。正弦波反饋電路方框圖正反饋放大電路方框圖這是正弦波電路產(chǎn)生振蕩的首要條件,又稱為相位條件。起振條件:2.起振和穩(wěn)幅＊振蕩電路是單口網(wǎng)絡(luò)，無須輸入信號就能起振，起振的信號源來自何處？電路器件內(nèi)部噪聲

為了使電路在沒有外加信號時(shí)(Xi=0)就產(chǎn)生振蕩,應(yīng)要求電路在剛開始通電時(shí)滿足

這就是產(chǎn)生振蕩必須滿足的幅值條件。此時(shí)只要滿足相位條件微小擾動(dòng)信號通過閉環(huán)回路就可得到不斷加強(qiáng)，從而產(chǎn)生振蕩。正弦波反饋電路方框圖

噪聲中，滿足相位平衡條件的某一頻率0的噪聲信號被放大，成為振蕩電路的輸出信號。

當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時(shí)，就要采取穩(wěn)幅措施，限制它繼續(xù)增加，否則波形將出現(xiàn)失真。

穩(wěn)幅的作用，就是當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時(shí)，使振幅平衡條件從回到從而得到幅值、頻率穩(wěn)定的振蕩信號。正弦波反饋電路方框圖

一個(gè)反饋放大電路若能同時(shí)滿足自激振蕩的幅度和相位平衡條件，就一定能產(chǎn)生自激振蕩，但并不見得一定能產(chǎn)生正弦波自激振蕩，即輸出信號不一定是正弦波。3.基本組成部分

這是因?yàn)?，若同時(shí)有多種頻率的正弦波信號都滿足自激振蕩條件，則反饋放大電路就能夠在多種頻率下產(chǎn)生振蕩。它的輸出信號就是一個(gè)由多種頻率的正弦波信號合成的非正弦波信號。

為了獲得單一頻率的正弦波振蕩，可在反饋放大電路中引入選頻網(wǎng)絡(luò)（選擇滿足相位平衡條件的一個(gè)頻率），使反饋放大電路對不同頻率的正弦波信號產(chǎn)生不同的相位移和放大倍數(shù)，使電路只讓某一特定頻率的正弦波信號滿足自激振蕩條件，保證電路輸出正弦波信號。放大電路（包括負(fù)反饋放大電路）

綜上所述，正弦波振蕩電路應(yīng)包括以下幾個(gè)基本組成部分：反饋網(wǎng)絡(luò)（構(gòu)成正反饋）選頻網(wǎng)絡(luò)（選擇滿足相位平衡條件的一個(gè)頻率，經(jīng)常與反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一。）穩(wěn)幅電路RC振蕩器低頻<1MHZLC振蕩器高頻>1MHZ判斷一個(gè)電路是否為正弦波振蕩器,就看其組成是否含有上述四個(gè)部分。正弦波反饋電路方框圖

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(jié)構(gòu)是否合理,有無放大能力,靜態(tài)工作點(diǎn)是否合適。

(3)分析是否滿足幅度條件,檢驗(yàn),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。反饋網(wǎng)絡(luò)兼做選頻網(wǎng)絡(luò)

RC振蕩電路有很多種：橋式的、移相式、雙T型的，但最常用的是橋式振蕩電路。放大電路：運(yùn)放、R1、Rf組成同相比例運(yùn)算電路反饋網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò):電壓串聯(lián)負(fù)反饋8.3.2正弦波振蕩電路RC橋式振蕩電路1.

RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)低頻等效電路當(dāng)信號頻率足夠低時(shí),,可得到近似的低頻等效電路。輸出電壓相位超前輸入電壓。

當(dāng)信號頻率足夠高時(shí),,可得到近似的高頻等效電路。輸出電壓相位落后輸入電壓。RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)高頻等效電路1.

RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)低頻等效電路RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)高頻等效電路因此可以斷定,在高頻與低頻之間存在一個(gè)頻率fo,其相位關(guān)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(luò)的選頻特性。由RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)圖可得

RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通常取R1=R2=R,C1=C2=C,則RC網(wǎng)絡(luò)幅頻特性為相頻特性為

當(dāng)幅頻響應(yīng)有最大值:相移：RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性放大電路為同相比例電路。反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)由RC串并聯(lián)電路組成。由RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性得知,在ω=ω0=1/RC時(shí),其相移φF=0,為了使振蕩電路滿足相位條件φAF=φA+φF=±2nπRC橋式振蕩電路要求放大器的相移φA也為0°(或360°)。所以放大電路可選用同相輸入的集成運(yùn)放或兩級共射分立元件放大電路等。

由于RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)選頻特性,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。2.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)正弦波振蕩電路為了使電路能振蕩,還應(yīng)滿足起振條件,即要求

RC振蕩電路的反饋系數(shù)就是RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù),放大器的放大倍數(shù)RC橋式振蕩電路即

當(dāng)ω=ωo時(shí),,因而按起振條件式要求該電路的振蕩頻率為采用非線性元件。電路滿足起振條件振蕩后需加穩(wěn)幅措施，怎樣穩(wěn)幅措施呢？熱敏元件熱敏電阻起振時(shí)，即熱敏電阻的作用：穩(wěn)幅RC橋式振蕩電路Rf采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。穩(wěn)幅采用非線性元件。熱敏元件起振時(shí)，即熱敏電阻的作用：RC橋式振蕩電路Rf采用正溫度系數(shù)熱敏電阻。二極管

當(dāng)輸出幅值很小時(shí)，二極管VD1、VD2接近開路，由VD1、VD2和R3并聯(lián)支路的等效電阻近似為2.7千歐，A約等于3.3，>3，有利于起振。二極管工作點(diǎn)：A、B，RD大。

當(dāng)輸出幅值較大時(shí)，二極管VD1、VD2導(dǎo)通，由VD1、VD2和R3并聯(lián)支路的等效電阻減小，A隨之下降，輸出幅值趨于穩(wěn)定。二極管工作點(diǎn)：C、D，RD小。二極管穩(wěn)幅原理顯然該電路的振蕩頻率取決于R、C的乘積，當(dāng)要求振蕩頻率較高時(shí)，RC值必然很小。由于RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是放大電路的負(fù)載之一，RC值的減小加重了放大電路的負(fù)載，且由于電路存在寄生電容，其電容減小不能超過一定的限度，否則振蕩頻率將受寄生電容的影響而不穩(wěn)定。此外集成運(yùn)放的帶寬較窄，也限制了振蕩頻率的提高。因而RC振蕩電路通常只作為低頻振蕩用，工作頻率一般在1MHZ以下。如需要產(chǎn)生1MHZ以上頻率的正弦信號,可采用下面介紹的LC正弦波振蕩電路。3.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)正弦波振蕩電路的局限性在前面已求得RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)正弦波振蕩電路的振蕩頻率：8.3.3LC正弦波振蕩電路

1.LC并聯(lián)回路的選頻特性LC并聯(lián)電路

CLR

LC正弦波振蕩電路可產(chǎn)生頻率高達(dá)1000MHZ的正弦信號,雖然高速集成運(yùn)放的帶寬較大，但價(jià)格高，因而LC正弦波振蕩電路一般用分立元件組成。

LC正弦波振蕩電路有變壓器反饋式、電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式。共同點(diǎn)是用LC并聯(lián)諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)。圖中R表示回路的等效損耗電阻。其數(shù)值一般很小。回路等效阻抗為：1.等效阻抗等效損耗電阻一般有則即時(shí)，電路發(fā)生諧振。諧振時(shí)阻抗最大且為純阻性其中為品質(zhì)因數(shù)，同時(shí)有即用來評價(jià)回路損耗大小的指標(biāo)LC并聯(lián)電路

CLR為諧振頻率2.頻率特性諧振回路具有選頻特性1

由相頻特性可知，當(dāng)ω<ω0時(shí)，由于ωL<1/ωC，回路等效電抗呈感性；反之，回路等效電抗呈容性。ω=ω0時(shí)阻抗虛部為零，所以相移也為零。2.變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路

在滿足相位條件的前提下,只要變壓器的匝數(shù)比設(shè)計(jì)恰當(dāng),一般都可滿足幅值條件。若不能起振,可加、減變壓器次級繞組的匝數(shù),使之振蕩。當(dāng)Q值較高時(shí),振蕩頻率fo就等于LC并聯(lián)回路的諧振頻率,即雖然集電極電流波形出現(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。電壓波形一般失真不大。1.相位平衡條件2.幅值平衡條件3.穩(wěn)幅4.選頻通過選擇高值的三極管和調(diào)整變壓器的匝數(shù)比，可以滿足，電路可以起振。三極管進(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。(+)(－)同名端(+)（定性分析）(+)(-)(+)(+)(+)(+)(+)(+)反饋滿足相位平衡條件，可能振蕩滿足相位平衡條件，可能振蕩反饋3.三點(diǎn)式LC正弦波振蕩電路由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)。(1)三點(diǎn)式LC并聯(lián)電路與三極管的連接方法電容三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式諧振回路的三個(gè)引出端與三極管的三個(gè)電極相連(指交流連接),其中兩個(gè)同性質(zhì)電抗的公共點(diǎn)與發(fā)射極相連,而另一個(gè)異性電抗則連在集電極與基極間。LcbC1eC2cbCeL1L2仍然由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)電容三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式CL1L2ALC1C2A諧振回路的三個(gè)引出端與集成運(yùn)放的三個(gè)端子(同相端、反相端、