第八章波形发生电路(修改)

1、波形发生电路正弦波发生电路正弦波发生电路产生正弦波的条件产生正弦波的条件RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路石英晶体振荡石英晶体振荡电压比较器电压比较器非正弦波发生电路非正弦波发生电路三角波发生器三角波发生器矩形波发生器矩形波发生器锯齿波发生器锯齿波发生器第第8 8章章 波形发生电路波形发生电路LCLC正弦波振荡电路设计正弦波振荡电路设计1.正弦波发生电路的组成正弦波发生电路的组成8.18.1正弦波发生电路正弦波发生电路8.1.1产生正弦波的条件产生正弦波的条件 （1 1）放大电路）放大电路 （2 2）正反馈网络）正反馈网络（3 3）选频网络）选频网络只对一

2、个频率满足振荡条件，只对一个频率满足振荡条件，从而获得单一频率的正弦波输出。从而获得单一频率的正弦波输出。（4 4）稳幅电路）稳幅电路选频网络组成：选频网络组成： R、C和和L、C正弦波振荡器命名正弦波振荡器命名RCLC低频低频高频高频fidXXX-=改成正反馈改成正反馈只有只有正反馈正反馈电路才能产生自激振荡。电路才能产生自激振荡。基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FiX+ dXoXfX+ +2.产生正弦波的平衡条件产生正弦波的平衡条件如果：如果：,dfXX=则去掉则去掉,iX仍有信号输出。仍有信号输出。基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FdXoXfX 反馈信号代替了放反馈信

3、号代替了放大电路的输入信号。大电路的输入信号。基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FiX+ + + +dXoXfX所以，自激振荡条件也可以写成：所以，自激振荡条件也可以写成：自激振荡的条件：自激振荡的条件：（1）振幅条件：）振幅条件：1|=AF（2）相位条件：）相位条件：pjjnFA2=+n为为0或正或正整数整数1=FA基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FdXoXfXAAAj=|因为：因为：FFFj=|. . .dfXX=1)(=ofdodfXXXXXX 一般而言，正弦振荡电路中的放一般而言，正弦振荡电路中的放大器件是工作在线性区（如大器件是工作在线性区（如RC振荡电振荡电路）或

4、接近于线性区（如路）或接近于线性区（如LC振荡电振荡电路），因此，在近似分析中振荡电路路），因此，在近似分析中振荡电路可按线性电路处理可按线性电路处理。 Z1Z2RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路1、RC串并选频网络正弦波振荡电路串并选频网络正弦波振荡电路 稳定电路的电压放大倍数、稳定电路的电压放大倍数、 维持振荡幅度；维持振荡幅度； 降低输出电阻，提高电路的带负载能力，降低输出电阻，提高电路的带负载能力， 输出振荡信号；输出振荡信号； 增加输入电阻，减小放大电路对选频网络增加输入电阻，减小放大电路对选频网络 的负载效应；的负载效应； 减小输出波形失真；减小输出波形失真； 电阻电阻RfR1为电压

5、串为电压串联负反馈支路联负反馈支路反馈网络兼做选频网络反馈网络兼做选频网络2. RC桥式振荡电路桥式振荡电路LCLC正弦波振荡电路是指选频网络由正弦波振荡电路是指选频网络由LCLC谐振电路谐振电路构成的振荡电路。构成的振荡电路。LCLC正弦波振荡电路的组成原正弦波振荡电路的组成原理与理与RCRC正弦波振荡电路相似，同样包括有放大正弦波振荡电路相似，同样包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路等四电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路等四个部分。个部分。选频网络一般运用选频网络一般运用LCLC并联谐振电路。由于并联谐振电路。由于LCLC正正弦波振荡电路的振荡频率较高（一般在几百弦波振荡电路的

6、振荡频率较高（一般在几百kHzkHz几百几百MHzMHz），放大电路以分立元件电路较），放大电路以分立元件电路较多（一般集成运放高频特性较差，不能满足实多（一般集成运放高频特性较差，不能满足实际要求），所以，下面主要讨论分立元件际要求），所以，下面主要讨论分立元件LCLC正正弦波振荡电路。弦波振荡电路。 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 根据引入正反馈电路形式不同，根据引入正反馈电路形式不同，LCLC正弦振荡正弦振荡电路又可分为电路又可分为 变压器反馈式变压器反馈式 电感三点式电感三点式 电容三点式电容三点式 振荡电路中基本放大电路可以是共射（或共振荡电路中基本放大电路可以是共射（或共源）放大

7、电路，也可以是共基放大电路。晶体管源）放大电路，也可以是共基放大电路。晶体管共基组态比共射组态高频特性好，在要求振荡频共基组态比共射组态高频特性好，在要求振荡频率较高的情形下，采用共基放大电路。率较高的情形下，采用共基放大电路。LCLC正弦振荡电路的类型正弦振荡电路的类型 电容反馈振荡器电容反馈振荡器 电感反馈振荡器电感反馈振荡器（考必兹振荡器）（考必兹振荡器） （哈特莱振荡器）（哈特莱振荡器）电感三点式电感三点式LC振荡电路：左、右图分别为振荡电路：左、右图分别为共射、共基组态。图中标出了瞬时极性、共射、共基组态。图中标出了瞬时极性、两图均满足正反馈相位条件。两图均满足正反馈相位条件。电感三

8、点（端）式电感三点（端）式LCLC振荡电路振荡电路电容三点（端）式电容三点（端）式LCLC振荡电路振荡电路Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。值越高，选频特性越好，频率越稳定。1.振荡电路频率稳定的问题振荡电路频率稳定的问题频率稳定度一般由频率稳定度一般由 来衡量来衡量0ff 频率偏移量频率偏移量f 0f振荡频率振荡频率LC LC 振荡电路振荡电路Q Q 几十至一、二百几十至一、二百石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路Q Q 10104 4 10 106 6石英晶体正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路极板间加电场极板间加电场极板间加机械力极板间加机械力晶体机械变形晶体机械变形晶体产生电场晶体产生电

9、场2.2.石英晶体的特性石英晶体的特性 石英晶体石英晶体压电效应压电效应交变电压交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压 机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高稳定性高 当交变电压频率当交变电压频率 = 固有频率时，振幅固有频率时，振幅最大最大 压电谐振压电谐振1）压电效应与压电谐振）压电效应与压电谐振包括泛音在内的等效电路谐振频率附近的等效电路2 2）晶体谐振器等效电路）晶体谐振器等效电路 C C0 0是晶体作为电介质的静电容，其数值一般为几是晶体作为电介质的静电容，其数值一般为几个皮法至几十皮法。个皮法至几十皮法。L Lq q、C Cq q、r rq

10、q是对应于机械共振经是对应于机械共振经压电转换而呈现的电参数。压电转换而呈现的电参数。r rq q是机械摩擦和空气阻尼是机械摩擦和空气阻尼引起的损耗。引起的损耗。 串联谐振频率串联谐振频率f fs sqqsCLf21= 并联谐振频率并联谐振频率f fp p0000112121CCfCCCLCCCCLfqsqqqqqqp+=+=+=由于由于C0Cq，晶体谐振器的并联谐，晶体谐振器的并联谐振频率振频率f0与串联谐振频率与串联谐振频率fq相差很小。相差很小。+=0211CCffqsp C Cq q/ /C C0 01 UREF时时 ： uo = +Uom当当 ui UREF时时 ： uo = -Uo

11、m 运放处于开环状态运放处于开环状态uoui0+Uom-UomUREF当当ui UREF时时 ： uo = -Uom 若若ui从反相端输入从反相端输入运放处于开环状态运放处于开环状态+uouiUREF+uiuoui0+UZ-UZ用稳压管稳定输出电压用稳压管稳定输出电压uo UZuoui0+UOM-UOM+uoui忽略了忽略了UD限幅电路限幅电路使输出电压稳定使输出电压稳定REFNURRRuRRRu2121211+=的阈值）（，则阈值电压令iREFTPNuURRUuu120-= (2) 非过零单限比较器非过零单限比较器 阈值电压阈值电压UT0比较器。电路为比较器。电路为反相输入非过零比较器，反相

12、输入非过零比较器，UREF为基为基准电压。根据叠加原理，集成运放准电压。根据叠加原理，集成运放反相输入端的电位为反相输入端的电位为虚断成立（运放输入端电流虚断成立（运放输入端电流=0）REFTURRU12-=0REFU0REFU特点特点:电路中使用正反馈。电路中使用正反馈。1）有正反馈，输出饱和。）有正反馈，输出饱和。oTUUouRRRUuMM21100+=+-则+uoRR2R1uiUT3. 滞回比较器滞回比较器2）当）当uo正饱和时正饱和时(uo =+Uom) ：3）当）当uo负饱和时负饱和时(uo =-Uom) ：+uoRR2R1uiUToTuRRRU211+=-=+-=TomTUURRR

13、U211+=+=TomTUURRRU211+uoRR2R1uiUTuoui0+Uom-UomUT+UT-设设ui , 当当ui = UT+, uo从从+Uom -Uom传输特性传输特性uoui0+Uom-UomUT+UT-UT+上门限电压上门限电压UT-下门限电压下门限电压UT+- UT-称为回差称为回差电压电压om211URRR+ += =+UT Tom211URRR+ += -= -UT TtuiUT+UT-tuoUom-Uom例例: :设输入为正弦波设输入为正弦波, 画画出输出的波形。出输出的波形。+uoRR2R1uiU+加上参考电压后的迟滞比较器加上参考电压后的迟滞比较器上、下门限电压

14、：上、下门限电压：uoui0UT+UT-传输特性传输特性+UZ-UZ当当UREF0、且满足、且满足则则UT2UT10，REFZURRRURRRUU2122112TT+=+REFZURRRURRRUU2122111TT+-=-上限触发电平上限触发电平下限触发电平下限触发电平1.1.典型电路及工作原理典型电路及工作原理 C + A vC N Rf R O R1 R2 vO DZ1 VZ1 DZ2 VZ2 (b) +VCC1 -VEE 稳压管双向限幅稳压管双向限幅.2矩形波发生电路矩形波发生电路 Rf vC C + A vO R1 R2 (a) RC充放充放电支路电支路迟滞比较器迟滞

15、比较器(1) (1) 电路的组成电路的组成 由滞回比较电路和由滞回比较电路和RCRC定时电路构成的定时电路构成的omURRRU211T+=+omURRRU211T+-=-上、下门限电压上、下门限电压:+RR1R2Cucuo(2) (2) 电路的工作原理：电路的工作原理：1) 设设 uo = + UOM , 此时，输出给此时，输出给C 充电充电, uc 则：则：u+=UT+RR1R2C+ucuo设设uC初始值初始值uC(0+)= 00tuoUOM-UOMucUT+0tUOM一旦一旦 uc UT+ , 就有就有 u- u+ ,在在 uc UT+ 时，时，u- u+ , uo 立即由立即由UOM 变

16、成变成UOM uo保持保持+UOM不变不变1) 设设 uo = + UOM +RR1R2C+ucuo 此时，此时，C 经输出端放电经输出端放电, ,再反向充电再反向充电2) 当当uo = -UOM 时，时，u+=UT-uc 达到达到UT-时，时，uo上翻上翻+RR1R2C+ucuoUT+uctUT- 当当uo 重新回到重新回到UOM 以以后，电路又进入另一个周期后，电路又进入另一个周期性的变化。性的变化。于是输出电压于是输出电压uO为矩形波。为矩形波。 -UOM2. 电路波形分析及信号周期的计算电路波形分析及信号周期的计算（1）波形分析）波形分析 T1与周期与周期T 比值称占空比值称占空 比比

17、D= T1/T。 方波占空方波占空 比比D=1/2的的 矩形波。矩形波。 (2) 信号周期的计算信号周期的计算 一阶一阶RC过渡过过渡过程方程为程方程为:RCtcccceuuutu-+-+=)()0()()(RCtcccceuuutu-+-+=)()0()()(-+=TcomcUuUu)0()()21ln(212RRRCT+=电路振荡周期电路振荡周期+RR1R2C+ucuo个周期时，刚好所耗时间为半+=TcUtu)(RCTomTomTeUUUU2-+-+=反向积分电路反向积分电路方波发生器方波发生器电路一：电路一：方波发生器方波发生器 积分电路积分电路+RR1R2C+uc-+RR2Cuo 此电

18、路要求前后电路的时间常数配合好，此电路要求前后电路的时间常数配合好，不能让积分器饱和。不能让积分器饱和。.3三角波发生电路三角波发生电路-=dtuRCuoo11+RR1R2C+uc-+RR2Cuouo1uo 三角波的周期由方波发三角波的周期由方波发生器确定，其幅值也由周生器确定，其幅值也由周期期T和参数和参数R、C决定。决定。0uo1tUom-Uom运放的应用运放的应用有源滤波器有源滤波器运算运算加减加减微积分微积分线性线性非线性非线性乘除乘除对指数对指数运放处于线性放大状态运放处于线性放大状态 （负反馈）（负反馈）运放处于非线性状态运放处于非线性状态 （开环或正反馈）（开环或

19、正反馈）注：正弦波振荡器中运放仍处于线性放大状态。注：正弦波振荡器中运放仍处于线性放大状态。比较器比较器信号发生器信号发生器正弦波正弦波非正弦波非正弦波1.以运放的输出为边界，以运放为核心分级以运放的输出为边界，以运放为核心分级；3.求解各级和整个系统输入输出求解各级和整个系统输入输出关系；关系；2.确定运放状态确定运放状态(线性线性/非线性非线性)；运放应用电路的一般分析步骤：运放应用电路的一般分析步骤：总总 结结1 1利用产生自激振荡的条件去构成正反馈电路，利用产生自激振荡的条件去构成正反馈电路，以产生正弦波振荡。以产生正弦波振荡。2 2正弦波振荡电路中正弦波振荡电路中RCRC振荡电路主要