第7章基于集成运放的信号产生与变换电路

1、第第7章章 基于集成运放的信号产生与变换电路基于集成运放的信号产生与变换电路信号转换电路信号转换电路7.4正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1非正弦波产生电路非正弦波产生电路7.2波形变换电路波形变换电路7.37.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.1 概概 述述1. 产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件正弦波振荡电路是一种信号发生电路，它不需外加任何输正弦波振荡电路是一种信号发生电路，它不需外加任何输入信号，由电路自身就能产生一定频率和一定幅值的正弦入信号，由电路自身就能产生一定频率和一定幅值的正弦输出信号。输出信号。 在电扰动下，对于某一特定频率在电扰动下，对于某一特定频率f0的信号

2、形成正反馈：的信号形成正反馈：oioXXXfiXXoXFiXFA1FA211FAnFAFA幅值平衡条件幅值平衡条件相位平衡条件相位平衡条件1FA起振条件：起振条件： 要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的f0，且在，且在合闸通电时对于合闸通电时对于f= f0信号有从小到大直至稳幅的过程，信号有从小到大直至稳幅的过程，即满足起振条件。即满足起振条件。输出电压从幅值很小、含有丰富频率，到仅有一种频率输出电压从幅值很小、含有丰富频率，到仅有一种频率且幅值由小逐渐增大直至稳幅。且幅值由小逐渐增大直至稳幅。2 2振荡的建立与稳定振荡的建立与稳定振荡电路的起振条件为振

3、荡电路的起振条件为: : nFAFA21幅值很小幅值很小频率丰富频率丰富振荡的建立与稳定过程：振荡的建立与稳定过程：上图上图部分部分频率趋频率趋于单一于单一幅值逐幅值逐渐增大渐增大逐渐变为单一频逐渐变为单一频率的稳幅振荡率的稳幅振荡3 3正弦波信号发生器的电路组成正弦波信号发生器的电路组成1) 放大电路：放大电路：放大作用放大作用2) 正反馈网络：正反馈网络：满足相位条件满足相位条件3) 选频网络：选频网络：产生单一频率产生单一频率f0的的振荡振荡4) 非线性环节（稳幅环节）：非线性环节（稳幅环节）：稳稳定输出幅值定输出幅值常合二为一常合二为一1) 是否存在四个主要组成部分；是否存在四个主要组

4、成部分；2) 放大电路能否正常工作，即是否有合适的放大电路能否正常工作，即是否有合适的Q点，信号是否点，信号是否可能正常传递，可能正常传递，有有没有被短路或断路没有被短路或断路；3) 是否满足相位条件，即是否存在是否满足相位条件，即是否存在 f0，是否可能振荡，是否可能振荡 ；4) 是否满足幅值条件，即是否一定振荡。是否满足幅值条件，即是否一定振荡。4 4、分析方法、分析方法5 5正弦波振荡电路的分类正弦波振荡电路的分类按选频网络所用元件分类：按选频网络所用元件分类：（1）RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 （产生（产生1MHz以下）以下）（2）LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路变压器反馈式变压器

5、反馈式电感反馈式（电感三点式）电感反馈式（电感三点式）电容反馈式（电容三点式）电容反馈式（电容三点式）（产生（产生几百几百千赫千赫几百几百兆赫）兆赫）（3）石英晶体振荡器）石英晶体振荡器串联型串联型并联型并联型（振荡频率振荡频率非常非常稳定稳定）7.1.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路组成放大器组成放大器组成选频网路组成选频网路, 同时也是正同时也是正反馈网络反馈网络ofVVFCjRCjRCjR1/11/)1j(31RCRCRC10RCf21200)(3100jF)(3100ffffj)(3100ffffjF2002)(31ffffF)(31arctan00ffffF可见，当可见，当 时，

6、时， 最大，且最大，且 。RCff210F0F31maxFRC串并联网络完整的频率特性曲线：串并联网络完整的频率特性曲线：0FRCff210时，时，31maxF11RRAf0ARCff210时，时，0)(0 ffFA31 AFA1只要满足：只要满足： 即可。即可。3A311RRf12RRf输出正弦波频率输出正弦波频率：RCf210文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器例题例题:R=1k ，C=0.1 F，R1=10k 。Rf为多大时才能起振？为多大时才能起振？振荡频率振荡频率f0=？ 解：起振条件：解：起振条件：uRf1RRRCCufA+o12RRfkk20102振荡频率：振荡频率：RCff210kHz

7、kHz59. 11 . 0114. 321能自动稳幅的振荡电路：能自动稳幅的振荡电路：半导体热敏电阻半导体热敏电阻(负温度系数）负温度系数）u0.1u10k0.1u+Afu10k10k39k100kotR11RRAf11RRRwt上K：双联波段开关，：双联波段开关，切换切换R，用于，用于粗调振荡频率。粗调振荡频率。C：双联可调电容，改变双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。用于细调振荡频率。_+ + RfvoRCCR1 1KKR1R1R2R2R3R3振荡频率：振荡频率：RCf210频率可调的文氏桥振荡器：频率可调的文氏桥振荡器：振荡频率连续可调的振荡频率连续可调的RC串并联选频网络串并联选频

8、网络频率可调的文氏桥振荡器：频率可调的文氏桥振荡器：VfVo7.1.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路1LC并联谐振回路并联谐振回路)/(1LjRCjZLjRCjLjRCj1)(1一般情况下，一般情况下， LjR)1(CLjRCLZCL001当当 ， LC并联谐振回路呈纯阻性，称其发生并联谐振。并联谐振回路呈纯阻性，称其发生并联谐振。LC10 即即 ， LCf210 时时RCLZ LC并联谐振回路的频率特性曲线：并联谐振回路的频率特性曲线：0时，时，LCff210RCLZ 呈纯阻性，且达到最大值呈纯阻性，且达到最大值RCLZZ0LQ0CQ02变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路（1）

9、相位平衡条件）相位平衡条件0ff （2）起振条件）起振条件1FA利用晶体管的非线性使利用晶体管的非线性使电路自动稳定输出幅值。电路自动稳定输出幅值。（3）振荡频率）振荡频率LCCLff21210特点：特点：易起振，波形较好；耦合不紧密，易起振，波形较好；耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。损耗大，频率稳定性不高。+ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU(+)(-)(+)(+)变压器反馈式正弦波振荡器举例：变压器反馈式正弦波振荡器举例：(+)(+)(+)(+)满足相位平衡条件满足相位平衡条件Vb221eLCeccCbb1RRRLC(-)(+)变压器反馈式正弦波振荡器举例：变压器反馈式正弦波

10、振荡器举例：（+）（+）（）（+）振荡频率振荡频率:（）LCf210满足相位平衡条件满足相位平衡条件VRReb1ccLCCeC2RcC1Rb2变压器反馈式正弦波振荡器举例：变压器反馈式正弦波振荡器举例：3电感反馈（三点）式电感反馈（三点）式LC振荡电路振荡电路反相与0vvf同相与0vvfvvo1LC2LfvvCLL12fo首端首端尾端尾端中间抽头中间抽头首端首端尾端尾端中间抽头中间抽头0ff 振荡频率：振荡频率：LCf210CMLL)2(2121电感的三个抽头分别接晶体电感的三个抽头分别接晶体管的三个极，故称之为电感管的三个极，故称之为电感三点式振荡电路。三点式振荡电路。特点：耦合紧密，易起振

11、，振特点：耦合紧密，易起振，振幅大；调节幅大；调节C 可获得较宽范围可获得较宽范围的振荡频率。波形较差，常含的振荡频率。波形较差，常含有高次谐波。有高次谐波。3电感反馈（三点）式电感反馈（三点）式LC振荡电路振荡电路4电容反馈（三点）式电容反馈（三点）式LC振荡电路振荡电路反相与0vvf同相与0vvf首端首端尾端尾端中间抽头中间抽头首端首端尾端尾端中间抽头中间抽头vvf2o1CCLvvLCoC12f4电容反馈（三点）式电容反馈（三点）式LC振荡电路振荡电路0ff 振荡频率：振荡频率：LCf210212121CCCCL特点：特点：波形好，振荡频率调整范围小，波形好，振荡频率调整范围小，适于频率固

12、定的场合。适于频率固定的场合。7.1.4 石英晶体正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路1. 石英晶体石英晶体SiO2结晶体按一定方向切割的晶片。结晶体按一定方向切割的晶片。压电效应：压电效应：晶片的两个电极间加一电晶片的两个电极间加一电场，会使晶体产生机械变场，会使晶体产生机械变形；相反，若在晶体上施形；相反，若在晶体上施加机械压力，又会在两个加机械压力，又会在两个电极上产生相应的电场。电极上产生相应的电场。 如果在晶片的两个电极间加的是交变电压，就会产如果在晶片的两个电极间加的是交变电压，就会产生机械振动，同时机械振动又会产生交变电场生机械振动，同时机械振动又会产生交变电场当外加交变电压的频

13、率与晶片的固有频率相等时，机当外加交变电压的频率与晶片的固有频率相等时，机械振动的振幅达到最大，这种现象称为械振动的振幅达到最大，这种现象称为压电谐振压电谐振。 CjLjRZs1)1(CLjR时，时，LCffs21RZsR、L、C支路发生串联谐振。支路发生串联谐振。 01/CjZZsRZs当频率高于当频率高于fs小于小于fp时，时，R、L、C支路呈感性，当与支路呈感性，当与 C0发生并联谐振时，其振荡频率为：发生并联谐振时，其振荡频率为：001121CCfCCLCfsp由于由于C VT+ , 就有就有 v- v+ , vo 立即由立即由VZ变成变成VZ 。在在 vc VT+ 时，时，v- v+

14、 , vo保持保持+VZ不变不变+VZ2工作原理工作原理（2） 当当 vo = - VZ , ZTPVRRRVv211则则 此时，此时，C向向vO放电放电,再反向充电再反向充电VT+vctVT-VZvc达到达到VT-时，时，vo上跳。上跳。当当vo 重新回到重新回到VZ 后，电路又进入另一个周期性的变化。后，电路又进入另一个周期性的变化。0VT+vctVT-+VZvo0t - VZT3波形分析波形分析4主要参数计算主要参数计算0 VT+vct VT- +VZ -VZT1T2TT2阶段阶段vc(t)的过渡方程为的过渡方程为:RCevvvtvtcccc,)()0()()(2212TTTTZcVRR

15、Rv211)0(ZcVv)(RCtZZZceVVRRRVtv)(2114主要参数计算主要参数计算0 VT+vct VT- +VZ -VZT1T2TRCtZZZceVVRRRVtv)(211ZcVRRRTv211)2(0T/2)21ln(221RRRCTTf15占空比可调的矩形波发生电路占空比可调的矩形波发生电路充电时间常数：充电时间常数： 正向充电和反向充电时间正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。常数可调，占空比就可调。CRRw）（11放电时间常数：放电时间常数： CRRw）（22)21ln(2111RRT)21ln(2122RRT)21ln()(212121RRTTT)21ln()

16、2(21RRRRwRRRRTTqww2117.2.2 三角波和锯齿波产生电路三角波和锯齿波产生电路1电路组成电路组成 用积分运算电路可将方波变为三角波。用积分运算电路可将方波变为三角波。积分电路积分电路滞回比较器滞回比较器 2工作原理工作原理12112121OOPvRRRvRRRv若若vo1=+VZ，vo，v+ 。 当当vP1 0时，时，vo1翻转为翻转为-VZ。若若vo1=-VZ，vo，v+ 。 当当 vP1 0时，时，vo1翻转为翻转为+VZ。0VT+votVT-+VZvo10t - VZT2工作原理工作原理0VT+votVT-+VZvo10t - VZT3主要参数计算主要参数计算 发生跳

17、变的临界条件：发生跳变的临界条件： 1Ov011NPvv012112121OOPvRRRvRRRvZTVRRV21ZTVRRV21振荡周期：振荡周期：214RRCRT 锯齿波发生电路锯齿波发生电路CRRRRT)(2w211上CRRRRT)(2w212下CRRRRT)2(2w21wwRRRRTTq21上7.2.3 压控振荡器压控振荡器ZOPVRRRvRRRv32213232令令 ，可得滞回比较器的阈值电压为：，可得滞回比较器的阈值电压为： 022NPvvZTVRRV32（1）当当 vo = + VZ时时, 二极管导通，电容二极管导通，电容C充电，输出电压充电，输出电压 线性下降。线性下降。 1O

18、v15RR 电路中，电路中，R1远大于远大于R5 51RVRviZiC5RVZdtiCvCO11dtRVCZ51ZVRR32215TCRVZ输出电压输出电压vo线性下降的时间为线性下降的时间为: 35212RCRRT （2）当当 vo = - VZ时时, 二极管截止，电容二极管截止，电容C放电，输出电压放电，输出电压 线性上升。线性上升。 1Ov1RviiCdtiCvCO11dtRvCi11ZVRR32221TCRvi输出电压输出电压vo线性上升的时间为线性上升的时间为: iZvVRCRRT31222iZvVRCRRTTTT312221235212RCRRT iZvVRCRRT31222ZiV

19、vCRRRf1232由此可见，输出信号的振荡频率正比于输入电压由此可见，输出信号的振荡频率正比于输入电压vi该电路也称为电压该电路也称为电压频率转换电路。频率转换电路。 7.3 波形变换电路波形变换电路 正弦波变方波、变矩形波、变二倍频，方波变三角波，正弦波变方波、变矩形波、变二倍频，方波变三角波， 三角波变方波，固定频率的三角波变正弦波三角波变方波，固定频率的三角波变正弦波7.3.1 三角波变锯齿波电路三角波变锯齿波电路利用利用电子电子开关开关改变改变比例比例系数系数（1）开关断开）开关断开2ipvv fNNNiRvvRvRvv021iovv 0pvfoiRvRRv00021iovv（2）开关闭合）开关闭合（1）开关断开）开关断开iovv iovv（2）开关闭合）开关闭合7.3.2 三角波变正弦波电路三角波变正弦波电路1滤波法滤波法 三角波用傅立叶级数展开，除基波外，还含有三角波用傅立叶级数展开，除基波外，还含有3次、次、5 次次谐波。谐波。)5sin2513sin91(sin8)(2tttVtvMI只要低通滤波器的上限截止频率小于基波的三倍频，只要低通滤波器的上限截止频率小于基波的三倍频，即可得到频率等于基波频率的正弦波。即可得到频率等于基波频率的正弦波。 vIvOvIvO2折线近似法折线近似法图图7.