模电-第8章 波形的产生与变换电路

1、第八章第八章 波形的产生与变换电路波形的产生与变换电路8.1 正弦波振荡的基本原理正弦波振荡的基本原理8.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路8.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路8.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路8.5 比较器比较器8.6 方波发生器方波发生器8.7 三角波及锯齿波发生器三角波及锯齿波发生器8.1 正弦波振荡器的基本原理正弦波振荡器的基本原理一一. 产生自激振荡的条件产生自激振荡的条件fidXXX-=只有正反馈电路才能产生自激振荡。只有正反馈电路才能产生自激振荡。+Xi f基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FX+doXX改成正反馈改成正反馈+如果：如果：,dfXX

2、=则去掉则去掉,iX仍有信号输出。仍有信号输出。即反馈信号代替了放即反馈信号代替了放大电路的输入信号。大电路的输入信号。Xi +f基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FX+doXXfidXXX+=AF=1Xd=Xf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是整数是整数1.=FAAAAj=|因为：因为：FFFj=|.Xdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXX二二.起振条件和稳幅原理起振条件和稳幅原理起振条件：起振条件：结果：产生增幅振荡结果：产生增幅

3、振荡1| FA（略大于）略大于）1 1、被动：利用放大器的限幅特性、被动：利用放大器的限幅特性2 2、主动：在电路中加入稳幅环节，用以、主动：在电路中加入稳幅环节，用以调节放大电路的环路调节放大电路的环路增益增益稳幅过程：稳幅过程：稳幅措施：稳幅措施：Xdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXX干扰、噪声中选择所干扰、噪声中选择所需的频率成分需的频率成分起振时，起振时，1| FA稳定振荡时，稳定振荡时，1|= = FA 1.1.基本放大电路基本放大电路 A 三三. . 正弦波振荡器的组成正弦波振荡器的组成2.2.正反馈网络正反馈网络 F3.3.选频网络选频网络4.4.稳幅环节稳幅环节

4、使电路易于起振又能使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小稳定振荡，波形失真小RC，LC，晶体晶体A与与F首尾相连首尾相连正弦波振荡器命名正弦波振荡器命名RCLC低频低频高频高频晶体晶体稳频稳频四四. . 振荡电路的分析方法振荡电路的分析方法判断能否产生振荡的一般方法判断能否产生振荡的一般方法(1). 检查电路的基本组成(4). 用相位平衡条件相位平衡条件判定电路能否振荡。将电路在放大器输入端断开，利用瞬时极性法判断电路是否是正反馈 (2). 检查放大电路是否正常工作(3). 分析是否满足振荡产生的幅值平衡条件幅值平衡条件。 一般一般|AF|应略大于18 . 2 RC正弦波正弦波振荡电路振荡电路

5、 8.2.1、RC桥式振荡电路桥式振荡电路 8.2.2、RC移相式振荡电路移相式振荡电路8.2.1 RC桥式桥式振荡电路振荡电路RC桥式振荡器结构图桥式振荡器结构图基本放大器基本放大器A正反馈网络正反馈网络F选频网络运放的限幅特性运放的限幅特性uRf1RRRCCufA+oRC 串并联串并联网络网络一一. RC 串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性R1C1 串联阻抗：串联阻抗：)j/1(111CRZ + += =222222j1 )j/1/(CRRCRZ + += = =R2C2 并联阻抗：并联阻抗：选频特性选频特性(传输增益传输增益)+Ru+-o-fu+12RC12C212ofZZZUUF

6、+ += = =.1.定性分析：定性分析：（1）当信号的频率很低时）当信号的频率很低时R111CR221C其低频等效电路为：其低频等效电路为：其频率特性为：其频率特性为：当当=0时，时，uf=0，F=0 =+90Fj当当时，时，uf=，F Fj+fo-+R21u-uC+0 |F|0 F90+Ru+-o-fu+12RC12C.ofUUF = =.（2）当信号的频率很高时）当信号的频率很高时R111CR221C其高频等效电路为：其高频等效电路为：其频率特性为：其频率特性为：当当=时，时，uf=0，F=0 =-90Fj当当时，时，uf=，F Fj+ou-f-u+2C+1R0 |F|0 F-90+Ru

7、+-o-fu+12RC12C0=？ Fmax=？由以上分析知：一定有一个频率由以上分析知：一定有一个频率0存在，存在，当当=0时，时，F最大，且最大，且 =0Fj0 |F|0 F900 |F|0 F-902. 定量分析定量分析)j/1 (111CRZ+=222222j1 )j/1/(CRRCRZ+=R1C1 串联阻抗：串联阻抗：R2C2 并联阻抗：并联阻抗：频率特性：频率特性：+Ru+-o-fu+12RC12C212ofZZZUUF+ += = =.)1j()1 (1j1j1j11221211222211222CRCRRRCCCRRCRCRR-+=+=)1j()1(1j1j1j11221211

8、222211222CRCRRRCCCRRCRCRRF - -+ + + += =+ + + + += = 通常，取通常，取R1R2R，C1C2C，则有：，则有：)j(3100 - -+ += = F式中：式中：RC10= = 可见：当可见：当 时，时， F最大，且最大，且 =0RC10=Fj Fmax=1/3+Ru+-o-fu+12RC12C+Ru+-o-fu+RCCRC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：RC10= = 当当 时，时， F= Fmax=1/30F=jRC10=RCfp p210= = Fo +90o |F|1/32002)(31|-+=F3)(arct

9、g00j-=F)j(3100 - -+ += = F二二.RC桥式振荡器的工作原理桥式振荡器的工作原理0=Aj在在 f0 处处,0=Fj满足相位条件：满足相位条件：因为：因为：AF=131=F11f+=RRA1f2RR =只需：只需：A=3输出正弦波频率输出正弦波频率：RCfp210=0=+FAjj振幅条件：振幅条件：uRf1RRRCCufA+o引入负反馈：引入负反馈：选：选：例题例题: :R=1k=1k ，C=0.1=0.1 F F，R1 1=10k=10k 。Rf f为多大时才为多大时才能起振？振荡频率能起振？振荡频率f0 0= =？ AF=1，31=F11f+=RRAA=3Rf=2R1=

10、2 10=20k k RCfp210=1592 Hz起振条件：起振条件：uRf1RRRCCufA+o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）起振时起振时Rt较大较大 使使A3,易起振。易起振。 当当uo幅度自激增长幅度自激增长时，时， Rt减小，减小，A减减小。小。 当当uo幅度达某一值幅度达某一值时，时， A3。 当当uo进一步增大时，进一步增大时， Rt再减小再减小 ,使使A UREF时时 , uo = +Uom当当ui UREF时时 , uo = -Uom 运放处于运放处于开环状态开环状态uuU+i-uuAOREFuoui0+Uom-

11、UomUREF当当ui UREF时时 , uo = -Uom 若若ui从反相端输入从反相端输入uoui0+UZ-UZ（1）用双向稳压管稳定输出电压）用双向稳压管稳定输出电压忽略了忽略了UD3. 输出限幅电路输出限幅电路使输出电压为一稳定的确定值使输出电压为一稳定的确定值uuZ+O+-AuZ+DuRi当当ui 0时时 , uo = +UZ当当ui 0时时 , uo = -UZ当当ui 0时时 , uo = +UZ 电路中存在非线性负反馈元件，加速运放状态的转换，运放工作在线性状态电路中存在非线性负反馈元件，加速运放状态的转换，运放工作在线性状态比较器的分析方法(1)求出阈值: 输出从一个电平跳变

12、到另一个电平 时（这时运放的两个输入端之间可视为虚短虚 断）所对应的输入电压值，即门限电平。(2) 分析输入与输出的关系,画出传输特性 单限比较器的其它形式单限比较器的其它形式 -+AvovI+- -R3D1D2R1/R2VREFR1R2i1i2分析方法：分析方法：1）令令v- -= v+ +求出的输入电压求出的输入电压vI I 即门限电平即门限电平。2 2）分别分析）分别分析vI I大于门限大于门限、小于门限时的输出小于门限时的输出vO O电平。电平。0REF212I211=+VRRRvRRR令令得门限电平得门限电平2thREF1RvVR= -即即v+ v-若若REF12IVRRv-则则vO

13、 = VOH =+UZ比较特性比较特性vIvoVOHVOLVREFR2R1- - 单限比较器优、缺点：单限比较器优、缺点： 优点优点：电路结构简单。：电路结构简单。缺点缺点：电路抗干扰能力：电路抗干扰能力差。差。 例如：过零比较器，当门限电平附近出现干扰例如：过零比较器，当门限电平附近出现干扰信号时，输出会出现误操作。信号时，输出会出现误操作。 tvO0vIt0二二. 迟滞迟滞(滞回滞回)比较器比较器1.工作原理工作原理两个门限电压。两个门限电压。特点特点:电路中使用正反馈电路中使用正反馈运放工作在非线性区。运放工作在非线性区。（1）当）当uo =+UZ时，时，（2）当）当uo =-UZ时，时

14、，REFZURRRURRRUu2ff2f2T+ + + += = =+ + +REFZURRRURRRUuf2ff22T+ + + +- -= = =- -+ +UT+称称上门限电压上门限电压UT-称称下门限电压下门限电压UT+- UT-称为回差称为回差电压电压uuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2迟滞比较器的电压传输特性：迟滞比较器的电压传输特性：uoui0+UZ-UZUT+UT-设设ui , 当当ui = UT+时时, uo从从+UZ -UZuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2主要特点：抗干扰能力强。主要特点：抗干扰能力强。UT+UT-2fTf2f2ZREFRRU

15、UURRRR+=+2fT2f2fZREFRRUUURRRR-= -+例题：例题：Rf=10k ，R2=10k ，UZ=6V， UREF=10V。当输入当输入ui为如图所示的波形时，画为如图所示的波形时，画 出输出出输出uo的波形。的波形。上下门限电压：上下门限电压：V82ff2f2T= =+ + + += =+ +RZURRRURRRU2fTf2f22VZRRRUUURRRR-= -+=+uoui08V2V传输特性传输特性+6V-6VuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R22V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V2V传输特性传输特性+6V-6VuuuA+R-Zu+DO+fuRZiR

16、EFR1R212REFoI1212RRvvvvRRRR+=+11IREFo22RRv(1)V-vRR=+临界状态下有:-REF-+REFv = vv = v = v 同相输入迟滞比较器同相输入迟滞比较器vI-+AR2vOR1R3VZVREF11OZITHRZ22RRvVvV(1)VVRR= -=+11OZITLREFZ22RRvVvV(1)VVRR= +=+- 1TTHTLz2RVV-V2VR=回差电压：迟滞比较器输入输出波形VTHVTLvI-+AR2vOR1R3VZVR比较器总结比较器总结 运放工作在开环或正反馈状态和非线性区，其输运放工作在开环或正反馈状态和非线性区，其输出电压只有高电平出

17、电压只有高电平VOH和低电平和低电平VOL两种情况。两种情况。 用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。数关系。 电压传输特性的关键要素电压传输特性的关键要素 输出电压的高电平输出电压的高电平VOH和低电平和低电平VOL 门限电压门限电压 令令v+v-所求出的所求出的vI就是门限电压就是门限电压 输出电压的跳变方向输出电压的跳变方向 vI等于门限电压时输出电压发生跳变等于门限电压时输出电压发生跳变 跳变方向取决于是同相输入方式还是反相输入方式跳变方向取决于是同相输入方式还是反相输入方式8.6 方波发生器方波发生器1.电路结构电路结构:由滞回比

18、较电路和由滞回比较电路和RC定时电路构成定时电路构成ZURRRUf11T+ += =+ +ZURRRUf11T+ +- -= =- -上下门限电压上下门限电压:u+A+-u+u1RfRZRZDORCuC迟滞比较器，其开关作用起延迟和反馈作用2.工作原理：工作原理：(1) 电源刚接通，电源刚接通，uc=0, uo = + UZ , 此时，此时，uo给给C 充电充电, uc ，u+=UT+0tuo+UZ-UZucUT+0t一旦一旦 uc UT+ , 就有就有 u- u+ , uo 立即由立即由UZ变成变成UZ在在 uc UT+ 时，时，u- u+ , 设设uC初始值初始值uC(0+)= 0方波发生

19、器方波发生器uo保持保持+UZ不变不变+UZu+A+-u+u1RfRZRZDORCuCUT+此时，此时，C向向u uO O放电放电, , , uc下降下降(2) 当当uo = -UZ 时，时， u+=UT-uc达到达到UT-时，时，uo上跳。上跳。UT+uctUT-当当uo 重新回到重新回到UZ 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。-UZu+A+-u+u1RfRZRZDORCuC0tuo+UZ-UZUT-0UT+uctUT-+UZuo0t - UZT完整的波形：完整的波形：计算振荡周期计算振荡周期T。u+A+-u+u1RfRZRZDORCuC周期与频率的计算：周

20、期与频率的计算：0 UT+uct UT- +UZ -UZT1T2TT= T1 + T2 =2 T2 uc(t)=UC ( )+ UC (0+) -UC ( ) e , =RC-t T2阶段阶段uc(t)的过渡过程方程为的过渡过程方程为:)21ln(2f1RRRCT+ += =f = 1/T可推出可推出:u+A+-u+u1RfRZRZDORCuC3 3、占空比可调的方波发生器占空比可调的方波发生器UZuo0t- UZ 改变电位器改变电位器 RW 的滑动端，就改变了冲放电的的滑动端，就改变了冲放电的时间，从而使方波的占空比可调。时间，从而使方波的占空比可调。u+A+-u+u1RfRZRZD1D2D

21、ORWRCuC8.7 三角波及锯齿波信号发生器三角波及锯齿波信号发生器电路结构：迟滞比较器电路结构：迟滞比较器+反相积分器反相积分器一一. 三角波发生器三角波发生器u+R+A1+RZ-2ZDu4Ro2+R1R35RCuuo1A2工作原理工作原理：若若uo1=+UZ， uo2， u+ 。)(0dt12o01o42o+ + +- -= = uuCRut2o2121o211uRRRuRRRu+ + + += =+ + 当当u+ 0时，时， uo1翻转为翻转为-UZ。若若uo1=-UZ， uo2， u+ 。 当当u+ 0时，时， uo1翻转为翻转为+UZ。波形图波形图:振荡周期：振荡周期：0UT+uo2tUT-+UZuo10t - UZTuR-+Z+uRR+12A1u4R+CA2RZD5+uo1o2ZTURRU21= =+ +ZTURRU21- -= =- -2414RCRRT = =)(0dt12o01o42o+ + +- -= = uuCRut2o2121o211uRRRuRRRu+ + + += =+ + 二二.锯齿波发生器锯齿波发生器改变积分器的正反向改变积分器的正反向充电时间常数充电时间常数uo1=+UZ，D截止，截止，充电充电时间常数：时间常数：R4C。uo1=-UZ，D导通，导通，充电时充电时间常数：间常数：(R6R4)C。 R6R4+UZu