模电课件波形的产生与变换

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 使电

4、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几百几百KHzKHz以下以下 几百几百KHzKHz至几百至几百MHzMHz振荡频振荡频率稳定率稳定四四. . 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

5、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 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

6、：选频特性选频特性(传输增益传输增益)+Ru+-o-fu+12RC12C212ofZZZUUF+ += = =.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

7、=-90Fj当当时，时，uf=，F Fj+ou-f-u+2C+1R0 |F|0 F-90+Ru+-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 (1j1j1j112212112222

8、11222CRCRRRCCCRRCRCRR-+=+=)1j()1(1j1j1j11221211222211222CRCRRRCCCRRCRCRRF - -+ + + += =+ + + + += = 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=

9、RCfp p210= = Fo +90o |F|1/32002)(31|-+=F3)(arctg00j-=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

10、荡频率能起振？振荡频率f0 0= =？ AF=1，31=F11f+=RRAA=3Rf=2R1=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A3。 因此因此uo幅度自动稳幅度自动稳定于某一幅值定于某一幅值。u0.

11、1u10k0.1u+Afu10k10k39k100kotRfHz15910102121740=-RCf能自动稳幅的振荡电路能自动稳幅的振荡电路 起振时起振时D1、D2不导通，不导通，Rf1+Rf2略大于略大于2R1。随着。随着uo的增加，的增加， D1、D2逐渐逐渐导通，导通，Rf2被短接，被短接，A自动自动下降，起到稳幅作用。下降，起到稳幅作用。 将将Rf分为分为Rf1 和和Rf2 ， Rf2并联二极管并联二极管u12ARCo1RR+C.+D1D2Rf1f2RRC桥式振荡电路仿真仿真电路结果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，

12、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。振荡频率的调节：振荡频率的调节：_+ + RfuoRCCR1 1KKR1R1R2R2R3R3振荡频率：振荡频率：RCfp210=三三.RC移相式振荡电路移相式振荡电路 基本放大器基本放大器A正反馈网络正反馈网络F移相式选频网络1+uofuRRRCCCRC超前移相电路超前移相电路 +uouf+RRRCCCRC滞后移相电路滞后移相电路 Fo +90+180+2700 Fo -90-180-2700移相网络的选频特性：移相网络的选频特性：RCf6210p p= =RC610= = 基本放大器基本放大器A正反馈网络正反馈网络FRC移相式

13、振荡电路的工作原理移相式振荡电路的工作原理相位条件：相位条件：o180= =Aj j在在 f0 处处o180= =Fj jo360= =+ +FAj jj j满足相位条件：满足相位条件：幅值条件幅值条件:很易满足很易满足RCf6210p p= =振荡频率：振荡频率：u+A+/ /= =/oR2R1R0RRCCCufRRR01R1判断电路能否产生振荡判断电路能否产生振荡CRCCRT1T2Re1Re2Rc2Rc1Rb1VCCCCT1T2Re1Re2Rc2Rc1Rb1VCC判断电路能否产生振荡判断电路能否产生振荡CCT1T2Re1Re2Rc1Rb1VCCCRRReR1R2R4R3RRRCCCVCC-

14、VEERC正弦波振荡器共同点正弦波振荡器共同点1. 结构简单，制作方便，经济可靠；结构简单，制作方便，经济可靠；2. 振荡频率与振荡频率与RC的乘积成反比，如果需要振荡频率较的乘积成反比，如果需要振荡频率较高时，要求高时，要求R，C值较小，实现困难。值较小，实现困难。3. RC选频网络的选频特性较差。选频网络的选频特性较差。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分类分类8.3 LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 由于由于LC振荡电路的振荡频率很高，放大电路的振荡电路的振荡频率很高，放大电路的带宽会影响振荡频率。一般集成运放频带较窄，所以带宽会影响振荡频率。一般集成运放

15、频带较窄，所以LC振荡电路中的放大器一般采用高频振荡电路中的放大器一般采用高频BJT分离元件分离元件组成，而且组成，而且BJT放大器的组态多用共基极接法。放大器的组态多用共基极接法。结构上：结构上：选频网络由选频网络由L和和C元件组成，一般作为放大元件组成，一般作为放大器的负载，使放大环节具有选频特性。器的负载，使放大环节具有选频特性。1. LC并联谐振回路的并联谐振回路的选频特性选频特性R为电感线圈中的损耗电阻为电感线圈中的损耗电阻等效阻抗：等效阻抗： CL001 = =并联谐振并联谐振 ：LC10= =谐振频率谐振频率 RCLZ = =0谐振阻抗谐振阻抗LC10= =RCLZZ= = =0

16、(阻值最大阻值最大且为纯阻且为纯阻)1j(jj1)j(j1CLRCLLRCLRCIUZ - -+ += =+ + + + = = -+LCRiCiLiuZ一、一、 LC并联谐振回路并联谐振回路LC 并联回路的基本特性并联回路的基本特性)1(CLjRCLZ-+=b. 谐振时的等效阻抗谐振时的等效阻抗CQLQRCLZ000 =CLRRCRLQ1100= Q: 回路品质因数回路品质因数,用来评价回路损耗的大小用来评价回路损耗的大小, 一般为几十到几百一般为几十到几百a. 谐振频率谐振频率LC10=LCfp210=LC10= = RCLZZ= = =0|(阻性阻性)幅频特性幅频特性 相频特性相频特性Q

17、值越高，则幅频特性越尖锐，选频特性越好。值越高，则幅频特性越尖锐，选频特性越好。LC并联谐振回路的并联谐振回路的特性曲线特性曲线)21(0LCfp p= =0= = （最大值（最大值)CLRQ1= =品质因数品质因数 由相频特性可由相频特性可知，当知，当0 0时，由于时，由于L1/L 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-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

18、向稳压管稳定输出电压忽略了忽略了UD3. 限幅电路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，运放工作在线性状态电路中存在非线性负反馈元件，运放工作在线性状态对于单门限比较器，如果输入在对于单门限比较器，如果输入在门限电平附近波动时，输出将不门限电平附近波动时，输出将不断在高、低电平之间跳变断在高、低电平之间跳变。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

19、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，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叠加原理！叠加原理！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,

20、 uo从从+UZ -UZuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2主要特点：抗干扰能力强。当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动的时候，只要根主要特点：抗干扰能力强。当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动的时候，只要根据噪声或干扰的电平适当调整两个阈值电压就可以避免输出电压在高低电平之间反复跳据噪声或干扰的电平适当调整两个阈值电压就可以避免输出电压在高低电平之间反复跳变。变。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：V82ff2f2

21、T= =+ + + += =+ +RZURRRURRRUV32ff2f2T= =+ + + +- -= =- -RZURRRURRRUuoui08V3V传输特性传输特性+6V-6VuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R23V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V3V传输特性传输特性+6V-6VuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R28.6 方波发生器方波发生器1.电路结构电路结构由滞回比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+u1RfRZRZ

22、DORCuC2.工作原理：工作原理：(1) 设设 uo = + UZ , 此时，此时，uo给给C 充电充电, uc ，则：则：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方波发生器方波发生器uo保持保持+UZ不变不变+UZu+A+-u+u1RfRZRZDORCuC此时，此时，C向向u uO O放电放电, ,再反向充电再反向充电(2) 当当uo = -UZ 时，时， u+=UT-uc达到达到UT-时，时，uo上跳。上跳。UT+

23、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+u1RfRZRZDORCuC0UT+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

24、= 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+u1RfRZRZD1D2DORWRCuC8.7 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 = = 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