波形产生电路与变换电路课件

第六章波形产生电路与变换电路6.1非正弦波产生电路6.2正弦波产生电路第六章波形产生电路与变换电路6.1非正弦波产生16.1非正弦波产生电路图6–1利用电容充放电产生脉冲波形原理图6.1非正弦波产生电路图6–1利用电容充放电2由图6-1得其三要素为其充放电的波形如图6-2所示,改变充放电时间常数,可得到不同波形。由图6-1得其三要素为其充放电的波形如图6-23图6–2电容充放电的波形图6–2电容充放电的波形46.1.1矩形波产生电路图6–3矩形波产生电路

6.1.1矩形波产生电路图6–3矩形波产生电51.工作原理在图6-3所示电路中,通过Ro和稳压管VDz1、VDz2对输出限幅,如果它们的稳压值相等,即Uz1=Uz2=Uz,那么电路输出电压正、负幅度对称：UOH=+Uz,UOL=-Uz,同相端电位由uo通过R2、R3分压后得到,这是引入的正反馈；反相端电压

受积分器电容两端的电压uC控制。1.工作原理在图6-3所示电路中,6当电路接通电源时,与必存在差别。或是随机的。尽管这种差别极其微小,但一旦出现,uo=UOH=+Uz。反之,当出现时,uo=UOL=-Uz。因此,uo不可能居于其它中间值。设t=0(电源接通时刻)，电容两端电压uC=0,滞回比较器的输出电压uo=+Uz,则集成运放同相输入端的电位为当电路接通电源时,与必存在差别7此时,输出电压uo=+Uz对电容充电,使由零逐渐上升。在等于以前,uo=+Uz不变。当时输出电压uo从高电平+Uz跳变为低电平-Uz。当uo=-Uz时,集成运放同相输入端的电位也随之发生跳变,其值为同时电容器经R放电,使逐渐下降。在等于以前,不变,当时,uo从-Uz跳变为+Uz,也随之而跳变为,电容器C再次充电。如此周而复始,产生振荡,从uo输出矩形波，其波形如图6-4所示。此时,输出电压uo=+Uz对电容充电,使8图6–4矩形波产生电路波形图图6–4矩形波产生电路波形图92.振荡周期计算其中（6-4）2.振荡周期计算其中（6-4）10代入式(6-4)得同理求得代入式(6-4)得同理求得11如果UOH≠|UOL|,则上述,T1≠T2,输出为矩形波。如果|UOH|=|UOL|,但τ充≠τ放,T1≠T2,那么输出也为矩形波。通常定义矩形波为高电平的时间T2与周期T之比为占空比D,即如果UOH≠|UOL|,则上述12图6–5占空比可调电路图6–5占空比可调电路136.1.2三角波产生电路图6–6三角波产生电路6.1.2三角波产生电路图6–6三角波产生电141.工作原理图6–7双运放非正弦波产生电路的波形1.工作原理图6–7双运放非正弦波产生电路的波152.计算(1)uo幅值计算。当时,对应的uo值为输出三角波的幅值Uom,即2.计算当16当uo1=+Uz时当uo1=-Uz时（6-11）当uo1=+Uz时当uo1=-Uz时（6-11）17(2)振荡周期的计算。由A2的积分电路可求出振荡周期,其输出电压uo从-Uom上升到+Uom所需时间为T/2,所以得将式(6-11)代入,可得(2)振荡周期的计算。由A2的积分电路可求出186.1.3锯齿波产生电路图6–8锯齿波产生电路6.1.3锯齿波产生电路图6–8锯齿波产生电19图6–9锯齿波产生电路波形图6–9锯齿波产生电路波形20锯齿波的幅度和振荡周期与三角波相似。当时,对应的uo值为当uo1=+Uz时当uo1=-Uz时锯齿波的幅度和振荡周期与三角波相似。当21振荡周期为T=T1+T2,电容充电时间T1为则电容放电时间T2为振荡周期为T=T1+T2,电容充电时间T1为则电容放电22则故振荡周期为式中rd1、rd2为二极管VD1、VD2导通时的电阻。则故振荡周期为式中rd1、rd2为二极管VD1、VD2导通时236.1.4波形变换电路波形变换电路的功能是将一种形状的波形变换成另一种形状的波形,以适应各种不同的需要。6.1.4波形变换电路波形变换电路的功246.2正弦波产生电路6.2.1产生正弦波振荡的条件图6–15正弦波产生电路的基本结构6.2正弦波产生电路6.2.1产生正弦波振荡的条件25正弦波发生电路的基本结构是引入正反馈的反馈网络和放大电路,如图6-15所示。接成正反馈是产生振荡的首要条件,又称为相位条件。为了使电路在没有外加信号时,就产生振荡,所以还要求电路在开环时满足即正弦波发生电路的基本结构是引入正反馈的反馈网络26正弦波产生电路一般应包括以下几个基本组成部分:(1)放大电路。(2)反馈网络。(3)选频网络。(4)稳幅电路。判断一个电路是否为正弦波振荡器,就看其组成是否含有上述四个部分。正弦波产生电路一般应包括以下几个基本组成部分:27

判断振荡的一般方法是:(1)是否满足相位条件,即电路是否为正反馈,只有满足相位条件才有可能振荡。(2)放大电路的结构是否合理,有无放大能力,静态工作点是否合适。(3)分析是否满足幅度条件,检验,若①,则不可能振荡。②,能振荡,但输出波形明显失真。③,产生振荡。振荡稳定后。再加上稳幅措施,振荡稳定,而且输出波形失真小。判断振荡的一般方法是:286.2.2正弦波振荡电路1.RC串并联网络的选频特性图6–16RC串并联网络及其高低频等效电路6.2.2正弦波振荡电路1.RC串并联网络的选频特29当信号频率足够低时, ,可得到近似的低频等效电路,如图6-16(b)所示。它是一个超前网络。输出电压相位超前输入电压。当信号频率足够高时,,其近似的高频等效电路如图6-16(c)所示。它是一个滞后网络。输出电压相位落后输入电压。因此可以断定,在高频与低频之间存在一个频率fo,其相位关系既不是超前也不是落后,输出电压与输入电压相位一致。这就是RC串并联网络的选频特性。当信号频率足够低时, 30整理后得由图6-16(a)可得整理后得由图6-16(a)可得31通常取R1=R2=R,C1=C2=C,则其中,即(6-23)式(6-23)所代表的幅频特性为通常取R1=R2=R,C1=C2=C,则其中32相频特性为图6–17RC串并联网络的频率特性可见,当ω=ωo=1/RC时,达到最大值,且等于1/3,而相移φ=0。相频特性为图6–17RC串并联网络的频率特性332.RC串并联网络正弦波振荡电路图6–18RC串并联网络正弦波振荡电路2.RC串并联网络正弦波振荡电路图6–1834由RC串并联网络的选频特性得知,在ω=ωo=1/RC时,其相移φF=0,为了使振荡电路满足相位条件要求放大器的相移φA也为0°(或360°)。所以,放大电路可选用同相输入方式的集成运算放大器或两级共射分立元件放大电路等。由于它是RC串并联网络选频特性,所以使信号通过闭合环路后,仅有ω=ωo的信号才满足相位条件,因此,该电路振荡频率为ωo,从而保证了电路输出为单一频率的正弦波。由RC串并联网络的选频特性得知,在ω=ωo=1/35为了使电路能振荡,还应满足起振条件,即要求而图6-18所示的反馈系数就是RC串并联网络的传输系数,如式(6-23)所示,即放大器的放大倍数(6-27)为了使电路能振荡,还应满足起振条件,即要求36当ω=ωo时,,因而按起振条件式(6-27),要求即例如,若Rf=20kΩ,则取R1=10kΩ,用8.2kΩ的电阻和4.7kΩ的电位器串联作为R1,这样便于调整,使之满足式(6-29)而起振。该电路的振荡频率为当ω=ωo时,,因而按起37图6–19二极管稳幅电路的RC串并联网络振荡电路图6–19二极管稳幅电路的RC串并联网络振荡电路386.2.3LC正弦波振荡电路1.LC并联回路的选频特性图6–20LC并联电路6.2.3LC正弦波振荡电路1.LC并联回路的选频特39对于某个特定频率ωo,满足,即或对于某个特定频率ωo,满足40此时电路产生并联谐振,所以fo叫作谐振频率。谐振时,回路的等效阻抗呈现纯电阻性质,且达到最大值,称为谐振阻抗Zo,这时其中LC并联回路谐振时的输入电流为此时电路产生并联谐振,所以fo叫作谐振频率41而流过电感的电流为所以通常Q>>1,所以,即谐振时,LC并联电路的回路电流比输入电流大得多,此时谐振回路外界的影响可忽略。谐振时式(6-31)虚部为零,所以相移也为零。而流过电感的电流为所以通常Q>>1,所以42图6–21LC并联回路的频率特性图6–21LC并联回路的频率特性432.变压器反馈式LC正弦波振荡电路图6–22变压器反馈式LC正弦波振荡电路2.变压器反馈式LC正弦波振荡电路图6–2244振荡的起振幅值条件为,只要变压器的匝数比设计恰当,一般都可满足幅值条件。在满足相位条件的前提下仍不起振,可加、减变压器次级绕组的匝数,使之振荡。当Q值较高时,振荡频率fo就等于LC并联回路的谐振频率,即振荡的起振幅值条件为453.三点式LC正弦波振荡电路图6–23三点式振荡电路3.三点式LC正弦波振荡电路图6–23三点式46电感三点式正弦波振荡电路的振荡频率基本上等于LC并联电路的谐振频率,即其中L′是谐振回路的等效电感,即电容三点式正弦波振荡电路的振荡频率近似等于LC并联电路的谐振频率,即对图6-23(c)、(d)电感三点式正弦波振荡电路的振荡频率基本上等于L47图6–24电容三点式改进型正弦波振荡电路图6–24电容三点式改进型正弦波振荡电路48在选取电容参数时,可使C1>>C,C2>>C,所以故

fo仅取决于电感L和电容C,与C1、C2和管子的极间电容关系很小,因此振荡频率的稳定度较高,其频率稳定度Δf/fo的值可小于0.01%。在选取电容参数时,可使C1>>C,C2>>C,所494.石英晶体正弦波振荡电路1)石英晶体的基本知识图6–25石英晶体谐振器4.石英晶体正弦波振荡电路图6–25石英晶体谐50从石英晶体谐振器的等效电路可知,它有两个谐振频率,即当L、C、R支路发生谐振时,它的等效阻抗最小(等于R)。串联谐振频率为当频率高于fs时,L、C、R支路呈感性,可与电容Co发生并联谐振,并联谐振频率为由于C<<Co,因此fs和fp非常接近。从石英晶体谐振器的等效电路可知,它有两个谐振频512)石英晶体振荡器图6-26并联型石英晶体正弦波振荡电路式中,由于,所以fo≈fs,此时石英晶体的阻抗呈感性。2)石英晶体振荡器图6-26并联型石英晶体正弦波52图6-27串联型石英晶体正弦波振荡电路图6-27串联型石英晶体正弦波振荡电路53第六章波形产生电路与变换电路6.1非正弦波产生电路6.2正弦波产生电路第六章波形产生电路与变换电路6.1非正弦波产生546.1非正弦波产生电路图6–1利用电容充放电产生脉冲波形原理图6.1非正弦波产生电路图6–1利用电容充放电55由图6-1得其三要素为其充放电的波形如图6-2所示,改变充放电时间常数,可得到不同波形。由图6-1得其三要素为其充放电的波形如图6-256图6–2电容充放电的波形图6–2电容充放电的波形576.1.1矩形波产生电路图6–3矩形波产生电路

6.1.1矩形波产生电路图6–3矩形波产生电581.工作原理在图6-3所示电路中,通过Ro和稳压管VDz1、VDz2对输出限幅,如果它们的稳压值相等,即Uz1=Uz2=Uz,那么电路输出电压正、负幅度对称：UOH=+Uz,UOL=-Uz,同相端电位由uo通过R2、R3分压后得到,这是引入的正反馈；反相端电压

受积分器电容两端的电压uC控制。1.工作原理在图6-3所示电路中,59当电路接通电源时,与必存在差别。或是随机的。尽管这种差别极其微小,但一旦出现,uo=UOH=+Uz。反之,当出现时,uo=UOL=-Uz。因此,uo不可能居于其它中间值。设t=0(电源接通时刻)，电容两端电压uC=0,滞回比较器的输出电压uo=+Uz,则集成运放同相输入端的电位为当电路接通电源时,与必存在差别60此时,输出电压uo=+Uz对电容充电,使由零逐渐上升。在等于以前,uo=+Uz不变。当时输出电压uo从高电平+Uz跳变为低电平-Uz。当uo=-Uz时,集成运放同相输入端的电位也随之发生跳变,其值为同时电容器经R放电,使逐渐下降。在等于以前,不变,当时,uo从-Uz跳变为+Uz,也随之而跳变为,电容器C再次充电。如此周而复始,产生振荡,从uo输出矩形波，其波形如图6-4所示。此时,输出电压uo=+Uz对电容充电,使61图6–4矩形波产生电路波形图图6–4矩形波产生电路波形图622.振荡周期计算其中（6-4）2.振荡周期计算其中（6-4）63代入式(6-4)得同理求得代入式(6-4)得同理求得64如果UOH≠|UOL|,则上述,T1≠T2,输出为矩形波。如果|UOH|=|UOL|,但τ充≠τ放,T1≠T2,那么输出也为矩形波。通常定义矩形波为高电平的时间T2与周期T之比为占空比D,即如果UOH≠|UOL|,则上述65图6–5占空比可调电路图6–5占空比可调电路666.1.2三角波产生电路图6–6三角波产生电路6.1.2三角波产生电路图6–6三角波产生电671.工作原理图6–7双运放非正弦波产生电路的波形1.工作原理图6–7双运放非正弦波产生电路的波682.计算(1)uo幅值计算。当时,对应的uo值为输出三角波的幅值Uom,即2.计算当69当uo1=+Uz时当uo1=-Uz时（6-11）当uo1=+Uz时当uo1=-Uz时（6-11）70(2)振荡周期的计算。由A2的积分电路可求出振荡周期,其输出电压uo从-Uom上升到+Uom所需时间为T/2,所以得将式(6-11)代入,可得(2)振荡周期的计算。由A2的积分电路可求出716.1.3锯齿波产生电路图6–8锯齿波产生电路6.1.3锯齿波产生电路图6–8锯齿波产生电72图6–9锯齿波产生电路波形图6–9锯齿波产生电路波形73锯齿波的幅度和振荡周期与三角波相似。当时,对应的uo值为当uo1=+Uz时当uo1=-Uz时锯齿波的幅度和振荡周期与三角波相似。当74振荡周期为T=T1+T2,电容充电时间T1为则电容放电时间T2为振荡周期为T=T1+T2,电容充电时间T1为则电容放电75则故振荡周期为式中rd1、rd2为二极管VD1、VD2导通时的电阻。则故振荡周期为式中rd1、rd2为二极管VD1、VD2导通时766.1.4波形变换电路波形变换电路的功能是将一种形状的波形变换成另一种形状的波形,以适应各种不同的需要。6.1.4波形变换电路波形变换电路的功776.2正弦波产生电路6.2.1产生正弦波振荡的条件图6–15正弦波产生电路的基本结构6.2正弦波产生电路6.2.1产生正弦波振荡的条件78正弦波发生电路的基本结构是引入正反馈的反馈网络和放大电路,如图6-15所示。接成正反馈是产生振荡的首要条件,又称为相位条件。为了使电路在没有外加信号时,就产生振荡,所以还要求电路在开环时满足即正弦波发生电路的基本结构是引入正反馈的反馈网络79正弦波产生电路一般应包括以下几个基本组成部分:(1)放大电路。(2)反馈网络。(3)选频网络。(4)稳幅电路。判断一个电路是否为正弦波振荡器,就看其组成是否含有上述四个部分。正弦波产生电路一般应包括以下几个基本组成部分:80

判断振荡的一般方法是:(1)是否满足相位条件,即电路是否为正反馈,只有满足相位条件才有可能振荡。(2)放大电路的结构是否合理,有无放大能力,静态工作点是否合适。(3)分析是否满足幅度条件,检验,若①,则不可能振荡。②,能振荡,但输出波形明显失真。③,产生振荡。振荡稳定后。再加上稳幅措施,振荡稳定,而且输出波形失真小。判断振荡的一般方法是:816.2.2正弦波振荡电路1.RC串并联网络的选频特性图6–16RC串并联网络及其高低频等效电路6.2.2正弦波振荡电路1.RC串并联网络的选频特82当信号频率足够低时, ,可得到近似的低频等效电路,如图6-16(b)所示。它是一个超前网络。输出电压相位超前输入电压。当信号频率足够高时,,其近似的高频等效电路如图6-16(c)所示。它是一个滞后网络。输出电压相位落后输入电压。因此可以断定,在高频与低频之间存在一个频率fo,其相位关系既不是超前也不是落后,输出电压与输入电压相位一致。这就是RC串并联网络的选频特性。当信号频率足够低时, 83整理后得由图6-16(a)可得整理后得由图6-16(a)可得84通常取R1=R2=R,C1=C2=C,则其中,即(6-23)式(6-23)所代表的幅频特性为通常取R1=R2=R,C1=C2=C,则其中85相频特性为图6–17RC串并联网络的频率特性可见,当ω=ωo=1/RC时,达到最大值,且等于1/3,而相移φ=0。相频特性为图6–17RC串并联网络的频率特性862.RC串并联网络正弦波振荡电路图6–18RC串并联网络正弦波振荡电路2.RC串并联网络正弦波振荡电路图6–1887由RC串并联网络的选频特性得知,在ω=ωo=1/RC时,其相移φF=0,为了使振荡电路满足相位条件要求放大器的相移φA也为0°(或360°)。所以,放大电路可选用同相输入方式的集成运算放大器或两级共射分立元件放大电路等。由于它是RC串并联网络选频特性,所以使信号通过闭合环路后,仅有ω=ωo的信号才满足相位条件,因此,该电路振荡频率为ωo,从而保证了电路输出为单一频率的正弦波。由RC串并联网络的选频特性得知,在ω=ωo=1/88为了使电路能振荡,还应满足起振条件,即要求而图6-18所示的反馈系数就是RC串并联网络的传输系数,如式(6-23)所示,即放大器的放大倍数(6-27)为了使电路能振荡,还应满足起振条件,即要求89当ω=ωo时,,因而按起振条件式(6-27),要求即例如,若Rf=20kΩ,则取R1=10kΩ,用8.2kΩ的电阻和4.7kΩ的电位器串联作为R1,这样便于调整,使之满足式(6-29)而起振。该电路的振荡频率为当ω=ωo时,,因而按起90图6–19二极管稳幅电路的RC串并联网络振荡电路图6–19二极管稳幅电路的RC串并联网络振荡电路916.2.3LC正弦波振荡电路1.LC并联回路的选频特性图6–20LC并联电路6.2.3LC正弦波振荡电路1.LC并联回路的选频特92对于某个特定频率ωo,满足,即或对于某个特定频率ωo,满足93此时电路产生并联谐振,所以fo叫作谐振频率。谐振时,回路的等效阻抗呈现纯电阻性质,且达到最大值,称为谐振阻抗Zo,这时其中LC并联回路谐振时的输入电流为此时电路产生并联谐振,所以fo叫作谐振频率94而流过电感的电流为所以通常Q>>1,所以,即谐振时,LC并联电路的回路电流比输入电流大得多,此时谐振回路外界的