第9章(14)波形的发生与变换电路

第9章波形的发生和变换电路9.1正弦波振荡电路9.1.1概述

放大电路在无输入信号的情况下，就能输出一定频率和幅值的交流信号（又称振荡器）。

信号发生器从波形上分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器（方波、锯齿波、三角波等）。信号发生器：振荡波形：

应用：无线电通讯、广播电视，工业上的高频感应炉、超声波发生器、正弦波信号发生器、半导体接近开关等。输出的交流电能是从电源的直流电能转换而来的。AF=a+f=2n振荡条件幅度平衡条件

仍有稳定的输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号。1、产生正弦波振荡的条件相位平衡条件n=0,1,2．．．

2）

幅度条件表明反馈放大器要产生自激振荡，必须有足够的反馈量(可以通过调整放大倍数A或反馈系数F达到)。3）起振及稳幅振荡的过程●起振过程中:

要求|AF|>1

，●稳定振荡时:

要求

|AF|=1

，

从AF

>

1到AF

=

1，就是自激振荡建立的过程。可使输出电压的幅度不断增大。使输出电压的幅度得以稳定。●起始信号的产生：电源接通时，在电路中激起一个微小的扰动信号，它是个非正弦信号，含有一系列频率不同的正弦分量。讨论：1）相位条件意味着振荡电路在频率f0下必须是正反馈；正弦波振荡电路只在一个频率(f0)下满足相位平衡条件。所以正弦波振荡电路必须有一个选频网络。选频网络可设在中或中。选频网络由RC元件或LC元件组成。2、正弦波振荡电路的组成及各部分的作用（1）放大电路——电路具有放大功能,保证幅值条件（2）反馈网络——形成正反馈，以满足相位平衡条件（3）选频网络——以产生单一频率的正弦波(RC、LC)（4）稳幅电路——以保证输出端得到不失真的正弦波，使振荡稳定3、正弦波振荡电路的分类LC正弦波振荡电路:输出功率大、频率高。RC正弦波振荡电路:输出功率小、频率低。石英晶体正弦波振荡电路：频率稳定度高。根据选频网络所用元件来命名4、判断电路是否为正弦波振荡电路的方法和步骤a.检查电路的组成部分c.将电路在放大器反馈端断开，利用瞬时极性法判断电路是否满足相位平衡条件b.检查放大电路是否正常工作d.分析是否满足振荡产生的幅度条件。一般︱AF︱应略大于19.1.2RC正弦波振荡电路电路的构成

RC串并联网络是正反馈网络，Rf和R1为负反馈网络。

RC串并联网络与Rf、R1负反馈支路正好构成一个桥路，称为桥式。令ω0=1/RC1、RC串并联网络的频率特性反馈系数RC串并联网络的频率特性曲线当f=f0

时相角f=0。反馈系数FVmax=1/3。改变RC可调节谐振频率稳定振荡条件AuF

=1，|F|=1/3，则起振条件AuF

>1，因为|F|=1/3，则考虑到起振条件AuF

>1,一般应选取RF

略大于2R1。如果这个比值取得过大，会引起振荡波形严重非线性失真。2.振荡的建立与稳定3.振荡频率与振荡波形因为A

=

0，而仅在f

0处F=

0，满足相位平衡条件改变R、C可改变振荡频率RC振荡电路的振荡频率一般在200KHz以下。振荡频率由相位平衡条件决定。振荡频率为单一频率f

0，故振荡波形是正弦波所以振荡频率4.

稳幅措施降低放大器放大倍数A起振时稳幅可把R1用热敏电阻来实现，R1是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，R1上所加的电压升高，即温度升高，R1的阻值增加，Au下降。也可把Rf用热敏电阻来实现，Rf是负温度系数热敏电阻，当输出电压升高，Rf上所加的电压升高，即温度升高，Rf的阻值减小，Au下降。改变开关K的位置可改变选频网络的电阻，实现频率粗调；改变电容C的大小可实现频率的细调。振荡频率5.振荡频率的调整+RFRCC–uO–+SSR1R2R3R3R2R19.1.3LC正弦波振荡电路

LC正弦波振荡电路的构成与RC正弦波振荡电路相似，包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。1.LC并联谐振电路通常R<<ωL谐振时：谐振频率：品质因数Q值越大，曲线较陡较窄。并联谐振时总电流与电感支路电流或电容支路电流之比。

谐振曲线0Z

Q大Q小幅频特性0f90º-90ºQ减小相频特性并联谐振电路的谐振阻抗输入电流IS和IL或IC的关系谐振时LC并联谐振电路相当一个电阻。通常Q>>1，所以IC≈IL>>IS2.选频放大电路：对于频率为谐振频率的信号，Z最大，所以放大倍数最大所以具有选频放大的功能3、变压器反馈式LC正弦波振荡电路虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的Q值很高，选频特性好，所以仍能选出0的正弦波信号。(1)相位平衡条件的满足(2)幅值平衡条件的满足(3)稳幅(4)选频通过选择高值的BJT和调整变压器的匝数比，可以满足，电路可以起振。BJT进入非线性区，波形出现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目的。

优点：易于产生振荡，输出波形失真不大。缺点：耦合不紧密，损耗较大，振荡频率的稳定性不高。+_+(5)振荡频率靠同名端实现正反馈+-+-放大电路选频电路反馈网络+UCCC1RB1RB2RECEL1CL2RC反馈电压取自L2电路构成：UoUf选频电路：L1、L2、C产生谐振4.电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路分析正反馈+UCCC1RB1RB2RECEL1CL2RC－振荡频率：

通常改变电容C来调节振荡频率。振荡频率一般在几十MHz以下。相位条件的满足：幅值条件的满足：因AV较大，适当选择L1和L2即可反相－－反馈网络分析：IB很小，并呈容性设输入加入5.电容三点式振荡电路正反馈放大电路反馈网络－－振荡频率

通常再与线圈串联一个较小的可变电容来调节振荡频率。反馈电压取自C2+UCCC1RB1RB2RECEC1LC2RC反相振荡频率可达100MHz以上。选频电路与前面分析相同，C1和C2的电压反相－－判断图示各电路是否可能产生正弦波振荡，简述理由。（9.4题）相位条件判别举例：共射放大器：三级移相电路：共基放大器：当f从0→∞时：可满足相位条件不满足相位条件9.7题共基放大器：uf电感三点式电容三点式9.8题uf共基放大器：--隔直隔直ufuf--反馈被短路ufuf--9.1.4石英晶体正弦波振荡电路正弦波振荡电路振荡频率的稳定LC振荡器的振荡频率的稳定与L、C、R参数有关,也与品质因数Q有关，Q越大振荡频率越稳定。1、石英晶体①特性：

当电压变化频率等于晶体的固有频率时，产生压电谐振。极板间加电场极板间加机械力晶体机械变形晶体产生电场交变电压机械振动交变电场②符号及等效电路等效电路符号石英晶体的品质因数很高机械振荡惯性：L晶片弹性：C品质因数损耗：R数百欧小静态电容:C0③石英晶体谐振频率（固有频率）

电抗-频率响应特性等效电路1.当R、L、C支路发生串联谐振时，串联谐振频率为：2.当R、L、C支路与C0发生并联谐振时，并联谐振频率为：2.石英晶体振荡电路并联型石英晶体振荡电路对于f=fp，晶体相当于电感相当于电容三点式振荡电路振荡频率f0串联型石英晶体振荡电路对于f=fs，晶体相当于电阻对于f=fs的信号正反馈作用最强＋共基极放大电路＋＋＋串联型石英晶体振荡电路

石英晶体工作在fs处，呈电阻性，且阻抗最小，正反馈最强。该电路为电感三点式振荡器。加入石英晶体是利用石英晶体的高Q值，提高振荡频率的稳定性。9.2非正弦波发生电路9.2.1矩形波发生电路1.方波发生电路电路的组成：●滞回比较器●RC充放电电路(1)电源刚接通时,设vc=0,v0=+vz：电容C充电，vc开始升高；(3)当vc≤V2时，vo=+VZ先看VP：工作原理vctv0tv1v2(2)当vc≥V1时，vo=-VZ，Vp=V2电容C放电，vc开始下降。这时，Vp=V1这时又，Vp=V1，电容C充电＋VZ－VZt1t2震荡周期计算注意推导时:如何改变方波的占空比?2.矩形波发生电路改变电容器C的充电和放电时间常数。充电时间常数：是二极管D1的导通电阻放电时间常数：占空比：vctv0tv1v2＋VZ举例：本章结束下一章总目录结束放映作业讲解9.1题√×××√√√9.2题DEACFCFCG9.3题9.5题放大反馈选频稳幅f0=1／（2πRC）由于网络的附加相移变成了正反馈9.12题阀值电压:输出高电平UOH=6V输出低电平UOL=0V求震荡频率电容电压上升段暂态过程：得：T=811μs6.5集成运放中的电流源6.5.1

基本电流源电路1.镜像电流源其中：基准电流是稳定的，故输出电流也是稳定的。IC2和IR是镜像关系。

镜像电流源6.5.4以电流源作为有源负载的放大电路1.有源负载共射放大电路T2和T3组成的镜像电流源一方面为T1管提供静态电流，另一方面作为有源负载。静态分析：ui+VCCT1RbT3uoRLT2IRR动态分析：交流等效电路如下Rbrce11ibuirbe1ibrce2RL考虑参数h22相当于基本电路的RC●双端输入单端输出：将RC用恒流源代替RL同相输出端接入RLui+VCCuoT1T2RLI-VEEiC3iC2iC1iC4T3T4iO2.有源负载差分放大电路T3和T4组成的镜像电流源作为差分放大电路有源负载。静态分析：动态分析：有差模输入信号采用恒流源负载后，单端输出获得双端输出放大倍数积分器的输出vo反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的输入电压VI。9.2.2三角波发生电路电路构成：滞回比较器积分器+VT-VT+VZ-VZ工作原理滞回比较器的阀值电压：vI积分器输出：当vO1=+VZ时当vO1=-VZ时设开始v01=+VZ到t1时刻：v0=-VT→v01=-VZ到t2时刻：v0=+VT→v01=+VZ重复输出波形峰值:转折点为vo=±VT故输出波形峰值振荡周期：从T1到T2为周期的一半，vO从-VT到+VT为了获得锯齿波，应改变积分器的充放电时间常数。锯齿波发生器的电路如图所示。图中的二极管D和R'将使充电时间常数减为(R∥R')C，而放电时间常数仍为RC。9.2.3锯齿波发生电路锯齿波周期可以根据时间常数和锯齿波的幅值求得。锯齿波的幅值为：vo1m=Vzvom=Vz

R1/R2于是有：输出波形9.2.4压控振荡器≈T电路的组成：由锯齿波发生电路演变而来。若T2决定于外加电压，则电路的振荡频率就几乎仅仅受控于外加电压，实现了u→f的转换。R1>>R5单位时间内脉冲个数表示电压的数值，故实现A/D转换若uI>0，则电路作何改动？9.2.4压控振荡器9.3波形变换电路周期性变化的信号方波三角波比较器积分器微分器锯齿波正弦波精密整流9.3.1三角波-锯齿波变换电路三角波上升的半个周期中,方波为负,使T夹断,这时vo=vi三角波下降的半个周期中,方波为正,使T工作在可变电阻区,与其他电阻相比其阻值可忽略。这时vo=-viARf=RR2=1/2RR1=R1/2R1/2R100KR20PDT+15V-15VRfR19.3.2三角波-正弦波变换电路为什么一般的整流电路不能作为精密的信号处理电路？若uImax<Uon，则在uI的整个周期中uO始终为零；若uImax>Uon，则uO仅在大于Uon近似为uI，失真。精密整流电路是信号处理电路，不是电源中AC-DC的能量转换电路；实现微小信号的整流。9.3.3精密整流电路设R＝Rf

对于将二极管和晶体管作电子开关的集成运放应用电路，在分析电路时，首先应判断管子相当于开关闭合还是断开，它们的状态往往决定于输入信号或输出信号的极性。精密整流电路的组成半波整流，若加uI的负半周，则实现全波整流全波精密整流电路二倍频三角波绝对值运算电路uot-－++R2R1++R4CuoR+–R3改变三角波发生器中积分电路的充放电时间常数，使放电的时间常数为0，即把三角波发生器转换成了锯齿波发生器。uct§7.3锯齿波发生器-－++R2R1++R4CuoR+–R3|ui|

<UZ－++R2R1ui-++R3CuoRA1A2uo1D1D2把锯齿波发生