第10章波形产生与直流稳压电压

第10章波形产生与直流稳压电源10.1正弦波振荡电路10.2多谐振荡器10.3整流电路

10.4滤波电路10.5稳压电路要求：

1.了解正弦波振荡电路自激振荡的条件。

2.了解LC振荡电路和RC振荡电路的工作原理。

3.理解单相整流电路和滤波电路的工作原理及

参数的计算;

4.了解稳压管稳压电路和串联型稳压电路的工作

原理;

5.了解集成稳压电路的性能及应用。

正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正弦交流信号。它的频率范围很广，可以从一赫以下到几百兆以上；输出功率可以从几毫瓦到几十千瓦；输出的交流电能是从电源的直流电能转换而来的。10.1正弦波振荡电路10.1.1基本原理常用的正弦波振荡器LC振荡电路:输出功率大、频率高。RC振荡电路:输出功率小、频率低。石英晶体振荡电路：频率稳定度高。

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。1.自激振荡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的现象。开关合在“1”为无反馈放大电路。1Su221Su开关合在“2”为有反馈放大电路，开关合在“2”时,，去掉ui仍有稳定的输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号。自激振荡状态2.自激振荡的条件1）幅度条件：2）相位条件：n是整数

相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；

幅度条件表明反馈放大器要产生自激振荡，还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)。自激振荡的条件3.起振及稳幅振荡的过程设：Uo

是振荡电路输出电压的幅度，B是要求达到的输出电压幅度。起振时Uo0，达到稳定振荡时Uo=B。起振过程中Uo<B，要求AuF

>

1，稳定振荡时Uo=B，要求AuF

=

1，从AuF

>

1到AuF

=

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：在电源接通时，会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。4.正弦波振荡电路的组成1)放大电路:放大信号2)反馈网络:必须是正反馈，反馈信号即是

放大电路的输入信号3)选频网络:保证输出为单一频率的正弦波

即使电路只在某一特定频率下满

足自激振荡条件4)稳幅环节:使电路能从AuF

>1，过渡到

AuF

=1，从而达到稳幅振荡。10.1.2RC振荡电路RC选频网络正反馈网络同相比例电路放大信号用正反馈信号uf作为输入信号选出单一频率的信号1.电路结构uf–+R++∞RFR1CRC–uO–+2.RC串并联选频网络的选频特性传输系数：。。RCRC。+–+–。式中

：

分析上式可知：仅当=o时，U2U1=13达最大值，且u2与u1同相，即网络具有选频特性，fo

决定于RC。幅频特性ffo13u1u2u2与u1波形相频特性（f）fo3.工作原理输出电压uo经正反馈（兼选频）网络分压后，取uf

作为同相比例电路的输入信号ui。（1）起振过程（3）振荡频率

振荡频率由相位平衡条件决定。（2）稳定振荡

A=

0，仅在f

0处F=

0满足相位平衡条件，所以振荡频率f

0=12RC。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。振荡频率的调整++∞RFRCC–uO–+KKR1R2R3R3R2R1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（4）起振及稳定振荡的条件稳定振荡条件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2R1。如果这个比值取得过大，会引起振荡波形严重失真。由运放构成的RC串并联正弦波振荡电路不是靠运放内部的晶体管进入非线性区稳幅，而是通过在外部引入负反馈来达到稳幅的目的。带稳幅环节的电路(1)热敏电阻具有负温度系数，利用它的非线性可以自动稳幅。在起振时，由于uO很小，流过RF的电流也很小，于是发热少，阻值高，使RF>2R1；即AuF>1。随着振荡幅度的不断加强，uO增大，流过RF

的电流也增大，RF受热而降低其阻值，使得Au下降，直到RF=2R1时，稳定于AuF=1，

振荡稳定。半导体热敏电阻R++∞RFR1CRC–uO–+带稳幅环节的电路（1）热敏电阻具有负温度系数，利用它的非线性可以自动稳幅。半导体热敏电阻R++∞RFR1CRC–uO–+稳幅过程：思考：若热敏电阻具有正温度系数，应接在何处？uotRFAu带稳幅环节的电路（2）IDUD振荡幅度较小时正向电阻大振荡幅度较大时正向电阻小利用二极管的正向伏安特性的非线性自动稳幅。R++∞RF2R1CRC–uO–+D1D2RF1稳幅环节带稳幅环节的电路（2）R++∞RF2R1CRC–uO–+D1D2RF1图示电路中，RF分为两部分。在RF1上正反并联两个二极管，它们在输出电压u0的正负半周内分别导通。在起振之初，由于u0幅值很小，尚不足以使二极管导通，正向二极管近于开路此时，RF>2R1。而后，随着振荡幅度的增大，正向二极管导通，其正向电阻逐渐减小，直到RF=2R1，振荡稳定。10.1.3LC振荡电路

LC振荡电路的选频电路由电感和电容构成，可以产生高频振荡(几百千赫以上)。由于高频运放价格较高，所以一般用分离元件组成放大电路。本节只对

LC振荡电路的结构和工作原理作简单介绍。（一）变压器反馈式LC振荡电路1.电路结构正反馈2.振荡频率

即LC并联电路的谐振频率uf+–LC+UCCRLC1RB1RB2RECE－－放大电路选频电路反馈网络

在调节变压器反馈式振荡电路中，试解释下列现象：

（1）对调反馈线圈的两个接头后就能起振；

（2）调RB1、RB2或RE的阻值后即可起振；

（3）改用β较大的晶体管后就能起振；

（4）适当增加反馈线圈的圈数后就能起振；

（5）适当增加L值或减小C值后就能起振；

（6）反馈太强，波形变坏；

（7）调整RB1、RB2或RE的阻值后可使波形变好；

（8）负载太大不仅影响输出波形，有时甚至不能

起振。例1：解:(2)调RB1、RB2或RE的阻值后即可起振；原反馈线圈接反，对调两个接头后满足相位条件；(1)对调反馈线圈的两个接

头后就能起振；调阻值后使静态工作点合适，以满足幅度条件；(3)改用β较大的晶体管后就能起振；改用β较大的晶体管，以满足幅度条件；LC+UCCRLC1RB1RB2RECE解:(5)适当增加L值或减小

C值后就能起振；增加反馈线圈的圈数，即增大反馈量，以满足幅度条件；(4)适当增加反馈线圈的圈数后就能起振；当适当增加L值或减小C值后,等效阻抗|Zo|增大，因而就增大了反馈量，容易起振；LC并联电路在谐振时的等效阻抗LC+UCCRLC1RB1RB2RECE解:(7)调整RB1、RB2或RE的阻值可使波形变好；反馈线圈的圈数过多或管子的β太大使反馈太强而进入非线性区，使波形变坏。(6)反馈太强，波形变坏；调阻值,使静态工作点在线性区，使波形变好；(8)负载太大不仅影响输出波形，有时甚至不能起振。负载大，就是增大了LC并联电路的等效电阻R。R的增大,一方面使|Zo|减小,因而反馈幅度减小,不易起振;也使品质因数Q减小,选频特性变坏,使波形变坏。

LC+UCCRLC1RB1RB2RECE例2：正反馈注意：用瞬时极性法判断反馈的极性时，耦合电容、旁路电容两端的极性相同，属于选频网络的电容，其两端的极性相反。+UCCC1RB1RB2RECELC试用相位平衡条件判断下图电路能否产生自激振荡－－－（二）三点式LC振荡电路1.电感三点式振荡电路正反馈放大电路选频电路反馈网络+UCCC1RB1RB2RECEL1CL2RC－－振荡频率通常改变电容C来调节振荡频率。反馈电压取自L2振荡频率一般在几十MHz以下。2.电容三点式振荡电路正反馈放大电路选频电路反馈网络－－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。例3：图示电路能否产生正弦波振荡,如果不能振荡，加以改正。L+UCCC1RB1RB2RECEC2解：直流电路合理。

旁路电容CE将反馈信号旁路，即电路中不存在反馈，所以电路不能振荡。将CE开路，则电路可能产生振荡。反馈电压取自C1－－－正反馈例4：半导体接近开关L2C2–UCCRE2T1RP1R2RE1CE1C1L1RP2L3T2T3KADR3RC2R4LC振荡器开关电路射极输出器继电器半导体接近开关是一种无触点开关，具有反映速度快、定位准确、寿命长等优点。它在行程控制、定位控制、自动计数以及各种报警电路中得到了广泛应用。L2C2–UCCRE2T1RP1R2RE1CE1C1L1RP2L3T2T3KADR3RC2R4LC振荡器开关电路射极输出器继电器例4：半导体接近开关变压器反馈式振荡器是接近开关的核心部分，L1、L2及L3绕在右图所示的的磁芯上（又称感应头）L2L3L1移动的金属体感应头L2C2–UCCRE2T1RP1R2RE1CE1C1L1RP2L3T2T3KADR3RC2R4例4：半导体接近开关当某金属被测物体移近感应头时，金属体内感应出涡流，由于涡流的消磁作用，破坏了线圈之间的磁耦合，使L1上的反馈电压显著降低，破坏了自激振荡的幅值条件，振荡器停振，使L3上输出交流电压为零。L2L3L1移动的金属体感应头L2C2–UCCRE2T1RP1R2RE1CE1C1L1RP2L3T2T3KADR3RC2R4例4：半导体接近开关当L3上输出交流电压为零时，二极管的整流输出电压也为零，因此T2截止，T3饱和导通，继电器KA通电。继电器KA的常闭触点接在电动机的控制回路内，可在被测金属体接近危险位置时，立即断电使电动机停转；也可将KA的常开触点接在报警电路上，同时发出声光报警。L2C2–UCCRE2T1RP1R2RE1CE1C1L1RP2L3T2T3KADR3RC2R4例4：半导体接近开关当金属被测物体离开感应头后，振荡电路立即起振，在L3上输出正弦电压，经二极管的整流后，使T2饱和导通，T3截止，继电器KA断电，常闭触点重新闭合，电动机运转。RP1用来调节振荡输出幅度，RP2可使振荡电路迅速而可靠的停振，也能促使振荡电路在被测金属物体离开感应头时迅速恢复振荡。下页返回上页10.2、多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡器，接通电源以后，不需要外加触发信号，便能自动产生矩形脉冲，由于矩形脉冲中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上把矩形波振荡器叫做多谐振荡器。矩形波发生器矩形波产生电路

uc+–UR+–1.电路结构

由滞回比较器、RC充放电电路组成。电容电压uc

即是比较器的输入电压，2.工作原理设电源接通时，uo

=+UZ，uc(0)=0。电阻R2两端的电压UR即是比较器的参考电压。uo

通过RF对电容C充电，uc按指数规律增长。RFCuo△＋＋RoUzDZR2R1动画当uo

=+UZ时，电容充电，uc上升，电容放电，

uc下降，当uc=UR

时，uo跳变成–UZ当uc=–UR

时，uo跳变成+UZ，电容又重新充电。2.工作原理放电uc+–RFCuo△＋＋RoUzDZR2R1RFCuo△＋＋RoUzDZR2R1充电3.工作波形T2T=T1+T2电容充放电过程，uc的响应规律为4.周期与频率Z212U

RRR+-T1－UztOuo,uC+Z212URRR+－UZ+UZ+UzT1矩形波的周期矩形波的频率充放电时间常数相同：=RC

矩形波常用于数字电路中作为信号源在充电过程中在放电过程中下页返回获取矩形脉冲波形的途径有两种：利用多谐振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲。通过整形电路把已有的周期性变化波形，变换为符合要求的矩形脉冲。在同步时序电路中，时钟脉冲控制和协调着整个系统的工作，因此时钟脉冲的特性直接关系到系统能否正常工作。但以能够找到频率和幅度都符合要求的一种已有电压信号为前提。上页下页返回上页矩形脉冲的特性：占空比q=tW/T为了定量描述矩形脉冲的特性通常给出几个主要参数。脉冲周期上升时间下降时间脉冲幅度脉冲宽度下页返回上页脉冲周期T—周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔。脉冲幅度Vm—脉冲电压的最大变化幅度。脉冲宽度tw—从脉冲前沿到达0.5Vm起，到脉冲后沿到达0.5Vm为止的一段时间。上升时间tr—脉冲上升沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需要的时间。下降时间tf—脉冲上升沿从0.9Vm下降到0.1Vm所需要的时间。占空比q—脉冲宽度与脉冲周期的比值，即q=tw/T。在脉冲整形或产生电路用于具体的数字系统时，有时还可能有一些特殊的要求，如脉冲周期和幅度的稳定性等，这时还需要增加一些相应的性能参数来说明。直流稳压电源小功率直流稳压电源的组成功能：把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压u4uou3u2u1交流电源负载变压整流滤波稳压10.3整流电路整流电路的作用:

将交流电压转变为脉动的直流电压。

常见的整流电路：

半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流等。分析时可把二极管当作理想元件处理：

二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。整流原理：

利用二极管的单向导电性10.3.1单相半波整流电路2.工作原理u

正半周，Va>Vb，二极管D导通；3.工作波形EDA

u负半周，Va<Vb，二极管D截止。1.电路结构–++–aTrDuoubRLiououDut04.参数计算1)整流电压平均值Uo2)整流电流平均值Io3)流过每管电流平均值ID4)每管承受的最高反向电压UDRM5)变压器副边电流有效值I5.整流二极管的选择平均电流ID与最高反向电压UDRM是选择整流二极管的主要依据。选管时应满足：

IOM

ID，URWMUDRM10.3.2单相桥式整流电路2.工作原理u

正半周，Va>Vb，二极管D1、D3

导通，D2、D4

截止。3.工作波形uD2uD41.电路结构－uuouDttRLuiouo1234ab+–+–－10.3.2单相桥式整流电路2.工作原理3.工作波形uD2uD41.电路结构RLuiouo1234ab+–+–u

正半周，Va>Vb，二极管1、3导通，2、4截止。u

负半周，Va<Vb，二极管2、4导通，1、3截止。uuouDttuD1uD3－EDA－4.参数计算1)整流电压平均值Uo2)整流电流平均值Io3)流过每管电流平均值ID4)每管承受的最高反向电压UDRM5)变压器副边电流有效值I①

输出直流电压高；

②脉动较小；

③二极管承受的最大反向电压较低；④电源变压器得到充分利用。目前，半导体器件厂已将整流二极管封装在一起，制成单相及三相整流桥模块，这些模块只有输入交流和输出直流引线。减少接线，提高了可靠性，使用起来非常方便。桥式整流电路的优点：~~+–10.4滤波电路

交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。

滤波原理：滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。方法：将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)。

10.4.1电容滤波器

1.电路结构2.工作原理

u>uc时，二极管导通，电源在给负载RL供电的同时也给电容充电，uc增加，uo=uc

。

u<uc时，二极管截止，电容通过负载RL

放电，uc按指数规律下降，uo=uc。+Cici–++–aDuoubRLio=uc

uout0t3.工作波形二极管承受的最高反向电压为。4.电容滤波电路的特点(T—电源电压的周期)(1)输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间常数RLC

有关

RLC

越大电容器放电越慢输出电压的平均值Uo越大，波形越平滑。近似估算取：

Uo=1.2U(

桥式、全波）

Uo=1.0U（半波）当负载RL开路时，UO

为了得到比较平直的输出电压(2)外特性曲线有电容滤波1.4U无电容滤波0.45UUooIO结论

采用电容滤波时，输出电压受负载变化影响较大，即带负载能力较差。因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流较小且负载变化较小的场合。(3)流过二极管的瞬时电流很大选管时一般取：

IOM=2ID

RLC

越大ＵO

越高，IO

越大整流二极管导通时间越短iD

的峰值电流越大。iDtuotOO10.4.2电感电容滤波器1.电路结构L

uRLuo++––~+C2.滤波原理对直流分量:XL=0L相当于短路,电压大部分降在RL上。对谐波分量:f越高,XL越大,电压大部分降在L上。因此,在负载上得到比较平滑的直流电压。当流过电感的电流发生变化时，线圈中产生自感电势阻碍电流的变化,使负载电流和电压的脉动减小。

LC滤波适合于电流较大、要求输出电压脉动较小的场合，用于高频时更为合适。10.4.3形滤波器形LC滤波器

滤波效果比LC滤波器更好，但二极管的冲击电流较大。

比形LC滤波器的体积小、成本低。LuRLuo++––~+C2+C1形RC滤波器RuRLuo++––~+C2+C1

R愈大，C2愈大，滤波效果愈好。但R大将使直流压降增加，主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。10.5直流稳压电路

稳压电路（稳压器）是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。

稳压电路的输出电压大小基本上与电网电压、负载及环境温度的变化无关。理想的稳压器是输出阻抗为零的恒压源。实际上，它是内阻很小的电压源。其内阻越小，稳压性能越好。

稳压电路是整个电子系统的一个组成部分，也可以是一个独立的电子部件。10.5.1稳压管稳压电路2.工作原理Uo

=Uz

IR=Io+IzUIUZRL(Io)IR设UI一定，负载RL变化Uo

基本不变IR

(IRR)基本不变限流调压Uo

(Uz

)IZ1.电路稳压电路+–UIRL+CIoUo+–+–uIRRDzIz10.5.1稳压管稳压电路2.工作原理Uo

=Uz

IR=Io+IzUIUZUIUZ设负载RL一定，UI变化Uo

基本不变IRRIZIR1.电路+–UIRL+CIoUo+–+–uIRRDzIz3.参数的选择(1)UZ

=Uo(2)IZM=(1.5~3)IOM(3)UI

=(2~3)UO(4)为保证稳压管安全工作为保证稳压管正常工作适用于输出电压固定、输出电流不大、且负载变动不大的场合。10.5.2恒压源

由稳压管稳压电路和运算放大器可组成恒压源。UoRFR2R1+–++–RL+–UZRDz+UUoRFR2R1++–+–RLRDz+–UZ+U反相输入恒压源同相输入恒压源改变RF即可调节恒压源的输出电压。10.5.3串联型稳压电路1.电路结构串联型稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。调整元件比较放大基准电压取样电路UITR2UZRLUO+–R3++––+UB+–DZ+–Uf+–R110.5.3串联型稳压电路1.电路结构串联型稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。UITR2UZRLUO+–R3++––+UB+–DZ+–Uf+–R1调整元件比较放大基准电压取样电路当由于电源电压或负载电阻的变化使输出电压UO升高时，有如下稳压过程：2.稳压过程由电路图可知UoUfUBUoICUCE由于引入的是串联电压负反馈，故称串联型稳压电路。UITR2UZRLUO+–R3++––+UB+–DZ+–Uf+–R13.输出电压及调节范围

输出电压

输出电压的调节范围UITR2UZRLUO+–R3++––+UB+–DZ+–Uf+–R119.3.4

集成稳压电源单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。1.分类XX两位数字为输出电压值三端稳压器输出固定电压输出可调电压输出正电压78XX输出负电压79XX（1.25~37V连续可调）2.外形及引脚功能W7800系列稳压器外形1—输入