第8章波形产生电路与变换电路

第八章波形产生电路与变换电路8.1非正弦波产生电路8.2集成函数发生器ICL8038简介8.3正弦波产生电路8.1非正弦波产生电路矩形波、锯齿波、三角波等非正弦波,实质是脉冲波形。产生这些波形一般是利用惰性元件电容C和电感L的充放电来实现的。由于电容使用起来方便,因而实际中主要用电容。其原理如图8-1所示。图8–1利用电容充放电产生脉冲波形原理图图8-2电容充放电的波形由图8-1得其三要素为其充放电的波形如图8-2所示,改变充放电时间常数,可得到不同波形。8.1.1矩形波产生电路图8–3矩形波产生电路

1.工作原理在图8-3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。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(8-1)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8-4所示。图8–4矩形波产生电路波形图2.振荡周期计算其中（8-4）T1、T2不难从电容充放电三要素和转换值求得（8-3）代入式(8-4)得同理求得(8-5)(8-6)(8-7)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(8-8)占空比可调电路如图8-5所示。通过计算可得该电路的占空比为(8-9)其中rd1、rd2分别为二极管VD1、VD2导通时的电阻。具体推导请读者自行完成。图8–5占空比可调电路8.1.2三角波产生电路从图8-3的电容输出,可得到一个近似的三角波信号。由于它不是恒流充电,随时间t的增加uC上升,而充电电流i充=（uo-uC）/R随时间而下降,因此uC输出的三角波线性较差。此电路主要用于要求矩形波输出的场合。为了提高三角波的线性,只要保证电容是恒流充放电即可。用集成运放组成的积分电路取代图8-3的RC电路,略加改进即可,电路如图8-6所示。图8–6三角波产生电路1.工作原理设电源合上，t=0,uo1=+Uz,电容恒流充电。因为A2积分电路具有虚地,所以充电电流为i充=Uz/R,uo=-uC线性下降；当下降到一定程度,使A1的U+≤U-=0时,uo1从+Uz跳变为-Uz。uo1变为-Uz后,电容恒流放电,则输出电压线性上升；当uo上升到一定值后,使A1的U+≥U-,uo1从-Uz跳变到+Uz,电容再次充电,uo再次下降。如此周而复始,产生振荡,由于充电时间常数和放电时间常数相同,因而输出波形uo为三角波。根据上述过程,画出uo1和uo的波形,如图8-7所示,uo是三角波,而uo1是方波。图8–7双运放非正弦波产生电路的波形2.计算(1)uo幅值计算。uo的幅值从滞回比较器产生突变时刻求出,对应A1的U+=U-=0时的uo值就为幅值。从图8-6可看出A1的U+为当时,对应的uo值为输出三角波的幅值Uom,即(8-10)当uo1=+Uz时当uo1=-Uz时（8-11）(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(8-11)代入,可得(8-12)(8-13)8.1.3锯齿波产生电路三角波产生电路的条件是电容充放电时间常数相等,如使二者相差较大,即为锯齿波产生电路。锯齿波产生电路如图8-8所示。图8–8锯齿波产生电路利用VD1、VD2控制充放电回路,调整电位器RP可改变充放电时间常数。如果RP在中点,则充放电时间常数相等,输出为三角波；如果RP在最下端,则充电时间常数大于放电时间常数,得负向锯齿波；如果RP在最上端,则充电时间常数小于放电时间常数,得正向锯齿波。其中后两种波形如图8-9所示。图8–9锯齿波产生电路波形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(8-14)(8-15)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(8-16)则故振荡周期为式中rd1、rd2为二极管VD1、VD2导通时的电阻。(8-17)8.1.4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。8.2集成函数发生器ICL8038简介随着大规模集成电路技术的迅速发展,人们将波形产生电路和波形变换电路集成在一小块硅片上,它可输出若干种不同的波形,所以称之为函数发生器。下面简要介绍美国INTERSIL产品ICL8038。ICL8038为大规模集成电路,其原理框图如图8-10所示。图8–10ICL8038的原理框图ICL8038管脚如图8-11所示,其中管脚⑧为频率调节(简称调频)电压输入端。振荡频率与调频电压成正比,其线性度约为0.5%。调频电压的值是指管脚⑥与管脚⑧之间的电压值,它的值应不超过(UCC+UEE)。管脚⑦输出调频偏置电压,其值(指管脚⑥与⑦之间的电压)是(UCC+UEE),它可作为管脚⑧的输入形式。此外,该器件的矩形波输出级为集电极开路形式,因此在管脚⑨和正电源之间外接一个电阻,其阻值一般为10kΩ左右。图8-11ICL8038管脚图(顶视图)图8-12ICL8038基本接法上升时间t1为下降时间t2为因此振荡周期为振荡频率为(8-19)(8-20)其中RA和RB的阻值宜在范围内(“UCC-U⑧”是管脚⑥与管脚⑧之间的电压),且RB应小于2RA。⑧⑧当RA=RB时,管脚⑨、③和②的输出波形分别为矩形波、三角波和正弦波,振荡频率为。调节电位器RW可使正弦波的失真度减小到1.5%以下。用100kΩ电位器接成可变电阻形式代替图8-12中的82kΩ电阻,调节它也可以减小正弦波的失真度。如果希望进一步减小正弦波的失真度,可用图8-13所示的调整电路,使正弦波的失真度减小到0.5%左右。图8–13频率可调和失真小的函数发生器图8–14扫描信号发生器(RA=RB)表8-1ICL8038的主要参数8.3正弦波产生电路8.3.1产生正弦波振荡的条件在第五章负反馈放大电路中,我们讨论过放大器在通频带内引入的负反馈,到通频带外,可能变为正反馈,当满足一定的相位和幅度条件时,将产生自激振荡,即使在放大电路的输入端不加信号,在它的输出端也会出现某种频率和幅度的波形,使放大器无法正常工作,所以对放大电路应当设法消除自激振荡。但对于正弦波产生电路,其目的就是要使电路产生一定频率和幅度的正弦波,因而在放大电路中有意地引入正反馈,并创造条件,使之产生稳定可靠的振荡。可见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8-15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(Xi=0)就产生振荡,应要求电路在开环时满足.即图8–15正弦波产生电路的基本结构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。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。8.3.2正弦波振荡电路1.RC串并联网络的选频特性图8–16RC串并联网络及其高低频等效电路当信号频率足够低时, ,可得到近似的低频等效电路,如图8-16(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8-16(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。整理后得由图8-16(a)可得(8-22)通常取R1=R2=R,C1=C2=C,则其中,即(8-23)式(8-23)所代表的幅频特性为(8-24)(8-25)相频特性为可见,当ω=ωo=1/RC时,达到最大值,且等于1/3,而相移φ=0。(8-26)图8–17RC串并联网络的频率特性

2.RC串并联网络正弦波振荡电路图8-18为RC串并联网络正弦波振荡电路。其放大电路为同相比例电路。反馈网络和选频网络由串并联电路组成。由RC串并联网络的选频特性得知,在ω=ω0=1/RC时,其相移φF=0,为了使振荡电路满足相位条件φAF=φA+φF=±2nπ图8-18RC串并联网络正弦波振荡电路要求放大器的相移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。(8-27)而图8-18所示的反馈系数就是RC串并联网络的传输系数,如式(8-23)所示,即放大器的放大倍数(8-28)当ω=ωo时,,因而按起振条件式(8-27),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(8-29)而起振。该电路的振荡频率为(8-29)(8-30)图8–19二极管稳幅电路的RC串并联网络振荡电路8.3.3LC正弦波振荡电路1.LC并联回路的选频特性简单的LC并联回路只包含一个电感和一个电容,如图8-20所示,R表示回路的等效损耗电阻,其数值一般很小。电路由电流I激励。回路的等效阻抗为.(8-31)图8–20LC并联电路对于某个特定频率ωo,满足,即或(8-32)则电路产生并联谐振,所以f0叫做谐振频率。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，(8-33)其中LC并联回路谐振时的输入电流为(8-34)而流过电感的电流为(8-35)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(8-31)虚部为零,所以相移也为零。(8-35)图8–21LC并联回路的频率特性2.变压器反馈式LC正弦波振荡电路图8–22变压器反馈式LC正弦波振荡电路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(8-36)3.三点式LC正弦波振荡电路因为这类LC振荡电路的谐振回路都有三个引出端子,分别接至三极管的e、b、c极上,所以统称为三点式振荡电路。图8-23列举了几种常见的三点式振荡电路的接法。图8–23三点式振荡电路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8-23(c)、(d)(8-37)(8-38)(8-39)(8-40)图8–24电容三点式改进型正弦波振荡电路由于电容三点式正弦波振荡电路的反馈电压取自电容C2,反馈电压中谐波分量小,因此输出波形较好。而且电容C1、C2的容量可以选得较小,并可将管子的极间电容计算到C1、C2中去,所以振荡频率可达100MHz以上。但管子的极间电容随温度等因素变化,对振荡频率有一