第八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8.3正弦波产生电路

8.1非正弦波产生电路

电容充放电原理图

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。在稳态下将开关由“1”扳向“2”，电容充电。暂态过程的三要素为：稳定以后，将开关由“2”扳向“1”，电容放电。暂态过程的三要素为：电容充放电的波形电容充放电的波形

改变充放电时间常数,可得到不同波形。脉冲电路里，开关使用电子开关。

如果,可得右图所示近似的矩形波形。如果,可得右图所示近似的三角波形。如果,可得右图所示近似的锯齿波形。

8.1.1矩形波产生电路

矩形波产生电路

＋－＋RROR3R2CVDz1VDz2∞同相端电位：1.工作原理

当电路接通电源时,必然存在差别，和二者必有一个成立。

结构：用滞回电压比较器作开关，RC组成积分电路，通过Ro和稳压管VDz1、VDz2对输出限幅。反相端电压：若Uz1=Uz2=Uz，则UOH=+Uz,UOL=﹣Uz。若u+>u–，则uo=UOH=+Uz。若u+<u–，则uo=UOL=﹣Uz。因此,uo不可能居于其它中间值。＋－＋RROR3R2CVDz1VDz2∞设t=0+(电源接通时刻)，uC=0,输出电压uo=UOH=+Uz,则当uC=UTH1时，u–=u+时，uo从+Uz跳变为﹣Uz。此时，uo=+Uz对电容充电，则u–

=uC上升。tuo0UZ-UZUTH10uCt在uC<UTH1时，u-<u+,

uo=+Uz。此时，C

经R向uo放电。使u-=uC逐渐下降。当uo=﹣Uz时,u+发生跳变,其值为：＋－＋RROR3R2CVDz1VDz2∞tuo0UZ-UZ在uC>UTH2

时，u->u+,

uo=－Uz。当uC=UTH2时，u–=u+时，uo从﹣Uz跳变为+Uz，U+跳变为UTH10uCtUTH2电容C再次充电，当uo

重新回到＋Uz

以后，电路又进入另一个周期性的变化。如此周而复始,产生振荡,从uo输出矩形波。

2.振荡周期计算tuo0UZ-UZUTH10uCtUTH2

应用一阶RC电路全状态响应的结果,得：解此方程,得：式中：

同理求得：tuo0UZ-UZUTH10uCtUTH2振荡周期为：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UTH10uCtUTH2tuo0UZ-UZ如果UOH≠|UOL|,则上述u+

≠u_,

T1≠T2,输出为正向幅值和负向幅值不等、D≠1/2的矩形波。如果|UOH|=|UOL|,但τ充≠τ放,T1≠T2,那么输出为正向幅值和负向幅值相等、D≠1/2的矩形波。占空比可调电路8.1.2三角波产生电路

结构：运放A1组成滞回电压比较器，A2组成反相积分电路，通过Ro和稳压管VDz1、VDz1对输出uo1限幅。u+=0特点：滞回(迟滞)比较器的输出作为反相积分器的输入，反相积分器的输出也作为迟滞比较器的输入。滞回(迟滞)比较器输入u+由uo1和uo两个电压共同作用。若Uz1=Uz2=Uz，则UO1H=+Uz,UO1L=﹣Uz。三角波产生电路

＋－＋RROR3R2CVDz1VDz2∞＋－＋∞u-

=000uo1tUZ－UZuotUom－Uom1.工作原理

设t=0时，u+>u–，则uo1=UOH=+Uz。电容恒流充电，i充=UZ/R，则uo

=﹣uC线性下降。当uo

下降到某一负值，使

A1的

u+≤

u–=0时，uo1从+Uz跳变为﹣Uz，此时电容恒流放电，i放=UZ/R，则uo

线性上升。＋－＋RROR3R2CVDz1VDz2∞＋－＋∞u+=0u–=0当uo

上升到某一正值，使

A1的

u+≥

u–=0时，uo1从﹣Uz跳变为+Uz，电容恒流充电，i充=UZ/R，则uo

再次下降。00uo1tUZ－UZuotUom－Uom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，所以输出uo为三角波

。＋－＋RROR3R2CVDz1VDz2∞＋－＋∞u+=0u–=02.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,即当uo1=+Uz时

当uo1=-Uz时

00uo1tUZ－UZuotUom－Uom

(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,所以得频率：T00uo1tUZ－UZuotUom－Uom

一般先调整R2、R3，使输出电压uo的峰值达到所需要的值，然后再调整R、C值使振荡频率满足要求。T00uo1tUZ－UZuotUom－Uom＋－＋RROR3R2CVDz1VDz2∞＋－＋∞u+=0u–=08.1.3锯齿波产生电路

结构：运放A1组成滞回电压比较器，A2组成反相积分电路，通过Ro和稳压管VDz3、VDz4对输出uo1限幅。VD1、

VD1及电位器RP构成充、放电回路。特点：调整电位器RP可改变充、放电时间常数，从输出端得到不同的波形。如果电位器RP调在中间位置，充、放电时间常数相等，输出uo为三角波。＋－＋ROR3R2CVDz3VDz4∞＋－＋∞u+=0u–=0RPVD1VD2锯齿波产生电路

锯齿波产生电路波形

00如果电位器RP调在中间位置偏上，充电时间常数大于放电时间常数，输出uo为负向锯齿波。如果电位器RP调在中间位置偏下，充电时间常数小于放电时间常数，输出uo为正向锯齿波。锯齿波的幅度和振荡周期与三角波相似。

当时,对应的uo值为输出三角波的幅值Uom,即当uo1=+Uz时

当uo1=-Uz时

(1)uo幅值计算。

0振荡周期为T=T1+T2，rd1、rd2为VD1、VD2导通电阻.

T1为则

电容放电时间T2为

则故振荡周期为08.1.4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。在实践中，广泛采用各种类型的信号产生电路，就其波形来说，可能是正弦波或非正弦波。非正弦信号(方波、锯齿波等)发生器在测量设备、数字系统及自动控制系统中的应用日益广泛。在通信、广播、电视系统中，都需要射频(高频)发射，这里的射频波就是载波，把音频(低频)、视频信号或脉冲信号运载出去，这就需要能产生高频信号的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼，超声波焊接，超声诊断，核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。可见，正弦波振荡电路在各个科学技术领域的应用是十分广泛的。

8.3正弦波产生电路负反馈放大电路的自激条件产生自激振荡又得自激振荡条件幅值条件相位条件（附加相移）闭环增益基本放大电路反馈网络自激振荡电路方框图–18.3.1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,在通频带外由于附加相移达到±180o,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.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。1.振荡条件若环路增益则去掉仍有稳定的输出又所以振荡条件为振幅平衡条件相位平衡条件说明同相位或引入的反馈为正反馈。正弦波反馈电路方框图正反馈放大电路方框图这是正弦波电路产生振荡的首要条件,又称为相位条件。起振条件:2.起振和稳幅＊振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？电路器件内部噪声

为了使电路在没有外加信号时(Xi=0)就产生振荡,应要求电路在刚开始通电时满足

这就是产生振荡必须满足的幅值条件。此时只要满足相位条件微小扰动信号通过闭环回路就可得到不断加强，从而产生振荡。正弦波反馈电路方框图

噪声中，满足相位平衡条件的某一频率0的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。

当输出信号幅值增加到一定程度时，就要采取稳幅措施，限制它继续增加，否则波形将出现失真。

稳幅的作用，就是当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从回到从而得到幅值、频率稳定的振荡信号。正弦波反馈电路方框图

一个反馈放大电路若能同时满足自激振荡的幅度和相位平衡条件，就一定能产生自激振荡，但并不见得一定能产生正弦波自激振荡，即输出信号不一定是正弦波。3.基本组成部分

这是因为，若同时有多种频率的正弦波信号都满足自激振荡条件，则反馈放大电路就能够在多种频率下产生振荡。它的输出信号就是一个由多种频率的正弦波信号合成的非正弦波信号。

为了获得单一频率的正弦波振荡，可在反馈放大电路中引入选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率），使反馈放大电路对不同频率的正弦波信号产生不同的相位移和放大倍数，使电路只让某一特定频率的正弦波信号满足自激振荡条件，保证电路输出正弦波信号。放大电路（包括负反馈放大电路）

综上所述，正弦波振荡电路应包括以下几个基本组成部分：反馈网络（构成正反馈）选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率，经常与反馈网络合二为一。）稳幅电路RC振荡器低频<1MHZLC振荡器高频>1MHZ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。正弦波反馈电路方框图

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。反馈网络兼做选频网络

RC振荡电路有很多种：桥式的、移相式、双T型的，但最常用的是桥式振荡电路。放大电路：运放、R1、Rf组成同相比例运算电路反馈网络选频网络RC串并联网络:电压串联负反馈8.3.2正弦波振荡电路RC桥式振荡电路1.

RC串并联网络的选频特性RC串并联网络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。输出电压相位超前输入电压。

当信号频率足够高时,,可得到近似的高频等效电路。输出电压相位落后输入电压。RC串并联网络RC串并联网络高频等效电路1.

RC串并联网络的选频特性RC串并联网络低频等效电路RC串并联网络RC串并联网络高频等效电路因此可以断定,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。由RC串并联网络图可得

RC串并联网络通常取R1=R2=R,C1=C2=C,则RC网络幅频特性为相频特性为

当幅频响应有最大值:相移：RC串并联网络的频率特性放大电路为同相比例电路。反馈网络和选频网络由RC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=±2nπRC桥式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的集成运放或两级共射分立元件放大电路等。

由于RC串并联网络选频特性,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。2.RC串并联网络正弦波振荡电路为了使电路能振荡,还应满足起振条件,即要求

RC振荡电路的反馈系数就是RC串并联网络的传输系数,放大器的放大倍数RC桥式振荡电路即

当ω=ωo时,,因而按起振条件式要求该电路的振荡频率为采用非线性元件。电路满足起振条件振荡后需加稳幅措施，怎样稳幅措施呢？热敏元件热敏电阻起振时，即热敏电阻的作用：稳幅RC桥式振荡电路Rf采用负温度系数热敏电阻。稳幅采用非线性元件。热敏元件起振时，即热敏电阻的作用：RC桥式振荡电路Rf采用正温度系数热敏电阻。二极管

当输出幅值很小时，二极管VD1、VD2接近开路，由VD1、VD2和R3并联支路的等效电阻近似为2.7千欧，A约等于3.3，>3，有利于起振。二极管工作点：A、B，RD大。

当输出幅值较大时，二极管VD1、VD2导通，由VD1、VD2和R3并联支路的等效电阻减小，A随之下降，输出幅值趋于稳定。二极管工作点：C、D，RD小。二极管稳幅原理显然该电路的振荡频率取决于R、C的乘积，当要求振荡频率较高时，RC值必然很小。由于RC串并联网络是放大电路的负载之一，RC值的减小加重了放大电路的负载，且由于电路存在寄生电容，其电容减小不能超过一定的限度，否则振荡频率将受寄生电容的影响而不稳定。此外集成运放的带宽较窄，也限制了振荡频率的提高。因而RC振荡电路通常只作为低频振荡用，工作频率一般在1MHZ以下。如需要产生1MHZ以上频率的正弦信号,可采用下面介绍的LC正弦波振荡电路。3.RC串并联网络正弦波振荡电路的局限性在前面已求得RC串并联网络正弦波振荡电路的振荡频率：8.3.3LC正弦波振荡电路

1.LC并联回路的选频特性LC并联电路

CLR

LC正弦波振荡电路可产生频率高达1000MHZ的正弦信号,虽然高速集成运放的带宽较大，但价格高，因而LC正弦波振荡电路一般用分立元件组成。

LC正弦波振荡电路有变压器反馈式、电感三点式和电容三点式。共同点是用LC并联谐振回路作为选频网络。图中R表示回路的等效损耗电阻。其数值一般很小。回路等效阻抗为：1.等效阻抗等效损耗电阻一般有则即时，电路发生谐振。谐振时阻抗最大且为纯阻性其中为品质因数，同时有即用来评价回路损耗大小的指标LC并联电路

CLR为谐振频率2.频率特性谐振回路具有选频特性1

由相频特性可知，当ω<ω0时，由于ωL<1/ωC，回路等效电抗呈感性；反之，回路等效电抗呈容性。ω=ω0时阻抗虚部为零，所以相移也为零。2.变压器反馈式LC正弦波振荡电路

在满足相位条件的前提下,只要变压器的匝数比设计恰当,一般都可满足幅值条件。若不能起振,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,即虽然集电极电流波形出现了失真，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。电压波形一般失真不大。1.相位平衡条件2.幅值平衡条件3.稳幅4.选频通过选择高值的三极管和调整变压器的匝数比，可以满足，电路可以起振。三极管进入非线性区，波形出现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目的。(+)(－)同名端(+)（定性分析）(+)(-)(+)(+)(+)(+)(+)(+)反馈满足相位平衡条件，可能振荡满足相位平衡条件，可能振荡反馈3.三点式LC正弦波振荡电路由LC并联谐振电路构成选频网络。(1)三点式LC并联电路与三极管的连接方法电容三点式电感三点式谐振回路的三个引出端与三极管的三个电极相连(指交流连接),其中两个同性质电抗的公共点与发射极相连,而另一个异性电抗则连在集电极与基极间。LcbC1eC2cbCeL1L2仍然由LC并联谐振电路构成选频网络电容三点式电感三点式CL1L2ALC1C2A谐振回路的三个引出端与集成运放的三个端子(同相端、反相端、