波形的产生与变换课件

1Chapter6波形的产生与变换波形产生电路：在无外加输入信号的情况下，能自动产生一定波形、一定频率和幅值的交流信号。波形变换电路：能把外加输入信号的波形变换成指定的适合于系统应用和处理的波形。波形产生电路正弦波产生电路：广泛应用于通讯、广播、电视等系统。非正弦波产生电路：如矩形波、三角波锯齿波。广泛应用于测量设备、数字系统和自控系统。2波形的产生与变换正弦波振荡电路电压比较器非正弦波振荡电路集成函数发生器ICL803836.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路的工作原理RC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路石英晶体振荡器46.1.1正弦波振荡电路的工作原理

在振荡电路中，是利用正反馈产生自激振荡。但正反馈的引入只是为振荡提供了必要条件，而非充分条件。1、正弦波振荡电路产生振荡的条件若则环路输出可得到持续稳定的正弦波。5由得——正弦波振荡电路产生振荡的条件幅度平衡条件：相位平衡条件：注意：负反馈放大器的自激条件为为什么？62、振荡的建立和稳定1）起振实际振荡电路无外部输入信号，以内部噪声或外部干扰作输入信号，经放大后再反馈，周而复始使电路开始振荡。72）选频为了得到频率为fo的正弦振荡，可用选频网络从噪声和干扰中选出频率为fo的成分，并使整个振荡电路只对fo满足等幅振荡条件。3）稳幅当幅度足够大后，再继续增幅，将出现非线性失真，则需振荡器幅度变化。故在振荡电路中要有稳幅环节，一般由非线性电阻构成。84）电路组成放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅电路

按组成选频网络的元件不同，正弦波振荡电路主要有：

RC正弦波振荡电路

LC正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路4、正弦波振荡电路的分类9

正弦波振荡电路的分析步骤

1．判定电路能否产生振荡（1）检查电路的基本组成，看电路是否包括放大电路、反馈网络、选频网络。（2）检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正常工作。（3）检查电路是否满足自激振荡产生的条件。一般情况下，幅度平衡条件容易满足，重点检查电路是否满足相位平衡条件。102．用相位平衡条件判定电路振荡

采用瞬时极性法，沿着放大和反馈环路判别反馈的性质，如果是正反馈则满足相位条件，否则不满足相位条件。

11

（1）断开反馈支路与放大电路的输入端的连接点。（2）在放大电路断开点处输入信号ui

；经放大电路和反馈支路求反馈信号uf，根据放大电路和反馈网络的相频特性，确定ui和uf之间的相位关系。（3）如果ui和uf在某一频率下相位相同，则电路满足相位的起振条件。否则不满足相位起振条件。12

3．振荡频率的估算振荡频率由相位平衡条件所决定令

根据该式即可求得满足该条件的频率fo，此fo即为振荡频率136.1.2RC正弦波振荡电路1、文氏电桥（RC串并联）振荡器1）RC串并联网络的选频特性14幅频特性：相频特性：当ω=ωo时，电路达到谐振，电路呈“电阻性”，此时幅值最大152、文氏电桥振荡器的分析1）组成同相比例放大电路RC选频网络，兼正反馈网络Z1、Z2、R3

与R4形成四个桥臂162）起振条件及振荡频率RC网络谐振时满足自激振荡的相位平衡条件。振荡频率：由同相放大电路：由幅度起振条件：由选频网络可知，谐振时：或173）稳幅环节

为了改善振荡波形，一般采用外稳幅电路。UoIR4PR4TR4R4Uo也可采用负温度系数的热敏电阻作R3。R4采用正温度系数的热敏电阻，可起稳幅作用183、RC移相式正弦波振荡器移相网络采用RC移相器（最大移相90）。超前移相滞后移相基本放大电路在通频带内的移相为180。三节RC电路为移相兼反馈网络，对某一频率可实现180相移，从而满足振荡条件。振荡频率：19优点：结构简单。缺点：选频作用较差；频率调节不方便；输出波形较差。一般用于振荡频率固定且稳定性要求不高的场合。20结论：RC正弦波振荡器只能用作低频振荡器。振荡频率的范围：1Hz~1MHz例如，桥式振荡器。选R=1kΩ，C=200pF，则fo=796HzRC正弦波振荡器的振荡频率取决于R、C的数值。若提高振荡频率fo

，必须选择较小的R和C值。foR基本放大电路的负载加重；C受到管子结电容和分布电容的限制。当振荡频率高于1MHz时，采用LC正弦波振荡器。216.1.3LC正弦波振荡电路LC选频电路变压器反馈式振荡电路电感反馈式（电感三点式）振荡电路电容反馈式（电容三点式）振荡电路移相网络由LC并联谐振电路组成。22一般R<<ωL，则1、LC并联谐振电路的选频特性23谐振频率谐振时Z为纯电阻性品质因数，Q值越大，选频特性越好，谐振时阻抗越大。242、变压器反馈式振荡电路1）组成三极管的负载并作选频网络共射放大电路反馈线圈L2。将反馈信号送入放大器输入端。交换反馈线圈的两个线头，可使反馈极性反相。调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度。阻抗变换252）起振条件和振荡频率

在谐振频率fo处满足相位平衡条件。振荡频率约为谐振频率幅度起振条件：只要选择合适的变压器匝比，都能满足幅度起振条件。相位起振条件：263）稳幅环节由于LC谐振回路的选频性能好，一般采用内稳幅。优点：

1）只要改变LC并联谐振电路的电容C，即可改变振荡频率，故适于制作频率可调的振荡器。

2）选择适当的变压器匝比n或互感M，使电路容易起振。

3）选择适当的变压器匝比，可适应不同负载的要求。缺点：振荡频率不宜太高，一般在100MHz以下。273、电感反馈式振荡电路

（电感三点式）1）组成共射放大电路三极管的负载并作选频网络反馈元件282）起振条件和振荡频率电路在LC并联回路谐振时，满足相位平衡条件。振荡频率即为谐振频率：29幅度起振条件：由于Au较大，只要适当选择L2/L1的比值，就可实现起振。加大L2（或减小L1）有利于起振。3）电路特点a.调频方便。改变C，即可改变振荡频率。

b.工作频率范围：

105~107Hzc.由于反馈电压取自L2，L2对高次谐波（相对于fo）阻抗大，因而引起振荡回路输出谐波分量增大，输出波形不理想。304、电容反馈式振荡电路

（电容三点式）1）组成三极管的负载并作选频网络反馈元件共射放大电路312）起振条件和振荡频率

电路在LC并联回路谐振时，满足相位平衡条件。振荡频率即为谐振频率：32幅度起振条件：C1和C2上的压降于电容量成反比分配。只要适当选择C1/C2的比值，就可实现起振。通常选C2/C1≥1有利于起振。3）电路特点a.由于反馈电压取自C1，C1对高次谐波阻抗很小，因而反馈电压中的谐波分量很小，输出波形较好。

b.因电容C1、C2的容量可选择较小，故工作频率较高，一般可达100MHz以上。c.改变C1和C2可调节振荡频率，但会影响起振条件。在L两端并可调电容可小范围调频。336.1.4石英晶体振荡器

工程技术中，常要求振荡器的振荡频率十分稳定。如通讯系统中的射频振荡器，数字系统中的时钟发生器等。

频率稳定度：衡量振荡频率稳定程度的质量指标。定义为在特定时间内频率的相对变化量f/fo。

LC振荡电路中Q值对频率稳定度有较大影响，Q增大，f稳定度提高。1、正弦波振荡器的频率稳定问题34石英晶体具有很高的Q值及等效L/C值，由石英晶体组成的振荡器其频率稳定度可达106~108。2、石英晶体的特性与等效电路1）结构引线晶片敷银层2）压电效应和压电谐振压电效应：当石英晶片的两电极间加一电场，晶片会产生机械形变，反之，机械力又会在晶片上产生电场。压电谐振：当某一特定频率的交变电压作用于晶片时，能使晶片的机械振幅有很大的增加。353）等效电路与阻抗特性石英晶体的压电谐振与LC回路的谐振十分相似，故可用LC回路的电参数来模拟。晶体不振动时，视为平板电容Co：静态电容，很小，几pF～几十pF振动时用LC振荡电路模拟L：模拟机械振动的惯性，几十mH～几百mHC：模拟晶片弹性，0.0002～0.1pFR：模拟振动的摩擦损耗，约100Ω

Q值可达104~106。364）阻抗特性

当f=fs时，LCR支路发生串联谐振，等效阻抗最小(zo=R)。由于1/ωCo>>R，故近似认为石英晶体对于fs

呈纯阻性。

当f=fp时，LCR支路呈感性，与Co产生并联谐振，等效为很大的纯电阻。串联谐振频率并联谐振频率

fs≈fp

371）串联型利用f=fs时，石英晶体呈纯阻性，相移是0的特性构成。2）并联型当频率在fs与fp之间（fs≈fp

），石英晶体相当于电感。3、石英晶体正弦波振荡电路38例11.根据相位平衡条件判断图示电路能否产生正弦波振荡；2、若能振荡，则fo与哪些参数有关？写出表达式；3、电路起振与哪些参数有关？应满足什么关系？1、可能起振。3、电路起振与Rf、Re1有关。解：2、fo与R、C有关。391、可能起振。2、fo与R、C有关。3、电路起振与对管参数有关。40例2运放构成的正弦波振荡电路如图所示1、在图中标明运放的同相、反相输入端。2、电路起振与哪些参数有关？应如何选择？3、振荡频率与哪些参数有关？写出表达式。解：1、在图中标明运放的同相、反相输入端。++412、电路起振与哪些参数有关？应如何选择？与R1、R2有关。3、振荡频率与哪些参数有关？写出表达式。与R、C有关。42例3用相位平衡条件判断下列电路能否振荡。不能振荡43能振荡44能振荡45能振荡46能振荡47能振荡48能振荡496.2电压比较器

比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。输出为比较结果：高电平1或低电平0。

比较器的输入信号是连续变化的模拟量，而输出信号则是数字量(即“0”或“1”)。所以，比较器可作为模拟电路和数字电路的“接口”，广泛地应用于A/D变换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，此外还可以用于非正弦波形的产生和变换电路。比较器是这些电路的基本单元。50

比较器可用通用的集成运放组成，也可采用专用集成比较器。对比较器的要求：灵敏度高、响应时间短、鉴别电平准确、抗干扰能力强。

类型：单门限比较器、迟滞(滞回)比较器、窗口比较器等。

由集成运放构成的比较器通常工作在开环状态，传输特性具有开关特性，即输出只有两个稳态（+Uom、Uom

）。为提高比较器的灵敏度和响应速度，在电路中引入正反馈。+UimUimuid/mVuo/V+UomUom0实际运放理想运放516.2.1单门限比较器1.单门限比较器只有一个门限电压522、过零比较器当ui≤0时，uo=+Uom；当ui≥0时，uo=Uom；波形变换运放开环工作。ui与u+相比较。门限电压UT=0533.带限幅的比较器输出电压幅度限制在某一范围。引入负反馈544、任意电平比较器反相输入端电位当输入ui变化，使u=0时，输出uo状态跳变。则令u=0，得当u>0时，uo=Uz当u<0时，uo=+Uz传输特性改变R1与R2的比例，即可改变UT。55

单门限比较器的抗干扰能力差

当输入信号接近基准电压时，常会使输出状态错误变化和不确定。而且比较器的灵敏度越高，这种误触发的可能性越大。解决方法：采用迟滞比较器。566.2.2迟滞比较器1、电路结构u+由uo和UREF共同决定，故有2个门限电压。传输特性呈现出“滞回”曲线的形状uiuo0UT+UZ-UZUT−572、工作原理设uo=+Uz，当ui逐渐增大时，uo从+Uz跳变为Uz所需的门限电压为UT+，则若uo=Uz，当ui逐渐减小时，uo从Uz跳变为+Uz

所需的门限电压为UT，则uiuo0UT+UZ-UZUT−583、门限宽度（回差）UT与Uz、R2和Rf有关，与UREF无关。UT灵敏度抗干扰能力uiuo0UT+UZ-UZUT−5960抗干扰能力滞回比较器的优点是抗干扰能力强，因此应用广泛。此外，它还可以组成矩形波、锯齿波等信号发生电路。616.2.2窗口比较器设R1=R2，则有：1、电路结构

用于判断输入电平是否处于两个已知电压之间的电压比较器，常用于自动测试系统、故障检测系统等场合。62

当ui＞UH时，uo1为高电平，D3导通；uo2为低电平,D4截止，uo=uo1。

当ui＜UL时，uo2为高电平，D4导通；uo1为低电平，D3截止，uo=uo2。

当UH＞ui＞UL时，uo1为低电平，uo2为低电平，D3、D4截止，uo为低电平。2、工作原理窗口电压U=UHUL=2UD63§6.3非正弦波振荡电路方波发生电路三角波发生电路锯齿波发生电路646.3.1方波发生电路比较器的输出电压经一定延时，馈送作为比较器的输入电压，使比较器自行翻转，产生方波输出。1、电路组成RC积分电路延时兼反馈迟滞比较器开关电路限流电阻652、工作原理电路的正反馈系数比较电压设t=0时，uC=0，uo=+Uz则输出电压uo通过R向C充电，uC呈指数规律增加。当t=t1，uC≥u'+时，uo跳变为Uz。此时66uo=Uz

此时C通过R放电，uC呈指数规律减小。如此周而复始，产生振荡，输出方波。当t=t2，uC≤u+时，uo跳变为+Uz。电容又被充电。673、振荡周期t1~t2，电容放电。放电时间常数：1=RC当t=T1=T/2时，，代入上式，得振荡频率：684、占空比可调的矩形波产生电路

占空比：矩形波中高电平的持续时间与振荡周期的比值。方波的占空比为50%。其中rd是二极管D的导通电阻。改变Rw

的中点位置，占空比就可改变。为改变输出方波的占空比，可改变电容C的充、放电时间常数。占空比：696.3.2三角波发生电路三角波发生器是由迟滞比较器A1和积分器A2闭环组合而成的。1、电路组成2、工作原理设t=0时，uC=0，uo1=+Uz运放A1同相端的电位：uo=

uC=0此时，uo1通过R4向电容C恒流充电，uC线性上升，uo线性下降。iC=Uz/R470当t=t1，u'+≤0时，A1翻转，uo1Uz。C恒流放电，uC线性，uo线性。C恒流充电，uC线性，uo线性。71当t=t2，u+≥0时，A1翻转，uo1跳变为+Uz。如此周而复始，产生振荡，输出三角波C恒流放电，uC线性，uo线性。723、振荡周期t2t1=T/2736.3.3锯齿波发生电路为了获得锯齿波，应改变积分器的充放电时间常数。74压控振荡器75例4已知：参考电压UREF=Uz/2。设A为理想运放，D1、D2为理想二极管。1）求门限电压；2）画传输特性。76解：

运放A引入正反馈，故为双门限比较器。