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文档简介
华北科技学院电子信息工程学院主讲人:林亭生—多媒体教学课件模拟电子技术基础
FundamentalsofAnalogElectronics
华成英、童诗白主编第八章
波形的发生和信号的转换8.1正弦波振荡电路8.2电压比较器8.3非正弦波发生电路8.4利用集成运放实现的信号转换电路8.5锁相环及其在电路中的运用本章重点和考点:1.重点掌握RC正弦波振荡工作原理。2.重点掌握电压比较器的传输特性。3.掌握非正弦波发生电路的原理。本章讨论的问题:1.在模拟电子电路中需要哪些波形的信号作为测试信号和控制信号?2.正弦波振荡电路所产生的自激振荡和负反馈放大电路中所产生的自激振荡有什么区别?3.为什么正弦波振荡电路中必须有选频网络?选频网络由哪些元件组成?4.为什么说矩形波发生电路是产生非正弦波信号的基础?为什么非正弦波发生电路中几乎都有电压比较器?第三版童诗白本章讨论的问题:5.电压比较器与放大电路有什么区别?集成运放在电压比较器和运算放大电路中的工作状态一样吗?6.如何组成矩形波、三角波和锯齿波发生发生电路?7.为什么需要将输入信号进行转换?有哪些基本转换?8.1正弦波振荡电路8.1.1概述~放大电路反馈网络如果反馈电压uf
与原输入信号ui
完全相等,则即使无外输入信号,放大电路输出端也有一个正弦波信号——自激振荡。(电路要引入正反馈)图
8.1.2正弦波振荡电路的方框图一、产生正弦波振荡的条件正弦波振荡电路是在没有外加输入信号的情况下,依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路。图示正弦波振荡电路的方框图,它由放大电路和正反馈网络(具有选频作用)组成。F+–A1.起振与稳幅
由于电扰动(如合闸通电),电路产生一个幅值很小的输出量,它含有丰富的频率,若电路只对频率为fo的正弦波产生正反馈过程,则由于晶体管的非线性特性,当X0的幅值增大到一定程度时,放大倍数的数值将减小。因此,Xo增大到一定数值时,电路达到动态平衡。即:所以产生正弦波振荡的条件是:——幅度平衡条件——相位平衡条件电路起振的条件:起振过程2.振荡条件二、正弦波振荡电路的组成及分类1.组成(1)放大电路:保证电路能够从起振到动态平衡的过程,满足幅值条件。(2)选频电路:保证电路产生单一频率的正弦波振荡。(3)正反馈网络:使,满足相位条件。(4)稳幅环节:即非线性环节,使输出信号幅值稳定。注:实际中,常将选频网络与正反馈网络“合二而一”。2.分类按选频网络不同分类:(1)RC正弦波振荡电路:f0低,一般在1MHZ以下;(2)LC正弦波振荡电路:f0高,多在1MHZ以上;(3)石英晶体电路:振荡频率稳定,可等效LC振荡电路。
1.检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分;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.分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件判断相位平衡条件的方法是:瞬时极性法。5.估算振荡频率和起振条件4.判断是否满足振幅平衡条件。三、判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤8.1.2
RC正弦波振荡电路常见的RC正弦波振荡电路有:(1)RC桥式正弦波振荡电路;(2)RC移相式振荡电路;(3)双T选频网络振荡电路等。一、RC串并联选频网络
RC串并联选频网络在正弦波振荡电路中既为选频网络,又为正反馈网络。Z1Z2取R1=R2=R,C1=C2=C
,令
则:得RC
串并联电路的幅频特性为:相频特性为:可见,具有选频特性。0
F01/3+90º-90º二、RC桥式正弦波振荡电路1.电路组成(1)放大电路:同相比例运算放大电路;(2)选频与正反馈网络:R、C串并联网路;(3)稳幅环节:RF与R1
组成的电压串联负反馈电路。
R1、RF及R、C串联、并联的R、C各为一臂构成桥路,故此得名,如图。
RC串并联网络振荡电路也称RC桥式正弦波振荡电路或称文氏桥振荡电路(Wien)。2.
振荡频率与起振条件(1)振荡频率(2)起振条件f=f0时,由振荡条件知:所以起振条件为:同相比例运放的电压放大倍数为3.稳幅措施为了稳定输出电压的幅值,一般应在电路中加入非线性环节。(1)可选用R1为正温度系数的热敏电阻。当UO↑→RF、R1上电流↑→R1的温度T˚C↑→R1↑→Au↓→UO↓(2)可选用RF为负温度系数的热敏电阻。(3)在Rf回路串联两个并联的二极管,如图。ID↑→rd
↓,ID↓→rd↑(二极管动态电阻)加入非线性环节,从而稳定输出电压。三、振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路用双层波段开关接不同电容,作为振荡频率f0的粗调;用同轴电位器实现f0的微调。RC串、并联网络中,如何调节频率?电子琴的振荡电路_+
+
RF1uoR1CCRfD1D2RF2R28R27R26R25R24R23R22R21R212345176功率放大器使R2>>R1AF
1可调A
2四、其他形式的RC振荡电路1.
移相式振荡电路集成运放产生的相位移
A=180º,如果反馈网络再相移180º,即可满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。振荡频率为:0
270º180º90º当f=f0时,相移180º,满足正弦波振荡的相位条件。起振条件:RF>12R2.
双T选频网络振荡电路振荡频率约为:当f=f0
时,双T网络的相移为
F=180º;反相比例运放的相移
A=180º,因此满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。如果放大电路的放大倍数足够大,同时满足振幅平衡条件,即可产生正弦波振荡。起振条件RC桥式振荡器的工作原理:(总结)在f0处满足相位条件:因为:AF=131=F11f+=RRA1f2RR>只需:A=3输出正弦波频率:振幅条件:引入负反馈:选:*三种RC振荡电路的比较名称RC串并联网络振荡电路移相式振荡电路双T网络选频振荡电路电路形式振荡频率起振条件电路特点及应用场合
可方便地连续调节振荡频率,便于加负反馈稳幅电路,容易得到良好的振荡波形。电路简单,经济方便,适用于波形要求不高的轻便测试设备中。选频特性好,适用于产生单一频率的振荡波形。8.1.3
LC
正弦波振荡电路
一、LC
谐振回路的频率特性当频率变化时,并联电路阻抗的大小和性质都发生变化。并联电路的导纳:当电路发生并联谐振。图
8.1.10并联谐振角频率令:——谐振回路的品质因数当Q
>>1时谐振频率:不同Q
值时,LC并联电路的幅频特性:Z01Z02Q1
>Q2Q1Q2相频特性:
F+90º-90ºQ1Q2Q1
>Q2感性纯阻容性结论:
1.当f=f0
时,电路为纯电阻性,等效阻抗最大;当f
<
f0
时,电路为感性;当f
>
f0
时,电路为容性。所以LC并联电路具有选频特性。图
8.1.11
2.Q为谐振回路的品质因数,Q值越大,曲线越陡越窄,选频特性越好。若以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载当f=f0时,电压放大倍数的数值最大,且无附加相移。因而电路称为选频放大电路若增加正反馈,并用反馈电压取代输入电压,则电路就成为正弦波振荡电路。LC
正弦波振荡电路变压器反馈式电感反馈式电容反馈式互感线圈的极性判别1234初级线圈次级线圈同名端1234+–+–
在LC振荡器中,反馈信号通过互感线圈引出同名端:二、变压器反馈式振荡电路1.工作原理
用瞬时极性判断为正反馈,所以满足自激振荡的相位平衡条件。
-
2.振荡频率和起振条件振荡频率起振条件图
8.1.14变压器反馈式振荡电路二、变压器反馈式振荡电路1.工作原理
用瞬时极性判断为正反馈,所以满足自激振荡的相位平衡条件。
-
三极管共射放大器:利用互感线圈的同端:变压器反馈式振荡电路易于产生振荡,输出波形失真不大,应用范围广泛。但是耦合不紧密,损耗大;且振荡频率的稳定性不高。三、电感反馈式振荡电路1.电路组成为了克服变压器反馈振荡电路中变压器原、副边耦合不紧的缺点,N1和N2合并为一个线圈。为了加强谐振效果,将电容C跨接在整个线圈两端,如图所示。-
--2.工作原理判断电路能否产生正弦波振荡:(1)电路中包含放大电路、选频回路、反馈网络和非线性元件(晶体管)四个部分;(2)放大电路能够正常工作;(3)由瞬时极性法判断满足正弦波振荡的相位条件;(4)只要电路参数选择得当,电路就可满足幅值条件。
由图可见,原边线圈的三个端分别接在晶体管的三个电极,故称电感反馈振荡电路为电感三点式电路。-
--3.振荡频率和起振条件
断开反馈且空载情况下的交流等效电路如图示。设Q>>1,则振荡频率。反馈系数的数值从A、B两端向右看进去的等效电阻为可见,易起振不易起振故4.优缺点优点:由于N2与N1耦合紧密,幅值大;当C可调,可获得大范围的振荡频率。缺点:由于Uf
取自电感,对高次谐波有较大的电抗,输出电压含有高次谐波,波形较差。适用于对波形要求不高的设备中。,四、电容反馈式振荡电路1.电路组成将电感反馈式振荡电路中的电容换成电感,电感换成电容,且增加RC,就是电容反馈式振荡电路,如图示。
--
-
-因为两个电容的三个端分别接晶体管的三个极,故又称为电容三点式电路。RL3.振荡频率和起振条件振荡频率2.工作原理判断:(1)电路包含放大电路,选频网络,反馈网络和非线性元件(晶体管)四个部分;(2)放大电路能够正常工作;(3)用瞬时极性法可知满足相位条件;(4)只要电路参数选择得当,电路就可满足幅值条件,而产生正弦波振荡。RL反馈系数电压放大倍数式中集电极等效负载根据,由式可得起振条件为注:(1)不利电路起振利于电路起振要适当,(2)输出波形好,但用改变电容调节fo。则会影响电路的起振条件;而用改变电感调节fo
比较困难。所以常用在固定振荡频率的场合。在振荡频率可调范围不大时,可采用图示选频网络。根据实验确定。若要求电容反馈式振荡电路的振荡频率高达100MHz,怎么办?采用共基放大电路如何分析?例1电路如图所示,图中Cb为旁路电容,C1为耦合电容,对交流信号均可视为短路。为使电路可能产生正弦波振荡,试说明变压器原边线圈和副带边线圈的同名端。由瞬时极性法得,变压器原边线圈下端和副边线圈的上端为同名端。解:
L接在晶体管的基极和集电极,L使两个电极近似短路,放大电路的静态工作点不合适,故应在选频网络与放大电路输入端之间加耦合电容。改正图所示电路中的错误,使之有可能产生正弦波振荡。要求不能改变放大电路的基本接法。例2
Ce容量远大于C1和C2,故为旁路电容,对交流可视为短路。C1、C2和L构成LC并联谐振网络,C2上电压为输出电压,C1上电压为反馈电压,因而为电容反馈式振荡电路。解:晶体管的集电极直接接电源,交流输出电压等于零,所以必须在集电极加电阻RC。例:试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。仍然由LC并联谐振电路构成选频网络三点式LC振荡电路(总结)原理:uf与uo反相uf与uo同相电感三点式:电容三点式:uf与uo反相uf与uo同相1.电感三点式LC振荡电路振荡频率:2.电容三点式LC振荡电路振荡频率:各种LC
振荡电路的比较同左几兆赫~一百兆赫同左几千赫~几十兆赫适用频率可达10-5可达10-4~10-5同左可达10-4频率稳定度好好较差一般振荡波形同左频率可调,范围较小。同左频率可调,范围较宽。频率调节方法及范围同左起振条件振荡频率电路形式电容反馈式改进型电容反馈式电感反馈式变压器反馈式名称8.1.4
石英晶体振荡器
石英晶体谐振器,简称石英晶体,具有非常稳定的固有频率。将二氧化硅(SiO2)结晶体按一定的方向切割成很薄的晶片,再将晶片两个对应的表面抛光和涂敷银层,并作为两个极引出管脚,加以封装,就构成石英晶体振荡器,其结构示意图和符号如图示。一、石英晶体的特点结构示意图符号
压电效应:在石英晶片的两极加一电场,晶片将产生机械变形;若在晶片上施加机械压力,在晶片相应的方向上会产生一定的电场。
压电谐振:晶片上外加交变电压的频率为某一特定频率时,振幅突然增加。1.压电效应和压电振荡这一特定的频率就是石英晶体的固有频率,也称谐振频率。2.石英晶体的等效电路和谐振频率符号串联谐振频率并联谐振频率电抗频率特性OfXfsfp容性容性感性由于C<<C0
,所以
fp≈fs。其Q值高,稳定度
△f/f0。等效电路二、石英晶体正弦波振荡电路1.并联型石英晶体正弦波振荡电路交流等效电路振荡频率由于利用石英晶体的高品质因数的特点,构成LC振荡电路。并联型石英晶体振荡器
石英晶体工作在fs与fp之间,相当一个大电感,与C1、C2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高,可达到几千以上,所以电路可以获得很高的振荡频率稳定性。X感性0容性2.串联型石英晶体振荡器
石英晶体工作在fs处,呈电阻性,而且阻抗最小,正反馈最强,相移为零,满足振荡的相位平衡条件。对于fs以外的频率,石英晶体阻抗增大,且相移不为零,不满足振荡条件,电路不振荡。调节R
可改变反馈的强弱,使电路满足振荡的幅值平衡条件。以获得良好的正弦波。
X感性0容性8.2电压比较器1.电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较,输出只有两种可能的状态:高电平或低电平。2.比较器中的集成运放一般工作在非线性区;处于开环状态或引入正反馈。3.分类:单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。8.2.1概述4.比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元,在测量、控制、D/A和A/D转换电路中应用广泛。一、电压比较器的传输特性1.电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系2.阈值电压:UT当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。3.电压传输特性的三要素(1)输出电压的高电平UOH和低电平UOL的数值。(2)阈值电压的数值UT。(3)当uI变化且经过UT时,uO跃变的方向。二、理想运放的非线性工作区+UOMuOuP-uNO-UOM集成运放的电压传输特性在电压比较器中,集成运放不是工作在开环状态,就是工作在正反馈。三、电压比较器的种类1.单限比较器电路只有一个阈值电压,图示单限比较器的电压传输特性。2.
滞回比较器电路有两个阈值电压,当输入电压单方向变化时,uO只跃变一次,但uI从小到大方向和从大到小的方向的阈值电压不同。图示滞回比较器的电压传输特性。3.
窗口比较器电路有两个阈值电压,输入电压单一方向变化过程中,输出电压跃变两次。图示电压传输特性,中间如开了窗口,称窗口比较器。8.2.2
单限比较器一、过零比较器
1.过零比较器及其电压传输特性图示过零比较器及其电压传输特性。可见,当uI
<0时,uO=+
UOM;当uI
>
0时,uO
=-
UOM
。uIuO+UOM-UOMO注:要获得与(b)图相反的电压传输特性,将(a)图输入与地对调。(a)(b)2.电压比较器输入级的保护电路为了限制集成运放的差模输入电压,保护其输入级,可加二极管限幅电路。3.电压比较器的输出限幅电路常根据需要,在集成运放的输出端加稳压管限幅电路。图中R为限流电阻,稳压管的稳压值应小于UOM。(a)图中,(1)若要求UZ1=UZ2可采用两只特性相同而又制作在一起的稳压管如图(b)。稳定电压为(2)限幅电路的稳压管跨接在集成运放的输出端和反相输入端之间,如图示。DZ构成负反馈通路,集成运放工作在线性区,。注:电路的优点:(1)集成运放的净输入电压与净输入电流均为近似零,从而保护了输入级;(2)集成运放没有工作在非线性区,因而在输入电压过零时,其内部的晶体管不需从截止区逐渐进入饱和区,或从饱和区逐渐进入截止区,所以提高了输出电压的变化速度。问题:过零比较器如图所示,输入为正负对称的正弦波时,输出波形是怎样的?传输特性uIuO+UOpp
-UOppO+UZ-UZ将正弦波变为矩形波R1R2二、一般单限比较器
uIuO+UOM-UOMO+UZ-UZ图示单限比较器,为外加参数电压。(1)可见,改变UREF的大小和极性,以及R1和R2的大小,就可改变UT的大小和极性。(2)若要改变uI过UT时uO的跃变方向,应将集成运放的同相输入端与反相输入端外接电路互换。(3)过零比较器是UT=0的单限比较器。存在干扰时单限比较器的uI、uO
波形单限比较器的作用:检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。
缺点:抗干扰能力差。
解决办法:采用具有滞回传输特性的比较器。结论:分析电压传输特性三要素法(1)通过集成运放输出端所接的限幅电路来确定电压比较器的UOH和UOL。(2)写出集成运放uP和uN的表达式,令uP=uN,解得输入电压就是阈值电压UT。(3)uO是在uI过UT时的跃变方向决定于uI作用于集成运放的哪个输入端。当uI从反相输入端输入(或通过电阻接反相输入端)时,当uI从同相输入端(或通过电阻接同相输入端)时,[例8.2.1]在图8.2.6所示电路中,UZ=±6V,在图8.2.7中所示电路中,R1=R2=5kΩ,基准电压UREF=2V,稳压管的稳定电压UZ=±5V;它们的输入电压均为图8.2.8(a)所示的三角波。试画出图8.2.6所示电路的输出电压u01和图8.2.7所示电路的输出电压u02解图8.2.6为过零比较器图8.2.7为一般单限比较器图8.2.8例8.2.1波形图R1R28.2.3滞回比较器一、从反相输入端输入的滞回比较器电路计算阈值电压UT电压传输特性uo从+UZ跃变到-UZ的
阈值电压为+UTuo从-UZ跃变到+UZ的
阈值电压为-UTuI在-UT与+UT之间增加或减小,uO不发生变化
UREF为参考电压;uI
为输入电压;输出电压uO为+UZ或-UZ。当uP
=uN
时,输出电压的状态发生跳变。比较器有两个不同的门限电平,故传输特性呈滞回形状。
+UZuIuO-UZOUT-UT+图8.2.10滞回比较器二、加了参考电压的滞回比较器若uO=
UZ,当uI
逐渐减小时,使uO由
UZ
跳变为
UZ
所需的门限电平UT-
回差(门限宽度)
UT:若uO=
UZ,当uI
逐渐增大时,使uO由+UZ
跳变为-UZ
所需的门限电平UT+已知输入波形和电压传输特性,分析输出电压的波形。±
UZ
=±9V[8.2.2]8.2.4窗口比较器参考电压UREF1>UREF2若uI
低于UREF2,运放A1输出低电平,A2输出高电平,二极管VD1
截止,VD2导通,输出电压uO为高电平;若uI
高于UREF1,运放A1输出高电平,A2输出低电平,二极管VD2
截止,VD1
导通,输出电压uO为高电平;图8.2.13双限比较器(a)前面的比较器在输入电压单一方向变化时,输出电压只跃变一次,因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。当uI
高于UREF2而低于UREF1时,运放A1、A2均输出低电平,二极管VD1、VD2
均截止,输出电压uO为低电平;
上门限电平UTH=UREF1;
下门限电平UTL
=UREF2。uIuOOUTHUTL综上所述,双限比较器在输入信号uI
<UREF2
或uI
>UREF1时,输出为高电平;而当UREF2<
uI<
UREF1时,输出为低电平。图8.2.13(b)8.2.5集成电压比较器一、集成电压比较器的主要特点和分类:1.具有较高的开环差模增益;2.具有较快的响应速度;3.具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高;4.具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。分类:单、双和四电压比较通用型、高速型、低电压型和高精度型普通、集电极(或漏极)开路输出或互补输出型(1)在电压比较器中,集成运放多工作在非线性区,输出电压只有高电平和低电平两种可能的情况。(2)通常用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。(3)电压传输特性的三个要素是输出电压的高、低电平,阈值电压和输出电压的跃变方向。输出电压的高、低电平决定于限幅电路;令uP=uN所求出的uI就是阈值电压;uI等于阈值电压时输出电压的跃变方向决定于输入电压作用于同相输入端还是反相输入端。结论:二、集成电压比较器的基本接法1.通用型集成电压比较器AD790引脚图+12V单电源供电,逻辑电源为5V。±5V双电源供电,逻辑电源为5V。±15V双电源供电,逻辑电源为5V。2.集电极开路集成电压比较器LM119金属封装的管脚图反相输入2同相输入2电路为双限比较器,能实现线与功能图8.2.16由LM119构成的双限比较器及其电压传输特性8.3非正弦波:矩形波、三角波、尖顶波和阶梯波等几种常见的非正弦波非正弦波发生电路8.3.1矩形波发生电路矩形波发生电路是其它非正弦波发生电路的基础。一、电路组成及工作原理1.电路的组成
(1)电压比较器:因矩形波电压只有高、低电平两个状态(反相输入滞回比较器)。
(2)反馈电路:因产生振荡,就要求输出的两种状态自动的相互转换(R、C充放电电路)。
(3)RC延时电路:因输出状态要按一定时间间隔交替变化,即产生周期性变化,所以电路中要有延时环节来确定每一种状态维持的时间(R、C充放电电路)。二、工作原理设t=0时,uC
=
0,uO=+UZ则tOuCOuOtu+u-当u-=uC
=u+
时,t1t2则当u-=uC
=u+
时,输出又一次跳变,uO=+UZ输出跳变,uO=-UZ三、振荡周期电容的充放电规律:对于放电,解得:结论:改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电阻,即可改变振荡周期。t1t2tOuCOuOtt3图
8.3.4振荡频率f=1/T四、占空比可调的矩形波发生电路图
8.3.5a使电容的充、放电时间常数不同且可调,即可使矩形波发生器的占空比可调。tOuCuOtOT1T2T充电时间T1放电时间T2占空比D图
8.3.5b8.3.2三角波发生电路一、电路的组成在方波发生电路中,当滞回比较器的阀值电压数值较小时,可将电容两端的电压看成近似的三角波。但是,三角波线性度较差,带负载后将使电路的性能产生变化。将方波电压作为积分运算电路的输入,在积分运算电路的输出就得到三角波电压。如图所示。当uO1=+UZ时,uO将线性下降;而当uO1=-UZ
时,uO将线性上升,如图(b)所示。实用电路中,一般不用上述波形变换获得三角波,而将方波发生器电路中RC充放电回路用积分电路取代,滞回比较器和积分电路的输出互为另一个电路的输入。如图示。R3R4(b)二、工作原理R3R4左边是同相输入滞回比较器,右边为反向积分运算电路。滞回比较器的电压输出特性,如图所示。+UT-UT+UZ-UZuOuI设初态时,uO1正好从-UZ跃变为+UZ,则上式可变为uO随t的增长线性下降,当uO=-UT,再稍减小,uO将从+UZ跃变为-UZ。
+UT-UT+UZ-UZuOuI
uO随t的增大,线性增大,当uO=+UT,再稍增大,uO将从-UZ跃变为+UZ,回到初态。重复上述过程,产生自激振荡。可见,uO为三角波,幅值为
UT;uO1为方波,幅值为UZ。因此称为三角波—方波发生电路。由于引入深度电压负反馈,负载变化,三角波电压几乎不变。
ttOuOOuO1三、振荡频率由波形可知,正向积分的起始值为-UT,终了值为+UT,积分时间为1/2周期,将它们代入可见,调节电路中的R1、
R2、R3阻值和C的容量,可改变振荡频率f;调节R2、
R3的阻值,可改变三角波的幅值。图
8.3.10a8.5.3锯齿波发生电路一、电路组成OuO1tOuOtT1T2T二、输出幅度和振荡周期图
8.3.10b正向积分时间常数远大于反向积分时间常数或者相反。8.3.5函数发生器函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路;当调节外部电路参数时,还可获得占空比可调的矩形波和锯齿波。一、电路结构
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