模擬電路波形發(fā)生與變換電路

模擬電路波形發(fā)生與變換電路第1頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五第九章波形的發(fā)生和變換電路§9.1正弦波振蕩電路§9.2非正弦波發(fā)生電路§9.3波形變換電路第2頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五§9.1

正弦波振蕩電路一、正弦波振蕩的條件和電路的組成二、RC正弦波振蕩電路三、LC正弦波振蕩電路四、石英晶體正弦波振蕩電路第3頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五一、正弦波振蕩的條件和電路的組成1.正弦波振蕩的條件無外加信號，輸出一定頻率一定幅值的正弦波信號。與負(fù)反饋放大電路振蕩的不同之處：在正弦波振蕩電路中引入的是正反饋，且振蕩頻率可控。在電擾動下，對于某一特定頻率f0的信號形成正反饋：

由于半導(dǎo)體器件的非線性特性及供電電源的限制，最終達(dá)到動態(tài)平衡，穩(wěn)定在一定的幅值。。第4頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五1.正弦波振蕩的條件

一旦產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩，則電路的輸出量自維持，即幅值平衡條件相位平衡條件起振條件：

要產(chǎn)生正弦波振蕩，必須有滿足相位條件的f0，且在合閘通電時對于f=f0信號有從小到大直至穩(wěn)幅的過程，即滿足起振條件。第5頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五2.起振與穩(wěn)幅：輸出電壓從幅值很小、含有豐富頻率，到僅有一種頻率且幅值由小逐漸增大直至穩(wěn)幅。幅值很小頻率豐富第6頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五上圖部分頻率趨于單一幅值逐漸增大第7頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五逐漸變?yōu)閱我活l率的穩(wěn)幅振蕩第8頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五3.基本組成部分1)放大電路：放大作用2)正反饋網(wǎng)絡(luò)：滿足相位條件3)選頻網(wǎng)絡(luò)：確定f0，保證電路產(chǎn)生正弦波振蕩4)非線性環(huán)節(jié)（穩(wěn)幅環(huán)節(jié)）：穩(wěn)幅1)是否存在以上主要組成部分；2)放大電路能否正常工作，即是否有合適的Q點，信號是否可能正常傳遞，沒有被短路或斷路；3)是否滿足相位條件，即是否存在f0，是否可能振蕩

；（瞬時極性法）4)是否滿足幅值條件，即是否一定振蕩。常合二為一4.分析方法第9頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五相位條件的判斷方法：瞬時極性法

在多數(shù)正弦波振蕩電路中，輸出量、凈輸入量和反饋量均為電壓量。極性？

斷開反饋，在斷開處給放大電路加f＝f0的信號Ui，且規(guī)定其極性，然后根據(jù)

Ui的極性→Uo的極性→Uf的極性若Uf與Ui極性相同，電路滿足相位條件，則電路可能產(chǎn)生自激振蕩；否則，電路不滿足相位條件，電路不可能產(chǎn)生自激振蕩。......第10頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五5.分類常用選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件分類。1)RC正弦波振蕩電路：1兆赫以下2)LC正弦波振蕩電路：幾百千赫～幾百兆赫3)石英晶體正弦波振蕩電路：振蕩頻率穩(wěn)定第11頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五二、RC正弦波振蕩電路1.RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)：只能通過某種頻率的信號低頻段電容容抗大高頻段電容容抗小

在頻率從0～∞中必有一個頻率f0，φF＝0o。Uo、Uf同相高通低通第12頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)當(dāng)f=f0時，不但φ=0，且最大，為1/3。第13頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五1)是否可用共射放大電路？2)是否可用共集放大電路？3)是否可用共基放大電路？4)是否可用兩級共射放大電路？2.電路組成

應(yīng)為RC串并聯(lián)網(wǎng)路配一個電壓放大倍數(shù)略大于3、輸入電阻趨于無窮大、輸出電阻趨于0（使振蕩頻率只取決于選頻網(wǎng)絡(luò)）的放大電路。不符合相位條件不符合幅值條件輸入電阻小、輸出電阻大，影響f0

可引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使電壓放大倍數(shù)大于3，且Ri大、Ro小，對f0影響小φF＝0o，Uo、Uf同相，形成正反饋，Uo與Ui’肯定也同相第14頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五3.RC橋式正弦波振蕩電路（文氏橋振蕩器）用同相比例運算電路作放大電路。輸入電阻大，輸出電阻小

因同相比例運算電路有非常好的線性度，故R或Rf

用熱敏電阻，或加二極管作為非線性環(huán)節(jié)，實現(xiàn)穩(wěn)幅。文氏橋振蕩器的特點？

以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)、并引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，兩個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成橋路，一對頂點作為輸出電壓，一對頂點作為放大電路的凈輸入電壓，就構(gòu)成文氏橋振蕩器。第15頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五頻率可調(diào)的文氏橋振蕩器

改變電容以粗調(diào)，改變電位器滑動端以微調(diào)。

加穩(wěn)壓管可以限制輸出電壓的峰-峰值。同軸電位器第16頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五討論：合理連接電路，組成文氏橋振蕩電路第17頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五三、LC

正弦波振蕩電路

1.LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性

理想LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在諧振時（f0）呈純阻性，且阻抗無窮大。低頻時，電容容抗很大，電路呈感性；高頻時，電感感抗很大，電路呈容性。諧振頻率為在損耗較小時，品質(zhì)因數(shù)及諧振頻率損耗

在f＝f0時，電容和電感中電流各約為多少？網(wǎng)絡(luò)的電阻為多少？P283第18頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五

構(gòu)成正弦波振蕩電路最簡單的做法是通過變壓器引入反饋。附加相移LC選頻放大電路→正弦波振蕩電路

當(dāng)f=f0時，電壓放大倍數(shù)的數(shù)值最大，且附加相移為0。共射電路φA=-π第19頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五2.變壓器反饋式電路C1是耦合電容特點：易振，波形較好；耦合不緊密，損耗大，頻率穩(wěn)定性不高。分析電路是否可能產(chǎn)生正弦波振蕩的步驟：1)是否存在四個組成部分2)放大電路是否能正常工作3)是否滿足相位條件4)是否可能滿足幅值條件

為使N1、N2耦合緊密，將它們合二為一，組成電感反饋式電路。如何組成？必須有合適的同銘端！

將LC選頻網(wǎng)絡(luò)的電壓作為變壓器的原邊電壓，將副邊電壓作為反饋電壓取代放大電路輸入電壓。第20頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五3.電感反饋式電路（哈特利）反饋電壓取自哪個線圈？反饋電壓的極性？

電感的三個抽頭分別接晶體管的三個極，故稱之為電感三點式電路。

特點：L1、L2耦合緊密，易振，振幅大，C用可調(diào)電容可獲得較寬范圍的振蕩頻率。反饋電壓取自電感L2，對高次諧波電抗較大，輸出波形中常含有高次諧波，波形較差。

為使振蕩波形好，采用電容反饋式電路第21頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五4.電容反饋式（電容三點式）電路（考畢茲）

若要振蕩頻率高，則L、C1、C2的取值就要小。當(dāng)電容減小到一定程度時，晶體管的極間電容將并聯(lián)在C1和C2上，影響振蕩頻率。特點：波形好，振蕩頻率調(diào)整范圍小，適于頻率固定的場合。與C1C2、放大電路參數(shù)無關(guān)第22頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五四、石英晶體正弦波振蕩電路SiO2結(jié)晶體按一定方向切割的晶片。壓電效應(yīng)和壓電振蕩：機械變形和電場的關(guān)系若石英晶體兩電極加電場，晶片產(chǎn)生機械變形；相反，若晶片上施加機械壓力，晶體相應(yīng)方向上會產(chǎn)生一定的電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。1.石英晶體的特點若石英晶體兩極加交變電壓，則晶片將產(chǎn)生機械振動；同時，晶片的機械振動又會產(chǎn)生交變電場。當(dāng)外加交變電壓的頻率為石英晶體的固有頻率時，振幅會突然增加，產(chǎn)生壓電諧振，該頻率為石英晶體的諧振頻率。固有頻率只決定于石英晶體幾何尺寸，故非常穩(wěn)定。第23頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五四、石英晶體正弦波振蕩電路容性感性阻性

一般LC選頻網(wǎng)絡(luò)的Q為幾百，石英晶體的Q可達(dá)104～106；前者Δf/f為10－5，后者可達(dá)10－10～10－11。1.石英晶體的特點第24頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五2.石英晶體正弦波振蕩電路①石英晶體工作在哪個區(qū)？②是哪種典型的正弦波振蕩電路？電感區(qū)；電容反饋式電路①石英晶體工作在哪個區(qū)？②兩級放大電路分別為哪種基本接法？石英晶體作為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)、呈純阻性；共基；共集（1）并聯(lián)型電路（2）串聯(lián)型電路第25頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五討論：改錯，使電路有可能產(chǎn)生正弦波振蕩同名端對嗎？放大電路能放大嗎？各電容的作用？第26頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五討論同銘端？能產(chǎn)生正弦波振蕩嗎？“判振”時的注意事項：1.放大電路必須能夠正常工作，放大電路的基本接法；2.斷開反饋，在斷開處加f=f0的輸入電壓；3.找出在哪個元件上獲得反饋電壓，是否能取代輸入電壓。三個電路有什么相同之處？這樣的電路形式有什么好處？第27頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五§9.3非正弦波發(fā)生電路一、常見的非正弦波二、矩形波發(fā)生電路三、三角波發(fā)生電路四、鋸齒波發(fā)生電路五、壓控振蕩器第28頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五一、常見的非正弦波矩形波三角波鋸齒波尖頂波階梯波矩形波是基礎(chǔ)波形，可通過波形變換得到其它波形。通過什么電路可將矩形波變?yōu)槠渌鼛追N波形？第29頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五二、矩形波發(fā)生電路

輸出無穩(wěn)態(tài)，有兩個暫態(tài)；若輸出為高電平時定義為第一暫態(tài)，則輸出為低電平為第二暫態(tài)。1.基本組成部分

（1）開關(guān)電路：因為輸出只有高電平和低電平兩種情況，即兩個暫態(tài)；故采用電壓比較器。

（2）反饋網(wǎng)絡(luò)：因需自控，在輸出為某一暫態(tài)時孕育翻轉(zhuǎn)成另一暫態(tài)的條件，故應(yīng)引入反饋。

（3）延遲環(huán)節(jié)：要使兩個暫態(tài)均維持一定的時間，故采用RC環(huán)節(jié)實現(xiàn)，從而決定振蕩頻率。第30頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五2.電路組成正向充電：

uO（+UZ）→R→C→地反向充電：地→C→R→uO（－UZ）RC回路滯回比較器第31頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五3.工作原理：分析方法方法一：設(shè)電路已振蕩，且在某一暫態(tài)，看是否能自動翻轉(zhuǎn)為另一暫態(tài)，并能再回到原暫態(tài)。方法二：電路合閘通電，分析電路是否有兩個暫態(tài)，而無穩(wěn)態(tài)。

設(shè)合閘通電時電容上電壓為0，uO上升，則產(chǎn)生正反饋過程：

uO↑→uP↑→uO↑↑，直至uO＝UZ，uP＝+UT，為第一暫態(tài)。第32頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五3.工作原理

電容正向充電，t↑→uN↑，t→∞，uN→UZ；但當(dāng)uN＝+UT時，再增大，uO從+UZ躍變?yōu)椋璘Z，uP＝－UT，電路進入第二暫態(tài)。

電容反向充電，t↑→uN↓，t→∞，uN→－UZ；但當(dāng)uN＝－UT時，再減小，uO從－UZ躍變?yōu)?UZ，uP＝+UT，電路返回第一暫態(tài)。第一暫態(tài)：uO＝UZ，uP＝+UT。第33頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五脈沖寬度4.波形分析第34頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五5.占空比可調(diào)電路為了占空比調(diào)節(jié)范圍大，R3應(yīng)如何取值？

正向充電和反向充電時間常數(shù)可調(diào)，占空比就可調(diào)。第35頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五三、三角波發(fā)生電路

1.電路組成

用積分運算電路可將方波變?yōu)槿遣?。兩個RC環(huán)節(jié)實際電路將兩個RC環(huán)節(jié)合二為一為什么采用同相輸入的滯回比較器？uO要取代uC，必須改變輸入端。集成運放應(yīng)用電路的分析方法：化整為零（分塊），分析功能（每塊），統(tǒng)觀整體，性能估算。第36頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五2.工作原理滯回比較器積分運算電路求滯回比較器的電壓傳輸特性：三要素

UOH=－UOL=UZ

，uI作用于集成運放的同相輸入端，求UT：第37頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五

合閘通電，通常C上電壓為0。設(shè)uO1↑→uP1↑→uO1↑↑，直至uO1

＝UZ（第一暫態(tài)）；積分電路反向積分，t↑→uO↓，一旦uO過－UT，uO1從＋UZ躍變?yōu)椋璘Z（第二暫態(tài)）

。積分電路正向積分，t↑→uO↑，一旦uO過＋UT，uO1從－UZ躍變?yōu)椋玌Z，返回第一暫態(tài)。重復(fù)上述過程，產(chǎn)生周期性的變化，即振蕩。

電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時，uP1=?三角波發(fā)生電路的振蕩原理第38頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五3.波形分析

如何調(diào)整三角波的幅值和頻率？怎樣修改可獲得鋸齒波？“理性地調(diào)試”：哪些參數(shù)與幅值有關(guān)？哪些參數(shù)與頻率有關(guān)？先調(diào)哪個參數(shù)？T/2第39頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五四、鋸齒波發(fā)生電路1.R3應(yīng)大些？小些？2.RW的滑動端在最上端和最下端時的波形？≈T3.R3短路時的波形？若由輸入電壓確定，則將電壓轉(zhuǎn)換為頻率第40頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五五、壓控振蕩器（u－f轉(zhuǎn)換電路）若uI＞0，則如何改動？單位時間內(nèi)脈沖個數(shù)表示電壓的數(shù)值，故實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換第41頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五討論一已知uO1和uO2的峰-峰值均為10V，二極管為理想二極管。

1.求出穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ和R4的阻值；

2.定性畫出uO1、uO2的波形圖；

3.求解q的表達(dá)式。第42頁，共47頁，2023年，2月20日，星期五