波形產(chǎn)生與變換電路

第8章波形產(chǎn)生與變換電路8.1正弦波振蕩電路8.2電壓比較器8.3非正弦波發(fā)生電路8.4利用集成電路實現(xiàn)的信號轉(zhuǎn)換電路1精選課件正弦波振蕩電路能產(chǎn)生正弦波輸出，它是在放大電路的根底上加上正反響而形成的，它是各類波形發(fā)生器和信號源的核心電路。正弦波發(fā)生電路也稱為正弦波振蕩電路或正弦波振蕩器。8.1.1產(chǎn)生正弦波的條件8.1.2RC正弦波振蕩電路8.1.3LC正弦波振蕩電路8.1.4石英晶體正弦振蕩電路8.1正弦波振蕩電路2精選課件8.1.1

產(chǎn)生正弦波的條件一、正弦波發(fā)生電路的組成二、產(chǎn)生正弦波的條件三、起振條件和穩(wěn)幅原理3精選課件一、正弦波發(fā)生電路的組成為了產(chǎn)生正弦波，必須在放大電路里參加正反響，因此放大電路和正反響網(wǎng)絡是振蕩電路的最主要局部。但是，這樣兩局部構成的振蕩器一般得不到正弦波，這是由于很難控制正反響的量。如果正反響量大，那么增幅，輸出幅度越來越大，最后由三極管的非線性限幅，這必然產(chǎn)生非線性失真。反之，如果正反響量缺乏，那么減幅，可能停振，為此振蕩電路要有一個穩(wěn)幅電路。4精選課件為了獲得單一頻率的正弦波輸出，應該有選頻網(wǎng)絡，選頻網(wǎng)絡往往和正反響網(wǎng)絡或放大電路合二為一。選頻網(wǎng)絡由R、C和L、C等電抗性元件組成。正弦波振蕩器的名稱一般由選頻網(wǎng)絡來命名。正弦波發(fā)生電路的組成：1、放大電路2、正反響網(wǎng)絡3、選頻網(wǎng)絡4、穩(wěn)幅電路5精選課件二、產(chǎn)生正弦波的條件產(chǎn)生正弦波的條件與負反響放大電路產(chǎn)生自激的條件十分類似。只不過負反響放大電路中是由于信號頻率到達了通頻帶的兩端，產(chǎn)生了足夠的附加相移，從而使負反響變成了正反響。在振蕩電路中加的就是正反響，振蕩建立后只是一種頻率的信號，無所謂附加相移。6精選課件

振蕩條件

幅值平衡條件

相位平衡條件

AF=

A+

F=

2n

(a)負反響放大電路(b)正反響振蕩電路比較圖(a)和(b)就可以明顯地看出負反響放大電路和正反響振蕩電路的區(qū)別了。由于振蕩電路的輸入信號，所以。由于正、負號的改變7精選課件

振蕩器在剛剛起振時，為了克服電路中的損耗，需要正反饋強一些，即要求這稱為起振條件。三、起振條件和穩(wěn)幅原理

既然，起振后就要產(chǎn)生增幅振蕩，需要靠三極管放大信號運用時的非線性特性去限制幅度的增加，這就要靠選頻網(wǎng)絡的作用，選出失真波形的基波分量作為輸出信號，以獲得正弦波輸出。8精選課件也可以在反響網(wǎng)絡中參加非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)放大電路的增益，從而到達穩(wěn)幅的目的。這在下面具體的振蕩電路中加以介紹。9精選課件4、判斷電路是否滿足正弦波振動的幅值條件，即是否滿足起振條件。圖8.1.3利用瞬時極性法判斷相位條件返回10精選課件8.1.2RC正弦波振蕩電路一、RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡二、RC文氏橋振蕩器圖11.03RC文氏橋振蕩電路11精選課件圖8.1.4RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡及其在低頻段和高頻段的等效電路低頻段等效電路及向量圖高頻段等效電路及向量圖12精選課件一、RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡的頻率響應RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的電路如下圖。RC串聯(lián)臂的阻抗用Z1表示，RC并聯(lián)臂的阻抗用Z2表示。其頻率響應如下:圖RC串并聯(lián)網(wǎng)絡13精選課件1)122Cw1RCR1j()1(2121CRCRw-+++=R/j+)Cj/1(2122221112RCCRCRRRww+++=)j1]()Cj/1([222112RCRRRww+++=諧振頻率為:f0=)]j1/([+)Cj/1()j1/(22211222212CRRRCRRZZZwww+++=+=F14精選課件幅頻特性:相頻特性:當f=f0時的反響系數(shù),且與頻率f0的大小無關。此時的相角F=0。即改變頻率不會影響反響系數(shù)和相角，在調(diào)節(jié)諧振頻率的過程中，不會停振，也不會使輸出幅度改變。有關曲線見圖11.02(b)。15精選課件圖RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的頻率特性曲線16精選課件二、RC文氏橋振蕩電路(1)RC文氏橋振蕩電路的構成RC文氏橋振蕩電路如下圖，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡是正反響網(wǎng)絡，另外還增加了R3和R4負反響網(wǎng)絡。C1、R1和C2、R2正反響支路與R3、R4負反響支路正好構成一個橋路，稱為文氏橋。圖

RC文氏橋振蕩電路17精選課件當C1=C2、R1=R2時:

為滿足振蕩的幅度條件

=1，所以Af≥3。加入R3、R4支路，構成串聯(lián)電壓負反饋。

F=0

18精選課件圖8.1.7RC橋式正弦波振蕩電路19精選課件

(2)

RC文氏橋振蕩電路的穩(wěn)幅過程RC文氏橋振蕩電路的穩(wěn)幅作用是靠熱敏電阻R4實現(xiàn)的。R4是正溫度系數(shù)熱敏電阻，當輸出電壓升高，R4上所加的電壓升高，即溫度升高，R4的阻值增加，負反響增強，輸出幅度下降。反之輸出幅度增加。假設熱敏電阻是負溫度系數(shù)，應放置在R3的位置。20精選課件圖8.1.8利用二極管作為非線性環(huán)節(jié)21精選課件圖8.1.9振蕩頻率連續(xù)可調(diào)的RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡粗調(diào)細調(diào)優(yōu)點：振蕩頻率穩(wěn)定，帶負載能力強，輸出電壓失真小。缺點：用于振蕩頻率小于1MHZ的場合22精選課件8.1.3LC正弦波振蕩電路LC正弦波振蕩電路的構成與RC正弦波振蕩電路相似，包括有放大電路、正反響網(wǎng)絡、選頻網(wǎng)絡和穩(wěn)幅電路。這里的選頻網(wǎng)絡是由LC并聯(lián)諧振電路構成，正反響網(wǎng)絡因不同類型的LC正弦波振蕩電路而有所不同。一、LC并聯(lián)諧振電路的頻率響應二、變壓器反響LC振蕩器三、電感三點式LC振蕩器23精選課件一、LC并聯(lián)諧振電路的頻率響應LC并聯(lián)諧振電路如下圖。顯然輸出電壓是頻率的函數(shù)：輸入信號頻率過高，電容的旁路作用加強，輸出減??；反之頻率太低，電感將短路輸出。并聯(lián)諧振曲線如圖11.05〔b〕所示。

（a）LC并聯(lián)諧振電路圖LC并聯(lián)諧振電路與并聯(lián)諧振曲線

（b）并聯(lián)諧振曲線24精選課件諧振時諧振頻率

諧振時電感支路電流或電容支路電流與總電流之比，稱為并聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)

考慮電感支路的損耗，用R表示，如圖11.06所示。

圖11.06有損耗的諧振電路25精選課件

對于圖11.05(b)的諧振曲線，Q值大的曲線較陡較窄，圖中Q1＞Q2。并聯(lián)諧振電路的諧振阻抗諧振時LC并聯(lián)諧振電路相當一個電阻。圖8.1.11LC并聯(lián)網(wǎng)絡電抗的頻率特性26精選課件圖8.1.12選頻放大電路27精選課件二、變壓器反響LC振蕩電路圖11.07變壓器反響LC振蕩電路變壓器反響LC振蕩電路如圖11.07所示。LC并聯(lián)諧振電路作為三極管的負載，反響線圈L2與電感線圈Ｌ相耦合,將反響信號送入三極管的輸入回路。交換反響線圈的兩個線頭，可使反響極性發(fā)生變化。調(diào)整反響線圈的匝數(shù)可以改變反響信號的強度，以使正反響的幅度條件得以滿足。28精選課件

有關同名端的極性請參閱圖11.08。

圖11.08同名端的極性變壓器反響LC振蕩電路的振蕩頻率與并聯(lián)LC諧振電路相同，為29精選課件三、電感三點式LC振蕩器圖11.09為電感三點式LC振蕩電路。電感線圈L1和L2是一個線圈，2點是中間抽頭。如果設某個瞬間集電極電流減小，線圈上的瞬時極性如下圖。反響到發(fā)射極的極性對地為正，圖中三極管是共基極接法，所以使發(fā)射結的凈輸入減小，集電極電流減小，符合正反響的相位條件。圖11.09電感三點式LC振蕩器〔CB〕圖11.10電感三點式LC振蕩器〔CE〕圖11.10為另一種電感三點式LC振蕩電路。30精選課件

分析三點式LC振蕩電路常用如下方法，將諧振回路的阻抗折算到三極管的各個電極之間，有Zbe、Zce、Zcb,如圖11.11所示。

圖11.11三點式振蕩器對于圖11.09Zbe是L2、Zce是L1、Zcb是C。可以證明假設滿足相位平衡條件，Zbe和Zce必須同性質(zhì)，即同為電容或同為電感，且與Zcb性質(zhì)相反。31精選課件電感三點式LC振蕩電路的振蕩頻率為32精選課件四、電容三點式LC振蕩電路

與電感三點式LC振蕩電路類似的有電容三點式LC振蕩電路，見圖11.12。（a）CB組態(tài)（b）CE組態(tài)圖11.12電容三點式LC振蕩電路P40333精選課件電容三點式LC振蕩電路的振蕩頻率為34精選課件圖8.1.23采用共基放大電路的

電容反響式振蕩電路35精選課件圖8.1.24例8.1.2電路圖36精選課件圖8.1.25例8.1.3電路圖圖8.1.26例8.1.25所示電路的改正電路37精選課件例11.1：圖11.13為一個三點式振蕩電路試判斷是否滿足相位平衡條件。(a)(b)

圖11.13例題11.1的電路圖38精選課件圖8.1.27石英晶體諧振器的

結構示意圖及符號39精選課件圖8.1.28石英晶體的等效電路

及其頻率特性40精選課件二、石英晶體LC振蕩電路圖

石英晶體的電抗曲線41精選課件圖8.1.30串聯(lián)型石英晶體振蕩電路42精選課件8.2電壓比較器8.2.1概述8.2.2單限比較器8.2.3滯回比較器8.2.4窗口比較器8.2.5集成電壓比較器43精選課件8.2.1概述一、固定幅度比較器二、滯回比較器三、窗口比較器四、比較器的應用比較器是將一個模擬電壓信號與一個基準電壓相比較的電路。常用的幅度比較電路有電壓幅度比較器、窗口比較器和具有滯回特性的比較器。這些比較器的閾值是固定的，有的只有一個閾值，有的具有兩個閾值。44精選課件Ui是模擬信號，uo有兩種狀態(tài)UOH和UOL，閾值〔轉(zhuǎn)折〕電壓數(shù)值UT45精選課件圖8.2.1集成運放工作在非線性區(qū)的

電路特點及其電壓傳輸特性46精選課件圖8.2.2電壓比較器電壓傳輸特性舉例47精選課件一、過零比較器過零電壓比較器是典型的幅度比較電路，它的電路圖和傳輸特性曲線如圖14.01所示。8.2.2單限比較器圖8.2.3過零比較器及其電壓傳輸特性48精選課件圖8.2.4電壓比較器輸入級的保護電路49精選課件將過零電壓比較器的一個輸入端從接地改接到一個電壓值VREF上,就得到電壓幅度比較器，它的電路圖和傳輸特性曲線如圖14.02所示。

圖14.02固定電壓比較器(a)電路圖(b)傳輸特性曲線50精選課件(2)比較器的根本特點工作在開環(huán)或正反響狀態(tài)。開關特性，因開環(huán)增益很大，比較器的輸出只有高電平和低電平兩個穩(wěn)定狀態(tài)。非線性，因大幅度工作，輸出和輸入不成線性關系。圖8.2.6將穩(wěn)壓管接在反響通路中51精選課件N52精選課件圖8.2.8例8.2.1波形圖53精選課件54精選課件正反響55精選課件56精選課件圖8.2.11例8.2.2波形圖57精選課件圖8.2.12例8.2.3圖58精選課件二、另一種滯回比較器

從輸出引一個電阻分壓支路到同相輸入端，電路如圖14.03(a)所示。當輸入電壓vI從零逐漸增大，且

時，，稱為上限閾值(觸發(fā))電平。當輸入電壓時，，此時觸發(fā)電平變?yōu)?，稱為下限閾值(觸發(fā))電平。圖14.03(a)滯回比較器電路圖二、另一種滯回比較器

從輸出引一個電阻分壓支路到同相輸入端，電路如圖14.03(a)所示。當輸入電壓vI從零逐漸增大，且

時，，稱為上限閾值(觸發(fā))電平。當輸入電壓時，，此時觸發(fā)電平變?yōu)?，稱為下限閾值(觸發(fā))電平。圖14.03(a)滯回比較器電路圖59精選課件

當逐漸減小，且以前，始終等于，因此出現(xiàn)如圖14.03(b)所示的滯回特性曲線?；夭铍妷?/p>

：圖14.03滯回比較電路的傳輸特性60精選課件8.2.4窗口比較器61精選課件圖8.2.13雙限比較器及其電壓傳輸特性62精選課件8.2.4窗口比較器窗口比較器的電路如圖14.04所示。電路由兩個幅度比較器和一些二極管與電阻構成。設R1=R2，則有：

圖14.04窗口比較器

窗口比較器的電壓傳輸特性如下頁圖14.05所示。63精選課件

當vI＞VH時，vO1為高電平，D3導通；vO2為低電平,D4截止，vO=vO1。

當vI＜

VL時，vO2為高電平，D4導通；vO1為低電平，D3截止，vO=vO2。

當VH

＞vI＞

VL時，vO1為低電平，vO2為低電平，D3、D4截止，vO為低電平。

圖14.05窗口比較器的傳輸特性信號的電位水平高于某規(guī)定值VH的情況，相當比較電路正飽和輸出。

信號的電位水平低于某規(guī)定值VL的情況，相當比較電路負飽和輸出。該比較器有兩個閾值，傳輸特性曲線呈窗口狀，故稱為窗口比較器。64精選課件四、比較器的應用比較器主要用來對輸入波形進行整形，可以將不規(guī)那么的輸入波形整形為方波輸出,其原理圖如圖14.06所示。(a)正弦波變換為矩形波(b)有干擾正弦波變換為方波圖14.06用比較器實現(xiàn)波形變換65精選課件66精選課件67精選課件68精選課件69精選課件70精選課件71精選課件72精選課件73精選課件74精選課件75精選課件76精選課件8.3.1方波發(fā)生電路8.3.2三角波發(fā)生電路8.3.3鋸齒波發(fā)生電路8.3.4波形變換電路8.3.5函數(shù)發(fā)生器

8.3非正弦波發(fā)生電路圖8.3.1幾種常見的非正弦波77精選課件

8.3.1方波發(fā)生電路方波發(fā)生電路是由滯回比較電路和RC定時電路構成的，電路如圖14.07所示。(1)工作原理電源剛接通時,設

電容C充電，升高。參閱圖14.08。圖14.07方波發(fā)生器圖8.3.3電壓傳輸特性78精選課件

當時，，所以電容C放電，下降。

當，時，返回初態(tài)。

方波周期Ｔ用過渡過程公式可以方便地求出

圖14.08方波發(fā)生器波形圖79精選課件(2)占空比可調(diào)的矩形波電路

顯然為了改變輸出方波的占空比，應改變電容器C的充電和放電時間常數(shù)。占空比可調(diào)的矩形波電路見圖14.09。

C充電時，充電電流經(jīng)電位器的上半部、二極管D1、Rf；

C放電時，放電電流經(jīng)Rf、二極管D2、電位器的下半部。

圖14.09占空比可調(diào)方波發(fā)生電路

80精選課件8.3.2三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器的電路如圖14.10所示。它是由滯回比較器和積分器閉環(huán)組合而成的。積分器的輸出反響給滯回比較器，作為滯回比較器的。1.當vO1=+VZ時,那么電容C充電,同時vO按線性逐漸下降，當使A1的VP略低于VN時，vO1從+VZ跳變?yōu)?VZ。波形圖參閱圖14.11。

圖14.10三角波發(fā)生器81精選課件2.

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