正弦波信号发生器制作

2021/3/101 正弦波发生电路能产生正弦波输出，它是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的，它是各类波形发生器和信号源的核心电路。正弦波发生电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振荡器。正弦波振荡电路的振荡条件RC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路石英晶体振荡电路2021/3/102 正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。1FA1FAFAAF=a+f=2nfiaXXXfaXX100XXXXXXfaaf振荡条件1faFAFA幅度平衡条件 相位平衡条件 n=0,1,2动画2021/3/103振荡频率f0由相位平衡条件决定。选频网络可设在 中或 中。FA选频网络由RC元件或LC元件组成。低频1HZ 1MHZ高频1MHZ以上 正弦波振荡电路只在一个频率下(f0)满足相位平衡条件。2021/3/104电路原理(1)电路的构成 RC 串并联网络是正反馈网络，Rf 和R1为负反馈网络。RC串并联网络与Rf、R1负反馈支路正好构成一个桥路，称为桥式。2021/3/105（2 2）RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性212ofZZZVVFVRRCjCjRR11RCRCj131RCjRCjRRCjR1/)/1(1/）（令0=1/RC0031jFV)j/1(1CRZ )j/1/(2CRZRCRj1 2021/3/1060031jFV=0=1/RC或 f=f0=1/2RCFVmax=1/30fRC串并联网络的频率特性曲线 当 f=f0 时的反馈系数 与频率f0无关。此时的相角 f=0。即改变频率不会影响反馈系数和相角，在调节谐振频率的过程中，不会停振，也不会使输出幅度改变。当C1=C2、R1=R2时:2021/3/107(3)振荡的建立与稳定RCff210 为满足振荡的幅度条件 =1，所以Af3。加入Rf、R1支路，构成串联电压负反馈。FA31ofVVFV311fRRAf当电路达到稳定平衡状态时：3VA2021/3/108 振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻R1实现的。R1是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，R1上所加的电压升高，即温度升高，R1的阻值增加，负反馈增强，输出幅度下降。反之输出幅度增加。若热敏电阻是负温度系数，应放置在Rf 的位置。2021/3/109.试分析D1、D2自动稳幅原理；.估算输出电压V0m；(VD=0.6V).试画出若R2短路时，输出电压V0的波形；.试画出若R2开路时，输出电压V0的波形；.稳幅原理 当v0幅值很小时，D1、D2接近开路，R3=2.7K。3.3/1132RRRRAV 当v0幅值较大时，D1或D2导通，R3减小，AV下降。2021/3/1010.估算输出电压V0m(VD=0.6V)31.5/1.51.93KKRKAV稳幅时：KR1.13IKVI1.16.0KKKVm1.91.51.10KKKVKVm1.91.51.16.03.150V35.82021/3/1011.若R2短路时(4).若R2开路时，输出电压V0的波形AV3，电路停振，输出电压V0的波形为1132/RRRRAV2021/3/1012运算放大器的基本应用（运算放大器的基本应用（I）正弦波正弦波发生器发生器 制作制作2021/3/1013集成运放的外引线排列集成运放的外引线排列LM324uA741引脚及符号引脚及符号图1252021/3/1014正弦波发生器电路图图3.2.1 RC桥式正弦波振荡器 2021/3/1015方波输出方波输出正弦波输出正弦波输出正弦波输入正弦波输入运算放大器的基本应用（运算放大器的基本应用（II）信号放大、转换制作信号放大、转换制作2021/3/1016正弦波发生器正弦波发生器 调试调试1、按图焊接好电路。用万用表仔细检查电路安装的、按图焊接好电路。用万用表仔细检查电路安装的正确性。正确性。2、接通、接通5V电源，调节电位器电源，调节电位器RW，用示波器观察到，用示波器观察到一个不失真的正弦波；用交流毫伏表测量正弦波一个不失真的正弦波；用交流毫伏表测量正弦波大小。大小。3、用示波器或频率计测量振荡频率、用示波器或频率计测量振荡频率fO，并与理论值进，并与理论值进行比较。行比较。4、若要得到一个输出幅值可调的正弦波信号，如何、若要得到一个输出幅值可调的正弦波信号，如何解决？在输出正弦波信号加入直流偏移量，如何解决？在输出正弦波信号加入直流偏移量，如何解决？解决？5、注意：集成运算放大器电源端要加入滤波电容。、注意：集成运算放大器电源端要加入滤波电容。2021/3/1017正弦波发生器所用元件正弦波发生器所用元件1、14脚脚IC座；集成运算放大器座；集成运算放大器LM324。2、10k电位器。电位器。3、电阻若干。、电阻若干。4、二极管、二极管1N4148.5、电容若干。、电容若干。2021/3/1018 电压比较器及弛张振荡器电压比较器及弛张振荡器1电压比较器电压比较器一、一、电压比较器的基本特性电压比较器的基本特性 电压比较器的功能是比较两个输入电压的大小，据此决定输出是高电平还是低电平。高电平相当于数字电路中的逻辑“1”，低电平相当于逻辑“0”。比较器输出只有两个状态，不论是“1”或是“0”，比较器都工作在非线性状态。所以，“虚短路”概念不能随便应用。2021/3/1019 图给出了电压比较器的符号及传输特性。其反相输入端加信号ui，同相输入端加参考电压(ur)。比较器一般是开环工作，其增益很大。所以，当ui ur时，输出为“高”；反之，当ui ur时，输出为“低”。而当ui接近ur时，输出电平发生转换，此刻同相端和反相端可看成“虚短路”。其它时刻U+与U-可能差得很远(即U+U-)。电压比较器的输入为模拟量，输出为数字量(0或1)，可作为模拟和数字电路的接口电路，也可作为一位模数转换器，在实际中有着广泛应用。2021/3/1020uiurCUCCUEEuo0uiuourUoHUoL鉴别不灵敏区(a)(b)电压比较器的符号及传输特性2021/3/10211.高电平高电平(UoH)和低电平和低电平(UoL)电压比较器可以用运放构成，也可用专用芯片构成。用运放构成的比较器，其高电平UoH可接近于正电源电压(UCC)，低电平UoL可接近于负电源电压(-UEE)。在有些应用场合，对输出加以限幅，如图所示。其中图749(a)电路的高低电平等于(UVZ+UVD)，图749(b)电路的高低电平等于(UVZ+UVD)。2021/3/10222.鉴别灵敏度鉴别灵敏度 事实上，集成运放和专用比较器芯片的Aud不为无穷大，ui在ur附近的一个很小范围内存在着一个比较器的不灵敏区。如图748(b)中虚线所示的输入电压变化范围，在该范围内输出状态既非UoH，也非UoL，故无法实现对输入电平大小进行判别。Aud越大，则这个不灵敏区就越小，工程上称比较器的鉴别灵敏度越高。2021/3/1023 图749 输出限幅电路 (a)UoH=UVZ1+UVD2,UoL=-(UVD1+UVZ2);(b)UoH=UVD1+UVZ+UVD2,UoL=-(UVD4+UVZ+UVD3)CUCCUEEuo(a)RCUCC UEEuoR(b)VD2VD4VD3VD1VZVZ1VZ22021/3/1024 3.转换速度 作为比较器的另一个重要特性就是转换速度，即比较器的输出状态产生转换所需要的时间。通常要求转换时间尽可能短，以便实现高速比较。比较器的转换速度与器件压摆率SR有关，SR越大，输出状态转换所需的时间就越短，比较器的转换速度越高。电压比较器一般为开环应用或正反馈应用，不需要相位补偿电容。2021/3/1025二、二、电压比较器的开环应用电压比较器的开环应用简单比较器简单比较器1.过零比较器过零比较器 在图748(a)中，令参考电平ur=0,则输入信号ur与零比较，ur 0，输出为低(UoL),而ur 0，输出为高，其波形如图7-50(a)所示。这种电路可做为零电平检测器。该电路也可用于“整形”，将不规则的输入波形整形成规则的矩形波。2021/3/1026 图750过零比较器及脉宽调制器输出波形(a)过零比较器整形波形；(b)脉宽调制器输出波形2021/3/10272.脉宽调制器脉宽调制器 若参考信号ur为三角波，而输入信号ui为缓变信号，如经传感器变换的温度、压力等信号，则随着ui的变化，输出矩形波的脉宽也随之变化。所以，开环比较器还可实现脉宽调制，如图750(b)所示。2021/3/1028三、迟滞比较器三、迟滞比较器双稳态触发器双稳态触发器1.简单比较器应用中存在的问题简单比较器应用中存在的问题 如图748(a)所示的比较器存在两个问题：一是输出电压转换时间受运放压摆率SR的限制，导致高频脉冲的边缘不够陡峭(如图751(a)所示)；二是抗干扰能力差，如图751(b)所示，若ui在参考电压ur(=0)附近有噪声或干扰，则输出波形将产生错误的跳变，直至ui远离ur值才稳定下来。如果对受干扰的uo波形去计数，计数值必然会多出许多，从而造成极大的误差。2021/3/1029图7-51 简单比较器输出波形边缘不陡峭及受干扰的情况(a)输出波形边缘不陡峭 (b)受干扰情况2021/3/10302.迟滞比较器电路及传输特性迟滞比较器电路及传输特性 为了解决以上两个问题，在比较器中引入正反馈，构成所谓“迟滞比较器”。这种比较器具有很强的抗干扰能力，而且，由于正反馈加速了状态转换，从而改善了输出波形的边缘。1)反向输入的迟滞比较器 反向输入的迟滞比较器电路如图752(a)所示。其中R2将uo反馈到运放的同相端与R1一起构成正反馈，其正反馈系数F正为2021/3/1031图752迟滞比较器电路及传输特性 (a)电路；(b)传输特性 Cuo(a)RRuiR2R1VZ1VZ2Uf2021/3/1032图752迟滞比较器电路及传输特性 (a)电路；(b)传输特性 00uiuouiuouiuoUoH UUrLUoLUrH(b)UrLUrH2021/3/1033 电路中R及带温度补偿的稳压管(VZ1、VZ2)组成输出限幅电路，使输出电压的高低电平限制在(UVZ+UVD)。下面我们来分析该电路的传输特性。因为信号加在运放反相端，所以ui为负时，uo必为正，且等于高电平UoH=+(UVZ1+UVD2)。此时，同相端电压(U+)为参考电平Ur1:211RRRUUFof正(759)(2121121111VDVZoHoHfrUURRRURRRUFUU正(760)2021/3/1034 当ui由负逐渐向正变化，且ui=Uf=Ur1时，输出将由高电平转换为低电平。我们称uo从高到低所对应的ui转换电平为上门限电压，记为UTH。可见oHrTHURRRUU2111(761)而后，ui再增大，uo将维持在低电平。此时，比较器的参考电压Ur将发生变化，即)()(2121121122VDVDoLoLfrUURRRURRRUFUU正(762)2021/3/1035 当ui由正变负的比较电平将是Ur2(负值)，故只有当ui变得比Ur2更负时，uo才又从低变高。所以，称Ur2为下门限电压，记为UTL。)(212112112VZVDoLrTHUURRRURRRUU(763)2021/3/1036 综上所述，迟滞比较器的传输特性如图752(b)所示。由于它像磁性材料的磁滞回线，所以称之为迟滞比较器或滞回比较器。迟滞比较器的上、下门限之差称之为回差，用U表示：)(2211VDVZTLTHUURRRUUU(764)2021/3/1037 如图753所示。由于使电路输出状态跳变的输入电压不发生在同一电平上，若ui上叠加有干扰信号时，只要该干扰信号的幅度不大于回差U，则该干扰的存在就不会导致比较器输出状态的错误跳变。应该指出，回差U的存在使比较器的鉴别灵敏度降低了。输入电压ui的峰峰值必须大于回差，否则，输出电平不可能转换。2021/3/1038图753迟滞比较器输出波形2021/3/10392)同相输入迟滞比较器 电路如图754(a)所示，信号与反馈都加到运放同相端，而反相端接地(U-=0)。只有当同相端电压U+=U-=0时，输出状态才发生跳变。而同相端电压等于正反馈电压与ui在此端分压的叠加。据此，可得该电路的上门限电压和下门限电压分别为 )()(2121VDVZTLVDVZTHUURRUUURRU(765a)(765b)2021/3/1040 其传输特性如图754(b)所示，读者可自行分析。迟滞比较器又名施密特触发器或双稳态电路，它有两个状态，且具有记忆功能。2021/3/1041(a)uoRR1uiR2(UVZ UVD)(b)uiuoUoHUrLUoLUrHC图754同相输入迟滞比较器及其传输特性 (a)电路；(b)传输特性2021/3/1042742弛张振荡器弛张振荡器 弛张振荡器即方波三角波产生器。对于方波信号发生器，其状态有时维持不变，而有时则发生突跳。为区别于正弦振荡器，人们将这种有张有弛的信号发生器称之为弛张振荡器。弛张振荡器必须是一个正反馈电路，它由两部分组成：一部分是状态记忆电路;另一部分是定时电路，即控制状态转换时间的电路。如图755所示，一般用迟滞比较器作为状态记忆电路，而用积分器作为定时电路。2021/3/1043状态记忆单元定时单元图755 弛张振荡器框图2021/3/1044一、单运放弛张振荡器一、单运放弛张振荡器 单运放将状态记忆电路和定时电路集中在一起，如图756(a)所示，其中带正反馈的运放构成迟滞比较器，RC构成积分器即定时电路。其波形如图756(b)所示。2021/3/1045(a)AuoRR3C(UVZ UVD)R2R1 R2BAuCR1R2uo(t)tUoH0R2R1 R2UoHR2R1 R2UoLUoLT2t1TuC(t)t2T1T2(b)图756 单运放弛张振荡器电路及波形2021/3/1046 假定输出为高电平(UoH=UVZ+UVD)，且电容初始电压uC(0)=0，那么电容被充电，uC(t)以指数规律上升，并趋向UoH。此时，运放同相端电压U+为)(212212VDVZoHoHUURRRURRRUFU正(766)该电压为比较器的参考电平。当uC上升到该电平值时，即U-=U+，则输出状态要发生翻转，即由高电平跳变到低电平UoL。我们将此时的U+记为高门限电压UTH：oHoHTHURRRUFU211正(767)2021/3/1047 一旦Uo变为低电平，电容开始放电，后又反充电，uC以指数规律下降，并趋向UoL。但是，因为此时的U+变为另一个参考电平(下门限电压)(2)(212VDVZoLoHoppVDVZoLUUUUUUURRRUFU正 当uC下降到UTL时，输出又从低电平跳变到高电平。周而复始，运放输出为方波，其峰峰值为 (768)(769)2021/3/1048电容电压uC(t)为近似的三角波，其峰峰值为)(2212VDVZTLTHCppUURRRUUU(770)因为电容充电和放电时常数均等于RC，所以T1=T2，占空比D=T2/T=50%。现在来计算振荡频率f0。首先计算时间T1。如图756(b)所示，根据三要素法，电容电压uC(t)为tCCCCeUUUtu)0()()()(771)2021/3/1049oHTHCoLTLCVDVZoHCURRRUTuTtRCURRRUUUUUU212111212)(0时，转换值：当时常值：）（初始值：）（趋向值：(772)将式(771)代入式(770)，得THoHTLoHUUUUTln22021/3/1050 如果要求改变占空比，只要令电容C充电和放电时常数不同即可，如图757(a)所示。只要调节电位器抽头的位置，充放电时常数就不等。)21ln(21,211120020RRRCffTTf为故震荡频率(773)2021/3/1051AuoR3R1R2aCbV1V2RWRbRa(a)uo(t)t0UoHRbCRaCUoL(b)图757占空比可调的弛张振荡器 (a)电路；(b)波形 2021/3/1052二、双运放构成的弛张振荡器二、双运放构成的弛张振荡器 如图758所示，运放A1构成同相输入的迟滞比较器，A2为理想积分器。A1输出为方波，该方波通过电阻R给电容C恒流充放电，形成三角波，反过来三角波又去控制迟滞比较器的状态转换，周而复始形成振荡，其波形如图759所示。2021/3/1053uo2R2CR1A1R A2RWRuo1图758 双运放方波三角波振荡器 2021/3/1054UoLuo1t0T1T2UoHuo2t0图759 双运放方波三角波 2021/3/1055 1.uo1和和uo2幅度的计幅度的计 1)uo1的幅度 由图可见，uo1的高电平UoH=UVZ+UVD，低电平UoL=-(UVZ+UVD)，所以其峰峰值为)(2DDVZoLppUUU(774)uo2为三角波。当uo1为高电平时，C充电，充电电流 (为电位器RW的分压比)，uo2随时间线性下降。再看A1，其反相端接地，当U+过零时，A1输出状态翻转，而U+等于uo1和uo2的叠加，即RUioHC2021/3/1056)(021212022211211VDVZoHmoooHUURRURRUuUURRRURRRU 2)uo2的幅度 同理，当uo2为低电平时，C反充电，充电电流 ，uo2随时间线性上升，当U+再次过零时，算出RUioLC2021/3/1057)(2)(0212212102022211211VDVZppoVDVZoLmooLUURRUUURRURRUuUuRRRURRRU(775)2021/3/10582.频率频率f0的计算的计算我们知道，在T1时间间隔内，电容C的电压增量 由式UC=Q/C计算得 )(221VDVZCUURRU121021112142112)(11)(2RCRRTTfRRCRTTRUUCdtiCCQUURRUVDVZCVDVZC(776)2021/3/1059方波输出方波输出正弦波输出正弦波输出正弦波输入正弦波输入运算放大器的基本应用（运算放大器的基本应用（II）信号放大、转换制作信号放大、转换制作