模电课件第六章波形产生与变换电路.ppt

1 第六章 波形产生与变换电路 波形产生与变换是电子技术中广泛使用的电路。 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 6.1 产生正弦振荡的条件 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 df UU 若 ，则环路输出可得到持续稳定的正弦波。 3 df UU 由 1 o f d o d f U U U U U U 得 1FA 正弦波振荡电路产生振荡的条件 幅度平衡条件： 1 AFFA 相位平衡条件： ),2,1,0(2FA nn 注意： 负反馈放大器的自激条件为 1FA 与上式差一负号，这是由于输入端规定的反馈 信号正方向不同所造成的。 4 2、振荡的建立和稳定 1）起振 实际振荡电路不需外部激励信号，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。 2）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 从噪声和干扰中选出的 fo分量幅度很小， 起振过程应使振荡电路增幅振荡，即 当幅度足够大后，再继续增幅，将出现非线性失真， 则需振荡器幅度振荡。故在振荡电路中要有稳幅环 节，一般由非线性电阻构成。 1FA 5 4）电路组成 正弦波振荡电路应具备下述 四个功能的部分组成： 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 3、正弦波振荡电路的分类 6 6.2 RC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 )/1( 111 CjRZ 22 2 222 1/1/( CRj RCjRZ ） 21 2 i f ZZ Z U UF 12 21 1 2 2 1 11 1 CR CRj C C R R RRR 21 CCC 21 RC RCj F 13 1 o o 3 1 j RC1o 7 2 o o 23 1 F 3 a r c t a n o o f 幅频特性： 相频特性： 当 = o时，电路达到谐振， 电路呈 “ 电阻性 ” ，此时 3 1F 0f RCf 2 1 o 幅值最大 RC 1 o 8 2、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 9 2）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。 RCf 2 1 o 振荡频率： 由同相放大电路： 4 31 R RA 由幅度起振条件： 3 1F由选频网络可知，谐振时： 1FA 3A 或 43 2 RR 10 3）稳幅环节 为了改善振荡波形，一 般采用外稳幅电路。 Uo IR4 PR4 TR4 R4 4 31 R RA Uo 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 11 RCf 62 1 o RCf 2 1 o 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=1k， C=200pF，则 fo=796Hz RC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。 fo R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。 12 带稳幅环节的电路 (2) ID U D 振荡幅度较小时 正向电阻大 振荡幅度较大时 正向电阻小 利用二极管的正向伏安 特性的非线性自动稳幅。 R + + RF2 R1 C R C uO + D1 D2 RF1 稳幅环节 13 带稳幅环节的电路（ 2） R + + RF2 R1 C R C uO + D1 D2 RF1 图示电路中， RF 分为两部分。在 RF1上正 反并联两个二极管，它们 在输出电压 uO 的正负半周内分别导通。 在起振之初， 由 于 uo 幅值很小，尚不足以 使 二极管导通， 二极管近于开路 此时， RF 2 R1。而 后， 随着振荡幅度的增大，二极管导通，其正向 电阻逐渐减小，直到 RF=2 R1，振荡稳定。 14 6.3 电压比较器 分析依据 uo/V Uom Uom uid/mV 虚短 的概念不再成立， 虚断 的概念仍成立。 omo Uu uu uu omo Uu 15 6.3.1 单门限电压比较器 电压比较器实现一个模拟信号与另一个模 拟信号的比较功能，通常用于越限报警、数 模转换和波形变换等。 电压比较器的输入信号是连续变化的模拟量， 但输出电压只有两种状态： 高电平和低电平 。 16 单门限比较器 _ + + uo ui R1 R2 ui uO Uom Uom UR 0 电压传输特性 UR 17 过零比较器 ui uO Uom Uom 0 电路 电压传输特性 _ + + uo ui R1 R2 18 _ + + uo ui R1 R2 波形变换 19 有限幅作用的电压比较器 使输出电压与负载电平匹配 R1 uR u o ui R2 R UZ uO ui UZ 0 UR 20 例 图示是一个监控报警装置，如需对某一参数（如 温度、压力等）进行监控，可由传感器取得监控信 号 ui， UR是参考电压。当 ui超过正常值时，报警灯 亮，试分析其工作原理。 解 监控信号 ui参考电压 UR 时，比较器输出高电 平，三极管导通，报警 灯因有电流通过而亮。 21 6.3.2 滞回比较器 u随输出电压 uo变化 电路特点： uo Uom uo Uom om F U RR R u 2 2 om F U RR R u 2 2 22 假设某一瞬间， uo Uom om F URR Ru 2 2 om F URR Ru 2 2 因此 ui由小逐渐增大 当 uu i 时 输出电压 uo从 Uom跳变为 Uom 比较器的同相输入电压也随之改变 ui由大逐渐减小 当 uu i 时 输出电压 uo从 Uom跳变为 Uom 23 传输特性 U+H U+L U+H-U+L称为回 差 小于回差的干扰不会引起跳转 下门限 上门限 uo ui 0 Uom -Uom 24 t ui U+H U+L t uo Uom -Uom 例 :设输入为正弦波 , 画出输出的波形。 + + uo R R2 R1 ui U+ 25 R 21 2 om 21 1 H URR RU RR RU R 21 2 om 21 1 L URR RU RR RU 加上参考电压后的迟滞比较器 (下行 ) ： + + uo R R2 R1 ui UR 上下限： uo ui 0 U+H U+L 传输特性 +UOM -UOM 26 例题： R1=10k， R2=20k ， UOM=12V， UR=9V当输入 ui为如图所示的波形时，画 出 输出 uo的波形。 u o ui 0 U+H U+L + + uo R R2 R1 ui UR 传输特性 上下限： R 21 2 om 21 1 H URR RU RR RU =10V R 21 2 om 21 1 L URR RU RR RU =2V 27 2V 10V ui uo +UOM -UOM uo ui 0 U+H U+L 传输特性 +UOM -UOM + + uo R R2 R1 ui UR 28 + + uo R R2 R1 ui UR uo ui 0 U+H U+L + + uo R R2 R1 ui U+ uo ui 0 +Uom -Uom U+H U+L 迟滞比较器 (下行 )两种电路 传输特性 的比较 : 29 2.迟滞比较器 (上行 ) u+=0 时翻转，可以求出 上下门限电压。 0 U R R R u R R R om 2 1 1 i 2 1 2 + + uo R R2 R1 ui 当 u+ u- =0 时 , uo= +UOM 当 u+ u- =0时 , uo= -UOM 0 U R R R R R R om 2 1 1 2 1 2 u i 当 uo= -UOM 当 uo= +UOM om 2 1 H UR RU ui= om 2 1 L UR RU ui= 30 U+H U+L uo ui 0 Uom -Uom 传输特性曲线 + + uo R R2 R1 ui 迟滞比较器 (上行 )(续 ) om 2 1 H UR RU om 2 1 L UR RU 上下门限电压 31 加上参考电压后的迟滞比较器 (上行 ) ： + + uo R R2 R1 ui UR om 2 1 H UR RU om 2 1 L UR RU 上下门限电压 UR U R R R u R R R om 2 1 1 i 2 1 2 当 uo= +UOM 当 uo= -UOM U R R R R R R om 2 1 1 2 1 2 u i UR UR R 2 R R 2 1 UR R 2 R R 2 1 32 加上参考电压后的迟滞比较器 (上行 )传输特性 ： + + uo R R2 R1 ui UR + + uo R R2 R1 ui 对照 U+H U+L uo ui 0 Uom -Uom U+H U+L uo ui 0 Uom -Uom 33 6.3.3 窗口比较器 设 R1 =R2，则有： )2(21 DCC UV DLH 2= UUU 21 2DCC L )2(= RR RUVU 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。 34 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=2UD 35 6.4 非正弦波产生电路 6.4.1 矩形波产生电路 6.4.2 三角波产生电路 6.4.3 锯齿波产生电路 36 6.4.1 矩形产生电路 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，产生矩形波输出。 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 37 2、工作原理 电路的正反馈系数 21 1 RR RF zo FUFuu 比较电压 设 t=0时， uC=0， uo=+Uz zFUu 则 输出电压 uo通过 R向 C充电， uC呈 指数规律增加。 当 t = t1， uCu+时， uo跳变为 Uz。 zFUu 此时 38 zFUu uo= 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，输出矩形波。 当 t = t2， uCu+时， uo跳变为 +Uz。 电容又被充电。 39 3、振荡周期 t1 t2，电容放电。 放电时间常数： 1=RC z0 FUu C ）（ zUu C ）（ 11z RC t C eFUtu ）（）（ 当 t = T1=T/2时， z2 FUTu C ）（ ，代入上式，得 z2z 112 FUeFUTu RC T C ）（）（ F FRCT 1 1ln2 2 121ln2 R RRC 振荡频率： Tf 1 矩形 波 产生图 40 4、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%。 %100%100 21 11 T T CRrR 1dw1 CRrRR 2d ww2 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： 41 6.4.2 三角波产生电路 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： 21 2o 21 1z RR Ru RR RUu 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/R4 42 21 2o 21 1z RR Ru RR RUu 当 t = t1， u+0时， A1翻转， uo1Uz。 z 2 1 omo UR RUu 21 2o 21 1z RR Ru RR RUu C恒流放电， uC线性 ， uo线性 。 C恒流充电， uC线性 ， uo线性 。 21 2o 21 1z RR Ru RR RUu 43 21 2o 21 1z RR Ru RR RUu 当 t = t2， u+0时， A1翻转， uo1跳变为 +Uz。 z 2 1 omo UR RUu 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 。 44 3、 振荡周期 2 14 z mo 4 44 R CRR U UCRT mo 4 Z 21 2 1 UdtRUCu t tC t2 t1=T/2 三角波 产生 演示 45 6.4.3 锯齿波产生电路 锯齿波发生器的电路如图所示。显然，为了获得 锯齿波，应改变积分器的充放电时间常数。图中的二 极管 D和 R将 使充电时间常数 减为 (R R)C， 而放电时间常数 仍为 RC。 锯齿波发生器电路图 锯齿波电路 的输出波形图如 图所示。 46 锯齿波发生器的波形 锯齿波周期可以 根据时间常数和锯齿 波的幅值求得。锯齿 波的幅值为： vo1m=|Vz|= vomR2/R1 vom= |Vz| R1/R2 于是有 RC R R T V R R T RC V 2 1 2 z 2 1 2 z 2 2 CRRRRT )/(2 2 1 1 47 集成函数发生器 8038简介 48 振荡频率： CRR f 1p1 2 1 3.0 调 Rp2可使正弦波的失 真达到较理想的程度 管脚图