波形的产生与变换电路

第 八 章 波 形 的 产 生 与 变 换 电 路8.1 正 弦 波 振 荡 的 基 本 原 理8.2 RC正 弦 波 振 荡 电 路8.3 LC正 弦 波 振 荡 电 路8.4 石 英 晶 体 振 荡 电 路8.5 比 较 器8.6 方 波 发 生 器8.7 三 角 波 及 锯 齿 波 发 生 器 一. 产生自激振荡的条件fid XXX -=改 成 正 反 馈只 有 正 反 馈 电 路 才 能 产 生 自 激 振 荡 。8.1 正弦波振荡器的基本原理+Xi f 基 本 放 大 器A反 馈 网 络FX + d oXX 如 果 ： ,if XX =则 去 掉 ,iX 仍 有 信 号 输 出 。反 馈 信 号 代 替 了 放 大电 路 的 输 入 信 号 。Xi + f 基 本 放 大 器A反 馈 网 络FX + d oXXXd of 基 本 放 大 器A反 馈 网 络F XX FA=1Xd=Xf所 以 ， 自 激 振 荡 条 件 也 可 以 写 成 ：自 激 振 荡 的 条 件 ：（ 1） 振 幅 条 件 ： 1| =AF（ 2） 相 位 条 件 ： pjj nFA 2=+ n是 整 数1. =FAAAA j= |因 为 ： FFF j= |. 动 画 演 示Xd of 基 本 放 大 器A反 馈 网 络F XX 二 .起 振 条 件 和 稳 幅 原 理起 振 条 件 ：结 果 ： 产 生 增 幅 振 荡1| FA （ 略 大 于 ）1、 被 动 ： 器 件 非 线 性2、 主 动 ： 在 反 馈 网 络 中 加 入 非 线 性 稳 幅 环 节 ， 用 以 调 节 放 大 电 路 的 增 益稳 幅 过 程 ：起 振 时 ， 1| FA 稳 定 振 荡 时 ， 1| =FA 稳 幅 措 施 ： 起 振 过 程Xd of 基 本 放 大 器A反 馈 网 络F XX 1.放 大 电 路2.正 反 馈 网 络3.选 频 网 络 只 对 一 个 频 率 满 足 振 荡 条 件， 从 而 获 得 单 一 频 率 的 正 弦 波 输 出 。 常 用 的 选 频 网 络 有 RC选 频 和 LC选 频4.稳 幅 环 节 使 电 路 易 于 起 振 又 能 稳 定 振荡 ， 波 形 失 真 小 。三 .正 弦 波 振 荡 器 的 一 般 组 成 8 . 2 RC正弦波振荡电路一 . RC 串 并 联 网 络 的 选 频 特 性R1C1 串 联 阻 抗 ： 21 2of ZZ ZUUF += )j/1( 111 CRZ += 222 222 j1 )j/1/( CRR CRZ +=R2C2 并 联 阻 抗 ：选 频 特 性 ： + + + + R u + - o - f u + 1 2R C1 2C 1.定性分析：（ 1） 当 信 号 的 频 率 很 低 时 。R111C R221C其 低 频 等 效 电 路 为 ： 其 频 率 特 性 为 ：当 =0时 ，u f=0， F=0 =+90Fj当 时 ，uf=， F Fj + + f o - + R2 1 u -u C +0 |F|0 F90 （ 2） 当 信 号 的 频 率 很 高 时 。 R111C R221C其 高 频 等 效 电 路 为 ： 其 频 率 特 性 为 ：当 =时 ，u f=0， F=0 =-90Fj当 时 ，uf=， F Fj + + ou-f-u+2C+1R0 |F|0 F-90 0=？ Fmax=？由 以 上 分 析 知 ： 一 定 有 一 个 频 率 0存 在 ，当 =0时 ， F最 大 ， 且 =0Fj0 |F|0 F90 0 |F|0 F-90 2. 定量分析)j/1( 111 CRZ += 222 222 j1 )j/1/( CRR CRZ += R1C1 串 联 阻 抗 ：R2C2 并 联 阻 抗 ： 21 2of ZZ ZUUF +=频 率 特 性 ： + + + + R u + - o - f u + 1 2R C1 2C )1j()1( 1j1j 1 j1 1221211222211 222 CRCRRRCCCRRCR CRRF -+=+ +=通 常 ， 取 R1 R2 R， C1 C2 C， 则 有 ：)j(3 1 00 -+=F式 中 ： RC1 0 =可 见 ： 当 时 ， F最 大 ， 且 =0RC10 = Fj Fmax=1/3 RC串 并 联 网 络 完 整 的 频 率 特 性 曲 线 ：RC10 =当 时 ， F= Fmax=1/3 0F =j RC10 = RCf p2 10 = Fo +90o |F|1/3 二 .RC桥 式 振 荡 器 的 工 作 原 理 ： 0=Aj在 f0 处 ,0=Fj满 足 相 位 条 件 ：因 为 ：AF=1 31=F1 1f+= RRA 1f 2RR =只 需 ： A=3输 出 正 弦 波 频 率 ：RCf p2 10 = 0=+ FA jj振 幅 条 件 ：u Rf 1R R R C C uf A + + o引 入 负 反 馈 ：选 ： 例 题 :R=1k， C=0.1F， R1=10k。 Rf为 多 大 时 才能 起 振 ？ 振 荡 频 率 f0=？ AF=1， 31=F1 1f+= RRAA=3Rf=2R1=210=20k RCf p2 10 = =1592 H z起 振 条 件 ： uRf1RRR CC uf A+ + o 能 自 动 稳 幅 的 振 荡 电 路半 导 体 热 敏 电 阻(负 温 度 系 数 ） 起 振 时 Rt较 大 使 A3,易 起 振 。 当 uo幅 度 自 激增 长 时 ， Rt减小 ， A减 小 。 当 uo幅 度 达 某一 值 时 ， A3。 当 uo进 一 步 增大 时 ， RT再 减小 ,使 A UREF时 , uo = +Uom当 ui UREF时 , uo = -Uom 运 放 处 于开 环 状 态 uuU + +i-uu A OREF uo ui0+Uom-Uom UREF当 ui UREF时 , uo = -Uom 若 ui从 反 相 端 输 入 u u u - + ui + O A + uo ui0+UZ-UZ（ 1） 用 稳 压 管 稳 定 输 出 电 压 忽 略 了 UD3. 限 幅 电 路 使 输 出 电 压 为 一 稳 定 的 确 定 值 u u Z+ O + - Au Z + D u R i 当 ui 0时 , uo = +UZ当 ui 0时 , uo = -UZ当 ui 0时 , uo = +UZ 二 . 迟 滞 比 较 器1.工 作 原 理 两 个 门 限 电 压 。特 点 :电 路 中 使 用 正 反 馈 运 放 工 作 在 非 线 性 区 。（ 1） 当 uo =+UZ时 ，（ 2） 当 uo =-UZ时 ， REFZ URR RURR RUu 2f f2f 2T += + REFZ URR RURR RUu f2 ff2 2T +-= -+ UT+称 上 门 限 电 压UT-称 下 门 限 电 压UT+- UT-称 为 回 差 电 压 u u u A + R - Z u + D O + f u R Z i REF R1 R2 迟 滞 比 较 器 的 电 压 传 输 特 性 ：uo u i0+UZ-UZ UT+UT- 设 ui , 当 ui = UT+时 , uo从 +UZ -UZuuu A+ R-Zu + DO+ fu R ZiREF R1R2 例 题 ： Rf=10k， R2=10k ， UZ=6V， UREF=10V。当 输 入 ui为 如 图 所 示 的 波 形 时 ， 画 出 输 出 uo的 波 形 。上 下 限 ： V82f f2f 2T =+=+ RZ URR RURR RU V32f f2f 2T =+-=- RZ URR RURR RU uo ui0 8V3V传 输 特 性+6V-6Vuuu A+ R-Zu + DO+ fu R ZiREF R1R2 3V8Vuiuo+6V-6Vuo ui0 8V3V传 输 特 性+6V-6V uuu A+ R- Z u + D O + f u R Z i REF R1 R2 1.电 路 结 构由 滞 回 比 较 电 路 和 RC定 时 电 路 构 成 ZURR RU f1 1T +=+ ZURR RU f1 1T +-=-上 下 限 : 8.6 方 波 发 生 器 u + A + - u+ u 1R fR ZR ZD O R Cu C 2.工 作 原 理 ：(1) 设 uo = + UZ , 此 时 ， uO 给 C 充 电 , uc ，则 ： u+=UT+ 0 tuo+UZ-UZucUT+0 t一 旦 uc UT+ , 就 有 u- u+ , uo 立 即 由 UZ变 成 UZ 。在 uc UT+ 时 ， u- u+ , 设 uC初 始 值 uC(0+)= 0方波发生器uo保 持 +UZ不 变+UZu+ A +-u+u 1R fR ZR ZDORCuC 此 时 ， C向 uO放 电 ,再 反 向 充 电(2) 当 uo = -UZ 时 ， u+=UT- u c达 到 UT-时 ， uo上 跳 。UT+ uc tUT-当 uo 重 新 回 到 UZ 后 ， 电 路 又 进 入 另 一 个 周 期 性 的 变 化 。-UZu+ A +-u+u 1R fR ZR ZDORCuC 0UT+uc tUT-+UZuo0 t - UZ T完 整 的 波 形 ： 动 画 演 示计 算 振 荡 周 期 T。 u + A + - u+ u 1R fR ZR ZD O R Cu CEWB演 示 方 波 发 生 器 周 期 与 频 率 的 计 算 ： 0 UT+uc t UT- +UZ -UZ T1 T2TT= T1 + T2 =2 T2 u c(t)=UC ()+ UC (0+) -UC () e ,=RC- tT2阶 段 uc(t)的 过 渡 过 程 方 程 为 : )21ln(2 f1RRRCT += f = 1/T可 推 出 : u + A + - u+ u 1R f R ZR ZD O R Cu C 3、 占 空 比 可 调 的 方 波 发 生 器 U Zuo0 t- UZ 改 变 电 位 器 RW 的 滑 动 端 ， 就 改 变 了 冲 放 电 的时 间 ， 从 而 使 方 波 的 占 空 比 可 调 。 u + A + - u+ u 1R fR ZR ZD 1D 2D O R WR Cu C 8.7 三 角 波 及 锯 齿 波 信 号 发 生 器电 路 结 构 ： 迟 滞 比 较 器 +反 相 积 分 器一 . 三 角 波 发 生 器 u+ R +A1+ R Z - 2 Z D u 4R o2 + + R1 R3 5R Cu u o1 A2 工作原理：若uo1=+UZ， uo2， u+ 。)(0dt1 2o0 1o42o +-= uuCRu t2o21 21o21 1 uRR RuRR Ru +=+ 当u+ 0时， uo1翻转为-UZ。若uo1=-UZ， uo2， u+ 。 当u+ 0时， uo1翻转为+UZ。 波 形 图振 荡 周 期 ： 0UT+uo2 tUT-+U Zuo10 t - UZ T u R - + Z + u R R + 1 2 A1u 4 R + C A2 R Z D 5 + uo1 o2 ZT URRU 21=+ ZT URRU 21-=-2414 R CRRT = 二 .锯 齿 波 发 生 器改 变 积 分 器 的 正 反 向充 电 时 间 常 数 u Z o1 R o2 3 Z u + R R 5 + D u 4 u RA1- R + 1 A2+ 2 C + R D6R uo1=+UZ，D截止，充 电时 间 常 数 ： R4C。uo1=-UZ，D导通，充 电 时间 常 数 ： (R6 R4)C。 +UZuo10 t - UZ R6 R4 本 章 小 结1 正 弦 波 振 荡 的 条 件 ： AF =1 （ 振 幅 条 件 ） （ 相 位 条 件pjj n2FA =+正 弦 波 振 荡 电 路 由 放 大 器 、 反 馈 网 络 、 选 频 网 络 和 稳 幅 环 节 构 成 。2 正 弦 波 振 荡 电 路 主 要 有 RC振 荡 电 路 和 LC振 荡 电 路 两 种 。 RC振 荡 电路 主 要 用 于 中 低 频 场 合 ， LC振 荡 电 路 主 要 用 于 高 频 场 合 。 石 英 晶 体 振荡 电 路 是 一 种 特 殊 的 LC振 荡 电 路 ， 其 特 点 是 具 有 很 高 的 频 率 稳 定 性 。3 当 运 放 开 环 工 作 或 引 入 正 反 馈 时 ， 运 放 工 作 在 非 线 性 状 态 。 其 分 析方 法 为 ： 若 U + U- 则 UO=+UOM； 若 U+ U- 则 UO=-UOM。 虚 断 （ 运 放 输 入 端 电 流 =0）4 比 较 器 是 一 种 能 够 比 较 两 个 模 拟 量 大 小 的 电 路 。 迟 滞 比 较 器 具 有回 差 特 性 。 它 们 是 运 放 非 线 性 工 作 状 态 的 典 型 应 用 。 5 在 方 波 、 锯 齿 波 和 三 角 波 等 非 正 弦 波 信 号 发 生 器 中 ， 运 放 一 般 也 工作 在 非 线 性 状 态 。 电 路 由 比 较 器 、 积 分 器 等 环 节 组 成 。