波形产生及变换电路讲义课件

第第7 7章章 波形产生及变换电路波形产生及变换电路7.1 正弦波振荡电路7.2 非正弦波振荡电路 7.3 波形产生及变换的Multisim 仿真举例7/6/20241教学目标了解各种类型的信号波形掌握正弦波的产生原理理解非正弦波振荡电路的工作原理7/6/202427.1.1 产生正弦波的振荡条件 正弦波振荡电路是用来产生一定频率和幅度的正弦交流信号的，其频率范围较广。在第5章我们了解自激振荡现象，当放大电路在一定的条件下就会产生自激振荡。在放大电路中自激是非正常工作状态，必须设法消除它。而本节讨论的振荡电路，而本节讨论的振荡电路，正是利用自激振荡来产生正弦波正是利用自激振荡来产生正弦波。7/6/20243图图7.1 正弦波产生电路的基本结构正弦波产生电路的基本结构 7/6/20244 正弦波发生电路的基本结构是引入正反馈的反馈网络和放大电路,如图6-15所示。接成正反馈是产生振荡的首要条件,又称为相位条件。为了使电路在没有外加信号时 ,就产生振荡,所以还要求电路在开环时满足即 7/6/20245 正弦波产生电路一般应包括以下几个基本组成部分:(1)放大电路。(2)反馈网络。(3)选频网络。(4)稳幅电路。判断一个电路是否为正弦波振荡器,就看其组成是否含有上述四个部分。7/6/20246 判断振荡的一般方法是:(1)是否满足相位条件,即电路是否为正反馈,只有满足相位条件才有可能振荡。(2)放大电路的结构是否合理,有无放大能力,静态工作点是否合适。(3)分析是否满足幅度条件,检验 ,若 ,则不可能振荡。,能振荡,但输出波形明显失真。,产生振荡。振荡稳定后振荡稳定后 。再加上。再加上稳幅措施稳幅措施,振荡稳定振荡稳定,而且输出波形失真小。而且输出波形失真小。n=0，1，2，7/6/20247 为了保证输出波形为单一频率的正弦波，要求振荡电路必须具有选频特性。选频特性通常由选频网络实现。选频网络可设置在放大电路中，使 具有选频特性；也可设置在反馈网络中，使 具有选频特性，因此振荡电路仅对某一频率成分的信号满足振荡的相位条件和幅度条件，该信号的频率就是该振荡电路的振荡频率。7/6/202487.1.2 RC正弦波的振荡电路正弦波的振荡电路RC正弦波振荡电路可分为RC串并联正弦波振荡串并联正弦波振荡电路、移相式正弦波振荡电路和双电路、移相式正弦波振荡电路和双T网络正弦波振网络正弦波振荡电路。荡电路。本节主要介绍RC串并联正弦波振荡电路，它又称串并联正弦波振荡电路，它又称为文氏桥正弦波振荡电路为文氏桥正弦波振荡电路，因为它具有波形好、振幅稳定、选频调节方便等优点，应用十分广泛。其电路主要结构是采用RC串并联网络作为选频和反馈网络。在分析正弦波振荡电路时，关键是要了解串并联关键是要了解串并联网络的选频特性，才能分析它振荡的工作原理。网络的选频特性，才能分析它振荡的工作原理。7/6/202491、RC网络的频率响应 RC串并联网络的电路如图7.2(a)所示。RC串联臂的阻抗用Z1表示，RC并联臂的阻抗用Z2表示。其频率响应如下:图7.2（a）RC串并联网络7/6/2024101)122Cw1RCR1j()1(2121CRCRw-+=R/j+)Cj/1(2122221112RCCRCRRRww+=)j1()Cj/1(222112RCRRRww+=谐振频率为:f0=当R1=R2，C1=C2时，谐振角频率和谐振频率分别为:)j1/(+)Cj/1()j1/(22211222212CRRRCRRZZZwww+=+=7/6/202411幅频特性:相频特性:当 f=f0 时的反馈系数 ,且与频率f0的大小无关。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。如图7.2（b）所示。7/6/202412 图7.2（b)RC串并联网络的频率特性曲线7/6/2024132、RC文氏桥振荡电路 (1)RC文氏桥振荡电路的构成文氏桥振荡电路的构成 RC文氏桥振荡电路如图文氏桥振荡电路如图7.3所示，所示，RC 串并串并联网络是正反馈网络，另外还增加了联网络是正反馈网络，另外还增加了R3和和R4负负反馈网络。反馈网络。C1、R1和C2、R2正反馈支路与R3、R4负反馈支路正好构成一个桥路，称为文氏桥。图7.3 RC文氏桥振荡电路7/6/202414当C1=C2、R1=R2时:为满足振荡的幅度条件 =1，所以Af3。加入R3、R4支路，构成串联电压负反馈。F=07/6/202415(2)(2)RC文氏桥振荡电路的稳幅过程文氏桥振荡电路的稳幅过程 RC文氏桥振荡 电路的稳幅作用是 靠热敏电阻R4实现 的。R4是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，R4上所加的电压升高，即温度升高，R4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R3的位置。见图11.03。7/6/202416 (a)稳幅电路 (b)稳幅原理图 图11.04 反并联二极管的稳幅电路 采用反并联二极管的稳幅电路如图7.4所示。电路的电压增益为 式中 Rp是电位器上半部的电阻值，Rp是电位器下半部的电阻值。R3=R3/RD，RD是并联二极管的等效平均电阻值。当Vo大时，二极管支路的交流电流较大，RD较小，Avf较小，于是Vo下降。由图(b)可看出二极管工作在C、D点所对应的等效电阻，小于工作在A、B点所对应的等效电阻，所以输出幅度小。二极管工作在A、B点，电路的增益较大，引起增幅过程。当输出幅度大到一定程度，增益下降，最后达到稳定幅度的目的。7/6/2024177.1.3 LC正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路的构成与RC正弦波振荡电路相似，包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。这里的选频网络是由LC并联谐振电路构成，正反馈网络因不同类型的LC正弦波振荡电路而有所不同。一、LC并联谐振电路的频率响应 二、变压器反馈LC振荡器 三、电感三点式LC振荡器7/6/2024181、LC并联谐振电路的频率响应并联谐振电路的频率响应 LC并联谐振电路如图7.5（a）所示。显然输出电压是频率的函数：输入信号频率过高，电容的旁路作用加强，输出减小；反之频率太低，电感将短路输出。并联谐振曲线如图7.5（b）所示。（a）LC并联谐振电路图7.5 LC并联谐振电路与并联谐振曲线 （b）并联谐振曲线7/6/202419谐振时谐振频率 谐振时电感支路电流或电容支路电流与总电流之比，称为并联谐振电路的品质因数 考虑电感支路的损耗，用R表示，如图7.6所示。图7.6 有损耗的谐振电路7/6/202420 对于图7.5(b)的谐振曲线，Q值大的曲线较陡较窄，图中Q1Q2。并联谐振电路的谐振阻抗谐振时LC并联谐振电路相当一个电阻。7/6/2024212、变压器反馈、变压器反馈LC振荡电路振荡电路图7.6 变压器反馈LC振荡电路变压器反馈LC振荡电路如图7.6所示。LC并联谐振电路作为三极管的负载，反馈线圈L2与电感线圈相耦合,将反馈信号送入三极管的输入回路。交换反馈线圈的两个线头，可使反馈极性发生变化。调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度，以使正反馈的幅度条件得以满足。7/6/202422 有关同名端的极性请参阅图7.7。图7.7 同名端的极性 变压器反馈LC振荡电路的振荡频率与并联LC谐振电路相同，为7/6/2024233、电感三点式LC振荡器 图7.8 为电感三点式LC振荡电路。电感线圈L1和L2是一个线圈，2点是中间抽头。如果设某个瞬间集电极电流减小，线圈上的瞬时极性如图所示。反馈到发射极的极性对地为正，图中三极管是共基极接法，所以使发射结的净输入减小，集电极电流减小，符合正反馈的相位条件。图7.8 电感三点式LC振荡器（CB）图7.9电感三点式LC振荡器（CE）图7.9 为另一种电感三点式LC振荡电路。7/6/202424 分析三点式LC振荡电路常用如下方法，将谐振回路的阻抗折算到三极管的各个电极之间，有Zbe、Zce、Zcb,如图7.10所示。图7.10 三点式振荡器 对于图7.11 Zbe是L2、Zce是L1、Zcb是C。可以证明若满足相位平衡条件，Zbe和Zce必须同性质，即同为电容或同为电感，且与Zcb性质相反。图7.11 三点式振荡器实际电路7/6/2024254、电容三点式LC振荡电路 与电感三点式LC振荡电路类似的有电容三点式LC振荡电路，见图7.12。（a）CB组态 （b）CE组态图7.12 电容三点式LC振荡电路7/6/202426例7.1：图7.13为一个三点式振荡电路，试判断是否满足相位平衡条件。(a)(b)图7.13 例题7.1的电路图7/6/2024275、石英晶体LC振荡电路 利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路，如图7.14所示。(a)串联型 f0=fs （b）并联型 fs f0fp 图7.14 石英晶体振荡电路7/6/202428 石英晶体的阻抗频率特性曲线见图7.15,图7.15 石英晶体的电抗曲线它有一个串联谐振频率fs,一个并联谐振频率 fp，二者十分接近。对于图对于图7.14(a)7.14(a)的电路与电感三点式振荡的电路与电感三点式振荡电路相似。要使反馈信号能传递到发射极，电路相似。要使反馈信号能传递到发射极，为此石英晶体应处于串联谐振点，此时晶体为此石英晶体应处于串联谐振点，此时晶体的阻抗接近为零。的阻抗接近为零。对于图对于图7.14(b)7.14(b)的电路，满足正反馈的条的电路，满足正反馈的条件，为此，石英晶体必须呈电感性才能形成件，为此，石英晶体必须呈电感性才能形成LC并联谐振并联谐振回路，产生振荡。由于石英晶体回路，产生振荡。由于石英晶体的的Q值很高，可达到几千以上，所示电路可以值很高，可达到几千以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。获得很高的振荡频率稳定性。7/6/2024291、方波发生电路2、三角波发生电路3、锯齿波发生电路 7.2 非正弦波发生电路7/6/202430 1、方波发生电路、方波发生电路 方波发生电路是由滞回比较电路和RC定时电路构成的，电路如图7.16所示。(1)工作原理电源刚接通时,设 电容C充电，升高。参阅图7.17。图7.16 方波发生器7/6/202431 当 时，所以 电容C放电，下降。当 ，时，返回初态。方波周期用过渡过程公式可以方便地求出 图7.17方波发生器波形图7/6/202432(2)占空比可调的矩形波电路 显然为了改变输出方波的占空比，应改变电容器C的充电和放电时间常数。占空比可调的矩形波电路见图7.18。C充电时，充电电流经电位器的上半部、二极管D1、Rf；C放电时，放电电流经Rf、二极管D2、电位器的下半部。图7.18 占空比可调方波发生电路 7/6/202433占空比为：其中，是电位器中点到上端电阻，是二极管D1的导通电阻。其中，是二极管D2的导通电阻。即改变 的中点位置，占空比就可改变。图7.19 方波发生器波形图7/6/2024342、三角波发生器 三角波发生器的电路如图7.20所示。它是由滞回比较器和积分器闭环组合而成的。积分器的输出反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的 。1.当vO1=+VZ时,则电容C 充电,同时vO按线性逐 渐下降，当使A1的VP 略低于VN 时，vO1 从 +VZ跳变为-VZ。波形 图参阅图7.27。图7.20三角波发生器7/6/2024352.在vO1=-VZ后，电容C开 始放电，vO按线性上升，当使A1的VP略大于零时，vO1从-VZ跳变为+VZ，如此周而复始，产生振 荡。vO的上升时间和下降 时间相等，斜率绝对值 也相等，故vO为三角波。图7.21 三角波发生器的波形输出峰值振荡周期：7/6/202436 三、锯齿波发生器 锯齿波发生器的电路如图7.22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(RR)C，而放电时间常数仍为RC。图7.22 锯齿波发生器电路图 锯齿波电路的输出波形图如图7.23所示。7/6/202437 图7.23 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7/6/2024387.3 波形产生及变换的Multisim 仿真举例本节选取矩形波发生电路和三角波发生电路为例进行Multisim仿真。1、矩形波发生电路Multisim仿真 在Multisim中构建矩形波发生电路如图7.24所示。图7.2 4 矩形波发生器Multisim仿真电路7/6/202439（1）当电位器Rw的滑动端调到中间位置时，由虚拟示波器可见输出波形为正负半周对称的矩形波。电容上的电压为充放电波形。从虚拟示波器上可测得UOm=5.2V，振荡周期为 T=8ms，如图7.24所示。（2）将电位器Rw的滑动端向上移动，由虚拟示波器可见，矩形波的正半周期T1增大，负半周期T2减小。相反，如将电位器Rw的滑动端向下移动，矩形波的正半周期T1减小，负半周期T2增大。7/6/2024402、三角波发生电路Multisim仿真在Multisim中构建三角波发生电路如图7.25所示。图7.25 三角波发生器Multisim仿真电路7/6/202441（1）由虚拟示波器可观察到电路输出波形为三角波，而前一级滞回比较器的输出为矩形波，如图7.26所示（2）由虚拟示波器上可测得，三角波的幅度为UOm=10V,振荡周期为 T=10ms。图7.26 矩形波发生器Multisim仿真波形7/6/202442