集成运放组成的波形发生器

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1 正弦波振荡电路,2 非正弦波振荡电路,第二部分,由集成运放组成的 波形发生器,1,正弦波振荡器,1.1,正弦波振荡器的组成,1.2,产生正弦波振荡的条件,1.3,起振条件和稳幅环节,1.4 RC,文氏桥正弦波振荡器,其中选频网络由,R、C,和,L、C,或石英晶体,等电抗性元件组成。振荡器也常因此而命名。,1.,放大电路,2.,正反馈网络,3.,选频网络,4.,稳幅电路,1.1,正弦波发生电路的组成,AF,=,A,+,F,=,2,n,图,11.01,振荡器的方框图,1.2,产生正弦波的条件,右图所示电路若满足：,振荡条件：,幅度平衡条件：,相位平衡条件：,则电路产生振荡,起振条件,：,1.3,起振条件和稳幅环节,稳幅环节：,由于,起振后就要产生增幅振荡，需要靠三极管大信号运用时的非线性特性去限制幅度的增加，这样电路必然产生失真。这就要靠选频网络的作用，选出失真波形的基波分量作为输出信号，以获得正弦波输出。,也可以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，从而达到稳幅的目的。,1.4 RC,文氏桥振荡电路,(1),RC,文氏桥振荡电路的构成,RC,文氏桥振荡电路如图1 所示，,RC,串并联网络是正反馈网络，另外还增加了,R,3,和,R,4,负反馈网络。,C,1、,R,1,和,C,2、,R,2,正反馈支路与,R,3、,R,4,负反馈支路正好构成一个桥路，称为,文氏桥,。,图1,RC,文氏桥振荡电路,当,C,1,=,C,2,、,R,1,=,R,2,时:,为满足振荡的幅度条件，所以,A,f,3。,加入,R,3、,R,4,支路，构成串联电压负反馈。,F,=0,(2),RC,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,R,4,实,现的。,R,4,是正温度,系数热敏电阻，当,输出电压升高，,R,4,上所加的电压升高，即温度升高，,R,4,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,R,3,的位置。见图1。,(,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11.04所示。,电路的电压增益为,式中,R,p,是电位器上半部的电阻值，,R,p,是电位器下半部的电阻值。,R,3,=,R,3,/,R,D,，,R,D,是并联二极管的等效平均电阻值。,当,V,o,大时，二极管支路的交流电流较大，,R,D,较小，,A,v,f,较小，于是,V,o,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。,1,方波发生电路,2,三角波发生电路,3,锯齿波发生电路,2,非正弦波发生电路,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,2.1,所示。,(1),工作原理,电源刚接通时,设,电容,C,充电，升高。参阅图,2.2,。,图,2.1,方波发生器,2.1,方波发生电路,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,2.2,方波发生器波形图,图,2.1,方波发生器,过渡时间,t:,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,2.3,。,C,充电时，充电电流经电位器的上半部、二极管,D,1,、,R,f,；,C,放电时，放电电流经,R,f,、二极管,D,2,、电位器的下半部。,图,2.3,占空比可调方波发生电路,(2),占空比可调的矩形波电路,占空比,为：,其中，是电位器中点到上端电阻，是二极管,D,1,的导通电阻。,其中，是二极管,D,2,的导通电阻。即改变 的中点位置，占空比就可改变。,图,14.08,方波发生器波形图,图,2.4,三角波发生器,三角波发生器的电路如图,2.4,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,v,O1,=+,V,Z,时,则电容,C,充电,同时,v,O,按线性逐,渐下降，当使,A,1,的,V,P,略低于,V,N,时，,v,O1,从,+,V,Z,跳变为,-,V,Z,。波形,图参阅图,2.5,。,2.2,三角波发生器,2.,在,v,O1,=,-,V,Z,后，电容,C,开,始放电，,v,O,按线性上升，,当使,A,1,的,V,P,略大于零时，,v,O1,从,-,V,Z,跳变为,+,V,Z,，,如此周而复始，产生振,荡。,v,O,的上升时间和下降,时间相等，斜率绝对值,也相等，故,v,O,为三角波。,图,2.5,三角波发生器的波形,输出峰值,振荡周期：,锯齿波发生器的电路如图,2.6,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,。,图,2.6,锯齿波发生器电路图,锯齿波电路的输出波形图如图,2.7,所示。,2.3,锯齿波发生器,图,2.7,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：,v,o1m,=|,V,z,|=,v,om,R,2,/,R,1,v,om,=|,V,z,|,R,1,/,R,2,于是有,附 电压比较器,电压比较器是一种能将输入的模拟电压信号与预设的某个参考电压相比较并给出比较结果（高电平或低电平）的电路。,由于其输入信号是连续变化的信号，而输出却只有高电平或低电平两种状态，所以其中的集成运放,往往,工作在,非线形区,，为此，从电路结构来看，运放,往往,处于,开环状态,，有时甚至为了使输入输出的状态转换更快，提高比较精度，,常,在电路中引入,正反馈,。,*,固定幅度比较器,*,滞回比较器,常用的电压比较器有固定幅度比较器、具有滞回特性的滞回比较器和窗口比较器。这些比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。,这里我们回顾以下两种比较器,:,(1),过零比较器和电压幅度比较器,过零电压比较器是典型的幅度比较电路，它的电路图和传输特性曲线如图,1,所示。,(a),(b),图,1,过零电压比较器,(a),电路图,(b),传输特性曲线,1.,固定幅度比较器,将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到一个电压值,V,REF,上,就得到电压幅度比较器，它的电路图和传输特性曲线如图,2,所示。,图,2,固定电压比较器,(a),电路图,(b),传输特性曲线,(2),比较器的基本特点,常工作在,开环,或,正反馈,状态。,开关特性,，因开环增益很大，,比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。,非线性,，,因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。,从输出引一个电阻分压支路到同相输入端，电路如图,3(a),所示。当,v,o,=V,+,om,时，若输入电压,v,I,由低于,V,+,增大至高于,V,+,，,v,o,将翻转，此时,V,+,记为,V,T+,，称为,上限阈值,(,触发,),电平,。,当,v,o,=V,-,om,时,若输入电压,v,I,由高于,V,+,减小至低于,V,+,，,v,o,将翻转，此时,V,+,记为,V,T-,称为,下限阈值,(,触发,),电平,。,图,3(a),滞回比较器电路图,2.,滞回比较器,图,3(b),滞回比较电路的传输特性,因此，当,v,i,由小而大，增至,V,T+,后,v,o,出现跳变，而,v,i,由大变小，则须减小至,V,T-,后,v,o,才出现跳变，,v,i,与,v,o,的关系表现出具有如图,3(b),所示的滞回特性。,回差电压,V,T,：,积分运算电路的分析方法与求和电路差不多，反相积分运算电路如图,1,所示。,图,1,积分运算电路,附 积分运算电路,当输入信号是阶跃直流电压,V,I,时，即,图 积分运算放大电路,若积分前电容已存在初始电压,v,o,(0),则,:,附,3,：,由,555,构成的矩形波信号产生电路,图,2.4.1,由,555,构成的矩形波信号产生电路,输出矩形波的振荡周期为：,输出频率为：,输出矩形波的占空比为：,输出高电平的持续时间：,输出低电平的持续时间：,附,4,：,由石英晶体构成的矩形波信号产生电路,石英晶体的选频特性非常好，只有在其谐振频率,附近的信号能通过电路，,其他频率的信号全部被石英晶体衰减。故而只有频率为,的信号,通过不断放大最后获得稳定的输出。,R1,、,R2,使反相器工作在线性放大区，,若反相器为,TTL,门电路，则,R1,、,R2,常选取,0.7,2K,，若反相器为,CMOS,门电路，,则,R1,、,R2,常取,10,100M,，,C1,和,C2,用作反相器间的信号耦合，反相器,C,用作,提高输出驱动能力。,附,5,：,由单片机构成的信号产生电路,编程时只需把要产生的信号波形各点的幅值转换为二进制数，,把整个周期的数据制成一张表，单片机查表依次输出到DAC0832,进行D/A转换，经运放后可得相应的电压信号，如此周而复始可,获得相应的周期信号波形。,设计任务一：函数信号发生器的设计,1,、设计任务：,利用,LM324,构成正弦波、方波、三角波函数信号发生器,给定条件,:,（,1,）,给定,V,CC,=+9V,、,V,EE,=-9V;,（,2,）用万能板搭接电路。,要求性能指标：在,2k,负载条件下，输出信号,（,1,）正弦波：,V,PP,10V;,方波：,V,PP,14V,；三角波：,V,PP,8V,（,2,）频率范围：,200Hz5KHz,范围内连续可调,（,3,）波形无明显失真,结果提交：,（,1,）完成电路原理设计、实物焊接调试；,（,2,）完成实物性能指标测试：测试数据、波形具体参数；,（,3,）按专题一报告要求完成相应的设计报告。,2,、函数信号发生器电路设计参考方案：,