1、第九章 波形产生和变换,正弦波振荡电路RC正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路 石英晶体振荡电路 电压比较器 非正弦波产生电路 方波发生器 方波三角波发生器 波形变换电路,9.1 正弦波振荡电路,RC正弦波振荡电路,LC正弦波振荡电路,石英晶体波振荡电路,9.1.1 振荡基础知识,振荡条件 起振和稳幅 振荡电路的基本组成部分 振荡电路的分析方法,1. 振荡条件,反馈电路的方框图：,2. 起振和稳幅,满足上述条件后，一旦电源接通，随着时间增加输出幅度增大。增大到一定程度后，放大电路中晶体管将进入饱和或截至状态，输出正弦波将失真。应采取稳幅措施。,起振的幅度条件是：,3. 振荡电路的基本组成部分,振
2、荡电路的基本组成部分:,（1）放大电路 没有放大，不可能产生振荡。要保证电路具有放大功能,（2）反馈网络 形成正反馈，以满足相位平衡条件,（3）选频网络 以产生单一频率的正弦波(RC、LC),（4）稳幅电路 以保证输出端得到不失真的正弦波,4. 振荡电路的分析方法,判断能否产生振荡的一般方法和步骤：,a. 检查电路的组成部分,c. 将电路在放大器输入端断开，利用瞬时极性法判断电路是否满足相位平衡条件,b. 检查放大电路是否正常工作,振荡电路的分析方法:,9.1.2 RC正弦振荡电路,RC桥式振荡电路 RC串并联网络的频率特性 RC桥式振荡电路 稳幅措施 RC桥式振荡电路仿真 场效应管稳幅音频信
3、号发生器 移相式选频网络和移相式振荡电路 移相式选频网络 移相式RC振荡电路,1. RC桥式振荡电路,桥式RC振荡电路结构:,RC串并联网络的频率特性,RC串并联网络的频率特性,RC串并联网络的频率特性,谐振频率为:,RC串并联网络的频率特性,当R1 = R2，C1 = C2时，谐振角频率谐振频率,幅频特性:,相频特性:,RC串并联网络的频率特性,当 f=f0 时的反馈系数为1/3 ,且与频率f0的大小无关。此时的相角 F=0。,RC桥式振荡电路,Rf 2R1,振荡频率:,已知RC串并联选频电路谐振时反馈系数为1/3，Vf与Vo相位差为0。所以要使电路能产生正弦振荡，放大器必须是同相放大器，且
4、放大倍数要大于3。,稳幅措施,稳幅措施2 :利用非线性器件稳幅,稳幅措施1 : Rf 采用负温度系数的热敏电阻R1采用正温度系数的热敏电阻,RC桥式振荡电路仿真,仿真电路结果,场效应管稳幅音频信号发生器,场效应管稳幅音频信号发生器,2. 移相式选频网络和移相式振荡电路,滞后移相式选频网络,移相式选频网络:,超前移相仿真,滞后移相仿真,移相式RC振荡电路,例1: 判断电路能否产生振荡,判断电路能否产生振荡,9.1.3 LC 正弦波振荡电路,LC正弦波振荡电路可产生1000MHz以上的正弦波信号,而一般运放频带较窄,高速运放价格昂贵,所以LC振荡电路中的放大器一般采用分立元件组成.,1. LC 并
5、联回路的基本特性,R: 回路的等效损耗电阻,等效阻抗:,LC 并联回路,LC 并联回路的基本特性,b. 谐振时的等效阻抗,Q: 回路品质因数,用来评价回路损耗的大小,一般为几十到几百,a. 谐振频率,LC 并联回路的基本特性,c. 谐振电流,输入电流:,LC 并联回路,LC 并联回路的基本特性,d. 回路的频率特性:,谐振回路的选频性能主要取决于Q, Q越大,选频性能越好,在 f = f0 时,回路为纯阻性,且阻抗最大,2.变压器反馈式正弦波振荡器,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
6、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。,变压器反馈式正弦振荡器分析方法,+,_,+,同名端的判断:先找出公共端,输出端与反馈端如果互为同名端则同相,否则反相,例2: 判断电路能否产生振荡,判断电路能否产生振荡,电感三点式,电容三点式,常见的电感三点式电路,常见的电容三点式电路,两种改进型电容三点式振荡电路,克拉泼电路 (Clapp),例3: 判断三点式电路能否产生振荡,判断三点式电路能否产生振荡,判断三点式电路能否产生振荡,判断三点式电路能否产生振荡,9.1.4 石英晶体正弦波振荡电路,1. 基本知识,石英晶体谐振分析,L、C组成串联谐振电路
7、L、C、C0组成并联谐振电路 因此晶体有两个谐振频率：,串联谐振频率:,并联谐振频率:,石英晶体谐振分析,串联谐振时有最小阻抗，且相移为0。 并联谐振时有最大阻抗，相移不为0。,一般CC0 fs与fp接近,石英晶体振荡电路,串联,并联,石英晶体振荡电路,串联型 f0 =fs,并联型 fs f0fp,简单电压比较器 滞回比较器 窗口比较器 三态比较器,9.2 电压比较器,电压比较器功能,电压比较器中运放的工作特点,1. 工作在开环或正反馈状态,2. 大多数情况下工作在非线性区域, 输出与输入不成线性关系,只有在临界情况下才能使用虚短,虚断概念,3. 输出高电平或者低电平,呈现为开关状态,比较器的
8、分析方法,1.求出阈值: 输出从一个电平跳变到另一个电平时（这时运放的两个输入端之间可视为虚短虚断）所对应的输入电压值。,2. 分析输入与输出的关系,画出传输特性,9.2.1 简单电压比较器,过零比较器：,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所示。,简单电压比较器,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VREF 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所示。,电压幅度比较器：,过零比较器,同相比较器,反相比较器,反相比较器波形图,同相比较器波形图? 传输特性?,限幅比较器,同相端与反相端间的电压? 输出幅度?,同相端与反相端间的电压?
9、输出幅度?,9.2.2 滞回比较器,a. 反相输入滞回比较器,临界状态下有:,滞回比较器,当vI从VT-逐渐增大，增大到vI VT+时， vo=-Vz,当vI VT-时，vo=+Vz,当vI从VT+逐渐减小，减小到vI VT-时， vo=+Vz,当vI VT+时，vo=-Vz,(VREF=0V),滞回比较器,输入输出波形,(VREF=0V),滞回比较器,临界状态下有:,b. 同相滞回比较器,同相滞回比较器电压传输特性,(VREF=0V),滞回比较器应用,为了提高简单电压比较器的抗干扰能力,(VREF=0V),比较器应用,正弦波变换为矩形波 有干扰正弦波变换为方波,9.2.3 窗口比较器,设R1
10、 =R2，则有：,当vIVH时，vO1为高电平，D3导通；vO2为低电平, D4截止，vO= vO1 = vOH。,窗口比较器,当VH vI VL时，vO1为低电平，vO2为低电平，D3、D4截止，vO为0V；,传输特性,当vI VL时，vO2为高电平，D4导通；vO1为低电平，D3截止，vO= vO2 = vOH 。,9.2.4 三态比较器,9.3 非正弦波产生电路,矩形波,方波,TTL波,矩形波发生电路的基本工作原理,方波经积分变为三角波, 矩形波积分变为锯齿波,9.3.1 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，电路如图所示。,方波发生电路工作原理,(2)当vc=
11、VNVp时，vo=-VZ， 所以： 电容C放电， vc 开始下降。,(3)当vc=VNVp时，vo=+VZ ，返回初态。,方波发生电路输出波形,方波周期用过渡过程公式可以方便地求出：,方波发生电路波形周期计算,方波发生电路改进占空比可调的矩形波电路,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 波电路如图。,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。,矩形波电路的占空比可调,占空比为：,9.3.2 三角波方波发生电路,三角波发生器的电路如图所示。它是由滞回比较器和积分器闭环组合而成的。积分器的
12、输出反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的VREF。,三角波方波发生电路工作原理,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。,2. 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。,三角波方波发生电路输出波形,振荡周期：,输出峰值,三角波方波发生电路改进锯齿波发生电路,为了获得锯齿波，应改变积分器的充放电时间常数。锯齿波发生器的电路如图所示。图中的二极管D和R将使充
13、电时间常数减为(RR)C，而放电时间常数仍为RC。,锯齿波电路的输出波形,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：,压控锯齿波脉冲波发生器,利用VP控制三角波的直流电平(offset),VP,9. 4 波形变换电路,三角波锯齿波,三角波上升的半个周期中,方波为负,使T夹断,这时 vo=vi,三角波下降的半个周期中,方波为正,使T工作在可变电阻区,与其他电阻相比其阻值可忽略.这时 vo=-vi,三角波正弦波,正弦波整流电路,正弦波整流电路波形,vi0时, vo =-2 vi vo =- (-2 vi - vi)= = vi,vi0时, vo =0 vo =- vi,作业,9.4.10 9.4.1 9.3.1 9.2.6,
