模电课件：8第八章波形产生电路.ppt

1、第第8章章 波形产生电路波形产生电路第第8章章 波形产生电路波形产生电路 8. 1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 8.1.1 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件 8.1.2 RC文氏桥正弦波振荡电路文氏桥正弦波振荡电路 8.1.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 8.1.4 石英晶体正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路 8.2 非正弦波产生电路非正弦波产生电路 8.2.1 电压比较器电压比较器 8.2.2 方波发生器方波发生器 8.2.3 三角波发生器三角波发生器 8.2.4 锯齿波发生器锯齿波发生器 1. 正弦波振荡的条件正弦波振荡的条件 无外加信号，输出一定频率一定幅值的信

2、号。无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。 与负反馈放大电路振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入的是与负反馈放大电路振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。正反馈，且振荡频率可控。在电扰动下，对于某一特定频率在电扰动下，对于某一特定频率f0的信号形成正反馈：的信号形成正反馈：oioXXX 由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最终达到由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最终达到动态平衡动态平衡，稳，稳定在一定的幅值。定在一定的幅值。8.1.1 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件8.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路211FAnFAFA显然

3、，要使电路维持振荡，必须有显然，要使电路维持振荡，必须有幅值平衡条件幅值平衡条件相位平衡条件相位平衡条件1FA起振条件：起振条件： 要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的f0，且在合闸通电时且在合闸通电时对于对于f= f0信号有从小到大直至稳幅的过程，即满足起振条件。信号有从小到大直至稳幅的过程，即满足起振条件。8.1.1 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件fiXX ofoi1XXAFXX ofoi,XXAFXX1. 正弦波振荡的条件正弦波振荡的条件)sin(cosirbiaZ幅值很小幅值很小频率丰富频率丰富频率趋于单一频率趋于单一幅值逐渐增

4、大幅值逐渐增大逐渐变为单一频逐渐变为单一频率的稳幅振荡率的稳幅振荡2. 起振与稳幅：输出电压从幅值很小、含有丰富频率，到仅有一种频率起振与稳幅：输出电压从幅值很小、含有丰富频率，到仅有一种频率且幅值由小逐渐增大直至稳幅。且幅值由小逐渐增大直至稳幅。8.1.1 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件1) 放大电路：放大作用，保证电路能够有从起振到动态平衡的放大电路：放大作用，保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，使电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制。过程，使电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制。2) 选频网络：确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振选频网络：确定电路的振荡

5、频率，使电路产生单一频率的振荡，荡，保证电路产生正弦波振荡保证电路产生正弦波振荡3) 正反馈网络：引入正反馈，使放大电路的输入信号等于反馈正反馈网络：引入正反馈，使放大电路的输入信号等于反馈信号，满足相位条件信号，满足相位条件4) 稳幅环节：非线性环节稳幅环节：非线性环节，使输出信号幅值稳定，使输出信号幅值稳定常合二为一常合二为一3. 基本组成部分基本组成部分8.1.1 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件常用选频网络所用元件分类。常用选频网络所用元件分类。1) 1) RCRC正弦波振荡电路：正弦波振荡电路：振荡频率较低，振荡频率较低，1 MHz1 MHz以下以下2) 2) LCL

6、C正弦波振荡电路：正弦波振荡电路： 1 MHz以以上，达到上，达到几百几百兆赫兹兆赫兹3) 3) 石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率非常非常稳定稳定4. 分类分类CRCRCRUUF j1 j1 j1of ) 1 ( j31RCRCF )( j31 21000ffffFRCf，则令RC串并联选频网络的频率串并联选频网络的频率特性特性8.1.2 RC文氏桥正弦波振荡电路文氏桥正弦波振荡电路)( j3100ffffFRC串并联选频网络的频率串并联选频网络的频率特性特性8.1.2 RC文氏桥正弦波振荡电路文氏桥正弦波振荡电路200)(91ffffF)(31arctan00

7、ffffFfU频率频率特性特性幅幅频频特性特性相相频频特性特性即当即当 f=f0时，时， 的幅值为的幅值为 的的1/3，且相位为同相。，且相位为同相。OU当当 f=f0时，幅值出现最大值，为时，幅值出现最大值，为1/3，且此时相移为，且此时相移为0。用同相比例运算电路作放大电路，用同相比例运算电路作放大电路，RC串并联选频网络作反馈网络串并联选频网络作反馈网络稳幅环节：稳幅环节：因同相比例运因同相比例运算电路有非常算电路有非常好的线性度，好的线性度，故故 R1 或或 Rf 用用热敏电阻，或热敏电阻，或加二极管作为加二极管作为稳幅环节（非稳幅环节（非线性环节）。线性环节）。特点：以特点：以RC串

8、并联网络为选频网络和正反馈网络、并引入电压串并联网络为选频网络和正反馈网络、并引入电压串联负反馈，两个网络构成桥路，一对顶点作为输出电压，一串联负反馈，两个网络构成桥路，一对顶点作为输出电压，一对顶点作为放大电路的净输入电压，就构成文氏桥振荡器。对顶点作为放大电路的净输入电压，就构成文氏桥振荡器。2.RC文氏桥正弦波振荡电路文氏桥正弦波振荡电路8.1.2 RC文氏桥正弦波振荡电路文氏桥正弦波振荡电路用瞬时极性法判断可用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平知，电路满足相位平衡条件衡条件电路可以输出频率为电路可以输出频率为 的正弦波的正弦波RCf210 当当 时时，F0 AF2 n 此时若放大电路的

9、电此时若放大电路的电压增益为压增益为fu113RAR则振荡电路满足振幅平则振荡电路满足振幅平衡条件衡条件u1313A F 振荡电路工作原理振荡电路工作原理8.1.2 RC文氏桥正弦波振荡电路文氏桥正弦波振荡电路211FAnFAFARCff 210采用非线性元采用非线性元件件稳幅措施稳幅措施4热敏元件热敏元件热敏电阻热敏电阻即即热 敏 电 阻 的热 敏 电 阻 的作用作用起振时起振时，f113uRARf11,2uA FRR oofUIR功功耗耗Rf温度温度fuoARU 阻阻值值8.1.2 RC文氏桥正弦波振荡电路文氏桥正弦波振荡电路8.1.4 石英晶体振荡器SiO2结晶体按一定方向切割的晶片，在

10、晶片的两个对应表面上涂结晶体按一定方向切割的晶片，在晶片的两个对应表面上涂敷银层并装上一对金属板，就构成石英晶体产品。敷银层并装上一对金属板，就构成石英晶体产品。固有频率几乎只决定于晶片的切割方式、形状、几何尺寸，故非常稳定，固有频率几乎只决定于晶片的切割方式、形状、几何尺寸，故非常稳定，频率稳定度很高。石英晶体的选频特性是其他选频网络所不能比拟的。频率稳定度很高。石英晶体的选频特性是其他选频网络所不能比拟的。 一般一般LC选频网络的品质因数选频网络的品质因数Q为几百，石英晶体的为几百，石英晶体的Q可达可达104106；前者；前者频率稳定度频率稳定度f/f为为105，后者可达，后者可达1010

11、1011。1 1. . 石英晶体的特石英晶体的特性性极板间加电场极板间加电场极板间加机械力极板间加机械力晶体机械变形晶体机械变形晶体产生电场晶体产生电场石英晶体之所以能作为谐振器，是因为它具有压电效应石英晶体之所以能作为谐振器，是因为它具有压电效应交变电压交变电压机械振动机械振动交变电场交变电场当外加交变电压频率当外加交变电压频率 = 固有频率时，机械振幅最大，称为压电谐振，固有频率时，机械振幅最大，称为压电谐振，该频率称为石英晶体的谐振频率，因此石英晶体具有选频特性。该频率称为石英晶体的谐振频率，因此石英晶体具有选频特性。8.1.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器容性容性感性感性阻性阻性1 1

12、. . 石英晶体的特石英晶体的特性性A. 串联谐串联谐振振12 sqqfL C 晶体等效晶体等效阻抗为纯阻阻抗为纯阻性性B. 并联谐并联谐振振0012 pqqqfC CLCC0 qCCpsff所以所以 2石英晶体正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路（1）并联型石英晶体振荡电路）并联型石英晶体振荡电路8.1.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器电容三点式电容三点式 石英晶体的阻抗呈电感性时，与外接电容构成并石英晶体的阻抗呈电感性时，与外接电容构成并联谐振联谐振,谐振频率在谐振频率在fp和和fs之间，由此构成并联型石之间，由此构成并联型石英晶体振荡电路英晶体振荡电路 作等效电感作等效电感振荡频率振荡频

13、率 0 psfff振荡频率振荡频率 0 psfff8.1.4 石英晶体振石英晶体振荡器荡器2石英晶体正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路（2）串联型石英晶体振荡电路）串联型石英晶体振荡电路电容三点式电容三点式 当石英晶体发生串联谐振时，它呈电阻性，谐振当石英晶体发生串联谐振时，它呈电阻性，谐振频率等于频率等于fs，构成串联型石英晶体振荡电路。，构成串联型石英晶体振荡电路。作短路元件作短路元件 振荡频率振荡频率 0 sff 石英晶体工作在哪个区？石英晶体工作在哪个区？ 是哪种典型的正弦波振荡电是哪种典型的正弦波振荡电路？路？ 石英晶体工作在哪个区？石英晶体工作在哪个区？ 两级放大电路分别为哪种基

14、本两级放大电路分别为哪种基本接法？接法？ C1的作用？的作用？（1）并联型电路）并联型电路（2）串联型电路）串联型电路2石英晶体正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路8.1.4 石英晶体振荡器矩形波矩形波三角波三角波锯齿波锯齿波尖顶波尖顶波常见的非正弦波常见的非正弦波8.2 非正弦波产生电路非正弦波产生电路1. 1. 电压比较器的功能电压比较器的功能：比较电压的大小。：比较电压的大小。 输入电压是模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高输入电压是模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况，为二值信号。使输出产生跃变的输电平和低电平两种情况，为二值信号。使输出产生跃变的输入电压称

15、为阈值电压。入电压称为阈值电压。 广泛用于各种报警电路。广泛用于各种报警电路。2. 2. 电压比较器的描述方法电压比较器的描述方法 :电压传输特性电压传输特性 uOf(uI)电压传输特性的三个要素：电压传输特性的三个要素：（1）输出高电平）输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL（2）阈值电压阈值电压UTH（3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向8.2.1 电压比较器电压比较器概述概述电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈理想运放工作在非线性区的特点：理想运放工作在非线性区的特点：1) 净输入电流为净输入

16、电流为02) u+ u-时，时， uOUOH u+0，则应如何修改电路？则应如何修改电路？（2）若要改变曲线跃变方向，则应如何修改电路？）若要改变曲线跃变方向，则应如何修改电路？（3）若要改变）若要改变UOL、UOH呢？呢？门限电压门限电压2THIREF1()RUuUR 1.简单电压比较器讨论简单电压比较器讨论应为高电平应为高电平错误电平错误电平因此提出了另一种抗干扰能力较强的迟滞电压比较器因此提出了另一种抗干扰能力较强的迟滞电压比较器8.2.1 电压比较器电压比较器简单电压比较器结简单电压比较器结构简单，灵敏度高，构简单，灵敏度高，但抗干扰能力较差。但抗干扰能力较差。当输入电压在门限当输入电

17、压在门限电压附近上下波动电压附近上下波动时，无论这种变化时，无论这种变化是由于输入信号自是由于输入信号自身的变化还是干扰身的变化还是干扰噪声，都将使得输噪声，都将使得输出电压在高、低电出电压在高、低电平之间反复跳变。平之间反复跳变。2. 迟滞比较器迟滞比较器（1）电路组）电路组成成（2）门限电压为）门限电压为U+上门限电压上门限电压下门限电压下门限电压回差电压回差电压8.2.1 电压比较器电压比较器12THREFZ1212RRUUURRRR 12TH+REFZ1212RRUUURRRR 2THZ122RUURR 而而U+与与uo有关，对于有关，对于uo的两个值可得的两个值可得U+的两个门限电压

18、的两个门限电压IOOL UUuu ，IOOHUUuu ，2. 迟滞比较器迟滞比较器（3 3）传输特）传输特性性8.2.1 电压比较器电压比较器 迟滞宽度表示抗干扰能力的强弱，迟滞宽度越宽，抗干扰能力越强，同时灵敏度越低。迟滞宽度表示抗干扰能力的强弱，迟滞宽度越宽，抗干扰能力越强，同时灵敏度越低。迟滞宽度迟滞宽度 2THZ122RUURR 设设uiUTH-，则，则 u- u+， uO+UZ。此时此时u+ UTH+，增大，增大 ui，直至，直至+UTH+，再增大，再增大， uO才从才从+UZ跃变为跃变为 UZ。 设设 ui+UTH+，则，则 u- u+， uOUZ。此时此时u+UTH-，减小，减小

19、 ui，直至，直至UTH-，再减小，再减小， uO才从才从UZ跃变为跃变为+UZ。解：解：（1）门限电压）门限电压（3）输出电压波形）输出电压波形例电路如图所示，试求门限电压，画出传输特性和如图所示输入信号下的输出电压波形。电路如图所示，试求门限电压，画出传输特性和如图所示输入信号下的输出电压波形。（2）传输特性）传输特性REF0 U O U10V 2OH1REFT1212U5V R UR URRRR 2OL1REFT1212U5VR UR URRRR （1 1）写出写出 u+、u-的表达式，的表达式，令令u+ u-，求解出的求解出的 uI即为即为UTH；（2 2）根据集成运放的输出电压幅值或

20、输出端限幅根据集成运放的输出电压幅值或输出端限幅电路决定输出的高、低电平；电路决定输出的高、低电平；电压比较器的分析方法（三要素）（3 3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定入端决定输出电压输出电压的跃变方向。的跃变方向。1. 若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？讨论一：如何改变滞回比较器的电压传输特性2. 若要电压传输特性曲若要电压传输特性曲线上下移动，则应如何线上下移动，则应如何修改电路？修改电路？3. 若要改变输入电压过若要改变输入电压过 阈值电压时输出电压的阈值电压时输出电压

21、的 跃变方向，则应如何修跃变方向，则应如何修 改电路？改电路？向左右移多少？向左右移多少？改变输出限改变输出限幅电路幅电路讨论二：从电压传输特性识别电路，画波形讨论二：从电压传输特性识别电路，画波形 已知各电压比较器的电压传输特性如图所示，说出它们各为哪已知各电压比较器的电压传输特性如图所示，说出它们各为哪种电压比较器；输入电压如图所示，画出各电路种电压比较器；输入电压如图所示，画出各电路输出电压的波形。输出电压的波形。同相输入同相输入单限比较器单限比较器反相输入反相输入滞回比较器滞回比较器窗口窗口比较器比较器你能分别组成具有图示电压传你能分别组成具有图示电压传输特性的电压比较器电路吗？输特性

22、的电压比较器电路吗？ 输出输出无稳态无稳态，有两个暂态有两个暂态；若输出为；若输出为高电平时定义为第一暂态，则输出为低电高电平时定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。平为第二暂态。1. 1. 基本组成部分基本组成部分 （1）开关电路）开关电路：因为输出只有高电平和低电平两种情况，：因为输出只有高电平和低电平两种情况，即两个暂态；故采用电压比较器。即两个暂态；故采用电压比较器。 （2）反馈网络）反馈网络：因需自控，在输出为某一暂态时孕育翻：因需自控，在输出为某一暂态时孕育翻转成另一暂态的条件，故应引入反馈。转成另一暂态的条件，故应引入反馈。 （3）延迟环节）延迟环节：要使两个暂态均维持一定的

23、时间，故采：要使两个暂态均维持一定的时间，故采用用RC环节环节实现实现，从而决定振荡频率，从而决定振荡频率 。8.2.2 方波发生器方波发生器2. 2. 电路组成电路组成Z211TURRRU 正向充电：正向充电： uO（+UZ）R3C地地反向充电：反向充电： 地地C R3 uO（UZ）RC 回路回路，负反馈支路，负反馈支路ZU迟滞比较器迟滞比较器ZU8.2.2 方波发生器方波发生器3. 3. 工作原理工作原理 设合闸通电时电容上电压为设合闸通电时电容上电压为0，uO上上升，则产生正反馈过程：升，则产生正反馈过程： uO u+ uO ，直至直至 uOUZ， u+UT，为，为第一暂态。第一暂态。8

24、.2.2 方波发生器第一暂态第一暂态：uOUZ， u+UT。3. 3. 工作原理工作原理 电容正向充电，电容正向充电，t u-，t ， u- UZ；但当但当u- +UT时，再增时，再增大，大， uO从从+ UZ跃变为跃变为UZ， u+UT，电路进入电路进入第二暂态第二暂态。 电容电容放电放电，t u- ，t ， u- UZ；但当但当u- UT时，再减小，时，再减小， uO从从 UZ跃变为跃变为+UZ， u+ +UT，电路电路返回第一暂态返回第一暂态。8.2.2 方波发生器求出、终了值、时间常数，根据三要素，即起始值4. 4. 波形分析波形分析8.2.2 方波发生器方波发生器21322ln(1)RTR CR 50%q 占占空空比比5. 5. 占空比可调电路占空比可调电路 正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调，可以获得矩形波。正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调，可以获得矩形波。8.2.2 方波发生器方波发生器