第六章波形发生器课件.ppt

1、第第6章章 波形发生器波形发生器6.1 正弦波振荡电路的基本概念正弦波振荡电路的基本概念单一频率单一频率振荡频率振荡频率f0可控可控正弦波振荡器实质上就是一个具正弦波振荡器实质上就是一个具有选频特性的正反馈放大器有选频特性的正反馈放大器.一、正弦波振荡器的振荡条件一、正弦波振荡器的振荡条件负反馈放大电路方框图负反馈放大电路方框图在在A的通频带内需要引的通频带内需要引入负反馈，即入负反馈，即0AF 1211FA）（：负负反反馈馈的的自自激激振振荡荡条条件件nFAFA 正弦波振荡电路方框图正弦波振荡电路方框图在在A的通频带内需要引入的通频带内需要引入正反馈正反馈，且，且振荡频率可控振荡频率可控正反

2、馈电路的振荡条件：正反馈电路的振荡条件：1FA 二、选频网络二、选频网络在一个稳定的频率在一个稳定的频率上振荡，环路中应上振荡，环路中应包含一个具有选频包含一个具有选频特性的网络特性的网络选频网络作用：选频网络作用：确保确保有且只有单一频率有且只有单一频率f0满足满足相位平衡条件相位平衡条件时时，形形成成正正反反馈馈，当当且且仅仅当当网网络络二二合合一一常常常常把把选选频频网网络络和和反反馈馈0)(ffjfF 放大电路中存在噪放大电路中存在噪声即瞬态扰动。这声即瞬态扰动。这些扰动可分解为各些扰动可分解为各种频率的分量。种频率的分量。三、起振和稳幅三、起振和稳幅11 FAFA平平衡衡时时的的幅幅

3、值值条条件件：起起振振时时的的幅幅值值条条件件：必须有非线性环节，即必须有非线性环节，即constFconstA 或或要从起振过渡到稳定要从起振过渡到稳定的振荡幅度，环路中的振荡幅度，环路中要有要有非线性非线性环节环节oX)X(XifooXF1A稳定的稳定的振幅振幅AF四、四、判断电路是否能产生正弦波振荡的方法判断电路是否能产生正弦波振荡的方法1、观察电路是否包含了四个组成部分：放大电路、观察电路是否包含了四个组成部分：放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅环节正反馈网络、选频网络、稳幅环节2、判断放大电路能够正常工作、判断放大电路能够正常工作3、是否满足、是否满足正弦波振荡的相位条件正弦波振荡

4、的相位条件？4、是否满足正弦波振荡的幅值条件？、是否满足正弦波振荡的幅值条件？五、分类五、分类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、RC正弦波振荡电路：几百正弦波振荡电路：几百kHz以下以下2、LC正弦波振荡电路：几百正弦波振荡电路：几百kHz几百几百MHz3、石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定6.2 正弦波振荡电路正弦波振荡电路一、一、RCRC振荡电路振荡电路1 1、RCRC串并联选频网络串并联选频网络低频段低频段 900 0Ff，UfUo.Uf.I.高频段高频段 900U fFf，Uo.Uf.I.在频率从在频率从0中必有中必有一个频率

5、一个频率f0，F0。)ffff(j31FRC 21f000 ，则，则令令当当 f=f0时，不时，不但但=0，且，且 最大，为最大，为1/3。F一、一、RCRC振荡电路振荡电路1 1、RCRC串并联选频网络串并联选频网络在频率从在频率从0中有中有一个频率一个频率f0，F0。2 2、电路组成、电路组成1)是否可用共射放大电路？是否可用共射放大电路？2)是否可用共集放大电路？是否可用共集放大电路？3)是否可用共基放大电路？是否可用共基放大电路？4)是否可用两级共射放大电路？是否可用两级共射放大电路？应为应为RC 串并联网路配一个电压放大倍数略大于串并联网路配一个电压放大倍数略大于3、输入电阻趋于无穷

6、大、输出电阻趋于输入电阻趋于无穷大、输出电阻趋于0的放大电路。的放大电路。不符合相位条件不符合相位条件不符合幅值条件不符合幅值条件输入电阻小、输输入电阻小、输出电阻大，影响出电阻大，影响f0 可引入电压串联负反馈，可引入电压串联负反馈，使电压放大倍数大于使电压放大倍数大于3，且，且Ri大、大、Ro小，对小，对f0影响小影响小3 3、RCRC文氏电桥振荡电路文氏电桥振荡电路 桥桥+判断相位平衡条件判断相位平衡条件.+当当f=f0时，时，uf和和uo同相，满足相位平同相，满足相位平衡条件衡条件当当ff0时，时，uf和和uo不不同相，不满足相位同相，不满足相位平衡条件平衡条件+102 21RRRCf

7、F 频频率率：由由选选频频网网络络确确定定正正弦弦波波RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路一般用于产生频率一般用于产生频率低于低于1MHz的正弦波的正弦波例例1 1：合理连接电路，组成文氏桥振荡电路：合理连接电路，组成文氏桥振荡电路例例2 2：判断图示电路有可能产生正弦波振荡吗？：判断图示电路有可能产生正弦波振荡吗？900F一阶高通：一阶高通：0180F二阶高通：二阶高通：如何判断相位平衡条件？如何判断相位平衡条件？断开反馈断开反馈在断开在断开处给放大电路加处给放大电路加 ff0的信号的信号Ui，且规定且规定其极性，然后其极性，然后判断各处极性判断各处极性 Ui的极性的极性 Uo的极性的极性 Uf

8、的极性的极性3）若若Uf与与Ui极性相同，则电路可能产生自激振荡；极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不可能产生自激振荡。否则电路不可能产生自激振荡。在多数正弦波振在多数正弦波振荡电路中，输出量、荡电路中，输出量、净输入量和反馈量净输入量和反馈量均为电压量。均为电压量。iU极性？极性？+ou oi 功功耗耗 RF 温度温度 RF 阻阻值值 RF3A 1AF A热敏电阻热敏电阻,负温负温度系数度系数R1或或RF可用热敏电可用热敏电阻，或加二极管作阻，或加二极管作为非线性环节。为非线性环节。电流越大，等电流越大，等效电阻越小效电阻越小 随着输出振幅的增随着输出振幅的增大，大，Rf/R1减小，

9、减小，系统增益降低系统增益降低R1 随着输出振幅随着输出振幅的增大，的增大，JFET的电的电阻也增大，阻也增大，R2/R1减减小，系统增益降低小，系统增益降低LC并联并联网络的选频特性网络的选频特性低频段：感性低频段：感性Z高频段：容性高频段：容性LC21f0 损损耗耗CLR1Q LC 21LC 21f0 Q112 品质品质因素因素Q1Q2品质因素越大，选频特性越品质因素越大，选频特性越好，谐振频率稳定性越高好，谐振频率稳定性越高CLCILIIUIQI,IQILC IICIIL LCII CL00QXQXZff 时，时，f0选频放大电路选频放大电路当当f=f0时，电压放大倍数的数时，电压放大倍

10、数的数值最大，且附加相移为值最大，且附加相移为0。当当f=f0时，时，LC为为阻性，且值最大阻性，且值最大放大电路放大电路反馈网络反馈网络Uo多用分立元件，多用分立元件，甚至共基甚至共基高频高频2 2、变压器反馈式、变压器反馈式振荡电路振荡电路)ff(U0i fUC1有有必要吗？必要吗？CL21f10 i222i222beRLRMRRMCRr 特点：特点：易振，波形较好；耦合不紧密，易振，波形较好；耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。损耗大，频率稳定性不高。利用三极管利用三极管的非线性的非线性t ti ic cf f0 0t tu uo o例：例：欲使电路振荡，试标出变压器原，副边绕组的同铭端

11、欲使电路振荡，试标出变压器原，副边绕组的同铭端2 2、电容三点式（电容反馈式）、电容三点式（电容反馈式）振荡电路振荡电路考毕兹振荡器考毕兹振荡器011:21 CjLjCj 谐振时谐振时2121021:CCCCLf 振荡频率振荡频率212211)(CCLjCjCjfFo 反馈电压和输出电压反相反馈电压和输出电压反相满足相位平衡条件满足相位平衡条件212/:CCFFRRRrRAiCLbeL 振荡时振荡时LbeRrCC:12 起振条件起振条件特点：特点：波形好，振荡波形好，振荡频率调整范围小，适频率调整范围小，适于频率固定的场合。于频率固定的场合。振荡频率高，则振荡频率高，则L、C1、C2要小。当要

12、小。当电容电容减小到一定程度，晶减小到一定程度，晶体管的极间电容将并体管的极间电容将并联在联在C1和和C2上，影响上，影响振荡频率的稳定性。振荡频率的稳定性。改进的电容三点式振荡电路改进的电容三点式振荡电路取值远大于取值远大于极间电容极间电容o0LC21f 与放大电路参数无关与放大电路参数无关克拉泼振荡器克拉泼振荡器123223210:ZZZZZFZZZ 谐振时谐振时要使反馈系数为负要使反馈系数为负实数，实数，Z2与与Z1必必为同质阻抗为同质阻抗电感三点式电感三点式3 3、电感三点式（电感反馈式）、电感三点式（电感反馈式）振荡电路振荡电路哈脱莱振荡器哈脱莱振荡器 C)M2LL(21f210 M

13、LMLFFR/RRRrM2LML122iLbe21 特点：耦合紧密，易振，特点：耦合紧密，易振，振幅大，振幅大，C 用可调电容用可调电容可获得较宽范围的振荡可获得较宽范围的振荡频率。波形较差，常含频率。波形较差，常含有高次谐波。有高次谐波。判断能否产生正弦波振荡？判断能否产生正弦波振荡？V0静态工作点静态工作点不合适不合适能振荡能振荡三点式满足相位三点式满足相位平衡条件的接法：平衡条件的接法：射同集反（源同射同集反（源同,同相端同）同相端同）f=f0找出在哪个元件上获得反馈电压，是否能取代输找出在哪个元件上获得反馈电压，是否能取代输入电压。入电压。LCf 210CMLLf)2(21210 21

14、21021CCCCLf 210111121CCCLf MCRr be RrMLML eb21 RrCC eb12 压电效应：压电效应：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4 4、石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路530107300L2701084.2 QmHRpFCpFC一般一般LC网络网络Q为几百，石为几百，石英晶体英晶体Q可达可达104106；前；前者者f/f为为105，后者可达后者可达10101011。LCfs 21:串联谐振频率串联谐振频率)1(21)/(21:00CCLCCCLfP 并联谐振频率并联谐振频率串联谐振频率和并

15、联谐振频率很接近串联谐振频率和并联谐振频率很接近电容三点式电容三点式并联型石英晶体振荡电路并联型石英晶体振荡电路pffCCCCCC 021210:振荡频率振荡频率串联型石英晶体振荡电路串联型石英晶体振荡电路6.3 波形整形电路波形整形电路一、概述一、概述 1、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)电压传输特性的电压传输特性的：1）输出高电平）输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL2）阈值电压）阈值电压UT：使输出产生跃变的输入：使输出产生跃变的输入电压电压3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向的方向2、

16、常用的几种电压比较器：、常用的几种电压比较器：O单限比较器单限比较器迟滞比较器迟滞比较器3、集成运放的、集成运放的非线性工作区非线性工作区集成运放工作在非线性区集成运放工作在非线性区的特点：的特点：净输入电流为净输入电流为0u+u-时，时，uOUOPP u+0 时时 uO UOPP;uI 0 时时 uO UOPP A1 1、过零比较器、过零比较器如何改变阈值？如何改变阈值？串联型比较器串联型比较器例例:画出传输特性曲线画出传输特性曲线UOH UZ1 UD2(ON)UOL(UZ2 UD1(ON)输出限幅电路输出限幅电路:为适应负为适应负载对电压幅值的要求，载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。输

17、出端加限幅电路。电压比较器的分析方法：电压比较器的分析方法：1 1）写出）写出 u u+、u u-的表达式，的表达式，令令u u+u u-，求解出的求解出的u uI I即为即为U UT T；2 2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；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。限流电阻限流电阻得得令令,0uuuRRRURRRu-I211REF212-REF12TURRU ZOUU 作用于反相输入端作用于反相输入端并联型比较器并联型比较器UOH UZ1 U

18、D2(ON)UOL(UZ2 UD1(ON)为保护集成运放的输入端，为保护集成运放的输入端，需加输入端限幅电路。需加输入端限幅电路。集成运放的净输入电集成运放的净输入电压最大值为压最大值为UD(ON)输出限幅电路输出限幅电路:为适应负为适应负载对电压幅值的要求，输载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。出端加限幅电路。负反馈负反馈uO UZ零电位零电位1）保护输入端）保护输入端2）加速集成运放状）加速集成运放状态的转换态的转换三、迟滞比较器三、迟滞比较器引入正反馈引入正反馈反馈作用反馈作用于同相输于同相输入端入端不要和比例放大电路混淆！不要和比例放大电路混淆！1 1、输出的高、低电平、输出的高、低

19、电平2 2、阈值电压、阈值电压ZOHZOL UUUUIuuuRRRuO121-uu 令：ZZURRRUURRRU211T211T,得得：O20k20k 10V3 3、电压传输特性、电压传输特性-TTU-U:回回差差电电压压对正向和负向增长的对正向和负向增长的输入信号有不同的阈输入信号有不同的阈值电平值电平-迟滞特性迟滞特性uIuO10V-10Vtuo5V-5VtuiO1、若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修、若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？改电路？2、若要改变输入电压过阈值电压时输出电压的跃、若要改变输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向，则应如何修改电路？变方向，则应如何

20、修改电路？REF212Z211TREF212Z211TURRRURRRUURRRURRRU OREF212URRR ZTZTURRUURRU2121 uoui0UZ-UZUT+UT-I212O211uRRR)U(RRRU 四、集成电压比较器（四、集成电压比较器（LM311LM311为例）为例）同相输入同相输入端端反相输入反相输入端端负电源负电源正电源正电源集电极输集电极输出端出端发射极输发射极输出端出端平衡平衡平衡平衡/选通选通五、五、555555定时器定时器 1&COTHTR+VCCuOD5k5k5kC1C2G1G2G3T+2658437RQQ内含两个电压比较器和一个内含两个电压比较器和一个

21、RS触发器，是一触发器，是一个应用十分广泛的模拟数字混合集成电路个应用十分广泛的模拟数字混合集成电路12674 835555定时器功能表定时器功能表输入输出复位端4高触发端6低触发端2输出端3放大管状态70XX0导通122V VCCCC/3/3 22V VCCCC/3/3 V VCCCC/3/30导通导通12 V VCCCC/3/3不变不变不变不变施密特触发器施密特触发器(迟滞比较器）迟滞比较器）+VCC0.01 uiuo12675554835CCV32CCV31波形整形波形整形脉冲幅度脉冲幅度的鉴别的鉴别多谐振荡器（矩形波发生器）多谐振荡器（矩形波发生器）施密特触发器的符号施密特触发器的符号

22、6.4 非正弦波振荡电路非正弦波振荡电路矩形波矩形波三角波三角波锯齿波锯齿波尖顶波尖顶波阶梯波阶梯波矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。波形。teffftf )()0()()(1、充放电回路、充放电回路弄清楚充放电回路和弄清楚充放电回路和低通滤波器的关系低通滤波器的关系一、矩形波发生电路一、矩形波发生电路稳态值稳态值初始值初始值时间常数时间常数+-USRC+-RC+uC-1US2RCS0SS00)U-(UU:)UU(UtCeu 则则设初始值为设初始值为t0uCUSU0U0USRC110)-(U0:UtCeu 则则设初始值为设初始值为T1U1T2

23、2、矩形波发生器的组成、矩形波发生器的组成RCuOuC开关电路（迟滞比较开关电路（迟滞比较器）器）:输出高低电平，输出高低电平，控制控制RC充放电充放电计时电路（计时电路（RC充放电充放电路）：使得两个状态均路）：使得两个状态均维持一定的时间，决定维持一定的时间，决定振荡频率。振荡频率。反馈网络：自反馈网络：自控，在输出为控，在输出为某一状态时孕某一状态时孕育翻转成另一育翻转成另一状态的条件。状态的条件。应引入反馈。应引入反馈。3、比较器构成的矩形波发、比较器构成的矩形波发生器生器ZU ZU 反相反相输出为高电平时输出为高电平时正向充电：正向充电：uO（+UZ）RC地地，电容电压升高电容电压升

24、高输出为低电平时输出为低电平时反向充电：反向充电：地地C R uO（UZ）电容电压降低电容电压降低波形分析法波形分析法)21ln(2213RRCRT%50k TT 占空比占空比)21ln(2213RRCRT%50k TT 占空比占空比CRtZTZc3e)UU(U)t(u CRTZTZT3Ke)UU(UU )RR21ln(CRT213K 正向充电和反向充电时间常数正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。可调，占空比就可调。二、三角波发生电路二、三角波发生电路反相积分器：反相积分器：线性充电线性充电为什么采用同相？为什么采用同相？)t(u)tt(uCR1u1O12O13O Z21TZ21TURRUURRU ui=-UZui=+UZtuoTT1T22314RCRRT 分压器分压器0uotUT+UT-+VCC-+Cuo UZ+R1R2-VCCRPUREFR4R5tT1 时间段，电容时间段，电容 C 通过通过 R4放电放电T2 时间段，电容时间段，电容 C 通过通过 R5 充电充电uoT1T2UT+UT-