1、第八章 波形产生电路与变换电路第八章第八章 波形产生电路与变换电路波形产生电路与变换电路 8.1 非正弦波产生电路非正弦波产生电路 8.2 集成函数发生器集成函数发生器 8.3 正弦波产生电路正弦波产生电路 第八章 波形产生电路与变换电路8.1 非正弦波产生电路非正弦波产生电路 2K1i充i放RCUCCuRuC图 8 1 利用电容充放电产生脉冲波形原理图 第八章 波形产生电路与变换电路RCUuuCCCC充,)(, 0)0(RCuUuCCCC放, 0)(,)0(由图 8 - 1 得其三要素为 其充放电的波形如图 8 - 2 所示, 改变充放电时间常数, 可得到不同波形。 第八章 波形产生电路与变
2、换电路UCCTuCO放充t(a) 充放 T UCCTtuCO(b) 充放 TtuCOUCC(c) 充 放 , 充 T图图 8 2 电容充放电的波形电容充放电的波形 第八章 波形产生电路与变换电路8.1.1 矩形波产生电路矩形波产生电路 RRouoR3R2CuC UzVDz1VDz2图 8 3 矩形波产生电路 第八章 波形产生电路与变换电路1. 工作原理工作原理 在图 8 - 3 所示电路中, 通过Ro和稳压管VDz1、VDz2对输出限幅, 如果它们的稳压值相等, 即Uz1=Uz2=Uz, 那么电路输出电压正、 负幅度对称：UOH=+Uz, UOL=-Uz, 同相端电位 由uo通过R2、R3分压
3、后得到, 这是引入的正反馈；反相端电压 受积分器电容两端的电压uC控制。 UU第八章 波形产生电路与变换电路 当电路接通电源时, 与 必存在差别。 或 是随机的。 尽管这种差别极其微小, 但一旦出现 , uo=UOH=+Uz。反之, 当出现 时, uo=UOL=-Uz。因此, uo不可能居于其它中间值。设t=0(电源接通时刻)，电容两端电压uC=0, 滞回比较器的输出电压uo=+Uz, 则集成运放同相输入端的电位为 UUUUUUUUUUzURRRU322第八章 波形产生电路与变换电路此时, 输出电压uo=+Uz对电容充电, 使 由零逐渐上升。在等于以前, uo=+Uz不变。当 时 输出电压uo
4、从高电平+Uz跳变为低电平-Uz。 当uo=-Uz时, 集成运放同相输入端的电位也随之发生跳变, 其值为zoUuUUUUzURRRU322同时电容器经R放电, 使 逐渐下降。在 等于 以前, 不变, 当 时, uo从-Uz跳变为+Uz, 也随之而跳变为 , 电容器C再次充电。如此周而复始, 产生振荡, 从uo输出矩形波，其波形如图 8 - 4 所示。 CuUUzoUuUUUzURRR322U第八章 波形产生电路与变换电路 Uz UzOz322URRRz322URRRUzT2T1 Uztuo uC图 8 4 矩形波产生电路波形图 第八章 波形产生电路与变换电路2. 振荡周期计算振荡周期计算 )(
5、)()0()(111TuuuunTCCCC放21TTTzCzCzCURRRTuURRRuUuRC3221322)()0()(放其中 （8-4）zCzCzCURRRTuURRRuUuRC3221322)()0()(放zCzCzCURRRTuURRRuUuRC3221322)()0()(放zCzCzCURRRTuURRRuUuRC3221322)()0()(放第八章 波形产生电路与变换电路代入式(8 - 4)得322132232322322121122112111RRnRCTTTRRnRCTRRnRCURRRUURRRUnRCTzzzz同理求得 第八章 波形产生电路与变换电路 如果UOH|UOL|
6、, 则上述 , T1T2, 输出为矩形波。 如果|UOH|=|UOL|, 但充放, T1T2, 那么输出也为矩形波。 通常定义矩形波为高电平的时间T2与周期T之比为占空比D, 即OLUUTTD2第八章 波形产生电路与变换电路RRouoR3R2CuC UzVD2RWRWVDz3VDz4图 8 5 占空比可调电路RrrRRrRTTDddWdW22112第八章 波形产生电路与变换电路8.1.2 三角波产生电路三角波产生电路 RouoRR2 UzRRoRR3A1A21ouCVDz1VDz2图 8 6 三角波产生电路 第八章 波形产生电路与变换电路1. 工作原理工作原理 Uz UzO1outtOUom
7、UomuoT21T21图 8 7 双运放非正弦波产生电路的波形第八章 波形产生电路与变换电路2. 计算计算(1) uo幅值计算。 1322323oouRRRuRRRU 当 时, 对应的uo值为输出三角波的幅值Uom, 即0UU132oomuRRU第八章 波形产生电路与变换电路当uo1=+Uz时 zomURRU32当uo1=-Uz时 zomURRU32（8-11）第八章 波形产生电路与变换电路 (2) 振荡周期的计算。由A2的积分电路可求出振荡周期, 其输出电压uo从-Uom上升到+Uom所需时间为T/2, 所以omTzUdtURC212/0zomUURCT4324RRCRT 2341RCRRT
8、f得将式(8 -11)代入, 可得 第八章 波形产生电路与变换电路8.1.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路 RouoRR2 UzRoRR3A1A21ouVD1VD2RWRWCVDz3VDz4图 8 8 锯齿波产生电路 第八章 波形产生电路与变换电路T2T1T2T1ttOO1ouUz Uzz32URRz32URRUzz32URRz32URR Uz1ouuouo(a) 充放，负向锯齿波形(b) 充放，正向锯齿波形图图 8 9 锯齿波产生电路波形锯齿波产生电路波形 第八章 波形产生电路与变换电路锯齿波的幅度和振荡周期与三角波相似。 1322323oouRRRuRRRU当 时, 对应的uo值为 0UU
9、132oomuRRU当uo1=+Uz时 zomURRU32当uo1=-Uz时 zomURRU32第八章 波形产生电路与变换电路振荡周期为T=T1+T2, 电容充电时间T1为zomTzWdURRUdtUCRr32022)(111则 CRrRRTWd)(23211电容放电时间T2为 zomTzWWdURRUdtUCRRr32022)(122第八章 波形产生电路与变换电路则CRRrRRTWWd)(23222故振荡周期为CRrrRRTTTWdd)(2213221式中rd1、rd2为二极管VD1、VD2导通时的电阻。 第八章 波形产生电路与变换电路8.1.4 波形变换电路波形变换电路 波形变换电路的功能
10、是将一种形状的波形变换成另一种形状的波形, 以适应各种不同的需要。 第八章 波形产生电路与变换电路8.2 集成函数发生器集成函数发生器ICL8038简介简介* 电压输出器电压比较器A电压比较器B触发器反相器三角波变正弦波电 路610 UCC UEE(或接地)11外接电容329三角波输出正弦波输出矩形波输出I1I2C图图 8 10 ICL8038的原理框图的原理框图 第八章 波形产生电路与变换电路ICL8038正弦波失真度调节正弦波输出三角波输出外接电阻RA外接电阻RB UCC调频偏置电 压正弦波失真度调节 UEE或地外接电容矩形波输出调频调节电压输入端2134567891011121314图图
11、 8 - 11ICL8038管脚图管脚图(顶视图顶视图) 第八章 波形产生电路与变换电路47810569321112 UCC UEEC82 kRBRAICL803845693212111087图图 8 - 12ICL8038基本接法基本接法 第八章 波形产生电路与变换电路CRtA351CRRRRtBABA2352)21 (3521BABARRRCRttT)21 (3511BABARRRCRTf上升时间t1为 下降时间t2为因此振荡周期为振荡频率为 第八章 波形产生电路与变换电路其中RA和RB的阻值宜在 范围内(“UCC-U”是管脚与管脚之间的电压), 且RB应小于2RA。 AUUmAUUCCC
12、C101 当RA=RB时, 管脚、和的输出波形分别为矩形波、三角波和正弦波, 振荡频率为 。调节电位器RW 可使正弦波的失真度减小到1.5%以下。用100k电位器接成可变电阻形式代替图 8 - 12中的 82k电阻, 调节它也可以减小正弦波的失真度。如果希望进一步减小正弦波的失真度, 可用图 8 - 13 所示的调整电路, 使正弦波的失真度减小到0.5%左右。 CRfA3 . 0第八章 波形产生电路与变换电路48105693211 UCC UEEC1 kICL80384.7 k4.7 k10 k20 k100 k10 k10 k100 k45693211211108R图 8 13 频率可调和失
13、真小的函数发生器第八章 波形产生电路与变换电路扫频电压48105693211 UCC UEEC100 kRBRAICL8038RRW845693211101图 8 14 扫描信号发生器(RA=RB) 第八章 波形产生电路与变换电路8.3 正弦波产生电路正弦波产生电路 8.3.1 产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件 AFiXfXiXXo图图8 15 正弦波产生电路的基本结构正弦波产生电路的基本结构 第八章 波形产生电路与变换电路 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8 - 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 ,
14、 就产生振荡, 所以还要求电路在开环时满足0iX,iiifXXFAXX或即 1FA第八章 波形产生电路与变换电路 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。 第八章 波形产生电路与变换电路 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,
15、但输出波形明显失真。 , 产生振荡。振荡稳定后 。再加上稳幅措施, 振荡稳定, 而且输出波形失真小。 1FA1FA1FAFA1FA第八章 波形产生电路与变换电路8.3.2 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 1. RC串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性 R1C1C2R2iU2UC1R2iU2UiU2UR1C2(a) RC串并联电路(b) 低 频等效电路(c) 高 频等效电路图图 8 16 RC串并联网络及其高低频等效电串并联网络及其高低频等效电路路第八章 波形产生电路与变换电路 当信号频率足够低时, , 可得到近似的低频等效电路, 如图8 - 16(b)所示。它是一个超前网络。 输出电压 相位
16、超前输入电压 。 当信号频率足够高时, , 其近似的高频等效电路如图 8 - 16(c)所示。它是一个滞后网络。 输出电压 相位落后输入电压 。 因此可以断定, 在高频与低频之间存在一个频率fo, 其相位关系既不是超前也不是落后, 输出电压 与输入电压 相位一致。这就是RC串并联网络的选频特性。 22111,1RCRC2UiU22111,1RCRC2UiUiU2U第八章 波形产生电路与变换电路2221122222112221111/11/CRjRCjRCRjRCjRCjRCjRUUi122121122111CRCRjRRCCUUi整理后得 由图8 - 16(a)可得 第八章 波形产生电路与变换
17、电路通常取R1=R2=R, C1=C2=C, 则 ooijUU312其中 , 即RCo1RCfo21(8-23)式(8 - 23)所代表的幅频特性为 221231ooUU第八章 波形产生电路与变换电路相频特性为 oo31arctan0.111031i2UUoo900100.1190图图 8 17 RC串并联网络的频率特串并联网络的频率特性性 可见,当=o=1/RC时 , 达到最大值, 且等于 1/3, 而相移=0。 iUU2第八章 波形产生电路与变换电路2. RC串并联网络正弦波振荡电路串并联网络正弦波振荡电路 RfR1RCCRuo图图 8 18 RC串并联网络正弦波振荡电路串并联网络正弦波振
18、荡电路 第八章 波形产生电路与变换电路 由RC串并联网络的选频特性得知,在=o=1/RC时, 其相移F=0, 为了使振荡电路满足相位条件要求放大器的相移A也为0(或360)。 所以, 放大电路可选用同相输入方式的集成运算放大器或两级共射分立元件放大电路等。由于它是RC串并联网络选频特性, 所以使信号通过闭合环路 后, 仅有=o的信号才满足相位条件, 因此, 该电路振荡频率为o, 从而保证了电路输出为单一频率的正弦波。 nFAAF2FA第八章 波形产生电路与变换电路为了使电路能振荡, 还应满足起振条件, 即要求1FA 而图 8 - 18 所示的反馈系数就是RC串并联网络的传输系数, 如式(8 -
19、 23)所示, 即ooofjUUF31放大器的放大倍数11RRAf(8-27)第八章 波形产生电路与变换电路当=o时, , 因而按起振条件式(8 - 27), 要求3/1F311RRAf12RRf即 例如, 若Rf=20k, 则取R1=10k, 用 8.2 k的电阻和 4.7k的电位器串联作为R1, 这样便于调整, 使之满足式(8-29)而起振。该电路的振荡频率为RCfo21第八章 波形产生电路与变换电路RfRCCRuoR1VD1VD2(a) 电路IUOABDC(b) 稳幅原理图 8 19 二极管稳幅电路的RC串并联网络振荡电路 第八章 波形产生电路与变换电路8.3.3LC正弦波振荡电路正弦波
20、振荡电路 1. LC并联回路的选频特性并联回路的选频特性 CLRI图 8 20 LC并联电路 第八章 波形产生电路与变换电路CLjRCLCLjRLjCjLjRCjLjRCjZ1111)(1对于某个特定频率o, 满足 , 即CLoo1LCo1或 LCfo21CLjRCLCLjRLjCjLjRCjLjRCjZ1111)(1CLjRCLCLjRLjCjLjRCjLjRCjZ1111)(1CLjRCLCLjRLjCjLjRCjLjRCjZ1111)(1谐振频率第八章 波形产生电路与变换电路CLQCQLQRCLZoooCLRCRRLQoo11 此时电路产生并联谐振, 所以fo叫作谐振频率。谐振时, 回路
21、的等效阻抗呈现纯电阻性质, 且达到最大值, 称为谐振阻抗Zo, 这时其中 LQUZUIooLC并联回路谐振时的输入电流为 CLQCQLQRCLZoooCLQCQLQRCLZoooCLQCQLQRCLZoooCLRCRRLQoo11CLRCRRLQoo11CLRCRRLQoo11LQUZUIooLQUZUIoo品质因素第八章 波形产生电路与变换电路而流过电感的电流为 LUIoL所以 IQIL通常Q1, 所以 , 即谐振时, LC并联电路的回路电流比输入电流大得多, 此时谐振回路外界的影响可忽略。 谐振时式(8 - 31)虚部为零, 所以相移也为零。 IIILC第八章 波形产生电路与变换电路图 8
22、 21 LC并联回路的频率特性 fofQ1Q2(Q11Q2)z(a)阻抗频率特性90o-90ofofQ1Q2(b) (Q1Q2)相频特性第八章 波形产生电路与变换电路2. 变压器反馈式变压器反馈式LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 图 8 22 变压器反馈式LC正弦波振荡电路+fUReCe2bR1bRCbCLUCC(a)IF I、F同点为并，并联同号为正+用瞬时极性法判断，应满足正反馈的要求。第八章 波形产生电路与变换电路+I、F同点为并，并联同号为正2bR1bRUCCfUReCeLCbC(b)IF第八章 波形产生电路与变换电路Cb2bR1bRReCefULCUCC(c)+ +FII、F同点为并
23、，并联同号为正第八章 波形产生电路与变换电路 振荡的起振幅值条件为 , 只要变压器的匝数比设计恰当, 一般都可满足幅值条件。 在满足相位条件的前提下仍不起振, 可加、减变压器次级绕组的匝数, 或更换较大的三极管,使之振荡。 当Q值较高时, 振荡频率fo就等于LC并联回路的谐振频率, 即ifUULCfo21第八章 波形产生电路与变换电路3. 三点式三点式LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 （1）三点式振荡电路的一般形式和判别法则）三点式振荡电路的一般形式和判别法则相位条件：Xce与be为同性电抗+ +ebcxcexbexcbI、F同点为并，并联同号为正谐振条件：Xcb与be为异性电抗总之：射同基异
24、第八章 波形产生电路与变换电路（）电感三点式振荡电路fUReCeUCC1bRCbL1L2C基异：b接L、C射同：e同接LcL1L2eb交流通路故为电感三点式振荡电路，C、B组态第八章 波形产生电路与变换电路ReCe2bR1bRUCCRcCbCcCL1L2fU(b)故为电感三点式振荡电路，C、E组态基异：b接L、C射同：e同接LcL1L2eb交流通路第八章 波形产生电路与变换电路C1C2fUReUCC2bR1bRCb(c )C1C2L（3）电容三点式振荡电路交流通路基异：b接L、C射同：e同接Ce bL故为电容三点式振荡电路，C、B组态第八章 波形产生电路与变换电路基异：b接L、CC1C2交流通
25、路射同：e同接Ce bL故为电容三点式振荡电路，C、E组态ReCe2bR1bRUCCRcCbLC1C2fU(d)第八章 波形产生电路与变换电路 电感三点式正弦波振荡电路的振荡频率基本上等于LC并联电路的谐振频率, 即CLfo212121CCCCC其中L是谐振回路的等效电感, 即MLLL22121LCfo 电容三点式正弦波振荡电路的振荡频率近似等于LC并联电路的谐振频率, 即对图 8 - 23(c)、 (d)第八章 波形产生电路与变换电路ReCe2bR1bR UCCRcCbLC1C2fUC图图 8 24 电容三点式改进型正弦波振荡电路电容三点式改进型正弦波振荡电路 第八章 波形产生电路与变换电路
26、211111CCCC在选取电容参数时, 可使C1C, C2C, 所以 CC 故 LCfo21 fo仅取决于电感L和电容C, 与C1、C2和管子的极间电容关系很小, 因此振荡频率的稳定度较高, 其频率稳定度f/fo的值可小于0.01%。 第八章 波形产生电路与变换电路4. 石英晶体正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路1) 石英晶体的基本知识 图图 8 25 石英晶体谐振器石英晶体谐振器 Ofsfpf感性容性容性(b) 等效电路(c) 电抗频率特性(R0)CoLCRxQC第八章 波形产生电路与变换电路LCfs21osoopCCfCCCCLf121 从石英晶体谐振器的等效电路可知,它有两个谐振频率,
27、 即当L、C、R支路发生谐振时, 它的等效阻抗最小(等于R)。 串联谐振频率为 当频率高于fs时, L、C、R支路呈感性, 可与电容Co发生并联谐振, 并联谐振频率为 由于CCo, 因此fs和fp非常接近。 第八章 波形产生电路与变换电路石英晶体振荡器类型：并联型晶振 QC作为电感L接于三点式电路，工作 于fs fo fp 之间。串联型晶振 QC作为很小的纯阻R接入正反馈支路， 工作于串联谐振频率fs 。2) 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 第八章 波形产生电路与变换电路Re2bR1bR UCCRcCbC1C2ReRcC1C2CoRCL(a) 电路(b) 石英晶体等效电路图图 8-26 并联型石英晶体正弦波振荡电路并联型石英晶体正弦波振荡电路)(21CCCCCCLfooo2121CCCCC式中 , 由于CCCo,所以fofs, （）并联型晶振C1 C2e bQC（b）交流通路此时石英晶体的阻抗呈感性。第八章 波形产生电路与变换电路UCC2bR1bRCb1cR1eR2eRR5V1V2oUQC图 8-27 串联型石英晶体正弦波振荡电路 +I、F同点为并，并联同号为正+IF+ +（）串联型晶振
