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波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 振荡基础知识 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n振荡条件n起振和稳幅n振荡电路的基本组成部分n振荡电路的分析方法1.振荡条件相位平衡条件幅度平衡条件振荡平衡条件振荡平衡条件:1=FAnFA2=+XiXdXoXf基本放大电路A反馈网络F反馈电路的方框图：考虑耦合电容、极间电容等的影响负反馈自激条件:1-=FAfidXXX-=受正反馈网络影响不考虑极间电容等的影响正反馈自
2、激条件:1=FAfidXXX+=+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：1FA3.振荡电路的基本组成部分 振荡电路的基本组成部分振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
3、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d.分析是否满足振荡产生的幅度条件。一般AF应略大于1振荡电路的分析方法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号发生器 移相式选频网络和移相式式振荡电路 移相式选频网络 移相式RC振荡电路 双T选频网络VoRfR1CRCRVf1.RC桥式振荡电路桥式RC振荡电路结构:选频和反馈网络放大电路RC串并联网络的频率特性0.1fHfH10fH0-20-4045900ff-20dB/十倍频-30.1f
4、HfH10fH0-20-40-45-900ff-20dB/十倍频-3低频VoCRVf高频VoCRVfVoCRCRVfRC串并联网络的频率特性VoCRCRVfRC串并联网络的频率特性)j/1(111CRZ222222j+1=)j/1/(=CRRCRZ)j1/(+)Cj/1()j1/(22211222212CRRRCRRZZZofVVF1)122C1RCR1j()1(2121CRCR-R/j+)Cj/1(2122221112RCCRCRRR)j1()Cj/1(222112RCRRR谐振频率为:2121021=CCRRf时电路产生谐振CR1C1221R当RC串并联网络的频率特性RC10当R1=R2，
5、C1=C2时，谐振角频率 谐振频率 RCf210F20022122121221)(31)1()1(1-CRCRCCRR 幅频特性:3arctg11arctg0012211221F-CCRRCRCR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。VoRfR1CRCRVfRC桥式振荡电路Rf 2R1振荡频率:RCf210已知RC串并连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产生正弦振正弦振荡荡，放大器必须是同相放大器，且放大倍数要大于3。VoRfR1CRCRVf稳幅措施稳幅措施2:利用非线性器件稳幅
6、iDvDVoRfR1CRCRD1D2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RC选频网络选频网络输出经D整流和R4C3滤波后，经R5和RP4加在场效应管栅极。输出幅度增大，VGS负向增大，RDS增大使放大倍数减小。2.移相式选频网络和移相式式振荡电路f/f01-270-1800f/f012701800RCf6210 滞后移相式选频网络CRCRCRVoVf超前移相式选频网络VoCRCRCRVf移相式选频网络:超前移相仿真滞后移相仿真移相式RC振荡电路超前移相式RC振荡器CRCRCR
7、VoRfR1VoRfR1CRCRCR滞后移相式RC振荡器双T式选频网络注：有源滤波器 中R=R/2CRCR2CR0-180RR/2f/f0-360f/f090-900RR/2双T式选频网络 仿真(RR/2)双T式选频网络 仿真(R R/2)例1:判断电路能否产生振荡CRCCRT1T2Re1Re2Rc2Rc1Rb1VCCCCT1T2Re1Re2Rc2Rc1Rb1VCC判断电路能否产生振荡CCT1T2Re1Re2Rc1Rb1VCCCRRReR1R2R4R3RRRCCCVCC-VEE变压器反馈式变压器反馈式电感三点式电感三点式电容三点式电容三点式分类分类9.1.3 LC 正弦波振荡电路 LC正弦波振
8、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离元件组成。1.LC 并联回路的基本特性R:回路的等效耗损电阻等效阻抗:LjRCjLjRCjZ+1)+(1=IV=)1()1(1CLjRCLCLjRLjCjZ -LR:一般有 LC 并联回路 LCRIIUL+_VLC 并联回路的基本特性)1()1(1CLjRCLCLjRLjCjZ -b.谐振时的等效阻抗CQLQRCLZ000 CLRRCRLQ1100 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LC10LCf210LC 并联回路的基本特性c.谐振电流谐
9、振电流谐振时,回路呈纯电阻性,这时 V 与 I 同相输入电流:QCVZVI00谐振电流:CVCjVIL01IQIL即 LC 并联回路 LCRIIUL+_VLC 并联回路的基本特性d.回路的频率特性回路的频率特性:谐振回路的选频性能主要取决于Q,Q越大越大,选频性能越好选频性能越好)1(CLjRCLZ -在 f=f0 时,回路为纯阻性纯阻性,且阻抗最大RCLZ=02.选频放大器CLRLviRb1Rb2Tr1Tr2CbReCeTVCC+vo-当输入信号频率等于LC回路谐振频率时输出信号最大3.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
10、极管的输入回路。交换反馈线圈的两个同名端，可使反馈极性发生变化。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d.分析是否满足振荡产生的幅度条件。一般AF应略大于1+_+同名端的判断:先找出交流公共端,如果输出端与反馈端如果互为同名端则同相,否则反相例2:试用相位平衡条件判断电路能否产生振荡C1CR2R1VCCC1CR2R1VCCR3不能，直流偏置不对不满足相位平衡条件能试用相位平
11、衡条件判断电路能否产生振荡C2CR2R1VCCR3C1CeCR2R1VCCR3C1能能4.三点式正弦振荡器(1)三点式振荡器的一般结构三点式振荡器的一般结构 A：放大电路：1,3：输入端2,3：输出端Z2：电路负载Z1，Z3起反馈作用Z3Z1Z2Vo132AZ3Z1Z2roVoA三点式正弦振荡器反馈系数:311ZZZFv开环增益:oLLodvrZZAA-)/(312ZZZZLZLZ3Z1Z2Vo132A三点式正弦振荡器如果Z1,Z2,Z3都是纯电抗元件,则有:Z1=jX1 Z2=jX2 Z3=jX3 LXCXLC-电感：电容1:所以:)()(31232121XXXXXXjrXXAFAoodvv
12、-要使电路能产生振荡,必须满足:1vvFA)()(31232121ZZZZZZrZZAFAoodvv-环路增益:三点式正弦振荡器a.)+(-=)+(-=0=+213312321XXXXXXXXX或即b.1=+-=)+(-=2131131221XXAXXXAXXXXXAFAodododvv)()(31232121XXXXXXjrXXAFAoodvv-所以对于反相放大器：X1，X2 必须是同类电抗元件，X3 与X1 或X2 是不同类电抗元件，要求：要使1vvFA三点式正弦振荡器结论:对于反相放大电路，X1、X2 必须是同类电抗元 件，X3 与X1 或X2 是不同类电抗元件；对于同相放大电路，X1、
13、X2 必须是不同类电抗 元件，X3 与X1 或X2 是同类电抗元件。Z3Z1Z2Vo132电容三点式/VbeVceVfIO矢量图2121021:CCCCCLCf 振荡频率VCCLCb1Cb2C1C2LC1C2VbeVceVf+-+-ILC1支路呈感性,电流滞后电压90度；C1上电压滞后电流90度-+电感三点式MLLLCLf2+=21:210振荡频率VbeVceVfIOL2CL1VceVf+-IL1C支路呈容性,电流超前电压90度;L1上电压超前电流90度-+-VbeVCCL2Cb1Cb2CL1Ce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)西勒电
14、路(Seiler)回路的总电容回路的总电感并联回路的谐振频率就是振荡频率:2100CLCLff:LC VCCLCb1Cb2C1C2VCCLCb1Cb2C1C2例3:试用相位平衡条件判断三点式电路能否产生振荡能不能判断三点式电路能否产生振荡VCCLCb1C1C2能能VCCL2Cb1CL1判断三点式电路能否产生振荡VCCLCb1Cb2C1C2Vo+-能不能，直流偏置错误。在发射极与电感线圈间加隔直电容VCCL2Cb1C1L19.1.4 石英晶体正弦波振荡电路1.基本知识(2)符号和等效电路优优 点点:Q值很大 频率稳定度高(1)压电效应 压电谐振问题谐振与振荡是相同的吗？石英晶体谐振分析L、C组成
15、串联谐振电路L、C、C0组成并联谐振电路因此晶体有两个谐振频率：LCfs 21串联谐振频率:000121CCfCCCCLfsp 并联谐振频率:C02PC0.01PL2.5HR640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 f0 V 时,V o 为高 V+V 时,V o 为低 比较器的分析方法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
16、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：过零比较器应用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?输出幅度?+_R1R2vivoVD=0.7VVD=.2VVZ+_R1R2vivoVD=0.7V9.2.2 滞回比较器a.反相输入滞回比较器临界状态下有:PNIN=vv=vv2112RRvRVRvORP1212+
17、RRVRVR=VZRT1212-+-RRVRVR=VZRTvI-+AR2vOR1R3VZVRvNvP滞回比较器当vI从VT-逐渐增大，增大到vI VT+时，vo=-Vz vP=VT-zzVVRRRVVV211-TT-当vI VT-时，vo=+Vz vP=VT+当vI从VT+逐渐减小，减小到vI VT-时，vo=+Vz vP=VT+(VR=0V)vI-+AR2vOR1R3VZVRvNvP滞回比较器输入输出波形VT+VT-(VREF=0V)滞回比较器IoRPvRRRvRRRVv212211oRIvRRVRRv2121-)+1(=ZRTVRRVRRV2121+)+1(=ZRTVRRVRRV2121-
18、)+1(=临界状态下有:RPNRN=V=vv=Vvb.同相滞回比较器vI-+AR2vOR1R3VZVRvPvN同相滞回比较器电压传输特性VT+VT-(VREF=0V)zVRRVVV21-TT2-vRVT+VT-vIvOVOHVOL滞回比较器应用为了提高简单电压比较器的抗干扰能力滞回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=R2，则有：DLHDCC212DCCL2+=)2-(21=+)2-(=VVVVVRRRVVV 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
19、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 三态比较器截至导通221100DvVvDvVvoOHooRHI0002211oooRHIRLvDvDvVvV截至截至截至导通112200DvVvDvVvoOLooRLIvI-+A2vOR3R4VZVRL-+A1R1R2VRHD1D2vo1vo2R5vOvIVRLVRHVOHVOL9.3 非正弦波产生电路占空比占空比=T1TTT1矩形波方波05VTTL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
20、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=VNVP时，vo=-VZ，所以：电容C放电，vc 开始下降。21Z2P+-=RRVRV(1)电源刚接通时,设：21Z2PZOC+=,+=,0=RRVRVVvv所以电容C充电，vc 开始升高；(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：)21ln(212fRRCRTZtcZttcfVvVRRRvCR-=+=212=1其中：)0(+)-1()(-)0(=)(-)0(+)(=)(-ctcctccccvevvevvvtv过渡过程公式：t1t
21、2方波发生电路波形周期计算t1t212-=2ttTZCRt-ZZcV+RRR+)-e)(V+RRR-=(-Vvf2122121)21ln(212fRRCRTZCR-TZZZV+RRR)+-e)(V+RRR-(-VV+RRRf21222122121=-ZcV+RRR=v212-2T=t时，当211tt-t=ttt，且其中：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：%100
22、%1002111TTCRrRf1d w1 其中，是二极管D2的导通电阻。即改变 的中点位置，占空比就可改变。wR2dr 其中，是电位器中点到上端电阻，是二极管D1的导通电阻。wR1drCRrRRf2d ww2-思考题：思考题：正弦振荡与非正弦振荡的原理有什么不同之处？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。积分器的输出反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的输入电压VI。1.三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(0)时，vO1 从+VZ跳变为-VZ。(2)在vO
23、1=-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。1211212POovRRRvRRRV2.三角波方波发生电路输出波形峰值 输出峰值:Z21moVRRVZVRRV21O方波跳变时：VP=VN=0，VO1=VZ Vo1m=VZNOoVvRRRvRRRV1211212P要使3.三角波方波发生电路输出波形周期振荡周期：214Zmo444RCRRVVCRTmo2/04Z21VdtRVCT4.三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=Vzvom=Vz R1/R2于是有：z212z2=VRRTRCVCRRRRT)/(2211RCRRT2122=5.压控锯齿波脉冲波发生器VP利用VP控制矩形波的占空比，VP0时,vo=-2 vivo=-(-2 vi-vi)=vivi0时,vo =0vo=-vi
