1、a1第八章第八章 波形的产生与变换电路波形的产生与变换电路8.1 正弦波振荡的基本原理正弦波振荡的基本原理8.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路8.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路8.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路8.5 比较器比较器8.6 方波发生器方波发生器8.7 三角波及锯齿波发生器三角波及锯齿波发生器a2一一.产生自激振荡的条件产生自激振荡的条件fidXXX-=改成正反馈改成正反馈只有正反馈电路才能产生自激振荡。只有正反馈电路才能产生自激振荡。8.1 正弦波振荡器的基本原理正弦波振荡器的基本原理+Xi f基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FX+doXXa3如果：如果：,
2、ifXX=则去掉则去掉,iX仍有信号输出。仍有信号输出。反馈信号代替了放大反馈信号代替了放大电路的输入信号。电路的输入信号。Xi+f基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FX+doXXXdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXXa4FA=1Xd=Xf所以，自激振荡条件也可以写成：所以，自激振荡条件也可以写成：自激振荡的条件：自激振荡的条件：（1）振幅条件：）振幅条件：1|=AF（2）相位条件：）相位条件：pjjnFA2=+n是整数是整数1.=FAAAAj=|因为：因为：FFFj=|.动画演示动画演示Xdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXXa5二二.起振条件和稳幅原理起振条件
3、和稳幅原理起振条件：起振条件：结果：产生增幅振荡结果：产生增幅振荡1|FA（略大于）（略大于）1 1、被动：器件非线性、被动：器件非线性2 2、主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以、主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节调节放大电路的放大电路的增益增益稳幅过程：稳幅过程：起振时，起振时，1|FA稳定振荡时，稳定振荡时，1|=FA稳幅措施：稳幅措施：起振过程起振过程Xdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXXa61.1.放大电路放大电路2.2.正反馈网络正反馈网络3.3.选频网络选频网络只对一个频率满足振荡条件只对一个频率满足振荡条件，从而获得单一频率的正弦波输出。，从而获
4、得单一频率的正弦波输出。常用的选频网络有常用的选频网络有RC选频选频和和LC选频选频4.4.稳幅环节稳幅环节使电路易于起振又能稳定振使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小。荡，波形失真小。三三.正弦波振荡器的一般组成正弦波振荡器的一般组成a78.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路一一.RC 串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性R1C1 串联阻抗：串联阻抗：212ofZZZUUF+=)j/1(111CRZ+=222222j1 )j/1/(CRRCRZ+=R2C2 并联阻抗：并联阻抗：选频特性：选频特性：+Ru+-o-fu+12RC12Ca81.定性分析：定性分析：（1）当信号的频率很低时。
5、）当信号的频率很低时。R111CR221C其低频等效电路为：其低频等效电路为：其频率特性为：其频率特性为：当当=0时，时，uf=0，F=0 =+90 Fj当当时，时，uf=，F Fj+fo-+R21u-uC+0|F|0 F90 a9（2）当信号的频率很高时。）当信号的频率很高时。R111CR221C其高频等效电路为：其高频等效电路为：其频率特性为：其频率特性为：当当=时，时，uf=0，F=0 =-90 Fj当当时，时，uf=，F Fj+ou-f-u+2C+1R0|F|0 F-90 a100=？Fmax=？由以上分析知：一定有一个频率由以上分析知：一定有一个频率0存在，存在，当当=0时，时，F最
6、大，且最大，且 =0 Fj0|F|0 F90 0|F|0 F-90 a112.定量分析定量分析)j/1(111CRZ+=222222j1 )j/1/(CRRCRZ +=R1C1 串联阻抗：串联阻抗：R2C2 并联阻抗：并联阻抗：212ofZZZUUF+=频率特性：频率特性：+Ru+-o-fu+12RC12Ca12)1j()1(1j1j1j11221211222211222CRCRRRCCCRRCRCRRF -+=+=通常，取通常，取R1R2R，C1C2C，则有：，则有：)j(3100 -+=F式中：式中：RC10=可见：当可见：当 时，时，F最大，且最大，且 =0 RC10=Fj Fmax=1
7、/3a13RC串并联网络完整的频率特性曲线：串并联网络完整的频率特性曲线：RC10=当当 时，时，F=Fmax=1/30F=jRC10=RCfp p210=Fo+90 o|F|1/3a14二二.RC桥式振荡器的工作原理：桥式振荡器的工作原理：0=Aj在在 f0 处处,0=Fj满足相位条件：满足相位条件：因为：因为：AF=131=F11f+=RRA1f2RR=只需：只需：A=3输出正弦波频率输出正弦波频率：RCfp210=0=+FAjj振幅条件：振幅条件：uRf1RRRCCufA+o引入负反馈：引入负反馈：选：选：a15例题例题:R=1k=1k，C=0.1=0.1 F F，R1 1=10k=10
8、k。Rf f为多大时才为多大时才能起振？振荡频率能起振？振荡频率f0 0=？AF=1，31=F11f+=RRAA=3Rf=2R1=2 10=20k k RCfp210=1592 Hz起振条件：起振条件：uRf1RRRCCufA+oa16能自动稳幅的振荡电路能自动稳幅的振荡电路半导体热敏电阻半导体热敏电阻(负温度系数）负温度系数）起振时起振时Rt较大较大 使使A3,易起振。易起振。当当uo幅度自激幅度自激增长时，增长时，Rt减减小，小，A减小。减小。当当uo幅度达某幅度达某一值时，一值时，A3。当当uo进一步增进一步增大时，大时，RT再减再减小小,使使A UREF时时,uo=+Uom当当ui U
9、REF时时,uo=-Uom 运放处于运放处于开环状态开环状态uuU+i-uuAOREFa43uoui0+Uom-UomUREF当当ui UREF时时,uo=-Uom 若若ui从反相端输入从反相端输入uuu-+ui+OA+a44uoui0+UZ-UZ（1）用稳压管稳定输出电压）用稳压管稳定输出电压忽略了忽略了UD3.限幅电路限幅电路使输出电压为一稳定的确定值使输出电压为一稳定的确定值uuZ+O+-AuZ+DuRi当当ui 0时时,uo=+UZ当当ui 0时时,uo=-UZ当当ui 0时时,uo=+UZ a46二二.迟滞比较器迟滞比较器1.工作原理工作原理两个门限电压。两个门限电压。特点特点:电路
10、中使用正反馈电路中使用正反馈运放工作在非线性区。运放工作在非线性区。（1）当）当uo=+UZ时，时，（2）当）当uo=-UZ时，时，REFZURRRURRRUu2ff2f2T+=+REFZURRRURRRUuf2ff22T+-=-+UT+称上门限电压称上门限电压UT-称下门限电压称下门限电压UT+-UT-称为回差电压称为回差电压uuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2a47迟滞比较器的电压传输特性：迟滞比较器的电压传输特性：uoui0+UZ-UZUT+UT-设设ui ,当当ui=UT+时时,uo从从+UZ -UZuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2a48例题：例题：Rf
11、=10k，R2=10k ，UZ=6V，UREF=10V。当输入当输入ui为如图所示的波形时，画为如图所示的波形时，画 出输出出输出uo的波形。的波形。上下限：上下限：V82ff2f2T=+=+RZURRRURRRUV32ff2f2T=+-=-RZURRRURRRUuoui08V3V传输特性传输特性+6V-6VuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2a493V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V3V传输特性传输特性+6V-6VuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2a501.电路结构电路结构由滞回比较电路和由滞回比较电路和RC定时电路构成定时电路构成ZURRRUf11T+=
12、+ZURRRUf11T+-=-上下限上下限:8.6 方波发生器方波发生器u+A+-u+u1RfRZRZDORCuCa512.工作原理：工作原理：(1)设设 uo=+UZ,此时，此时，uO给给C 充电充电,uc ，则：则：u+=UT+0tuo+UZ-UZucUT+0t一旦一旦 uc UT+,就有就有 u-u+,uo 立即由立即由UZ变成变成UZ。在在 uc UT+时，时，u-u+,设设uC初始值初始值uC(0+)=0方波发生器方波发生器uo保持保持+UZ不变不变+UZu+A+-u+u1RfRZRZDORCuCa52此时，此时，C向向u uO O放电放电,再反向充电再反向充电(2)当当uo =-U
13、Z 时，时，u+=UT-uc达到达到UT-时，时，uo上跳。上跳。UT+uctUT-当当uo 重新回到重新回到UZ 后，电路又进入另一个周期性的变化。后，电路又进入另一个周期性的变化。-UZu+A+-u+u1RfRZRZDORCuCa530UT+uctUT-+UZuo0t -UZT完整的波形：完整的波形：动画演示动画演示计算振荡周期计算振荡周期T。u+A+-u+u1RfRZRZDORCuCEWB演示演示方波发生器方波发生器a54周期与频率的计算：周期与频率的计算：0 UT+uct UT-+UZ -UZT1T2TT=T1+T2=2 T2 uc(t)=UC()+UC(0+)-UC()e ,=RC-
14、t T2阶段阶段uc(t)的过渡过程方程为的过渡过程方程为:)21ln(2f1RRRCT+=f =1/T可推出可推出:u+A+-u+u1RfRZRZDORCuCa553 3、占空比可调的方波发生器、占空比可调的方波发生器UZuo0t-UZ 改变电位器改变电位器 RW 的滑动端，就改变了冲放电的的滑动端，就改变了冲放电的时间，从而使方波的占空比可调。时间，从而使方波的占空比可调。u+A+-u+u1RfRZRZD1D2DORWRCuCa568.7 三角波及锯齿波信号发生器三角波及锯齿波信号发生器电路结构：迟滞比较器电路结构：迟滞比较器+反相积分器反相积分器一一.三角波发生器三角波发生器u+R+A1
15、+RZ-2ZDu4Ro2+R1R35RCuuo1A2工作原理工作原理：若若uo1=+UZ，uo2，u+。)(0dt12o01o42o+-=uuCRut2o2121o211uRRRuRRRu+=+当当u+0时，时，uo1翻转为翻转为-UZ。若若uo1=-UZ，uo2，u+。当当u+0时，时，uo1翻转为翻转为+UZ。a57波形图波形图振荡周期：振荡周期：0UT+uo2tUT-+UZuo10t -UZTuR-+Z+uRR+12A1u4R+CA2RZD5+uo1o2ZTURRU21=+ZTURRU21-=-2414RCRRT=a58 二二.锯齿波发生器锯齿波发生器改变积分器的正反向改变积分器的正反向
16、充电时间常数充电时间常数uZo1Ro23Zu+RR5+Du4uRA1-R+1A2+2C+RD6Ruo1=+UZ，D截止，截止，充电充电时间常数：时间常数：R4C。uo1=-UZ，D导通，导通，充电时充电时间常数：间常数：(R6R4)C。+UZuo10t -UZ R6R4a59本章小结本章小结1正弦波振荡的条件：正弦波振荡的条件：AF=1 （振幅条件）（振幅条件）（相位条件（相位条件pjjn2FA=+正弦波振荡电路由放大器、反馈网络、选频网络和稳幅环节构成。正弦波振荡电路由放大器、反馈网络、选频网络和稳幅环节构成。2正弦波振荡电路主要有正弦波振荡电路主要有RC振荡电路和振荡电路和LC振荡电路两种
17、。振荡电路两种。RC振荡电振荡电路主要用于中低频场合，路主要用于中低频场合，LC振荡电路主要用于高频场合。石英晶体振振荡电路主要用于高频场合。石英晶体振荡电路是一种特殊的荡电路是一种特殊的LC振荡电路，其特点是具有很高的频率稳定性。振荡电路，其特点是具有很高的频率稳定性。3当运放开环工作或引入正反馈时，运放工作在非线性状态。其分析当运放开环工作或引入正反馈时，运放工作在非线性状态。其分析方法为：方法为：若若U U+U U-则则U UO O=+U=+UOMOM；若若U U+U U-则则U UO O=-U=-UOMOM。虚断（运放输入端电流虚断（运放输入端电流=0=0）4 比较器是一种能够比较两个模拟量大小的电路。迟滞比较器具有比较器是一种能够比较两个模拟量大小的电路。迟滞比较器具有回差特性。它们是运放非线性工作状态的典型应用。回差特性。它们是运放非线性工作状态的典型应用。5在方波、锯齿波和三角波等非正弦波信号发生器中，运放一般也工在方波、锯齿波和三角波等非正弦波信号发生器中，运放一般也工作在非线性状态。电路由比较器、积分器等环节组成。作在非线性状态。电路由比较器、积分器等环节组成。
