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1、电路中所需的周期性信号一般都是通过波形产生电路形成；必要时，需要对已有信号进行波形变换，以滿足系统对信号波形的要求。,第6章 波形产生和变换,波形产生电路包括正弦和非正弦(如方波、三角波)波形产生电路。,波形产生电路的共同特点：,不需要任何输入信号，可自激振荡产生；,必须在电路中引入足够强的正反馈。,第6章 波形产生和变换,6.1 正弦波振荡电路,6.2 多谐振荡器,6.3 单稳态触发器和施密特触发器,RC正弦波振荡电路,集成运放构成的多谐振荡器,555集成定时器构成的多谐振荡器,用555集成定时器构成的 ,本章要求： 1. 了解正弦波振荡电路自激振荡的条件。 2. 了解RC振荡电路的工作原理
2、。 3. 理解集成运放滞回比较器的工作原理和应用。 4. 了解555集成定时器的结构，理解其工作原理和 由它组成的多谐振荡器、单稳态触发器、施密 特触发器原理与应用。,6.1 正弦波振荡电路,正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正弦交流信号。输出的交流电能是从电源的直流电能转换而来的。,正弦波振荡电路是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的，它是各类波形发生器和信号源的核心电路。,正弦波振荡电路的组成？,放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分。但是，这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波，这是由于很难控制正反馈的量。,如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，最后由放大元件的非线性限幅，这
3、必然产生非线性失真。,反之，如果正反馈量不足，则由于电路的损耗而减幅，可能停止振荡，为此振荡电路要有一个稳幅电路。,正弦波振荡电路的组成,为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络，选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一。选频网络可由R、C和L、C等电抗性元件组成。正弦波振荡电路的名称一般由选频电路来命名。,放大电路 正反馈网络 选频网络 稳幅电路,正弦波振荡电路的组成：,自激产生正弦波的条件？,6.1.1 正弦波振荡电路的基本原理,1. 自激振荡,放大电路在无输入信号的情况下，就能输出一定频率和幅值的交流信号的现象。,开关合在“1”为无反馈放大电路。,开关合在“2”为有反馈放大电路，,
4、开关合在“2”时,，去掉ui 仍有稳定的输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号。,自激振荡状态,2. 自激振荡的条件,(1)幅度条件：,(2)相位条件：,n 是整数,相位条件意味着振荡电路必须是正反馈； 幅度条件表明反馈放大器要产生自激振荡，还必须有足够的反馈量(可以通过调整放大倍数A 或反馈系数F 达到) 。,自激振荡的条件,3. 起振及稳幅振荡的过程,设：Uo 是振荡电路输出电压的幅度， B 是要求达到的输出电压幅度。 起振时Uo 0，达到稳定振荡时Uo =B。,起振过程中 Uo 1，,稳定振荡时 Uo = B，要求AuF = 1，,从AuF 1 到AuF = 1，就是自激振荡建立的过程。
5、,可使输出电压的幅度不断增大。,使输出电压的幅度得以稳定。,起始信号的产生?：在电源接通时，会在电路中激起一个微小的扰动信号，它是个非正弦信号，含有一系列频率不同的正弦分量。,起振条件,起始信号通过放大 正反馈 再放大 再反馈，使Uom不断增大，一直到达某一点时，才稳定下来。,自激振荡的建立过程如右图,A,反馈特性,Ufm=|F|Uom,幅度特性,Uom=f(Ufm),Ufm1,Ufm2,Uom2,Uom1,既然AuF 1 ，起振后产生增幅振荡，幅度的稳定可以靠放大元件的非线性特性去限制幅度的增加，即使得AuF = 1 ，这时电路必然产生失真。这就要靠选频网络的作用，选出失真波形的基波分量作为
6、输出信号，以获得正弦波输出。,也可以在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益，从而达到稳幅的目的。这在具体的振荡电路中加以介绍。,4. 电路组成部分的作用,(1) 放大电路: 放大信号,(2) 反馈网络: 必须是正反馈，反馈信号即是 放大电路的输入信号,(3) 选频网络: 保证输出为单一频率的正弦波 使电路只在某一特定频率下满 足自激振荡条件,(4) 稳幅环节: 使电路能从AuF 1 ，过渡到 AuF =1，从而达到稳幅振荡。,6.1.2 RC正弦波振荡电路,RC选频网络 正反馈网络,同相比例电路,放大信号,用正反馈信号uf 作为输入信号,选出单一频率的信号,1. 电路结构,2.
7、 RC串并联选频网络的选频特性,反馈系数：,式中 ：,反馈系数式所代表的幅频特性为,相频特性为,3. 工作原理,输出电压 uo 经正反馈（兼选频）网络分压后，取uf 作为同相比例电路的输入信号 ui 。,(1) 起振过程,(2) 稳定振荡,A = 0，仅在 f 0处 F = 0 满足相位平衡条件，所以振荡频率 f 0= 1 2RC。,改变R、C可改变振荡频率,RC振荡电路的振荡频率一般在200KHz以下。,(3) 振荡频率 振荡频率由相位平衡条件决定。,振荡频率的调整,改变开关S的位置可改变选频网络的电阻，实现频率粗调； 改变电容C 的大小可实现频率的细调。,振荡频率,（4）起振及稳定振荡的条
8、件,稳定振荡条件AuF = 1 ，| F |= 1/ 3，则,起振条件AuF 1 ，因为 | F |=1/ 3，则,考虑到起振条件AuF 1, 一般应选取 RF 略大2R1。如果这个比值取得过大，会引起振荡波形严重失真。,实际电路中，由运放构成的RC串并联正弦波振荡电路不是靠运放内部的晶体管进入非线性区稳幅，而是通过在外部引入负反馈来达到稳幅的目的。,带稳幅环节的电路(1),热敏电阻具有负温度系 数，利用它的非线性可以 自动稳幅。,在起振时，由于 uO 很 小，流过RF的电流也很小， 于是发热少，阻值高，使 RF 2R1；即AuF1。 随着振荡幅度的不断加强， uO增大，流过RF 的电流也 增
9、大，RF受热而降低其阻 值，使得Au下降，直到RF=2R1时，稳定于AuF=1， 振荡稳定。,半导体 热敏电阻,带稳幅环节的电路(1),热敏电阻具有负温度系数，利用它的非线性可以自动稳幅。,半导体 热敏电阻,稳幅过程：,思考：,若热敏电阻具有正温度系数，应接在何处？,带稳幅环节的电路(2),振荡幅度较小时 正向电阻大,振荡幅度较大时 正向电阻小,利用二极管的正向伏安特性的非线性自动稳幅。,稳幅环节,带稳幅环节的电路（2）,RF分为两部分。在RF1上正反并联两个二极管，它们在输出电压uO 的正负半周内分别导通。在起振之初，由于 uo 幅值很小，尚不足以使二极管导通，正向二极管近于开路，此时， R
10、F 2R1。,而后，随着振荡幅度的增大，正向二极管导通，其正向电阻逐渐减小，直到RF=2R1，振荡稳定。,6.2 多谐振荡器,多谐振荡器： 产生一定频率、幅值的方波或矩形波信号的自激振荡器。由于方波或矩形波中含有丰富的谐波成分，因此称为多谐振荡器。 特点：不用外接输入信号，即可直接自激产生输出信号。,电阻R1两端的电压UR即是比较器的参考电压。,1. 电路结构,由滞回比较器、,RC充放电电路组成，,电容电压uC 即是比较器的输入电压，,2. 工作原理,设电源接通时， uo = +UZ ，uC(0) = 0。,uo 通过 R 对电容C充电， uC 按指数规律增长。,6.2.1 用集成运放构成的多
11、谐振荡器,当 uo = +UZ时，电容充电， uC上升，,电容放电， uC下降，,当uC= URH 时，uo 跳变成 UZ ，,当 uC= URL 时，uo 跳变成 +UZ ，电容又重新充电。,2. 工作原理(续),工作原理（注解） :,在图6.2.1 所示电路中, 通过Ro和稳压管DZ对输出限幅, 电路输出电压正、负幅度对称：UOH=+Uz, UOL= -Uz ， 同相端电位 u+ 由uo通过R1、R2分压后得到，这是引入的正反馈；反相端电压 u- 受积分器电容两端的电压 uC 控制。,当电路接通电源时，u+与u-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=U
12、OH=+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,此时, 输出电压uo=+Uz对电容充电, 使uC由零逐渐上升。在 u_等于 u+ 以前，uo=+Uz不变。当 时, 输出电压uo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,同时电容器经R放电, 使 逐渐下降。在 u_等于 u+ 以前, 不变, 当 时，uo从-Uz跳变为+Uz ，u+ 也随之又跳变为 u+H ，电容
13、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 6.2.2 所示。,3. 工作波形,T = T1+T2 ，其中T1=t1-t0，T2=t2-t1,电容充放电过程，uC 的响应规律为,4. 周期与频率,在充电过程中,在放电过程中,对于 to t t1 时:,可解得:,同理得:,充放电时间常数相同： = RC,因此, 矩形波的周期,矩形波的频率,矩形波常用于数字电路中作为信号源,上述电路中，由于稳压管DZ的正、反向稳定电压相等，同相输入端URH= |URL|，电容充放电时间常数也相同，因此有 T1=T2，输出矩形波为方波。,如果UOH|UOL|, 则上述 , T1T2, 输
14、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T1与周期T之比为占空比D, 即,显然为了改变输出矩形波的占空比，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见图6.2.3(p249)。,占空比可调的矩形波电路,调节RP，使电容充电和放电的时间常数不相等，实现输出矩形波的占空比可调，而矩形波的周期不变。,C充电时，充电电流经电位器的上半部、二极管D1、R；C放电时，放电电流经R、二极管D2、电位器的下半部。,1. 石英晶体,（a）符号,（b）等效电路,JT,L,C,R,CO,石英晶体具有压电效应，压电谐振特点,
15、并呈现固有谐振频率。 谐振频率有两个，LCR支路的串联谐振频率 f s 和LCR支路与电容CO的并联谐振频率 f P ， f P f s 且很接近。,6.2.2 用石英晶体构成的多谐振荡器,f s,f p,容性,容性,感性,f,X,0,（c ）电抗频率特性曲线,石英晶体的电抗频率特性曲线,f = f s 时：（X = 0） 石英晶体呈阻性 f f s 或 f f p 时： 石英晶体呈容性 f s f f p 时： 石英晶体呈感性,2. 串联型石英晶体多谐振荡器,C2,JT,uo,uo1,uo2,C1,R1,R2,G1,G2,G3,ui1,uo1,ui2,uo2,放大,C1耦合,放大,C2耦合,正反馈,3. 并联型多谐振荡器,C1,C2,JT,uo,RF,G1,G2,RF，G1 构成反相放大器,JT 等效为电感, 与C1,C2,反相放 大器构成电容三 点式振荡电路。,G2起缓冲、隔离、整形作用。,
