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1、模拟电子技术基础 Fundamentals of Analog Electronic,第九章 波形的发生和变换电路,第九章 波形的发生和变换电路,9.1 正弦波振荡电路,9.2 非正弦波发生电路,9.3 波形变换电路,9.1 正弦波振荡电路,一、正弦波振荡的条件和电路的组成,二、RC正弦波振荡电路,三、LC正弦波振荡电路,四、石英晶体正弦波振荡电路,一、正弦波振荡的条件和电路的组成,1. 正弦波振荡的条件无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。与负反馈放大电路振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。,在电扰动下，对于某一特定频率f0的信号形成正反馈：,由于半导体器件的
2、非线性特性及供电电源的限制，最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。,1. 正弦波振荡的条件,一旦产生稳定的振荡，则电路的输出量自维持，即,起振条件：,要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的f0，且在合闸通电时对于f= f0信号有从小到大直至稳幅的过程，即满足起振条件。,2. 起振与稳幅：输出电压从幅值很小、含有丰富频率，到仅有一种频率且幅值由小逐渐增大直至稳幅。,幅值很小 频率丰富,频率趋于单一幅值逐渐增大,逐渐变为 单一频率的稳幅振荡,3. 基本组成部分,1) 放大电路：放大作用 2) 正反馈网络：满足相位条件 3) 选频网络：确定f0，保证电路产生正弦波振荡 4) 非线性环节（稳幅环节）：稳
3、幅,1) 是否存在主要组成部分； 2) 放大电路能否正常工作，即是否有合适的Q点，信号是否可能正常传递，没有被短路或断路； 3) 是否满足相位条件，即是否存在 f0，是否可能振荡 ； 4) 是否满足幅值条件，即是否一定振荡。,常合二为一,4、分析方法,相位条件的判断方法：瞬时极性法,断开反馈，在断开处给放大电路加 ff0的信号Ui，且规定其极性，然后根据Ui的极性 Uo的极性 Uf的极性 若Uf与Ui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。,在多数正弦波振荡电路中，输出量、净输入量和反馈量均为电压量。,极性？,5. 分类,常用选频网络所用元件分类。 1) RC正弦波振荡电
4、路：1兆赫以下 2) LC正弦波振荡电路：几百千赫几百兆赫 3) 石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定,二、RC 正弦波振荡电路,1. RC串并联选频网络,低频段,高频段,在频率从0中必有一个频率f0，F0。,RC串并联选频网络的频率响应,当 f=f0时，不但=0，且 最大，为1/3。,2. 电路组成,应为RC 串并联网路配一个电压放大倍数略大于3、输入电阻趋于无穷大、输出电阻趋于0的放大电路即运算放大电路。,3. RC 桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡器）,用同相比例运算电路作放大电路。,因同相比例运算电路有非常好的线性度，故 R 或 Rf 用热敏电阻，或加二极管作为非线性环节。,文氏桥振荡器
5、的特点？,以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络、并引入电压串联负反馈，两个网络构成桥路，一对顶点作为输出电压，一对顶点作为放大电路的净输入电压，就构成文氏桥振荡器。,三、LC 正弦波振荡电路 1. LC并联网络的选频特性,理想LC并联网络在谐振时呈纯阻性，且阻抗无穷大。,谐振频率为,在损耗较小时，品质因数及谐振频率,损耗,在ff0时，电容和电感中电流各约为多少？网络的电阻为多少？,构成正弦波振荡电路最简单的做法是通过变压器引入反馈。,附加相移,LC选频放大电路正弦波振荡电路,当 f=f0时，电压放大倍数的数值最大，且附加相移为0。,共射电路A=-,2. 变压器反馈式电路,C1是必要的吗？,特
6、点：易振，波形较好；耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。,分析电路是否可能产生正弦波振荡的步骤： 1) 是否存在四个组成部分 2) 放大电路是否能正常工作 3) 是否满足相位条件 4) 是否可能满足幅值条件,为使N1、N2耦合紧密，将它们合二为一，组成电感反馈式电路。,必须有合适的同铭端！,如何组成？,3. 电感反馈式电路,反馈电压取自哪个线圈？ 反馈电压的极性？,必要吗？,电感的三个抽头分别接晶体管的三个极，故称之为电感三点式电路。,特点：耦合紧密，易振，振幅大，C 用可调电容可获得较宽范围的振荡频率。波形较差，常含有高次谐波。,为使振荡波形好，采用电容反馈式电路,4. 电容反馈式（电容三点
7、式）电路,若要振荡频率高，则L、C1、C2的取值就要小。当电容减小到一定程度时，晶体管的极间电容将并联在C1和C2上，影响振荡频率。,特点：波形好，振荡频率调整范围小，适于频率固定的场合。,与放大电路参数无关,四、石英晶体正弦波振荡电路,SiO2结晶体按一定方向切割的晶片。,压电效应和压电振荡：机械变形和电场的关系,固有频率只决定于其几何尺寸，故非常稳定。,感性,一般LC选频网络的Q为几百，石英晶体的Q可达104106；前者f/f为105，后者可达10101011。,1. 石英晶体的特点,2. 电路, 石英晶体工作在哪个区？ 是哪种典型的正弦波振荡电路？, 石英晶体工作在哪个区？ 两级放大电路
8、分别为哪种基本接法？ C1的作用？,（1）并联型电路,（2）串联型电路,讨论三：改错，使电路有可能产生正弦波振荡,同名端对吗？ 放大电路能放大吗？各电容的作用？,清华大学 华成英 ,讨论四,同铭端？,“判振”时的注意事项： 1. 放大电路必须能够正常工作，放大电路的基本接法； 2. 断开反馈，在断开处加 f=f0的输入电压； 3. 找出在哪个元件上获得反馈电压，是否能取代输入电压。,三个电路有什么相同之处？这样的电路形式有什么好处？,9.3 非正弦波发生电路,一、常见的非正弦波,二、矩形波发生电路,三、三角波发生电路,四、锯齿波发生电路,五、压控振荡器,一、常见的非正弦波,矩形波,三角波,锯齿
9、波,尖顶波,阶梯波,矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。 通过什么电路可将矩形波变为其它几种波形？,二、矩形波发生电路,输出无稳态，有两个暂态；若输出为高电平时定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。,1. 基本组成部分（1）开关电路：因为输出只有高电平和低电平两种情况，即两个暂态；故采用电压比较器。（2）反馈网络：因需自控，在输出为某一暂态时孕育翻转成另一暂态的条件，故应引入反馈。（3）延迟环节：要使两个暂态均维持一定的时间，故采用RC环节实现，从而决定振荡频率 。,2. 电路组成,正向充电：uO（+UZ）RC地,反向充电：地C R uO（UZ）,RC 回路,滞回比较器,3. 工
10、作原理：分析方法,方法一： 设电路已振荡，且在某一暂态，看是否能自动翻转为另一暂态，并能再回到原暂态。 方法二： 电路合闸通电，分析电路是否有两个暂态，而无稳态。,设合闸通电时电容上电压为0，uO上升，则产生正反馈过程：uO uP uO ，直至 uOUZ， uP+UT，为第一暂态。,3. 工作原理,电容正向充电，t uN，t ， uN UZ；但当uN +UT时，再增大， uO从+ UZ跃变为UZ， uPUT，电路进入第二暂态。,电容反向充电，t uN，t ， uN UZ；但当uN UT时，再减小， uO从 UZ跃变为+UZ， uP+UT，电路返回第一暂态。,第一暂态：uOUZ， uP+UT。,
11、脉冲宽度,4. 波形分析,5. 占空比可调电路,为了占空比调节范围大，R3应如何取值？,正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。,三、三角波发生电路,1. 电路组成 用积分运算电路可将方波变为三角波。,实际电路将两个RC 环节合二为一,为什么采用同相输入的滞回比较器？,uO要取代uC，必须改变输入端。,集成运放应用电路的分析方法： 化整为零（分块），分析功能（每块），统观整体，性能估算。,2. 工作原理,滞回比较器,积分运算电路,求滞回比较器的电压传输特性：三要素UOH =UOL =UZ ，uI作用于集成运放的同相输入端，求 UT：,合闸通电，通常C 上电压为0。设uO1 uP1 uO1
12、，直至uO1 UZ（第一暂态）；积分电路反向积分，t uO，一旦uO过 UT ，uO1从 UZ跃变为 UZ （第二暂态） 。积分电路正向积分，t uO， 一旦uO过 UT ， uO1从 UZ跃变为 UZ ，返回第一暂态。重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。,电路状态翻转时，uP1=?,三角波发生电路的振荡原理,3. 波形分析,如何调整三角波的幅值和频率？,怎样修改可获得锯齿波？,“理性地调试”：哪些参数与幅值有关？哪些参数与频率有关？先调哪个参数？,四、锯齿波发生电路,1. R3应大些？小些？ 2. RW的滑动端在最上端和最下端时的波形？,T,3. R3短路时的波形？,若由输入电压确定，则
13、将电压转换为频率,五、压控振荡器（uf 转换电路）,若uI0，则如何改动？,单位时间内脉冲个数表示电压的数值，故实现A/D转换,讨论一,已知uO1和uO2的峰-峰值均为10V，二极管为理想二极管。 1. 求出稳压管的稳压值UZ和R4的阻值； 2. 定性画出uO1、uO2的波形图； 3. 求解q的表达式。,清华大学 华成英 ,1. 晶体管什么情况下导通？什么情况下截止？ 2. 晶体管饱和导通和截止uO1和uI的运算关系？ 3. uI的极性？ 4. uO1、 uO2的波形？ 5. uI与振荡频率的关系？,讨论二：已知三极管饱和压降为0。,9.3 波形变换电路,一、利用基本电路实现波形变换,二、三角
14、波变锯齿波电路,三、三角波变正弦波电路,四、精密整流电路,一、利用基本电路实现波形变换,正弦波变方波、变矩形波、变二倍频，方波变三角波，三角波变方波，固定频率的三角波变正弦波,如何得到？,利用电子开关改变比例系数,二. 三角波变锯齿波：二倍频,三角波用傅立叶级数展开，除基波外，还含有3次、5次谐波。,三、 三角波变正弦波,若输入信号的频率变化不大，则可用滤波法实现。,范围是什么？,若输入信号的频率变化较大，则可用折线法实现。,为什么一般的整流电路不能作为精密的信号处理电路？,四、精密整流电路,若uImaxUon ，则uO仅在大于Uon时近似为uI，失真。,精密整流电路是信号处理电路，不是电源中AC-DC的能量转换电路；实现微小信号的整流。,设RRf,对于将二极管和晶体管作电子开关的集成运放应用电路，在分析电路时，首先应判断管子相当于开关闭合还是断开，它们的状态往往决定于输入信号或输出信号的极性。,精密整流电路的组成,半波整流，若加uI的负半周，则实现全波整流,为什么是 精密整流？,全波精密整流电路,二倍频三角波,绝对值运算电路,讨论：设计实现将峰值为1V、频率为100Hz的正弦波输入电压变换为峰值为5V、频率为200Hz锯齿波电压的电路。,
