模电课件---波形的产生与变换

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1、第八章 波形的产生与变换电路,8.1 正弦波振荡的基本原理,8.2 RC正弦波振荡电路,8.3 LC正弦波振荡电路,8.4 石英晶体振荡电路,8.5 比较器,8.6 方波发生器,8.7 三角波及锯齿波发生器,8.1 正弦波振荡器的基本原理,一. 产生自激振荡的条件,只有正反馈电路才能产生自激振荡。,即反馈信号代替了放大电路的输入信号。,Xd=Xf,所以，自激振荡条件也可以写成：,自激振荡的条件：,（1）振幅条件：,二.起振条件和稳幅原理,起振条件：,结果：产生增幅振荡,（略大于）,1、被动：利用放大器的限幅特性 2、主动：在电路中加入稳幅环节，用以调节放大电路的环路增益,稳幅过程：,稳幅措施：

2、,干扰、噪声中选择所需的频率成分,起振时，,稳定振荡时，,1.基本放大电路 A,三. 正弦波振荡器的组成,2.正反馈网络 F,3.选频网络,4.稳幅环节 使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小,A与F首尾相连,几百KHz以下,几百KHz至几百MHz,振荡频率稳定,四. 振荡电路的分析方法,判断能否产生振荡的一般方法,(1). 检查电路的基本组成,(4). 用相位平衡条件判定电路能否振荡。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是正反馈,(2). 检查放大电路是否正常工作,(3). 分析是否满足振荡产生的幅值平衡条件。 一般|AF|应略大于1,8 . 2 RC正弦波振荡电路,8.2.

3、1、RC桥式振荡电路 8.2.2、RC移相式振荡电路,8.2.1 RC桥式振荡电路,RC桥式振荡器结构图,选频网络,运放的限幅特性,RC 串并联网络,一. RC 串并联网络的选频特性,R1C1 串联阻抗：,R2C2 并联阻抗：,选频特性 (传输增益),1.定性分析：,（1）当信号的频率很低时,R1,R2,其低频等效电路为：,其频率特性为：,当=0时， uf=0，F=0 =+90,当时， uf=，F ,.,（2）当信号的频率很高时,R1,R2,其高频等效电路为：,其频率特性为：,当=时， uf=0，F=0 =-90,当时， uf=，F ,0=？ Fmax=？,由以上分析知：一定有一个频率0存在，

4、 当=0时，F最大，且 =0,2. 定量分析,R1C1 串联阻抗：,R2C2 并联阻抗：,频率特性：,通常，取R1R2R，C1C2C，则有：,式中：,可见：当 时， F最大，且 =0,Fmax=1/3,RC串并联网络完整的频率特性曲线：,当 时， F= Fmax=1/3,二.RC桥式振荡器的工作原理,在 f0 处,满足相位条件：,因为：,AF=1,只需：A=3,振幅条件：,引入负反馈：,选：,例题:R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf为多大时才能起振？振荡频率f0=？,AF=1，,A=3,Rf=2R1=210=20k,=1592 Hz,起振条件：,能自动稳幅的振荡电路,起振时Rt较大 使

5、A3,易起振。 当uo幅度自激增长时， Rt减小，A减小。 当uo幅度达某一值时， A3。 当uo进一步增大时， Rt再减小 ,使A3。 因此uo幅度自动稳定于某一幅值。,能自动稳幅的振荡电路,起振时D1、D2不导通，Rf1+Rf2略大于2R1。随着uo的增加， D1、D2逐渐导通，Rf2被短接，A自动下降，起到稳幅作用。,将Rf分为Rf1 和Rf2 ， Rf2并联二极管,RC桥式振荡电路仿真,仿真电路结果,K：双联波段开关， 切换R，用于 粗调振荡频率。,C：双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。,振荡频率的调节：,三.RC移相式振荡电路,基本放大器A,正反馈网络F,移相式 选频网络,1,

6、RC超前移相电路,RC滞后移相电路,移相网络的选频特性：,一节RC电路的移相范围0 90o 两节RC电路的移相范围0 180o 三节RC电路的移相范围0 270o,基本放大器A,正反馈网络F,RC移相式振荡电路的工作原理,相位条件：,在 f0 处,满足相位条件：,幅值条件: 很易满足,振荡频率：,1,判断电路能否产生振荡,判断电路能否产生振荡,RC正弦波振荡器共同点,1. 结构简单，制作方便，经济可靠；,2. 振荡频率与RC的乘积成反比，如果需要振荡频率较高时，要求R，C值较小，实现困难。,3. RC选频网络的选频特性较差。,8.3 LC 正弦波振荡电路,由于LC振荡电路的振荡频率很高，放大电

7、路的带宽会影响振荡频率。一般集成运放频带较窄，所以LC振荡电路中的放大器一般采用高频BJT分离元件组成，而且BJT放大器的组态多用共基极接法。,结构上：选频网络由L和C元件组成，一般作为放大器的负载，使放大环节具有选频特性。,1. LC并联谐振回路的选频特性,R为电感线圈中的损耗电阻,等效阻抗：,并联谐振 ：,谐振频率,谐振阻抗,(阻值最大且为纯阻),一、 LC并联谐振回路,LC 并联回路的基本特性,b. 谐振时的等效阻抗,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,(阻性),幅频特性,相频特性,Q值越高，则幅频特性越尖锐，选频特性越好。,LC并联谐振回路的

8、特性曲线,（最大值),品质因数,由相频特性可知，当0时，由于L1/C，回路的等效电抗呈感性；反之，回路的等效电抗呈容性。,2. LC选频放大器,宽带放大器,选频放大器,f0,当一个放大器的负载是由LC并联回路时，就构成了选频放大器。当工作频率等于LC回路的谐振频率f0时，放大器的放大倍数达到最大值(Aum)；当频率偏离f0时，放大倍数将下降，当放大倍数下降为0.707Aum时的频率，称为该放大器的截止频率(fL、fM)。f=fM-fL，称为该放大器的通频带(工作频带)。,初级线圈,次级线圈,在LC振荡器中，反馈信号通过互感线圈引出,同名端：,互感线圈的极性判别,是指这样的两个端钮，当两个线圈的

9、电流同时流进或流出这两个端钮时，它们产生的电场是互相增强的。,二. 变压器反馈式LC振荡电路,工作原理：,三极管共射选频放大器。,利用互感线圈的同名端：,满足相位条件。,振荡频率:,判断是否是满足相位条件相位平衡法：,断开反馈到放大器的输入端点，假设在输入端加入一正极性的信号，用瞬时极性法判定反馈信号的极性。若反馈信号与输入信号同相，则满足相位条件；否则不满足。,(+),(-),(+),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。,(+),(+),(+),(+),LC正弦波振荡器举例,满足相位平衡条件,（+）,（+）,（）,（+）,LC正弦波振荡器举例,振荡频率:,

10、（）,满足相位平衡条件,变压器反馈式LC振荡电路特点：,2.易于产生振荡，输出电压变形失真不大，应用范围广泛；,3.由于输出电压与反馈电压靠磁路耦合，因而耦合不紧密，损耗较大；,4.体积和重量较大，变压器铁心易产生电磁干扰；,1.振荡频率: 较高；,5.振荡频率的稳定性不高。,仍然由LC并联谐振电路构成选频网络。,三. 三点式LC振荡电路,原理：,电感三点式：,电容三点式：,uf与uo反相,uf与uo同相,uf与uo反相,uf与uo同相,特点：LC并联回路的三个断点分别接到BJT管子的三个电极。,A.若中间点交流接地,则首端与尾端相位相反。,三点的相位关系,B.若首端或尾端交流接地,则其他两端

11、相位相同。,振荡频率：,1.电感三点式LC振荡电路,频率调节方便（调C） 2. 输出信号中有较多的高次谐波成分,2. 电容三点式LC振荡电路,振荡频率：,1. 频率调节不方便，常用在固定振荡频率的场合。 2. 输出信号中高次谐波成分较少。,例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。,8.4 石英晶体振荡电路,一. 频率稳定问题,频率稳定度一般由 来衡量,频率偏移量。,振荡频率。,影响频率稳定的主要因素： 温度变化时， LC参数变化、三极管参数变化。 负载对谐振回路的影响。,稳频措施： 选择温度稳定性好的LC及三极管 负载与振荡器之间加缓冲器（射随） 提高LC谐振回路的品质因数Q,Q

12、值越高，选频特性越好，频率越稳定。,LC谐振回路 Q 数百,石英晶体谐振回路 Q 10000 50000,f,f,90o,-90o,f0,LC谐振回路的相频特性,Q值增大,f0,f0,f0,品质因数,二. 石英晶体,2. 基本特性,1. 结构：,极板间加电场,极板间加机械力,晶体机械变形,晶体产生电荷,交变电压,振动的固有频率与晶片尺寸及切型有关，稳定性高。,当外加交变电压频率 = 石英晶体固有频率时，振幅最大,正压电效应：,逆压电效应：,SiO2,3. 石英晶体的等效电路与频率特性,等效电路：,C0：静态电容, 10121011pf,L: 等效电感，模拟晶片机械振动的惯性, 103102H,

13、C: 等效电容，模拟晶片的弹性，104101pf,R：等效电阻，模拟晶片的损耗, 102欧姆,等效电路：,串联谐振,频率特性：,晶体等效纯阻且阻值0,并联谐振,等效电抗,晶体等效阻抗为纯阻且最大,典型值：L=100mH C=0.015pf R=100,通常,所以,（零点）,（极点）,实际使用时外接一小电容Cs,串联谐振:,调整,并联谐振：,等效电抗,二. 石英晶体振荡电路,利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。,1. 并联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs与fp之间，相当一个大电感，与C1、C2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，所以电路可以获得很高的振

14、荡频率稳定性。,2. 串联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs处，呈电阻性，而且阻抗最小，正反馈最强，相移为零,满足振荡的相位平衡条件。 对于fs以外的频率，石英晶体阻抗增大,且相移不为零，不满足振荡条件，电路不振荡。,例1：分析下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振荡,石英晶体处于何种状态？,(),(),(),反相器组成的串联式石英晶体振荡器,例2：,R1 、R2是偏置电阻，使反相器G1、G2工作在转折区，构成线性放大器。,uo = ui,反相放大,串联式振荡器,满足相位振荡条件。且幅值条件最易满足。 振荡频率f0 = fS 由于石英晶体Q值极高，所以这种电路振荡频率的稳定度很高。,基本放大器

15、A,正反馈网络F,选频网络,(),(-),(),(),输出正弦波，若加反相器整形，得脉冲波。,石英晶体工作在串联谐振频率fS时，呈阻性，且阻抗最小。,并联式石英晶体振荡器,晶体工作频率处于fS与 fP之间，等效一电感，与C1、C2共同构成电容三点式振荡电路。,例3：,反相器G1工作在转折区，构成反相放大器。,(),反相器G2起整形缓冲作用，同时G2还可以隔离负载对振荡电路工作的影响。,电路的振荡频率为LC并联谐振回路的谐振频率,(),(),8.5 比较器,将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一定的高低电平。,功能：,构成：,运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。,1. 运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。,运放工作在非线性状态基本分析方法,2. 运放工作在非线性状态的分析方法： 若U+U- 则UO=+UOM； 若U+U- 则UO=-UOM。 虚断（运放输入端电流=0） 注意：此时不能用虚短！,1. 过零比较器: （门限电平=0）,一.单门限电压比较器,例题：利用电压比较器将正弦波变为方波。,2. 单门限比较器（与参考电压比较）,UREF,UREF为参考电压,当ui UREF时 , uo = +Uom 当ui UREF时 , uo = -Uom,运放处于开环状态,UREF,当ui UREF时 ,