模拟电子技术基础LESSON7波形发生电路

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1、波形发生电路,第 7 章,7.1 正弦波振荡电路,7.2 非正弦波信号产生电路,小 结,7.1 正弦波振荡电路,7.1.1 正弦波振荡电路的工作原理,7.1.2 RC 正弦振荡,7.1.3 LC 正弦振荡,引 言,信号产生电路,(振荡器Oscillators),分类：,正弦波振荡:,非正弦波振荡：,RC 振荡器(1 kHz 数百 kHz),LC 振荡器(几百 kHz 以上),石英晶体振荡器(频率稳定度高),方波、,三角波、,锯齿波等,主要性 要求能：,输出信号的幅度准确稳定,输出信号的频率准确稳定,引 言,7.1.1 正弦波振荡电路的工作原理,一、振荡条件,微弱的电扰动中，某一频率成分通过正反

2、馈逐渐放大，则产生正弦振荡。, 振幅平衡条件, 相位平衡条件,n = 0, 1, 2, ,二、起振条件,起振条件,1/Fu,Au = 1/Fu,O,ui,uo,Au,uo,Au Fu 1,Au Fu 1,Ui1,Uo1,Uf1,Ui2,Uo2,Uf2,Ui3,Uo3,Uf2,Ui4,Uo4,uf,起振,稳幅, ,三、电路的组成和起振的判断,1. 放大电路 Au,2. 正反馈网络 Fu,3. 选频率网络实现单一频率的振荡,4. 稳幅环节使振荡稳定、波形好,满足振荡条件,组成:,判断:,1. 检查电路组成,2.“Q”是否合适,3. 是否满足起振条件,7.1.2 RC 正弦振荡,一、RC 桥式振荡电

3、路,1. RC 串并联选频网络,式中: 0 = 1/RC,当 = 0 时, = 0,2. RC 桥氏振荡电路,A = 2n,F = 0,2) 电路：,同相 放大器,1) 组成：,3)振荡频率,4)振荡条件,Rf 不能太大，否则 正弦波将变成方波,应使：, ,5)稳幅措施,热敏电阻稳幅,为使电 Au 为非线性，起振时，应使 Au 3，稳幅后 Au = 3。,正温度系数,负温度系数,二极管稳幅,12.4 k R2 8.1 k,起振时信号小， 二极管电阻大,Au 1 + (R2+ R3)/R1 3,R2 2R1 - R3,起振后二极管电阻逐渐减小，,Au 1 + R2/R1 = 3,为使失真小：,R

4、2 2R1,f0 = 1.94 kHz,8.2 k,6.2 k,22 k,4.3 k,0.01 F,8.2 k,0.01 F,二、RC 移相式振荡电路,一节 RC 环节,移相 90,二节 RC 环节,移相 180,三节 RC 环节,移相 270, 满足相位平衡条件,优点：,结构简单,缺点：,选频特性差，输出波形差,7.1.3 LC 振荡电路,类型：变压器反馈式 、 电感三点式、 电容三点式,一、变压器反馈式 LC 振荡电路,L 的等效损耗电阻,(一) LC 并联回路的特性,Z,1. 谐振频率 f0,2. 谐振阻抗 Z0,3. 回路品质因数 Q,4. 频率特性,Q 大,Q 小,Q 增大,幅频特性

5、,相频特性,5. 并联谐振的本质, 电流谐振,1) Z = Z0,呈纯阻,2)形成环流，大小是总电流的 Q 倍, ,(二)变压器反馈式振荡电路,满足相位平衡条件,1、电感三点式和电容三点式LC正弦波发生器,把并联LC回路中的C或L分成两个，则LC回路就 有三个端点。把这三个端点分别与三极管的三个 极相连，就形成了LC三点式正弦波发生电路。 它们又分为电感三点式和电容三点式两类。,LC三点式正弦波发生电路图,a）电感三点式,b）电容三点式,二、三点式 LC 振荡电路,2、组成LC三点式正弦波发生电路的规律,LC三点式正弦波发生电路的一般结构如下图所示。,图 LC三点式正弦波发生电路的一般结构,a

6、）反相放大,b）同相放大,若考虑到a中的负载阻抗,运放输出电阻为,，,无反馈时的,因此,其中，,为了使电路振荡，应有,，上式应为实数，,分母的需不应为零，即：,进而可得,、,而,必须与它们异号。,由因为：,所以得：,为了产生振荡，由上式可得：,和,所以必然有,结论：在LC三点式正弦波发生电路中，为了 满足产生振荡的相位平衡条件，同性 质电抗的中间点必须接集成运放的同 相输入端。,3、 电感三点式 振荡电路,M,优点：,缺点：,易起振(L 间耦合紧)；,易调节(C 可调)。,输出取自电感，对 高次谐波阻抗大， 输出波形差。,4、 电容三点式振荡电路,考毕兹振荡器(Colpitts),C3,优点：

7、波形较好,缺点：,2) V 极间电容影响 f0,1) 调频时易停振,C 3的改进,三、石英晶体(Crystal)振荡电路,(一)石英晶体谐振器的阻抗特性,1. 结构和符号,化学成分 SiO2,结构,晶片,符号,2. 压电效应,形变,形变,机械振动,外力,压电谐振 外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，机械振动幅度急剧加大的现象。,3. 等效电路,Lq 晶体的动态电感 (10-3 102 H)(大),Cq 晶体的动态电容 ( 0.1 pF)(小),rq 等效摩擦损耗电阻(小),Co 晶片静态电容 (几 几十 pF),大,小,小,大,4. 频率特性和谐振频率,容性,容性,感性,5. 使用注意,2)

8、要有合适的激励电平。过大会影响 频率稳定度、振坏晶片；过小会使 噪声影响大，还能停振。,1)要接一定的负载电容 CL(微调)， 以达标称频率。,(二)石英晶体谐振电路,1. 串联型,f = fs，晶体呈纯阻,2. 并联型,fs f fp，晶体呈感性,7.2 非正弦波信号 产生电路,7.2.1 电压比较器,7.2.2 方波产生电路,7.2.3 压控方波产生电路,7.2.4 三角波发生电路,7.2.1 电压比较器(Comparer),一、单限电压比较器,功能：,类型,基本比较器,简单比较器(单门限),窗口比较器(双门限),迟滞比较器(施密特触发器),比较电压信号(被测试信号与标准信号)大小,1.

9、过零电压比较器,uI 0,uI 0,UOmax,-UOmax,UOH,UOL,2. 同相输入单门限比较器,UZ,UZ,uI UREF,-UZ,uI UREF,门限 电压 UT,特点:,1)工作在非线性区,2)不存在虚短 (除了uI = UREF 时),3)存在虚断,门限电压 UT = UREF,二、窗口比较器,uO,uO1,uO2,设 U1 U2 ，比较器采用单电源,UOmax,截止 导通,UZ,0,UOmax,0,导通 截止,UZ,0,0,截止 截止,0,UZ,U1,U2,应用举例, 三极管 值分选电路,3CG,50 100，LED 不亮。,分析电路是否满足要求： 100，LED 亮，,解,

10、IB = (15 - 0.7 ) /1430,= 0.01 mA,当 50 时，IC 0.5 mA，UC 2.5 V, V2 导通，LED 亮,当 100 时，IC 1 mA，UC 5 V V1 导通，LED 亮,当 50 100 时，2.5 V UC 5 V， LED 不亮,1)电路和门限电压,三、迟滞比较器,1. 反相型迟滞比较器,正反馈,当 uI uP 时， uO = -UZ,当 uI uP 时， uO = +UZ,当 uI = uP 时， 状态翻转,例：R1 = 30 k，R2 =15 k, UZ = 6 V, UREF = 0, 求 UT。,特点：,2)传输特性,uO,UT+,UT-

11、,UZ,-UZ,当 uI 逐渐增大时,只要 uI UT+ ，则 uO = UZ,一旦 uI UT+ ，则 uO = -UZ,当 uI 逐渐减小时,只要 uI U T- ，则 uO = -UZ,一旦 uI UT- ，则 uO = UZ,上门限,下门限,U = UT+ - UT-,回差 电压,uI 上升时与上门限比,uI 下降时与下门限比。,2. 同相型迟滞比较器,状态翻转时，uP = uN = UREF,若 UREF = 0,传输特性,U = UT+ - UT-,抗 干 扰,单门限比较,UT,迟滞比较,UT-,UT+,uO,整 形,7.2.2 方波产生电路(Astable Multivibrat

12、or),1. 电路组成和输出波形,积分 电路,滞回比较器,2. 振荡频率,占空比 = 50%,7.2.3 压控方波产生电路,一、积分 - 施密特触发器型压控振荡器,压控 恒流源,压控 恒流源,积分器,积分器,镜象 电流源,镜象 电流源,uO = UOL,V3 截止，,uO = UOH,C 充电至 UT+,V3 导通，,C 放电至 UT-,uO = UOL,占空比 50%,二、8038 集成函数发生器, I01,1. 原理,当 Q = 0，S 断开，,C 充电 (I01) 至 2/3VCC,Q = 1,当 Q = 1，S 闭合，,C 放电 (I02 -I01) 至 1/3VCC,Q = 0,当

13、I02 = 2I01， 引脚 9 输出方波，引脚 3 输出三角波；,当 I02 2I01， 引脚 9 输出矩形波，引脚 3 输出锯齿波。,2. 应用,调占空比和正弦波失真,1. 获得三角波的基本方法,方波,积分电路,三角波,2. 锯齿波发生电路,在三角波发生电路中，如果电容的充电、放电时间 常数不相等，则可使积分电路的输出为锯齿波。,7.2.4 三角波发生电路,小 结,第 7 章,一、信号产生电路的分类：,正弦波振荡:,非正弦波振荡：,RC 振荡器 (低频),LC 振荡器 (高频),石英晶体振荡器(振荡频率精确),方波、,三角波、,锯齿波等。,二、正弦波振荡条件、电路结构和选频电路,1. 振荡

14、条件, 振幅平衡条件, 相位平衡条件,n = 0, 1, 2, ,判断电路是否起振采用瞬时极性法，即断开反馈 网络，加一信号，如果信号极性逐级变化后， 返回后与原信号同极性，则满足相位平衡条件。,2. 振荡电路的两种结构,3. 选频电路及其特性,1) RC 串并联式,幅 频 特 性,相 频 特 性,当 = 0 = 1/RC 时, = 0,电 路,2) LC并联谐振回路,阻抗幅频特性,电路,阻抗相频特性,谐振频率,谐振阻抗,回路品质因数,三、正弦波振荡电路,1. RC 桥氏振荡电路,振荡频率,振荡条件,即,自动稳幅措施：,使电 Au 成为非线性,Rf 串接二极管(图略),Rf 串接负温度系数热敏

15、电阻,R1 采用正温度系数热敏电阻,3. LC 振荡电路,变压器反馈式,电感三点式,电容三点式,四、石英晶体振荡电路,1. 等效电路和频率特性,符号,等效电路,频率特性,串联谐振频率,并联谐振频率,2. 石英晶体谐振电路,串联型,f = fs，晶体呈纯阻,并联型,fs f fp，晶体呈感性,五、比较器,1. 单限电压比较器,传 输 特 性,特点：,1) 工作在非线性区,2) 不存在虚短 (除了uI = UREF 时),3) 存在虚断,门限电压 UT = UREF,六、非正弦波振荡电路,1. 产生方波振荡的基本原理,当施密特触发器输出高(低)电平时， 电容 C 的充电方向不同，每当 uC 超过上(下)门限电压时，施密特触发器的输出电平就发生跳变，使电容改变充电方向，于是形成 uO 周而复始的高、低电平跳变，即方波振荡。,施密特触发器的构成：,迟滞比较器 (运放接成正反馈),555 定时器的施密特触发器形式,集成施密特触发器,2. 获得三角波的基本方法,方波,积分电路,三角波,2. 迟滞比较器 (施密特触发器),反相型迟滞比较器,传输特性,同相型迟滞比较器,传输特性,门限电压