波形的产生和变换课件

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1、模拟电子产品模拟电子产品装配与调试装配与调试第第6章章 信号产生信号产生 波形的产生和变换6.1 6.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路6.1.1 6.1.1 正弦波振荡电路的工作原理正弦波振荡电路的工作原理6.1.2 6.1.2 RCRC 正弦振荡正弦振荡6.1.3 6.1.3 LCLC 正弦振荡正弦振荡 波形的产生波形的产生和变换和变换信号产生电路信号产生电路(振荡器振荡器Oscillators)分类：分类：正弦波振荡正弦波振荡:非正弦波振荡：非正弦波振荡：RC 振荡器振荡器 (1kHz -数百数百kHz)LC 振荡器振荡器 (几百几百kHz以上以上)石英晶体振荡器石英晶体振荡器(频率稳定度

2、高频率稳定度高)方波、方波、三角波、三角波、 锯齿波等锯齿波等主要性主要性能要求：能要求：输出信号的输出信号的幅度准确稳定幅度准确稳定输出信号的输出信号的频率准确稳定频率准确稳定 波形的产生波形的产生和变换和变换基本放大基本放大电路电路A反馈回路反馈回路F12开关在开关在1的位置上：的位置上：开关在开关在2的位置上：的位置上：不需要输入，放大器也能工作。不需要输入，放大器也能工作。自激振荡自激振荡 波形的产生波形的产生和变换和变换FA=1Xid=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：（2）相位条件：）相位条件

3、：pjjnFA2=+n是整数是整数因为：因为：.Xidof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXX 波形的产生波形的产生和变换和变换起振条件：起振条件：放大器放大器Au反馈网络反馈网络FuUoUfUi 1/FuAu = 1/FuOuiuoAuuoAu Fu 1Au Fu R1R2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当当时，时，uf=，F 0|F|0F90 波形的产生波形的产生和变换和变换（2）当信号的频率很高时。）当信号的频率很高时。R1R2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，u

4、f=0，F=0 =-90当当时，时，uf=，F 0|F|0F-90 波形的产生波形的产生和变换和变换0=？ 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最大，且最大，且 =00|F|0F900|F|0F-90 波形的产生波形的产生和变换和变换2. 定量分析定量分析R1C1 串联阻抗：串联阻抗：R2C2 并联阻抗：并联阻抗：频率特性：频率特性： 波形的产生波形的产生和变换和变换通常，取通常，取R1R2R，C1C2C，则有：，则有：式中：式中：可见：当可见：当 时，时， F最大，且最大，且 =0 Fmax=1/3 波形的产生波形的产生和变换和

5、变换RC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：当当 时，时， F= Fmax=1/3F+90|F| 波形的产生波形的产生和变换和变换RC串并联（桥式）振荡电路R3Uo R4Ui A +_R1R2C1C2同相比例运算器：选频电路： 波形的产生波形的产生和变换和变换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幅度自激增长时，幅度自激增长时， Rt减小，减小，A小。小。 当当uo幅度达某一值时，幅度达某一值时， A3。 当当uo进一步增大时，进一步增大时， RT再减小

6、再减小 ,使使A3。 因此因此uo幅度自动稳幅度自动稳定于某一幅值。定于某一幅值。 波形的产生波形的产生和变换和变换能自动稳幅的振荡电路能自动稳幅的振荡电路 起振时起振时D1、D2不导通，不导通，Rf1+Rf2略大于略大于2R1。随着。随着uo的增加，的增加， D1、D2逐渐逐渐导通，导通，Rf2被短接，被短接，A自动自动下降，起到稳幅作用。下降，起到稳幅作用。 将将Rf分为分为Rf1 和和Rf2 ， Rf2并联二极管并联二极管 波形的产生波形的产生和变换和变换粗调振荡频率粗调振荡频率细调振荡频率细调振荡频率振荡频率的调节：振荡频率的调节：_+ + RfuoRCCR1 1KKR1R1R2R2R

7、3R3振荡频率：振荡频率： 波形的产生波形的产生和变换和变换二、二、 RC移相式振荡电路移相式振荡电路 1. RC移相电路移相电路 （1 ）RC超前移相电路超前移相电路 （2）RC滞后移相电路滞后移相电路 A+90+180+2700A-90-180-2700 波形的产生波形的产生和变换和变换2. RC移相式振荡电路移相式振荡电路 在在 f0 处处满足相位条件：满足相位条件： 波形的产生波形的产生和变换和变换6.1.3 LC 振荡电路振荡电路类型：类型：变压器反馈式变压器反馈式 、 电感三点式、电感三点式、 电容三点式电容三点式一、变压器反馈式一、变压器反馈式 LC 振荡电路振荡电路LrCIs.

8、L 的等的等效损耗效损耗电阻电阻(一一) LC 并联回路的特性并联回路的特性Z 波形的产生波形的产生和变换和变换1. 谐振频率谐振频率 f02. 谐振阻抗谐振阻抗 Z03. 回路品质因数回路品质因数 Q 波形的产生波形的产生和变换和变换4. 频率特性频率特性幅频特性幅频特性相频特性相频特性 波形的产生波形的产生和变换和变换5. 并联谐振的本质并联谐振的本质 电流谐振电流谐振LuCr +iiLiC1) ) Z = Z0 呈纯阻呈纯阻2) )形成形成环流环流，大小是总电流的，大小是总电流的 Q 倍倍 ICILUI 波形的产生波形的产生和变换和变换互感线圈的极性判别1234初级线圈初级线圈次级线圈次

9、级线圈同名端同名端1234+ 在在LC振荡器中，反馈信号通振荡器中，反馈信号通过互感线圈引出过互感线圈引出同名端：同名端： 波形的产生波形的产生和变换和变换6.1.4 石英晶体石英晶体(Crystal)振荡电路振荡电路一、石英晶体谐振器的阻抗特性一、石英晶体谐振器的阻抗特性1. 结构和符号结构和符号化学成分化学成分 SiO2结构结构晶晶 片片涂银层涂银层 焊焊 点点符号符号 波形的产生波形的产生和变换和变换2. 2. 压电效应压电效应形变形变形变形变机械振动机械振动外力外力外力外力压电谐振压电谐振外加交变外加交变电压的频率等电压的频率等于晶体固有频于晶体固有频率时，机械振率时，机械振动幅度急剧

10、加动幅度急剧加大的现象。大的现象。机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高。机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高。 波形的产生波形的产生和变换和变换3. 等效电路等效电路rqC0CqLqLq 晶体的动态电感晶体的动态电感 (10-3 102 H)(大大)Cq 晶体的动态电容晶体的动态电容 ( UREF时时 , uo = +Uom当当ui UREF时时 , uo = -Uom 运放处于运放处于开环状态开环状态 波形的产生波形的产生和变换和变换uoui0+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 波形的产生波形的产生和变换和变换

11、uoui0+UZ-UZ（1）用稳压管稳定输出电压）用稳压管稳定输出电压3. 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当当ui 0时时 , uo = +UZ当当ui 0时时 , uo = -UZ当当ui 0时时 , uo = +UZ 波形的产生波形的产生和变换和变换二二. 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，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

12、差电压称为回差电压 波形的产生波形的产生和变换和变换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 -UZ 波形的产生波形的产生和变换和变换例题：例题：Rf=10k ，R2=10k ，UZ=6V， UREF=10V。当输。当输入入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：uoui08V3V传输特性传输特性+6V-6V 波形的产生波形的产生和变换和变换3V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V3V传输特性传输特性+6V-6V 波形的产生波形的产生

13、和变换和变换抗抗干干扰扰OuIt t单门限比较单门限比较单门限比较单门限比较UTuOUOHUOLOt t迟滞比较迟滞比较迟滞比较迟滞比较OuIt tUT-UT+UOHUOLOt tuO 波形的产生波形的产生和变换和变换整整形形OuIt tUT+UT-OuOt tUOHUOLOuIt tUT+UT-OuOt tUOHUOL 波形的产生波形的产生和变换和变换1.1.电路结构电路结构由滞回比较电路和由滞回比较电路和RCRC定时电路构成定时电路构成上下限上下限: :三、方波发生器三、方波发生器 波形的产生波形的产生和变换和变换2.工作原理：工作原理：(1) 设设 uo = + UZ , 此时，此时，u

14、O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+UZ 波形的产生波形的产生和变换和变换此时，此时，C向向uO放电放电,再反向充电再反向充电(2) 当当uo = -UZ 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

15、的变化。-UZ 波形的产生波形的产生和变换和变换0UT+uctUT-+UZuo0t - UZT完整的波形：完整的波形：计算振荡周期计算振荡周期T。 波形的产生波形的产生和变换和变换周期与频率的计算：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-t T2阶段阶段uc(t)的过渡过程方程为的过渡过程方程为:f = 1/T可推出可推出: 波形的产生波形的产生和变换和变换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

16、滑动端，就改变了冲放电的时的滑动端，就改变了冲放电的时间，从而使方波的占空比可调。间，从而使方波的占空比可调。 波形的产生波形的产生和变换和变换1. 获得三角波的基本方法获得三角波的基本方法方波方波积分电路积分电路积分电路积分电路三角波三角波2. 锯齿波发生电路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。常数不相等，则可使积分电路的输出为锯齿波。其他波形发生电路其他波形发生电路 波形的产生波形的产生和变换和变换四、三角波及锯齿波信号发生器四、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：

17、迟滞比较器+反相积分器反相积分器1. 三角波发生器三角波发生器工作原理：工作原理：若若uo1=+UZ， uo2， u+ 。 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。 波形的产生波形的产生和变换和变换波形图波形图振荡周期：振荡周期：0UT+uo2tUT-+UZuo10t - UZT 波形的产生波形的产生和变换和变换2. 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充电时间常数充电时间常数uo1=+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

18、电时充电时间常数：间常数：(R6R4)C。+UZuo10t - UZ R6R4 波形的产生波形的产生和变换和变换小小 结结第第 6 章章 波形的产生波形的产生和变换和变换一、信号产生电路的分类：一、信号产生电路的分类：正弦波振荡正弦波振荡: :非正弦波振荡：非正弦波振荡：RCRC 振荡器振荡器 ( (低频低频) )LCLC 振荡器振荡器 ( (高频高频) )石英晶体振荡器石英晶体振荡器( (振荡频率精确振荡频率精确) )方波、方波、三角波、三角波、锯齿波等。锯齿波等。 波形的产生波形的产生和变换和变换二、正弦波振荡条件二、正弦波振荡条件振荡条件振荡条件 振幅平衡条件振幅平衡条件 相位平衡条件相

19、位平衡条件n = 0, 1, 2, 判断电路是否起振采用判断电路是否起振采用瞬时极性法，瞬时极性法，即断开反馈即断开反馈网络，加一信号，如果信号极性逐级变化后，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。返回后与原信号同极性，则满足相位平衡条件。 波形的产生波形的产生和变换和变换三、正弦波振荡电路三、正弦波振荡电路RC 桥氏振荡电路桥氏振荡电路8CR1RfRCR振荡频率振荡频率振荡条件振荡条件即即自动稳幅措施：自动稳幅措施：使电使电 Au 成为非线性成为非线性Rf 串接二极管串接二极管(图略图略)Rf 串接负温度系数热敏电阻串接负温度系数热敏电阻R1 采用

20、正温度系数热敏电阻采用正温度系数热敏电阻 波形的产生波形的产生和变换和变换四、石英晶体振荡电路四、石英晶体振荡电路1. 等效电路和频率特性等效电路和频率特性符号符号等效电路等效电路rqC0CqLq频率特性频率特性fXfPfS串联谐振频率串联谐振频率并联谐振频率并联谐振频率2. 石英晶体谐振电路石英晶体谐振电路串联型串联型 f = fs，晶体，晶体呈纯阻呈纯阻并联型并联型fs f fp，晶体，晶体呈感性呈感性 波形的产生波形的产生和变换和变换五、比较器五、比较器OuIuOUZUREFUZ1. 单限电压比较器单限电压比较器 传传输输特特性性 波形的产生波形的产生和变换和变换OuIuOUZUREFU

21、Z特点：特点：1) 工作在非工作在非线性线性区区2) 不存在虚短不存在虚短 (除了除了uI = UREF 时时) 3) 存在虚断存在虚断门限电压门限电压 UT = UREF 波形的产生波形的产生和变换和变换2. 迟滞比较器迟滞比较器 反相型迟滞比较器反相型迟滞比较器uIRR18UREFR2R3 UZP PuOOuIuOUT+UTUZ UZ传输特性传输特性 波形的产生波形的产生和变换和变换同相型迟滞比较器同相型迟滞比较器R1R8uIUREFR2R3 UZN NP PuO传输特性传输特性OuIuOUT+UT-UZUZ门限电压的求法：门限电压的求法：根据叠加定理求出同相端电压根据叠加定理求出同相端电压 uP 的表达式，当输出状态的表达式，当输出状态变化时，与反相端电压变化时，与反相端电压uN 相等相等, 此时的输入电压此时的输入电压uI即为即为门限电压门限电压UT+和和UT 。 波形的产生波形的产生和变换和变换六、六、非正弦波振荡电路非正弦波振荡电路获得三角获得三角波波( (锯齿波）锯齿波）的基本方法的基本方法方波方波积分电路积分电路积分电路积分电路三角三角波波 波形的产生波形的产生和变换和变换