模擬電子技術(shù)：第25講 非正弦波發(fā)生電路

1、模擬電子線路模擬電子線路哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)常見的非正弦波常見的非正弦波8.5 8.5 矩形波發(fā)生電路矩形波發(fā)生電路8.6 8.6 三角波發(fā)生電路三角波發(fā)生電路8.7 8.7 鋸齒波發(fā)生電路鋸齒波發(fā)生電路模擬電子線路模擬電子線路哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)常見的非正弦波矩形波矩形波三角波三角波鋸齒波鋸齒波尖頂波尖頂波階梯波階梯波矩形波是基礎(chǔ)波形，可通過波形變換得到其它波形。矩形波是基礎(chǔ)波形，可通過波形變換得到其它波形。模擬電子線路模擬電子線路哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)方波發(fā)生電路方波發(fā)生電路n是由帶限幅器滯回比較器和是由帶限幅器滯回比較器和RCRC充放電回路兩部分構(gòu)成。充放電回路兩部

2、分構(gòu)成。與矩形波電路所不同的是充放電回路相同，與矩形波電路所不同的是充放電回路相同，充充=放放=RC=RC，故使，故使T1=T2T1=T2、q=0.5q=0.5，從而使，從而使UoUo產(chǎn)生方波，同時在產(chǎn)生方波，同時在電容電容C C上產(chǎn)生線性不好的三角波。方波的幅值由上產(chǎn)生線性不好的三角波。方波的幅值由UZUZ決決定，而三角波的幅值由滯回比較器的閾值定，而三角波的幅值由滯回比較器的閾值R1UZ/(R1+R2)R1UZ/(R1+R2)決定。方波的重復(fù)周期為決定。方波的重復(fù)周期為n n振蕩頻率振蕩頻率n 212121ln2RRRCTTTTf1模擬電子線路模擬電子線路哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)電路組

3、成電路組成ZTHURRRU211正向充電：正向充電： uO（+UZ）RC地地反向充電：反向充電： 地地C R uO（UZ）RC 回路回路ZU滯回比較器滯回比較器ZU模擬電子線路模擬電子線路哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)求出、終了值、時間常數(shù)，根據(jù)三要素，即起始值)21ln(2213RRCRT%50kTT占空比脈沖寬度脈沖寬度波形分析波形分析模擬電子線路模擬電子線路哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)矩形波發(fā)生電路矩形波發(fā)生電路一、什么是矩形波一、什么是矩形波如圖如圖8-198-19所示波形，圖中，所示波形，圖中，T1T1為高電平的持續(xù)時間；為高電平的持續(xù)時間；T2T2為低電平的持續(xù)時間；為低電平的持續(xù)時

4、間；T T為周期，即為周期，即 T=T1+T2 T=T1+T2 將高電平的時間與周期的比值定義為占空比，記為將高電平的時間與周期的比值定義為占空比，記為q q占空比為占空比為0.10.1至至0.90.9的波形定義為矩形波。其中占空比為的波形定義為矩形波。其中占空比為0.50.5的矩形波又稱方波，是矩形波的特例。的矩形波又稱方波，是矩形波的特例。TTq1模擬電子線路模擬電子線路哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)二、占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路二、占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路 基本上是由滯回比較器與基本上是由滯回比較器與RCRC積分電路構(gòu)成。為了實積分電路構(gòu)成。為了實現(xiàn)占空比可調(diào)，只需使現(xiàn)占空比可調(diào)，只需使

5、T T1 1TT2 2，為此加了兩個二極管與一，為此加了兩個二極管與一個電位器，將個電位器，將RCRC充放電通路分開，并實現(xiàn)占空比可調(diào)。充放電通路分開，并實現(xiàn)占空比可調(diào)。限幅器由兩個穩(wěn)壓管構(gòu)成，起箝位作用，其限幅值為限幅器由兩個穩(wěn)壓管構(gòu)成，起箝位作用，其限幅值為U UZ Z，提供矩形波的幅值。根據(jù)求閾值的方法可求得滯回比較器提供矩形波的幅值。根據(jù)求閾值的方法可求得滯回比較器的閾值為的閾值為R R1 1U UZ Z/(R/(R1 1+R+R2 2) )，傳輸特性如圖，傳輸特性如圖(b)(b)所示所示 模擬電子線路模擬電子線路哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)工作原理工作原理設(shè)設(shè)V V1 1、V V2

6、2的內(nèi)阻分別為的內(nèi)阻分別為rdrd1 1、rdrd2 2，并且，并且rdrd1 1=rd=rd2 2。當(dāng)。當(dāng)U Uo o=U=UZ Z時，時，V V1 1導(dǎo)通，導(dǎo)通，V V2 2截止，使電容截止，使電容C C充電，充電時間常數(shù)充電，充電時間常數(shù)充充=(R+rd=(R+rd1 1+R+RW W) )C C；U UC C由小到大不斷上升，極性上正下負，當(dāng)由小到大不斷上升，極性上正下負，當(dāng)U UC C升到升到U UTH1TH1=R=R1 1U UZ Z/(R/(R1 1+R+R2 2) )時，比較器發(fā)生負跳變，時，比較器發(fā)生負跳變，U Uo o由由+U+UZ Z變?yōu)樽優(yōu)閁 UZ Z；當(dāng)；當(dāng)U Uo

7、o= =U UZ Z時，時，V V1 1截止，截止，V V2 2導(dǎo)通，又使電容導(dǎo)通，又使電容C C放電，其放放電，其放電時間常數(shù)電時間常數(shù)放放=(R+R=(R+RW W+rd+rd2 2) )C C，U UC C不斷下降至不斷下降至U UTH2TH2= =R R1 1U U2 2/(R/(R1 1+R+R2 2) )時，比較器發(fā)生正跳變，時，比較器發(fā)生正跳變，U Uo o由由U UZ Z變?yōu)樽優(yōu)?U+UZ Z。上述過程重復(fù)進行，于是振蕩發(fā)生了。上述過程重復(fù)進行，于是振蕩發(fā)生了。 模擬電子線路模擬電子線路哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)n調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)R RW W，只要，只要R RW WRRW W，就能產(chǎn)

8、生矩形波。，就能產(chǎn)生矩形波。n當(dāng)當(dāng)R RW WRRW W時，則時，則充充放放，U Uo o波形中的波形中的T T1 1TRRW W時，則時，則充充放放，T T1 1TT2 2，U Uo o的波形也是矩形波，的波形也是矩形波，波形與圖波形與圖8-20(c)8-20(c)中相反；當(dāng)中相反；當(dāng)R RW W=R=RW W時，則時，則充充=放放，T T1 1=T=T2 2, ,占空比占空比T T1 1/T=0.5,U/T=0.5,Uo o波形為方波。波形為方波。 模擬電子線路模擬電子線路哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)三、振蕩周期與頻率三、振蕩周期與頻率n根據(jù)充放電理論，由圖根據(jù)充放電理論，由圖(b)(b)

9、看出，設(shè)看出，設(shè)UC=UC=R1UZ/(R1+R2)(R1UZ/(R1+R2)(即即UTH2)UTH2)，在，在UOH=+UZUOH=+UZ的作用下，電容的作用下，電容C C充電的關(guān)系式為充電的關(guān)系式為nUCUC由由UTH2=UTH2=R1UZ/(R1+R2)R1UZ/(R1+R2)上升到上升到UTH1=R1UZ/(R1+R2)UTH1=R1UZ/(R1+R2)的時間為的時間為T1T1，由此得，由此得n解得解得n同理得同理得tTHOHOHceUUUU2121TTHOHOHTHeUUUU21121lnRRT充21221lnRRT放模擬電子線路模擬電子線路哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)三、振蕩周期與

10、頻率三、振蕩周期與頻率n矩形波的振蕩周期是矩形波的振蕩周期是n振蕩頻率振蕩頻率 n占空比為占空比為n可見，調(diào)節(jié)可見，調(diào)節(jié)RWRW電位器可使占空比變化。電位器可使占空比變化。212121lnRRTTT放充Tf1RRRRRrrRRrRTTqwwddwdw222111放充充模擬電子線路模擬電子線路哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)三角波發(fā)生電路三角波發(fā)生電路電路組成電路組成 用積分運算電路可將方波變?yōu)槿遣?。用積分運算電路可將方波變?yōu)槿遣?。兩個兩個RC環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)實際電路將兩個實際電路將兩個RC 環(huán)節(jié)合二為一環(huán)節(jié)合二為一為什么采用同相輸為什么采用同相輸入的滯回比較器？入的滯回比較器？ZUuO要取代要取代uC

11、，必須改變輸入端。，必須改變輸入端。集成運放應(yīng)用電路的分析方法：集成運放應(yīng)用電路的分析方法：化整為零（分塊），分析功能（每塊），統(tǒng)觀整體，性能估算化整為零（分塊），分析功能（每塊），統(tǒng)觀整體，性能估算模擬電子線路模擬電子線路哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)三角波發(fā)生電路三角波發(fā)生電路 n如果把一個方波信號接到積分電路的輸入端，那么，在積如果把一個方波信號接到積分電路的輸入端，那么，在積分電路的輸出端可得到三角波信號；而比較器輸入三角波分電路的輸出端可得到三角波信號；而比較器輸入三角波信號，其輸出端可獲得方波信號。信號，其輸出端可獲得方波信號。n根據(jù)這一原則，采用抗干擾能力強的同相滯回比較器和反根據(jù)

12、這一原則，采用抗干擾能力強的同相滯回比較器和反相積分器互相級聯(lián)，構(gòu)成三角波信號發(fā)生電路。相積分器互相級聯(lián)，構(gòu)成三角波信號發(fā)生電路。 滯回比較器滯回比較器積分運算電路積分運算電路模擬電子線路模擬電子線路哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)n滯回比較器起開關(guān)作用，使滯回比較器起開關(guān)作用，使U Uo o形成對稱方波，作為積分器的輸入信形成對稱方波，作為積分器的輸入信號，號，U Uo o作為作為A A1 1的同相輸入信號。反相積分器起延遲作用，或線性上的同相輸入信號。反相積分器起延遲作用，或線性上升或線性下降，使升或線性下降，使U Uo o形成線性度高的三角波；由形成線性度高的三角波；由U Uo o至至R R

13、1 1連線的作用連線的作用是使是使U Uo o三角形的幅值不受三角形的幅值不受U Uo1o1方波頻率的影響。方波頻率的影響。n設(shè)設(shè)t=0t=0時時U Uo1o1=+U=+UZ Z，電容器初始值，電容器初始值U UC C(0)=0,U(0)=0,Uo o=0=0；n當(dāng)當(dāng)t=0t=0t t1 1時，時，U Uo1o1=+U=+UZ Z，電容，電容C C被充電，由反相積分，被充電，由反相積分，U Uo o線性下降；線性下降；當(dāng)當(dāng)t=tt=t1 1時，比較器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，時，比較器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，U Uo o達到負的最大值；當(dāng)達到負的最大值；當(dāng)t=tt=t1 1t t2 2時，時，U Uo1o1= =U UZ

14、Z，電容，電容C C放電，放電，放放=RC=RC，經(jīng)反相積分，經(jīng)反相積分，U Uo o線性上升到線性上升到t t2 2時時，比較器狀態(tài)又翻轉(zhuǎn)，比較器狀態(tài)又翻轉(zhuǎn)，U Uo o達到正幅值。達到正幅值。n以上過程反復(fù)進行，于是電路振蕩起來。由于以上過程反復(fù)進行，于是電路振蕩起來。由于充充=放放=RC=RC，所以，所以U Uo o形成三角波。形成三角波。 模擬電子線路模擬電子線路哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)121212()0ZoRRUURRRR12oZRUUR 12omTHZRUUUR 解出解出 所以所以 可見，只要可見，只要R R1 1、R R2 2、U UZ Z穩(wěn)定不變，則穩(wěn)定不變，則U Uomo

15、m就是一個穩(wěn)定不就是一個穩(wěn)定不變的值，而與變的值，而與U Uo1o1方波的頻率無關(guān)。方波的頻率無關(guān)。 方波的幅值由限幅值方波的幅值由限幅值UZUZ決定，而由波形圖知當(dāng)決定，而由波形圖知當(dāng)Uo1Uo1發(fā)生發(fā)生翻轉(zhuǎn)的時刻對應(yīng)的輸出電壓就是最大值翻轉(zhuǎn)的時刻對應(yīng)的輸出電壓就是最大值UomUom，所以三角波的幅，所以三角波的幅值就是比較器的閾值。由疊加原理求出值就是比較器的閾值。由疊加原理求出 模擬電子線路模擬電子線路哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)21()2ZomUttURC1222ZZURTURCR124RC RTR2114RfTRC R三角波的周期可由波形圖求出，三角波的周期可由波形圖求出，t t2

16、2t t1 1=T/2,=T/2,對應(yīng)對應(yīng)2U2Uomom，再由反相積分，再由反相積分即即 解出解出 振蕩頻率振蕩頻率 可見，先固定可見，先固定R R1 1、R R2 2，使?jié)M足，使?jié)M足U Uomom不變，再粗調(diào)電容不變，再粗調(diào)電容C C，細，細調(diào)電阻調(diào)電阻R R，使?jié)M足振蕩頻率，使?jié)M足振蕩頻率f f0 0，使調(diào)幅與調(diào)頻互不影響。，使調(diào)幅與調(diào)頻互不影響。模擬電子線路模擬電子線路哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)鋸齒波發(fā)生電路鋸齒波發(fā)生電路1. R3應(yīng)大些？小些？應(yīng)大些？小些？2. RW的滑動端在最上的滑動端在最上端和最下端時的波形？端和最下端時的波形？T3. R3短路時的波形？短路時的波形？模擬電子

17、線路模擬電子線路哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)鋸齒波發(fā)生電路鋸齒波發(fā)生電路一、電路組成一、電路組成n包括同相輸入滯回比較器包括同相輸入滯回比較器(A1)(A1)和充放電和充放電時間常數(shù)不等的積分器時間常數(shù)不等的積分器(A2)(A2)兩部分，共兩部分，共同組成鋸齒波電壓產(chǎn)生電路同組成鋸齒波電壓產(chǎn)生電路 . .模擬電子線路模擬電子線路哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)二、門限電壓的估算二、門限電壓的估算 11112ioiUUUURRR112iTHoRUUUR 單獨畫出由單獨畫出由A A1 1組成的同相輸入滯回比較器。圖組成的同相輸入滯回比較器。圖(b)(b)中的中的U Ui i就是原中的就是原中的U Uo

18、 o，即，即U Ui i=U=Uo o。由圖。由圖(b)(b)有有考慮到電路翻轉(zhuǎn)時，有考慮到電路翻轉(zhuǎn)時，有U U+1+1=U=U1 1=0=0，代入上式，解出，代入上式，解出模擬電子線路模擬電子線路哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)二、門限電壓的估算二、門限電壓的估算 12TZRUUR12TZRUUR 122TTTZRUUUUR由于由于U Uo1o1= =U UZ Z, , 可分別求出上、下門限電壓和門限寬度為可分別求出上、下門限電壓和門限寬度為模擬電子線路模擬電子線路哈爾濱工程大學(xué)哈爾濱工程大學(xué)三、工作原理三、工作原理（1 1）設(shè)）設(shè)t=0t=0時接通電源，有時接通電源，有U Uo1o1= =U

19、UZ Z, ,則則U UZ Z經(jīng)經(jīng)R R6 6向向C C充電，使輸出電壓按充電，使輸出電壓按線性規(guī)律增長。當(dāng)線性規(guī)律增長。當(dāng)U Uo o上升到門限電上升到門限電壓壓U UT+T+使使U U+1+1=U=U1 1時，比較器輸出時，比較器輸出U Uo1o1由由U UZ Z上跳到上跳到+U+UZ Z，同時門限電壓下跳，同時門限電壓下跳到到U UT T值。值。（2 2）U Uo1o1=+U=+UZ Z經(jīng)經(jīng)R R6 6和和V V1 1、R R5 5兩支路向兩支路向C C反向充電，由于時間常數(shù)減小，反向充電，由于時間常數(shù)減小，U Uo o迅速下降到負值。當(dāng)迅速下降到負值。當(dāng)U Uo o下降到下門下降到下門限電壓限電壓U UT T使使U U+1+1=U=U1 1時，比較器輸出時，比較器輸出U Uo1o1又由又由+U+UZ Z下跳到下跳到U UZ Z。（3 3）如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩。）如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩。由于電容由于電容C C的正向與反向充電時間的正向與反向充電時間常數(shù)不相等，輸出波形常數(shù)不相等，輸出波形U Uo