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1、1項(xiàng)目項(xiàng)目5 5 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的組裝與調(diào)試函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的組裝與調(diào)試n第一節(jié)第一節(jié) 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路n第二節(jié)第二節(jié) 非正弦波發(fā)生電路非正弦波發(fā)生電路重點(diǎn)掌握:重點(diǎn)掌握:利用正弦波振蕩條件及分析方法能夠分析討論利用正弦波振蕩條件及分析方法能夠分析討論RC、LC振蕩電路和石英晶體正弦波振蕩電路的有關(guān)問(wèn)題振蕩電路和石英晶體正弦波振蕩電路的有關(guān)問(wèn)題(如是否可能振蕩,振蕩頻率等),了解非正弦波發(fā)(如是否可能振蕩,振蕩頻率等),了解非正弦波發(fā)生電路的工作原理生電路的工作原理 。2 fidXXX基本放大基本放大電路電路A反饋電路反饋電路FiX+ dXoXfX5.1 5.1 正弦波振蕩電路正弦波
2、振蕩電路doXAXFAAXXAioF1|ofXFXfidXXX正反饋電路能正反饋電路能產(chǎn)生自激振蕩產(chǎn)生自激振蕩正弦波正弦波振蕩振蕩電路電路是是在沒(méi)有外加輸入信號(hào)的情況下,在沒(méi)有外加輸入信號(hào)的情況下,依靠電路自激振蕩依靠電路自激振蕩產(chǎn)生正弦波輸出的電路。產(chǎn)生正弦波輸出的電路。則去掉則去掉如果:如果:,ifXX,iX仍有信號(hào)輸出。仍有信號(hào)輸出。fdXX 改成正反饋改成正反饋5.1.1 5.1.1 概述概述3一一. . 產(chǎn)生正弦波振蕩的條件產(chǎn)生正弦波振蕩的條件fidXXX所以振蕩條件為:所以振蕩條件為:1FA引入正反饋引入正反饋ooXFAXdfXX讓ofXFXofdoXFAXAXAXFAAAF1FA
3、FA:01則正反饋?zhàn)銐驈?qiáng),輸入信號(hào)為正反饋?zhàn)銐驈?qiáng),輸入信號(hào)為 0 時(shí)仍有信號(hào)輸出,產(chǎn)生自激振蕩時(shí)仍有信號(hào)輸出,產(chǎn)生自激振蕩 基本放大基本放大電路電路A反饋電路反饋電路FdXoXfX則去掉輸入信號(hào)則去掉輸入信號(hào),iX仍有信號(hào)輸出。仍有信號(hào)輸出。doXAXfdXX4)()(FA、要獲得要獲得一定頻率一定頻率的正弦自激振蕩的正弦自激振蕩,反饋回路中必須有反饋回路中必須有選頻電路選頻電路。所以將放大倍數(shù)和反饋系數(shù)寫成:。所以將放大倍數(shù)和反饋系數(shù)寫成:1 FA振幅平衡條件振幅平衡條件 n2FA 相位平衡條件相位平衡條件自激振蕩的條件:自激振蕩的條件:1)()(FA因?yàn)椋阂驗(yàn)椋篈AA|)(FFF|)(所以
4、,自激振蕩條件也可以寫成:所以,自激振蕩條件也可以寫成:n是整數(shù)是整數(shù)相位條件相位條件意味著振蕩電路必須是正反饋;意味著振蕩電路必須是正反饋;振幅條件振幅條件可以通過(guò)調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達(dá)到??梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達(dá)到。問(wèn)題問(wèn)題:如何如何起振起振?如何穩(wěn)幅?如何穩(wěn)幅?1 FA1FA5Uo 是振蕩器的電壓輸出幅度,是振蕩器的電壓輸出幅度,B是要求輸出的幅度。是要求輸出的幅度。起振時(shí)起振時(shí)Uo=0,達(dá)到穩(wěn)定振蕩時(shí),達(dá)到穩(wěn)定振蕩時(shí)Uo=B。放大電路中存在噪聲即瞬態(tài)擾動(dòng),這些擾動(dòng)可分解為各放大電路中存在噪聲即瞬態(tài)擾動(dòng),這些擾動(dòng)可分解為各種頻率的分量,其中也包括有種頻率的分量,其中也包括有fo
5、分量。分量。選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò):把:把fo分量選出,把其他頻率的分量衰減掉。這時(shí),分量選出,把其他頻率的分量衰減掉。這時(shí),只要:只要:且且 A+ B =2n ,即可起振。即可起振。1 FA起振后,輸出將逐漸增大,若不采取穩(wěn)幅,這時(shí)若起振后,輸出將逐漸增大,若不采取穩(wěn)幅,這時(shí)若|AF|仍大于仍大于1,則輸出將會(huì)飽和失真。,則輸出將會(huì)飽和失真。達(dá)到需要的幅值后,將參數(shù)調(diào)整為達(dá)到需要的幅值后,將參數(shù)調(diào)整為AF=1,即可穩(wěn)幅。,即可穩(wěn)幅。起振并能穩(wěn)定振蕩的條件:起振并能穩(wěn)定振蕩的條件:111AFBUAFBUAFBUooo時(shí),時(shí),時(shí),6正弦波振蕩電路的組成:正弦波振蕩電路的組成: 放大電路放大電路:能量控
6、制,保證輸出信號(hào)有一定的幅度;:能量控制,保證輸出信號(hào)有一定的幅度; 選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò):確定輸出信號(hào)為單一頻率的正弦波信號(hào);:確定輸出信號(hào)為單一頻率的正弦波信號(hào); 反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò):引入正反饋;:引入正反饋; 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié):使輸出信號(hào)幅值穩(wěn)定。:使輸出信號(hào)幅值穩(wěn)定。其中選頻網(wǎng)絡(luò)往往與反饋網(wǎng)絡(luò)合二其中選頻網(wǎng)絡(luò)往往與反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一為一, 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)用非線性元件實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)用非線性元件實(shí)現(xiàn). oXdXfX放大電路 反饋與 選頻網(wǎng)絡(luò) 判斷電路是否可能產(chǎn)生正弦波振蕩的判斷電路是否可能產(chǎn)生正弦波振蕩的步驟:步驟:電路是否由四個(gè)部分組成:放大、選頻、反饋和穩(wěn)幅電路是否由四個(gè)部分組成:放大、選頻、反饋和穩(wěn)
7、幅放大電路是否能正常工作:靜態(tài)工作點(diǎn)是否合適,動(dòng)態(tài)放大電路是否能正常工作:靜態(tài)工作點(diǎn)是否合適,動(dòng)態(tài)信號(hào)能不能放大信號(hào)能不能放大判斷電路是否引入正反饋:利用瞬時(shí)極性法判斷電路是否引入正反饋:利用瞬時(shí)極性法判斷電路是否滿足起振條件:計(jì)算和,是否判斷電路是否滿足起振條件:計(jì)算和,是否1 FA7RC正弦波振蕩電路也叫正弦波振蕩電路也叫RC橋式橋式正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路或或文氏文氏橋橋振蕩電路振蕩電路構(gòu)成橋路構(gòu)成橋路+5.1.2 5.1.2 RC RC 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 放大電路放大電路選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò) 反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)-根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件的不同,分為根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件的不同,分為
8、RC、LC和石英晶體正和石英晶體正弦波振蕩電路三種類型。弦波振蕩電路三種類型。8 R1 Rf C C R oUfUA - - + R C C R oUfUR CjRCjRCjRUUFof 1/11/ 200231 ffffF ffffF0031arctan RCRCj 131 ffffj0031,為為振振蕩蕩頻頻率率RCfo 21 9200231 ffffF ffffF0031arctan 31F0ff o90F0ffo90o0,無(wú)相移,時(shí),當(dāng)031FoFff蕩蕩。條條件件,電電路路能能夠夠產(chǎn)產(chǎn)生生振振和和幅幅度度平平衡衡同同時(shí)時(shí)滿滿足足相相位位平平衡衡條條件件,此此時(shí)時(shí),則則若若13 FAA
9、,為為振振蕩蕩頻頻率率RCfo 21 10原因:原因:要提高其振蕩頻率,必須減小要提高其振蕩頻率,必須減小 R R 和和 C C 的值,放大器的值,放大器的輸出電阻和晶體管的極間電容將影響其選頻特性,的輸出電阻和晶體管的極間電容將影響其選頻特性,輸出頻率不穩(wěn)定。輸出頻率不穩(wěn)定。:RRAf的關(guān)系和可得電路中,根據(jù)起振條件:13 R1 Rf C C R oUfUA - - + R 311RRAf:調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)振振蕩蕩器器頻頻率率的的辦辦法法RCRC正弦波振蕩電路一般用于產(chǎn)生頻率低于正弦波振蕩電路一般用于產(chǎn)生頻率低于 1 MHz 1 MHz 的正弦波的正弦波12 RRfRCfo 21 11振蕩頻率可調(diào)的
10、選頻網(wǎng)絡(luò)振蕩頻率可調(diào)的選頻網(wǎng)絡(luò)例:例:已知電容的取值分別為已知電容的取值分別為0.01F, 0.1F, 1F, 10F, R=50, RW=10k.求求: f0的調(diào)節(jié)范圍的調(diào)節(jié)范圍.解:解:RCfo 21 maxmin21CRRfWo minmax21RCfo Hz59. 110101010502163 kHz3181001. 050216 雙聯(lián)波段開(kāi)關(guān),雙聯(lián)波段開(kāi)關(guān),切換切換C C,用于粗,用于粗調(diào)振蕩頻率。調(diào)振蕩頻率。雙聯(lián)可調(diào)電雙聯(lián)可調(diào)電阻阻用于細(xì)調(diào)振蕩用于細(xì)調(diào)振蕩頻率。頻率。12RCfo21通過(guò)調(diào)整通過(guò)調(diào)整R或或C來(lái)調(diào)整頻率。來(lái)調(diào)整頻率。C:雙聯(lián)可調(diào)電雙聯(lián)可調(diào)電容,改變?nèi)荩淖僀,用于細(xì)
11、調(diào)振用于細(xì)調(diào)振蕩頻率。蕩頻率。K:雙聯(lián)波段開(kāi):雙聯(lián)波段開(kāi)關(guān),切換關(guān),切換R,用于粗調(diào)振用于粗調(diào)振蕩頻率。蕩頻率。+ARFuoRCCRKKR1R1R2R2R3R313電子琴振蕩電路電子琴振蕩電路2121RRCfo_+ARF1uoR1CCRD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R2114 R1 RT C C R oUfUA - - + R 穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施(利用非線性元件來(lái)穩(wěn)幅)(利用非線性元件來(lái)穩(wěn)幅)4熱敏元件熱敏元件:RT(負(fù)溫度負(fù)溫度系數(shù)系數(shù))4二極管二極管(電流增大電阻(電流增大電阻減?。p?。?R1 Rf C C R oUfUA - - + R TPUTRo TuRAU
12、o uoAU dDoriU11RrRAdfu155.1.3 LC5.1.3 LC正弦波正弦波振蕩電路振蕩電路LC正弦波正弦波振蕩電路與振蕩電路與RC正弦波正弦波振蕩電路的組成原則在振蕩電路的組成原則在本質(zhì)上是相同的,只是本質(zhì)上是相同的,只是選頻網(wǎng)絡(luò)由電感選頻網(wǎng)絡(luò)由電感L和電容和電容C構(gòu)成構(gòu)成,可,可以產(chǎn)生高頻振蕩。由于高頻運(yùn)放價(jià)格較高,所以一般用分以產(chǎn)生高頻振蕩。由于高頻運(yùn)放價(jià)格較高,所以一般用分立立元件組成放大電路。本節(jié)只對(duì)元件組成放大電路。本節(jié)只對(duì) LC振蕩電路做一簡(jiǎn)單介紹,振蕩電路做一簡(jiǎn)單介紹,重點(diǎn)掌握相位條件的判別。重點(diǎn)掌握相位條件的判別。首先介紹一下首先介紹一下 LC LC 選頻網(wǎng)絡(luò)
13、。選頻網(wǎng)絡(luò)。LC并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路CjLjCjLjZAB11iULIABCLCI總I理想電路理想電路CLjCL1諧振頻率諧振頻率LCf21016一、諧振頻率與諧振電阻一、諧振頻率與諧振電阻 1、諧振的概念諧振的概念:AB間的阻抗最大,且呈純電阻的狀態(tài)間的阻抗最大,且呈純電阻的狀態(tài)諧振狀態(tài)。諧振狀態(tài)。2、諧振頻率諧振頻率:LC10LCf21001CL當(dāng)當(dāng) 時(shí)呈諧振狀態(tài),此時(shí)時(shí)呈諧振狀態(tài),此時(shí)或或iULIABCLRCI總I3、諧振電阻諧振電阻02020)(1)(RRCRLRCLZAB)1(CLjRCLZABCjLjRCjLjRZAB11)(RL LCO12損耗損耗電阻電阻CLoo117LCf
14、210RCULRURUIABABOAB2020)()(總LjRUIABL總IRLLULRUIABABL00202)(CjUIABC/1總ICRCUIABC0015、特點(diǎn)特點(diǎn)(1)諧振頻率:)諧振頻率:(2)諧振時(shí)總的容抗等于感抗:)諧振時(shí)總的容抗等于感抗:CL1兩端呈純電阻。兩端呈純電阻。(3)諧振時(shí)總電流與總電壓同相,支路電流比總電流大。)諧振時(shí)總電流與總電壓同相,支路電流比總電流大。電感支路:電感支路:電容支路:電容支路:iULIABCLRCI總I02020)(1)(RRCRLRCLZAB18二、諧振回路的品質(zhì)因數(shù)二、諧振回路的品質(zhì)因數(shù)CLRCRRLQ11000C10定義定義:諧振時(shí)電路的
15、電抗(:諧振時(shí)電路的電抗(0L或或 )與等效損耗電阻與等效損耗電阻R之比稱為之比稱為品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)。Q0的大小標(biāo)志著諧振質(zhì)量的優(yōu)劣。的大小標(biāo)志著諧振質(zhì)量的優(yōu)劣。Q0越大越大損耗越小。損耗越小。Q0通常在通常在30200之間。之間。諧振時(shí)回路電流比總電流大的多,外界對(duì)諧振回路諧振時(shí)回路電流比總電流大的多,外界對(duì)諧振回路的影響可以忽略!的影響可以忽略!總IQIICL總總IQIRLIL0總總IQICRIC01iULIABCLRCI總I19三、諧振曲線三、諧振曲線1、諧振曲線、諧振曲線fofABZ+90 90 f0R0)1(CLjRCLZAB)(11)1(1100000CRRLjRRCRLjRCLZ
16、AB)ffff(jQ1RffQffQj1R0000000002、通用諧振方程、通用諧振方程iULIABCLRCI總I20選頻放大電路選頻放大電路RCbeurZA當(dāng)當(dāng)f= fo 時(shí),電壓放大時(shí),電壓放大倍數(shù)最大,且無(wú)附加相移。倍數(shù)最大,且無(wú)附加相移。 具有選頻特性。具有選頻特性。若在電路中引入正反若在電路中引入正反饋,并能用反饋電壓取代饋,并能用反饋電壓取代輸入電壓,則電路就成為輸入電壓,則電路就成為正弦波振蕩電路。正弦波振蕩電路。根據(jù)在電路中引入反饋的方式不同,有變壓器反饋式、電根據(jù)在電路中引入反饋的方式不同,有變壓器反饋式、電感反饋式、電容反饋式三種電路。感反饋式、電容反饋式三種電路。21例
17、例1:變壓器反饋式振蕩電路變壓器反饋式振蕩電路+正反饋正反饋22+ 例例2:電感反饋式振蕩電路電感反饋式振蕩電路正反饋正反饋+UCCCC1C2頻率由頻率由LC諧振網(wǎng)絡(luò)決定。諧振網(wǎng)絡(luò)決定。23例例3:電感三點(diǎn)式振蕩電路電感三點(diǎn)式振蕩電路+正反饋正反饋+24例例4:電感三點(diǎn)式振蕩電路電感三點(diǎn)式振蕩電路頻率由頻率由C 、 L1 、 L2諧振網(wǎng)絡(luò)決定。諧振網(wǎng)絡(luò)決定。+UCCCC1L1L2C2+正反饋正反饋25例例4:電容三點(diǎn)式振蕩電路電容三點(diǎn)式振蕩電路正反饋正反饋頻率由頻率由 L 、 C1 、 C2 組成的諧振網(wǎng)絡(luò)決定。組成的諧振網(wǎng)絡(luò)決定。+UCCC1LC2+265.1.4. 石英晶體正弦波振蕩電路石
18、英晶體正弦波振蕩電路 石英晶體的基本特性石英晶體的基本特性極板間加交變電場(chǎng)極板間加交變電場(chǎng)極板間機(jī)械振動(dòng)極板間機(jī)械振動(dòng)晶體產(chǎn)生機(jī)械變形晶體產(chǎn)生機(jī)械變形晶體產(chǎn)生電場(chǎng)晶體產(chǎn)生電場(chǎng)交變電壓交變電壓機(jī)械振動(dòng)機(jī)械振動(dòng)交變電壓交變電壓壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)當(dāng)交變電壓頻率為一固有頻率時(shí),振幅最大當(dāng)交變電壓頻率為一固有頻率時(shí),振幅最大,稱為稱為壓電振蕩壓電振蕩。機(jī)械振動(dòng)的固有頻率與晶片尺寸有關(guān),穩(wěn)定性非常高。機(jī)械振動(dòng)的固有頻率與晶片尺寸有關(guān),穩(wěn)定性非常高。27石英晶體的等效電路石英晶體的等效電路感感性性容容性性容性容性LC0C R|Z|f等效電路等效電路阻抗特性阻抗特性 fpfSC0靜態(tài)電容。靜態(tài)電容。即即兩極板之
19、間的電容,兩極板之間的電容,與晶片的幾何尺寸、與晶片的幾何尺寸、極板面積有關(guān),極板面積有關(guān), 幾幾PF幾十幾十PF。L機(jī)械振蕩的慣性等效為電感機(jī)械振蕩的慣性等效為電感L。 10-3102H C晶片的彈性等效為電容晶片的彈性等效為電容C. 10-410-1PF R晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗等效為電阻晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗等效為電阻R 102 L大,大,C小,小,R小小 CLR1Q 很大很大 104106另一方面,晶片本身的固有頻率只與晶片的幾何尺寸有關(guān),另一方面,晶片本身的固有頻率只與晶片的幾何尺寸有關(guān),所以很穩(wěn)定,而且可以做得很精確。所以很穩(wěn)定,而且可以做得很精確。 28石英晶體的諧振
20、頻率石英晶體的諧振頻率感感性性LC0C R|Z|ffpfSCLjCjZ/1110000121CCfCCCCLfsP容容性性容性容性特點(diǎn):特點(diǎn):(1)一個(gè)晶體有兩個(gè)諧振頻率。一個(gè)晶體有兩個(gè)諧振頻率。CL1時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng)LC21fS即即串聯(lián)諧振頻率(阻抗最?。┐?lián)諧振頻率(阻抗最?。〤LC110時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng)00PCCCCL21f即即并聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率(阻抗最大)(阻抗最大)(2)fPfS,但由于,但由于CC0,fP、fS非常接近非常接近(3)晶體振蕩器是將晶片作為一個(gè)電感元件來(lái)使用的。)晶體振蕩器是將晶片作為一個(gè)電感元件來(lái)使用的。 29 石英晶體正弦波振蕩電路石英晶體正弦波振蕩電路 JT C2 C1
21、C 并并聯(lián)聯(lián)型型石石英英晶晶體體振振蕩蕩電電路路 Rc +Vcc Rb2 T Rb1 Re Ce 晶體工作在諧振頻率晶體工作在諧振頻率fP和和fS之間,石英晶體呈電感性,之間,石英晶體呈電感性,作為振蕩器回路的一個(gè)電感與電路的其他元件組成三作為振蕩器回路的一個(gè)電感與電路的其他元件組成三點(diǎn)式振蕩器。點(diǎn)式振蕩器。30 石英晶體正弦波振蕩電路石英晶體正弦波振蕩電路 T2 Rf JT Cb 串串聯(lián)聯(lián)型型石石英英晶晶體體振振蕩蕩電電路路 Rc +Vcc Rb2 T1 Rb1 Re1 Re2 利用利用f=fS時(shí)石英晶體呈純阻性,相移為零的特性構(gòu)時(shí)石英晶體呈純阻性,相移為零的特性構(gòu)成正弦波振蕩器。成正弦波振
22、蕩器。31 uC ,當(dāng),當(dāng) uC = -UT 時(shí),時(shí), uO = +UZ ,則,則u+ = +UT ,uO 通過(guò)通過(guò)R3向向C充電充電 。 uC ,當(dāng),當(dāng) uC = +UT 時(shí),時(shí), uO = - UZ ,則,則u+ = -UT ,uO 通過(guò)通過(guò)R3向向C反向充電(放反向充電(放電)電) 。 C R3 uC R4 Uz A - - + uo R2 R1 工作原理:工作原理: 設(shè)初態(tài)設(shè)初態(tài) uC = u- = 0,uO = +UZ ,則,則u+ = +UT ,uO 通過(guò)通過(guò)R3向向C充電充電 。5.2.1、 矩形波發(fā)生器矩形波發(fā)生器由由反向輸入反向輸入滯回比較器滯回比較器和和RC電路電路組成組成
23、滯滯回回比比較較器器32波形分析及主要參數(shù):波形分析及主要參數(shù): C R3 uC R4 Uz A - - + uo R2 R1 0UTuct-UTUZuo0t- UZTRC電路:電路:起反饋和延遲作起反饋和延遲作用,獲得一定的頻率。用,獲得一定的頻率。滯回比較器:滯回比較器:起開(kāi)關(guān)作用,起開(kāi)關(guān)作用,實(shí)現(xiàn)高低電平的轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)高低電平的轉(zhuǎn)換。方波發(fā)生器各部分的作用:方波發(fā)生器各部分的作用:T1T2CR32133 )1 (RCtcetu )1 (32CRTTZTTeUUUU周期與頻率的計(jì)算周期與頻率的計(jì)算f=1/T)21ln(2213RRCRT)21ln(21321RRCRTTZTURRRU2112
24、21TTTCR321占空比可調(diào)的占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路矩形波發(fā)生電路CRRW311CRRW322)21ln(2111RRT)21ln(2122RRT)21ln(2213RRCRRTW34 R R C uo A2 - - + C1 R3 uC R4 Uz A1 - - + uo1 R2 R1 t O +UZ -UZ uO1 t O uo 積分電路可將方波變?yōu)榉e分電路可將方波變?yōu)槿遣ǎ灾灰獙⒕匦尾ㄈ遣?,所以只要將矩形波電路的輸出(方波)作為積電路的輸出(方波)作為積分電路的輸入,在積分電路分電路的輸入,在積分電路的輸出端就可以得到三角波的輸出端就可以得到三角波電壓輸出。電壓輸出。5.2.2 三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器dtuRCu0101此電路要求前后電路此電路要求前后電路的時(shí)間常數(shù)配合好,的時(shí)間常數(shù)配合好,不能讓積分器飽和。不能讓積分器飽和。35 + + R C uo A2 - -
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