波形產(chǎn)生和變換課件

1、第九章 波形產(chǎn)生和變換正弦波振蕩電路 RC正弦波振蕩電路LC正弦波振蕩電路石英晶體波振蕩電路電壓比較器非正弦波產(chǎn)生電路方波發(fā)生器方波三角波發(fā)生器波形變換電路9.1 正弦波振蕩電路 振蕩基礎(chǔ)知識(shí) RC正弦波振蕩電路 LC正弦波振蕩電路 石英晶體波振蕩電路9.1.1 振蕩基礎(chǔ)知識(shí)振蕩條件起振和穩(wěn)幅振蕩電路的基本組成部分振蕩電路的分析方法1. 振蕩條件相位平衡條件幅度平衡條件振蕩平衡條件:XiXdXoXf基本放大電路A反饋網(wǎng)絡(luò)F反饋電路的方框圖：考慮耦合電容、極間電容等的影響負(fù)反饋?zhàn)约l件:受正反饋網(wǎng)絡(luò)影響不考慮極間電容等的影響正反饋?zhàn)约l件:+2. 起振和穩(wěn)幅滿足上述條件后，一旦電源接通，隨著時(shí)間

2、增加輸出幅度增大。增大到一定程度后，放大電路中晶體管將進(jìn)入飽和或截至狀態(tài)，輸出正弦波將失真。應(yīng)采取穩(wěn)幅措施。起振的幅度條件是：3. 振蕩電路的基本組成部分 振蕩電路的基本組成部分:（1）放大電路 沒有放大，不可能產(chǎn)生振蕩。 要保證電路具有放大功能（2）反饋網(wǎng)絡(luò) 形成正反饋，以滿足相位平衡條件（3）選頻網(wǎng)絡(luò) 以產(chǎn)生單一頻率的正弦波(RC、LC)（4）穩(wěn)幅電路 以保證輸出端得到不失真的正弦波4. 振蕩電路的分析方法判斷能否產(chǎn)生振蕩的一般方法和步驟：a. 檢查電路的組成部分c. 將電路在放大器輸入端斷開，利用瞬時(shí)極性法 判斷電路是否滿足相位平衡條件 b. 檢查放大電路是否正常工作d. 分析是否滿足振

3、蕩產(chǎn)生的幅度條件。 一般AF應(yīng)略大于1振蕩電路的分析方法:9.1.2 RC正弦振蕩電路RC橋式振蕩電路RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性RC橋式振蕩電路穩(wěn)幅措施RC橋式振蕩電路仿真場(chǎng)效應(yīng)管穩(wěn)幅音頻信號(hào)發(fā)生器移相式選頻網(wǎng)絡(luò)和移相式式振蕩電路移相式選頻網(wǎng)絡(luò)移相式RC振蕩電路雙T選頻網(wǎng)絡(luò)VoRfR1CRCRVf1. RC橋式振蕩電路橋式RC振蕩電路結(jié)構(gòu):選頻和反饋網(wǎng)絡(luò)放大電路RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性0.1fHfH10fH0-20-4045900ff-20dB/十倍頻-30.1fHfH10fH0-20-40-45-900ff-20dB/十倍頻-3低頻VoCRVf高頻VoCRVfVoCRCRVfRC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻

4、率特性VoCRCRVfRC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性)j1/(+)Cj/1()j1/(22211222212CRRRCRRZZZwww+=+=1)122Cw1RCR1j()1(2121CRCRw-+=R/j+)Cj/1(2122221112RCCRCRRRww+=)j1()Cj/1(222112RCRRRww+=諧振頻率為: RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性當(dāng)R1 = R2，C1 = C2時(shí)，諧振角頻率 諧振頻率 幅頻特性:相頻特性:RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性當(dāng) f=f0 時(shí)的反饋系數(shù)為1/3 ,且與頻率f0的大小無關(guān)。此時(shí)的相角 F = 0。VoRfR1CRCRVfRC橋式振蕩電路Rf 2R1振蕩頻率:已知

5、RC串并連選頻電路諧振時(shí)反饋系數(shù)為1/3，Vf與Vo相位差為0。所以要使電路能產(chǎn)生正弦振蕩，放大器必須是同相放大器，且放大倍數(shù)要大于3。VoRfR1CRCRVf穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施2 :利用非線性器件穩(wěn)幅VoRfR1CRCRD1D2穩(wěn)幅措施1 : Rf 采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻 R1采用正溫度系數(shù)的熱敏電阻RC橋式振蕩電路仿真仿真電路結(jié)果場(chǎng)效應(yīng)管穩(wěn)幅音頻信號(hào)發(fā)生器場(chǎng)效應(yīng)管穩(wěn)幅音頻信號(hào)發(fā)生器RC選頻網(wǎng)絡(luò)輸出經(jīng)D整流和R4C3濾波后，經(jīng)R5和RP4加在場(chǎng)效應(yīng)管柵極。輸出幅度增大，VGS負(fù)向增大，RDS增大使放大倍數(shù)減小。2. 移相式選頻網(wǎng)絡(luò)和移相式式振蕩電路f/f01-270-1800f/f01270

6、1800滯后移相式選頻網(wǎng)絡(luò)超前移相式選頻網(wǎng)絡(luò)VoCRCRCRVf移相式選頻網(wǎng)絡(luò):超前移相仿真滯后移相仿真移相式RC振蕩電路超前移相式RC振蕩器CRCRCRVoRfR1VoRfR1CRCRCR滯后移相式RC振蕩器雙T式選頻網(wǎng)絡(luò)注：有源濾波器 中R=R/2CRCR2CR0-180RR/2f/f0-360f/f090-900RR/2雙T式選頻網(wǎng)絡(luò) 仿真(RR/2)雙T式選頻網(wǎng)絡(luò) 仿真(R R/2)例1: 判斷電路能否產(chǎn)生振蕩CRCCRT1T2Re1Re2Rc2Rc1Rb1VCCCCT1T2Re1Re2Rc2Rc1Rb1VCC判斷電路能否產(chǎn)生振蕩CCT1T2Re1Re2Rc1Rb1VCCCRRReR1

7、R2R4R3RRRCCCVCC-VEE變壓器反饋式電感三點(diǎn)式電容三點(diǎn)式分類9.1.3 LC 正弦波振蕩電路 LC正弦波振蕩電路可產(chǎn)生1000MHz以上的正弦波信號(hào)，而一般運(yùn)放頻帶較窄，高速運(yùn)放價(jià)格昂貴，所以LC振蕩電路中的放大器一般采用分離元件組成。1. LC 并聯(lián)回路的基本特性R: 回路的等效耗損電阻等效阻抗: LC 并聯(lián)回路 LC 并聯(lián)回路的基本特性b. 諧振時(shí)的等效阻抗Q: 回路品質(zhì)因數(shù),用來評(píng)價(jià)回路損耗的大小, 一般為幾十到幾百a. 諧振頻率LC 并聯(lián)回路的基本特性c. 諧振電流諧振時(shí),回路呈純電阻性,這時(shí) V 與 I 同相輸入電流:諧振電流:即 LC 并聯(lián)回路 LC 并聯(lián)回路的基本特

8、性d. 回路的頻率特性:諧振回路的選頻性能主要取決于Q, Q越大,選頻性能越好在 f = f0 時(shí),回路為純阻性,且阻抗最大2. 選頻放大器CLRLviRb1Rb2Tr1Tr2CbReCeTVCC+vo-當(dāng)輸入信號(hào)頻率等于LC回路諧振頻率時(shí)輸出信號(hào)最大3.變壓器反饋式正弦波振蕩器 LC并聯(lián)諧振電路作為三極管的負(fù)載，反饋線圈L2與電感線圈相耦合,將反饋信號(hào)送入三極管的輸入回路。交換反饋線圈的兩個(gè)同名端，可使反饋極性發(fā)生變化。調(diào)整反饋線圈的匝數(shù)可以改變反饋信號(hào)的強(qiáng)度，以使正反饋的幅度條件得以滿足。變壓器反饋式正弦振蕩器分析方法判斷能否產(chǎn)生振蕩的一般方法和步驟：a. 檢查電路的組成部分c. 將電路在

9、放大器輸入端斷開，利用瞬時(shí) 極性法判斷電路是否滿足相位平衡條件 b. 檢查放大電路是否正常工作d. 分析是否滿足振蕩產(chǎn)生的幅度條件。 一般AF應(yīng)略大于1+_+同名端的判斷:先找出交流公共端,如果輸出端與反饋端如果互為同名端則同相,否則反相例2: 試用相位平衡條件判斷電路能否產(chǎn)生振蕩C1CR2R1VCCC1CR2R1VCCR3不能，直流偏置不對(duì)不滿足相位平衡條件能試用相位平衡條件判斷電路能否產(chǎn)生振蕩C2CR2R1VCCR3C1CeCR2R1VCCR3C1能能4. 三點(diǎn)式正弦振蕩器(1) 三點(diǎn)式振蕩器的一般結(jié)構(gòu) A：放大電路：1,3：輸入端2,3：輸出端Z2：電路負(fù)載Z1，Z3起反饋?zhàn)饔肸3Z1Z

10、2Vo132AZ3Z1Z2roVoA三點(diǎn)式正弦振蕩器反饋系數(shù):開環(huán)增益:ZLZ3Z1Z2Vo132A三點(diǎn)式正弦振蕩器如果Z1,Z2 ,Z3都是純電抗元件,則有:Z1= jX1 Z2= jX2 Z3= jX3 所以:要使電路能產(chǎn)生振蕩,必須滿足:環(huán)路增益:三點(diǎn)式正弦振蕩器a.b.所以對(duì)于反相放大器： X1 ，X2 必須是同類電抗元件， X3 與X1 或X2 是不同類電抗元件三點(diǎn)式正弦振蕩器結(jié)論: 對(duì)于反相放大電路，X1 、X2 必須是同類電抗元 件，X3 與X1 或X2 是不同類電抗元件； 對(duì)于同相放大電路，X1 、X2 必須是不同類電抗 元件，X3 與X1 或X2 是同類電抗元件。 Z3Z1Z

11、2Vo132電容三點(diǎn)式矢量圖VCCLCb1Cb2C1C2LC1C2VbeVceVf+-+-ILC1支路呈感性,電流滯后電壓90度；C1上電壓滯后電流90度-+電感三點(diǎn)式VbeVceVfIOL2CL1VceVf+-IL1C支路呈容性,電流超前電壓90度; L1上電壓超前電流90度-+-VbeVCCL2Cb1Cb2CL1Ce常見的電感三點(diǎn)式電路常見的電容三點(diǎn)式電路兩種改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路克拉潑電路 (Clapp)西勒電路 (Seiler )VCCLCb1Cb2C1C2VCCLCb1Cb2C1C2例3: 試用相位平衡條件判斷三點(diǎn)式電路能否產(chǎn)生振蕩能不能判斷三點(diǎn)式電路能否產(chǎn)生振蕩VCCLCb1C1

12、C2能能VCCL2Cb1CL1判斷三點(diǎn)式電路能否產(chǎn)生振蕩VCCLCb1Cb2C1C2Vo+-能不能，直流偏置錯(cuò)誤。在發(fā)射極與電感線圈間加隔直電容VCCL2Cb1C1L19.1.4 石英晶體正弦波振蕩電路1. 基本知識(shí)(2) 符號(hào)和等效電路優(yōu) 點(diǎn) : Q值很大 頻率穩(wěn)定度高(1) 壓電效應(yīng) 壓電諧振問題諧振與振蕩是相同的嗎？石英晶體諧振分析L、C組成串聯(lián)諧振電路L、C、C0組成并聯(lián)諧振電路因此晶體有兩個(gè)諧振頻率：串聯(lián)諧振頻率:并聯(lián)諧振頻率:C02PC0.01PL2.5HR640石英晶體諧振分析串聯(lián)諧振時(shí)有最小阻抗，且相移為0。并聯(lián)諧振時(shí)有最大阻抗，相移不為0。一般CC0 ，fs與fp接近石英晶體

13、振蕩電路串聯(lián)并聯(lián)石英晶體振蕩電路串聯(lián)型 f0 =fs并聯(lián)型 fs f0 V 時(shí), V o 為高 V+ V 時(shí), V o 為低 比較器的分析方法1.求出閾值: 輸出從一個(gè)電平跳變到另一個(gè)電平 時(shí)（這時(shí)運(yùn)放的兩個(gè)輸入端之間可視為虛短虛 斷）所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值。2. 分析輸入與輸出的關(guān)系,畫出傳輸特性 9.2.1 簡(jiǎn)單電壓比較器過零比較器： 過零電壓比較器是典型的幅度比較電路，它的電路圖和傳輸特性曲線如圖所示。簡(jiǎn)單電壓比較器 將過零電壓比較器的一個(gè)輸入端從接地改接到一個(gè)電壓值VREF 上 , 就得到電壓幅度比較器，它的電路圖和傳輸特性曲線如圖所示。電壓幅度比較器：過零比較器應(yīng)用同相比較器反相比較器反

14、相比較器波形圖同相比較器波形圖?傳輸特性?限幅比較器同相端與反相端間的電壓?輸出幅度?同相端與反相端間的電壓?輸出幅度?+_R1R2vivoVD=0.7VVD =.2VVZ+_R1R2vivoVD=0.7V9.2.2 滯回比較器a. 反相輸入滯回比較器臨界狀態(tài)下有:vI-+AR2vOR1R3VZVRvNvP滯回比較器當(dāng)vI從VT-逐漸增大，增大到vI VT+時(shí)， vo=-Vz vP=VT-當(dāng)vI VT-時(shí)，vo=+Vz vP=VT+當(dāng)vI從VT+逐漸減小，減小到vI VT-時(shí)， vo=+Vz vP=VT+(VR=0V)vI-+AR2vOR1R3VZVRvNvP滯回比較器輸入輸出波形VT+VT-

15、(VREF=0V)滯回比較器臨界狀態(tài)下有:b. 同相滯回比較器vI-+AR2vOR1R3VZVRvPvN同相滯回比較器電壓傳輸特性VT+VT-(VREF=0V)vRVT+VT-vIvOVOHVOL滯回比較器應(yīng)用為了提高簡(jiǎn)單電壓比較器的抗干擾能力滯回比較器應(yīng)用正弦波變換為矩形波 有干擾正弦波變換為方波9.2.3 窗口比較器設(shè)R1 =R2，則有： 當(dāng)vIVH時(shí)，vO1為高電平，D3導(dǎo)通；vO2為低電平, D4截止，vO= vO1 = VOH。窗口比較器當(dāng)VH vI VL時(shí)，vO1為低電平，vO2為低電平，D3、D4截止，vO為0V；傳輸特性當(dāng)vI VL時(shí)，vO2為高電平，D4導(dǎo)通；vO1為低電平，

16、D3截止，vO= vO2 = VOH 。9.2.4 三態(tài)比較器vI-+A2vOR3R4VZVRL-+A1R1R2VRHD1D2vo1vo2R5vOvIVRLVRHVOHVOL9.3 非正弦波產(chǎn)生電路占空比 =T1T矩形波方波TTL波 矩形波發(fā)生電路的基本工作原理方波經(jīng)積分變?yōu)槿遣? 矩形波積分變?yōu)殇忼X波9.3.1 方波發(fā)生電路 方波發(fā)生電路是由滯回比較電路和RC定時(shí)電路構(gòu)成的，電路如圖所示。方波發(fā)生電路工作原理(2)當(dāng)vc=VNVP時(shí)，vo=-VZ，所以：電容C放電， vc 開始下降。(1)電源剛接通時(shí), 設(shè)：電容C充電， vc 開始升高；(3)當(dāng)vc=VNVp時(shí)，vo=+VZ ，返回初態(tài)。

17、方波發(fā)生電路輸出波形 方波周期用過渡過程公式可以方便地求出： 其中：過渡過程公式：t1t2方波發(fā)生電路波形周期計(jì)算t1t2方波發(fā)生電路改進(jìn)占空比可調(diào)的矩形波電路 為了改變輸出方波的占空比，應(yīng)改變電容器C的充電和放電時(shí)間常數(shù)。占空比可調(diào)的矩形波電路如圖。 C充電時(shí)，充電電流經(jīng)電位器的上半部、二極管D1、Rf； C放電時(shí)，放電電流經(jīng)Rf、二極管D2、電位器的下半部。矩形波電路的占空比可調(diào)占空比為： 其中， 是二極管D2的導(dǎo)通電阻。即改變 的中點(diǎn)位置，占空比就可改變。 其中， 是電位器中點(diǎn)到上端電阻， 是二極管D1的導(dǎo)通電阻。思考題：思考題：正弦振蕩與非正弦振蕩的原理有什么不同之處？9.3.2 三角

18、波方波發(fā)生電路 三角波發(fā)生器的電路如圖所示。它是由滯回比較器和積分器閉環(huán)組合而成的。積分器的輸出反饋給滯回比較器，作為滯回比較器的輸入電壓VI。1. 三角波方波發(fā)生電路工作原理(1)當(dāng)vO1=+VZ時(shí),則電容C充電, 同時(shí)vO按線性逐漸下降，當(dāng)使A1的VP 略低于VN (0)時(shí)，vO1 從 +VZ跳變?yōu)?VZ。(2) 在vO1=-VZ后，電容C開始放電，vO按線性上升，當(dāng)使A1的VP略大于零時(shí)，vO1從-VZ跳變?yōu)? VZ ，如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩。vO的上升時(shí)間和下降時(shí)間相等，斜率絕對(duì)值也相等，故vO為三角波。2. 三角波方波發(fā)生電路輸出波形峰值 輸出峰值:方波跳變時(shí)：VP=VN=0，VO1=