波形產(chǎn)生及變換電路課件

1、波形產(chǎn)生及變換電路波形產(chǎn)生及變換電路教學(xué)目標(biāo)了解各種類(lèi)型的信號(hào)波形掌握正弦波的產(chǎn)生原理理解非正弦波振蕩電路的工作原理9/9/20222教學(xué)目標(biāo)了解各種類(lèi)型的信號(hào)波形9/4/202247.1.1 產(chǎn)生正弦波的振蕩條件 正弦波振蕩電路是用來(lái)產(chǎn)生一定頻率和幅度的正弦交流信號(hào)的，其頻率范圍較廣。在第5章我們了解自激振蕩現(xiàn)象，當(dāng)放大電路在一定的條件下就會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。在放大電路中自激是非正常工作狀態(tài)，必須設(shè)法消除它。而本節(jié)討論的振蕩電路，正是利用自激振蕩來(lái)產(chǎn)生正弦波。 9/9/202237.1.1 產(chǎn)生正弦波的振蕩條件 正弦波振蕩電圖7 . 1 正弦波產(chǎn)生電路的基本結(jié)構(gòu) 9/9/20224圖7 . 1

2、正弦波產(chǎn)生電路的基本結(jié)構(gòu) 9/4/20226 正弦波發(fā)生電路的基本結(jié)構(gòu)是引入正反饋的反饋網(wǎng)絡(luò)和放大電路, 如圖6 - 15所示。接成正反饋是產(chǎn)生振蕩的首要條件, 又稱(chēng)為相位條件。為了使電路在沒(méi)有外加信號(hào)時(shí) , 就產(chǎn)生振蕩, 所以還要求電路在開(kāi)環(huán)時(shí)滿(mǎn)足即 9/9/20225 正弦波發(fā)生電路的基本結(jié)構(gòu)是引入正反饋的反饋網(wǎng)絡(luò) 正弦波產(chǎn)生電路一般應(yīng)包括以下幾個(gè)基本組成部分: (1) 放大電路。 (2) 反饋網(wǎng)絡(luò)。 (3) 選頻網(wǎng)絡(luò)。 (4) 穩(wěn)幅電路。 判斷一個(gè)電路是否為正弦波振蕩器, 就看其組成是否含有上述四個(gè)部分。 9/9/20226 正弦波產(chǎn)生電路一般應(yīng)包括以下幾個(gè)基本組成部分: 判斷振蕩的一般

3、方法是: (1) 是否滿(mǎn)足相位條件, 即電路是否為正反饋, 只有滿(mǎn)足相位條件才有可能振蕩。 (2) 放大電路的結(jié)構(gòu)是否合理, 有無(wú)放大能力, 靜態(tài)工作點(diǎn)是否合適。 (3) 分析是否滿(mǎn)足幅度條件, 檢驗(yàn) , 若 , 則不可能振蕩。 , 能振蕩, 但輸出波形明顯失真。 , 產(chǎn)生振蕩。振蕩穩(wěn)定后 。再加上穩(wěn)幅措施, 振蕩穩(wěn)定, 而且輸出波形失真小。 n=0，1，2， 9/9/20227 判斷振蕩的一般方法是: n=0，1，2， 為了保證輸出波形為單一頻率的正弦波，要求振蕩電路必須具有選頻特性。選頻特性通常由選頻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。選頻網(wǎng)絡(luò)可設(shè)置在放大電路中，使 具有選頻特性；也可設(shè)置在反饋網(wǎng)絡(luò)中，使 具有選頻

4、特性，因此振蕩電路僅對(duì)某一頻率成分的信號(hào)滿(mǎn)足振蕩的相位條件和幅度條件，該信號(hào)的頻率就是該振蕩電路的振蕩頻率。9/9/20228 為了保證輸出波形為單一頻率的正弦波，要求振蕩電路必7.1.2 RC正弦波的振蕩電路RC正弦波振蕩電路可分為RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路、移相式正弦波振蕩電路和雙T網(wǎng)絡(luò)正弦波振蕩電路。本節(jié)主要介紹RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路，它又稱(chēng)為文氏橋正弦波振蕩電路，因?yàn)樗哂胁ㄐ魏?、振幅穩(wěn)定、選頻調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛。其電路主要結(jié)構(gòu)是采用RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為選頻和反饋網(wǎng)絡(luò)。在分析正弦波振蕩電路時(shí)，關(guān)鍵是要了解串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性，才能分析它振蕩的工作原理。9/9/202297.1.

5、2 RC正弦波的振蕩電路RC正弦波振蕩電路可分為R1、 RC網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng) RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的電路如圖7.2(a) 所示。RC串聯(lián)臂的阻抗用Z1表示，RC并聯(lián)臂的阻抗用Z2表示。其頻率響應(yīng)如下: 圖7.2（a）RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)9/9/2022101、 RC網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng) RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)1)122Cw1RCR1j()1(2121CRCRw-+=R/j+)Cj/1(2122221112RCCRCRRRww+=)j1()Cj/1(222112RCRRRww+=諧振頻率為: f0=當(dāng)R1 = R2，C1 = C2時(shí)，諧振角頻率和諧振頻率分別為:)j1/(+)Cj/1()j1/(22211222212CRR

6、RCRRZZZwww+=+=9/9/2022111)122Cw1RCR1j()1(2121CRCRw-+幅頻特性:相頻特性: 當(dāng) f=f0 時(shí)的反饋系數(shù) ,且與頻率f0的大小無(wú)關(guān)。此時(shí)的相角 F=0。即改變頻率不會(huì)影響反饋系數(shù)和相角，在調(diào)節(jié)諧振頻率的過(guò)程中，不會(huì)停振，也不會(huì)使輸出幅度改變。如圖7.2（b）所示。9/9/202212幅頻特性:相頻特性: 當(dāng) f= 圖7.2（b) RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線9/9/202213 圖7.2（b) RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線2、 RC文氏橋振蕩電路 (1) RC文氏橋振蕩電路的構(gòu)成 RC文氏橋振蕩電路如圖7.3所示，RC 串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是正反饋網(wǎng)絡(luò)，另

7、外還增加了R3和R4負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。 C1、R1和C2、R2正反饋支路與R3、R4負(fù)反饋支路正好構(gòu)成一個(gè)橋路，稱(chēng)為文氏橋。圖7.3 RC文氏橋振蕩電路9/9/2022142、 RC文氏橋振蕩電路 (1) RC文氏橋振蕩電路的當(dāng)C1 =C2、R1 =R2時(shí): 為滿(mǎn)足振蕩的幅度條件 =1，所以Af3。加入R3、R4支路，構(gòu)成串聯(lián)電壓負(fù)反饋。F=09/9/202215當(dāng)C1 =C2、R1 =R2時(shí): 為滿(mǎn)足振蕩 (2) RC文氏橋振蕩電路的穩(wěn)幅過(guò)程 RC文氏橋振蕩 電路的穩(wěn)幅作用是 靠熱敏電阻R4實(shí)現(xiàn) 的。R4是正溫度系數(shù)熱敏電阻，當(dāng)輸出電壓升高，R4上所加的電壓升高，即溫度升高，R4的阻值增加，負(fù)反饋

8、增強(qiáng)，輸出幅度下降。反之輸出幅度增加。若熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)，應(yīng)放置在R3的位置。見(jiàn)圖11.03。9/9/202216 (2) RC文氏橋振蕩電路的穩(wěn)幅過(guò)程 (a) 穩(wěn)幅電路 (b) 穩(wěn)幅原理圖 圖11.04 反并聯(lián)二極管的穩(wěn)幅電路 采用反并聯(lián)二極管的穩(wěn)幅電路如圖7.4所示。電路的電壓增益為 式中 Rp是電位器上半部的電阻值，Rp是電位器下半部的電阻值。R3= R3 / RD，RD是并聯(lián)二極管的等效平均電阻值。 當(dāng)Vo大時(shí)，二極管支路的交流電流較大，RD較小，Avf較小，于是Vo下降。由圖(b)可看出二極管工作在C、D點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的等效電阻，小于工作在A、B點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的等效電阻，所以輸出幅度小。 二

9、極管工作在A、B點(diǎn)，電路的增益較大，引起增幅過(guò)程。當(dāng)輸出幅度大到一定程度，增益下降，最后達(dá)到穩(wěn)定幅度的目的。9/9/202217 (a) 穩(wěn)幅電路 7.1.3 LC正弦波振蕩電路 LC正弦波振蕩電路的構(gòu)成與RC正弦波振蕩電路相似，包括有放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅電路。這里的選頻網(wǎng)絡(luò)是由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成，正反饋網(wǎng)絡(luò)因不同類(lèi)型的LC正弦波振蕩電路而有所不同。 一、LC并聯(lián)諧振電路的頻率響應(yīng) 二、變壓器反饋LC振蕩器 三、電感三點(diǎn)式LC振蕩器9/9/2022187.1.3 LC正弦波振蕩電路 LC正1、LC并聯(lián)諧振電路的頻率響應(yīng) LC并聯(lián)諧振電路如圖7.5（a）所示。顯然輸出電壓是頻率

10、的函數(shù)： 輸入信號(hào)頻率過(guò)高，電容的旁路作用加強(qiáng)，輸出減??；反之頻率太低，電感將短路輸出。并聯(lián)諧振曲線如圖7.5（b）所示。 （a）LC并聯(lián)諧振電路圖7.5 LC并聯(lián)諧振電路與并聯(lián)諧振曲線 （b）并聯(lián)諧振曲線9/9/2022191、LC并聯(lián)諧振電路的頻率響應(yīng) LC并聯(lián)諧振時(shí)諧振頻率 諧振時(shí)電感支路電流或電容支路電流與總電流之比，稱(chēng)為并聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù) 考慮電感支路的損耗，用R表示，如圖7.6所示。 圖7.6 有損耗的諧振電路9/9/202220 諧振時(shí)電感支路電流或電容支路電流與總電流之比 對(duì)于圖7.5(b)的諧振曲線，Q值大的曲線較陡較窄，圖中Q1Q2。并聯(lián)諧振電路的諧振阻抗諧振時(shí)LC并聯(lián)

11、諧振電路相當(dāng)一個(gè)電阻。9/9/202221 對(duì)于圖7.5(b)的諧振曲線，Q值大的曲2、變壓器反饋LC振蕩電路圖7.6 變壓器反饋LC振蕩電路變壓器反饋LC振蕩電路如圖7.6所示。 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)線頭，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(mǎn)足。9/9/2022222、變壓器反饋LC振蕩電路圖7.6 變壓器反饋LC振蕩電路變 有關(guān)同名端的極性請(qǐng)參閱圖7.7。 圖7.7 同名端的極性 變壓器反饋LC振蕩電路的振蕩頻率與并聯(lián)LC諧振電路相同，為9/9

12、/202223 有關(guān)同名端的極性 圖7.7 同名端的極性 變3、電感三點(diǎn)式LC振蕩器 圖7.8 為電感三點(diǎn)式LC振蕩電路。電感線圈L1和L2是一個(gè)線圈，2點(diǎn)是中間抽頭。如果設(shè)某個(gè)瞬間集電極電流減小，線圈上的瞬時(shí)極性如圖所示。反饋到發(fā)射極的極性對(duì)地為正，圖中三極管是共基極接法，所以使發(fā)射結(jié)的凈輸入減小，集電極電流減小，符合正反饋的相位條件。 圖7.8 電感三點(diǎn)式LC振蕩器（CB）圖7.9電感三點(diǎn)式LC振蕩器（CE）圖7.9 為另一種電感三點(diǎn)式LC振蕩電路。 9/9/2022243、電感三點(diǎn)式LC振蕩器 圖7.8 為 分析三點(diǎn)式LC振蕩電路常用如下方法，將諧振回路的阻抗折算到三極管的各個(gè)電極之間，

13、有Zbe、Zce、Zcb ,如圖7.10所示。 圖7.10 三點(diǎn)式振蕩器 對(duì)于圖7.11 Zbe是L2、 Zce是L1、 Zcb是C?？梢宰C明若滿(mǎn)足相位平衡條件， Zbe和Zce必須同性質(zhì)，即同為電容或同為電感，且與Zcb性質(zhì)相反。 圖7.11 三點(diǎn)式振蕩器實(shí)際電路9/9/202225 分析三點(diǎn)式LC振蕩電路常用如下方法，將諧振回路的阻抗4、電容三點(diǎn)式LC振蕩電路 與電感三點(diǎn)式LC振蕩電路類(lèi)似的有電容三點(diǎn)式LC振蕩電路，見(jiàn)圖7.12。（a）CB組態(tài) （b）CE組態(tài)圖7.12 電容三點(diǎn)式LC振蕩電路9/9/2022264、電容三點(diǎn)式LC振蕩電路 與電感三點(diǎn)式LC振例7.1：圖7.13為一個(gè)三點(diǎn)式

14、振蕩電路，試判斷是否滿(mǎn)足相位平衡條件。 (a) (b) 圖7.13 例題7.1的電路圖9/9/202227例7.1：圖7.13為一個(gè)三點(diǎn)式振蕩電路，試判斷是否滿(mǎn)足相位5、石英晶體LC振蕩電路 利用石英晶體的高品質(zhì)因數(shù)的特點(diǎn)，構(gòu)成LC振蕩電路，如圖7.14所示。 (a)串聯(lián)型 f0 =fs （b）并聯(lián)型 fs f0fp 圖7.14 石英晶體振蕩電路9/9/2022285、石英晶體LC振蕩電路 利用石英晶體的高品質(zhì)因 石英晶體的阻抗頻率特性曲線見(jiàn)圖7.15,圖7.15 石英晶體的電抗曲線它有一個(gè)串聯(lián)諧振頻率fs,一個(gè)并聯(lián)諧振頻率 fp，二者十分接近。 對(duì)于圖7.14(a)的電路與電感三點(diǎn)式振蕩電路

15、相似。要使反饋信號(hào)能傳遞到發(fā)射極，為此石英晶體應(yīng)處于串聯(lián)諧振點(diǎn)，此時(shí)晶體的阻抗接近為零。 對(duì)于圖7.14(b)的電路，滿(mǎn)足正反饋的條件，為此，石英晶體必須呈電感性才能形成LC并聯(lián)諧振回路，產(chǎn)生振蕩。由于石英晶體的Q值很高，可達(dá)到幾千以上，所示電路可以獲得很高的振蕩頻率穩(wěn)定性。9/9/202229 石英晶體的圖7.15 石英晶體的電抗曲線它有一個(gè)串聯(lián)1、方波發(fā)生電路2、三角波發(fā)生電路3、鋸齒波發(fā)生電路 7.2 非正弦波發(fā)生電路9/9/2022301、方波發(fā)生電路 7.2 非正弦波發(fā)生電路9/4/2022 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7.16所示。(

16、1)工作原理電源剛接通時(shí), 設(shè) 電容C充電， 升高。參閱圖7.17。圖7.16 方波發(fā)生器9/9/202231 1、方波發(fā)生電路 方波發(fā)生電路是由滯回比較電路和 當(dāng) 時(shí)， ，所以 電容C放電， 下降。 當(dāng) ，時(shí)，返回初態(tài)。 方波周期用過(guò)渡過(guò)程公式可以方便地求出 圖7.17方波發(fā)生器波形圖9/9/202232 當(dāng) (2)占空比可調(diào)的矩形波電路 顯然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)的矩形波電路見(jiàn)圖7.18。 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。 圖7.18 占空比可調(diào)方波發(fā)生電路 9/

17、9/202233(2)占空比可調(diào)的矩形波電路 顯然為了改變輸出方占空比為： 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。 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。 圖7.19 方波發(fā)生器波形圖9/9/202234占空比為： 其中， 是電位器中點(diǎn)到上端電阻2、 三角波發(fā)生器 三角波發(fā)生器的電路如圖7.20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 。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 時(shí)，vO1 從 +VZ跳變?yōu)?VZ。波形 圖參閱圖7.27。

18、圖7.20三角波發(fā)生器9/9/2022352、 三角波發(fā)生器 三角波發(fā)生器的電路如圖7.22. 在vO1=-VZ后，電容C開(kāi) 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。圖7.21 三角波發(fā)生器的波形輸出峰值振蕩周期：9/9/2022362. 在vO1=-VZ后，電容C開(kāi) 圖7.21 三角波發(fā)生 三、鋸齒波發(fā)生器 鋸齒波發(fā)生器的電路如圖7.22所示。顯然，為了獲得鋸齒波，應(yīng)改變積分器的充放電時(shí)間常數(shù)。圖中的二極管D和R將使充電時(shí)間常數(shù)減為(RR)C，而放電時(shí)間常數(shù)仍為RC。 圖7.22 鋸齒波發(fā)生器電路圖 鋸齒波電路的輸出波形圖如圖7.23所示。9/9/202237 三、鋸齒波發(fā)生器 鋸齒波發(fā)生器的電路如圖7 圖7.23 鋸齒波發(fā)生器的波形 鋸齒波周期可以根據(jù)時(shí)間常數(shù)和鋸齒波的幅值求得。鋸齒波的幅值為： vo1m=|Vz|= vomR2/R1 vom= |Vz| R1/R2于是有9/9/202238 圖7.23 鋸齒波發(fā)生器的波形 鋸齒波周期可7.3 波形產(chǎn)生及變換的Multisim 仿真舉例本節(jié)選取矩形波發(fā)生電路和三角波發(fā)生電路為例進(jìn)