模電課件 8 波形的發(fā)生

*8.1正弦波振蕩電路

*8.2電壓比較器

8.4利用集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路(自學(xué))8.3非正弦波發(fā)生電路第8章波形的發(fā)生和信號(hào)的轉(zhuǎn)換

重點(diǎn)與考點(diǎn):(1)正弦波振蕩的相位平衡條件、幅值平衡條件(2)RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路的工作原理、起振條件、穩(wěn)幅原理及振蕩頻率的計(jì)算。(3)LC正弦波振蕩電路組成原則與判斷。(4)單門(mén)限電壓比較器和滯回比較器的分析8.1正弦波振蕩電路一、正弦波振蕩的條件和電路的組成二、RC正弦波振蕩電路三、LC正弦波振蕩電路四、石英晶體正弦波振蕩電路本節(jié)課的教學(xué)目的：1、理解正弦波振蕩的條件、電路的組成及各部分的作用；2、掌握文氏橋振蕩電路的特點(diǎn)，學(xué)會(huì)組成文氏橋振蕩電路；3、理解各種LC（包括石英晶體）正弦波振蕩電路的組成及振蕩原理；4、學(xué)會(huì)判斷電路是否可能產(chǎn)生正弦波振蕩的方法。一、正弦波振蕩的條件和電路的組成1.正弦波振蕩的條件無(wú)外加信號(hào)，輸出一定頻率一定幅值的信號(hào)。與負(fù)反饋放大電路的振蕩的不同之處：在正弦波振蕩電路中引入的是正反饋，且振蕩頻率可控。在電擾動(dòng)下，對(duì)于某一特定頻率f0的信號(hào)形成正反饋：由于半導(dǎo)體器件的非線性特性及供電電源的限制，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，穩(wěn)定在一定的幅值。。1.正弦波振蕩的條件

一旦產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩，則電路的輸出量自維持，即幅值平衡條件相位平衡條件起振條件：

要產(chǎn)生正弦波振蕩，必須有滿足相位條件的f0，且在合閘通電時(shí)對(duì)于f=f0信號(hào)有從小到大直至穩(wěn)幅的過(guò)程，即滿足起振條件。2.

起振與穩(wěn)幅電路如何從起振到穩(wěn)幅？穩(wěn)定的振幅非線性環(huán)節(jié)的必要性！3.

基本組成部分1)放大電路：放大作用,保證Uo從起振到動(dòng)態(tài)平衡2)正反饋網(wǎng)絡(luò)：滿足相位條件,使Ui=Uf3)選頻網(wǎng)絡(luò)：確定振蕩頻率f0，保證電路產(chǎn)生正弦波振蕩4)非線性環(huán)節(jié)（穩(wěn)幅環(huán)節(jié)）：穩(wěn)幅1)是否存在主要組成部分；2)放大電路能否正常工作，即是否有合適的Q點(diǎn)，信號(hào)是

否可能正常傳遞，沒(méi)有被短路或斷路；3)是否滿足相位條件，即是否存在f0，是否可能振蕩

；4)是否滿足幅值條件，即是否一定振蕩。常合二為一4、分析方法相位條件的判斷方法：瞬時(shí)極性法

斷開(kāi)反饋，在斷開(kāi)處給放大電路加f＝f0的信號(hào)Ui，且規(guī)定其極性，然后根據(jù)

Ui的極性→Uo的極性→Uf的極性

在多數(shù)正弦波振蕩電路中，輸出量、凈輸入量和反饋量均為電壓量。極性？

若Uf與Ui極性相同，則電路可能產(chǎn)生自激振蕩；否則電路不可能產(chǎn)生自激振蕩。5.

分類常用選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件分類。1)RC正弦波振蕩電路：幾百千赫以下2)LC正弦波振蕩電路：幾百千赫～幾百兆赫3)石英晶體正弦波振蕩電路：振蕩頻率穩(wěn)定二、RC正弦波振蕩電路1.RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)低頻段高頻段在頻率從0～∞中必有一個(gè)頻率f0，φF＝0o。1.RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)當(dāng)f=f0時(shí)，不但φ=0，且最大，為1/3。二、RC

正弦波振蕩電路1)是否可用共射放大電路？2)是否可用共集放大電路？3)是否可用共基放大電路？4)是否可用兩級(jí)共射放大電路？2.

電路組成

應(yīng)為RC串并聯(lián)網(wǎng)路配一個(gè)電壓放大倍數(shù)略大于3、輸入電阻趨于無(wú)窮大、輸出電阻趨于0的放大電路。不符合相位條件不符合幅值條件輸入電阻小、輸出電阻大，影響f0

可引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使電壓放大倍數(shù)大于3，且Ri大、Ro小，對(duì)f0影響小3.

RC橋式正弦波振蕩電路（文氏橋振蕩器）用同相比例運(yùn)算電路作放大電路。

因同相比例運(yùn)算電路有非常好的線性度，故R1或Rf可用熱敏電阻，或加二極管作為非線性環(huán)節(jié)。(3)反饋網(wǎng)絡(luò)兼做選頻網(wǎng)絡(luò)(1)放大電路（Ri大、Ro?。┯蛇\(yùn)放A、R1、Rf組成同相比例運(yùn)算電路(2)反饋網(wǎng)絡(luò)（正反饋）由RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成電路組成工作原理此時(shí)若放大電路的電壓增益為

用瞬時(shí)極性法判斷可知，電路滿足相位平衡條件則振蕩電路滿足振幅平衡條件當(dāng)時(shí)，(+)(+)(+)(+)Av電路可以輸出頻率為的正弦波RC正弦波振蕩電路一般用于產(chǎn)生頻率低于1MHz的正弦波(1)采用非線性元件穩(wěn)幅措施熱敏元件－Rf負(fù)溫度系數(shù)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻起振時(shí)，即熱敏電阻的作用穩(wěn)幅正溫度系數(shù)熱敏電阻(2)采用非線性元件穩(wěn)幅措施二極管

當(dāng)輸出幅值很小時(shí)，電流小,二極管動(dòng)態(tài)電阻大,A>3，有利于起振。

當(dāng)輸出幅值較大時(shí)，電流大,二極管動(dòng)態(tài)電阻小,A隨之下降，輸出幅值趨于穩(wěn)定。4.頻率可調(diào)的文氏橋振蕩器改變電容以粗調(diào)，改變電位器滑動(dòng)端以微調(diào)。同軸電位器討論一：合理連接電路，組成文氏橋振蕩電路討論二：判斷圖示電路有可能產(chǎn)生正弦波振蕩嗎？RC移項(xiàng)式電路1)RC移相電路有幾級(jí)才可能產(chǎn)生正弦波振蕩？2)若R和C互換呢？等效阻抗等效損耗電阻一般有則當(dāng)時(shí)，電路發(fā)生諧振。為諧振頻率諧振時(shí)阻抗最大且為純阻性其中為品質(zhì)因數(shù)三、LC正弦波振蕩電路

1.LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性當(dāng)外加信號(hào)的角頻率等于回路的諧振角頻率時(shí)，回路發(fā)生諧振，此時(shí)等小阻抗最大，且為純阻性；當(dāng)時(shí)，回路的等效電抗呈感性；當(dāng)時(shí)，回路的等效電抗呈容性。品質(zhì)因數(shù)Q值越高，越大，頻率特性越尖銳，選頻特性越好。

構(gòu)成正弦波振蕩電路最簡(jiǎn)單的做法是通過(guò)變壓器引入反饋。附加相移LC選頻放大電路→正弦波振蕩電路

當(dāng)f=f0時(shí)，電壓放大倍數(shù)的數(shù)值最大，且附加相移為0。2.

變壓器反饋式電路C1是必要的嗎？特點(diǎn)：易振，波形較好；耦合不緊密，損耗大，頻率穩(wěn)定性不高。分析電路是否可能產(chǎn)生正弦波振蕩的步驟：1)是否存在組成部分2)放大電路是否能正常工作3)是否滿足相位條件為使N1、N2耦合緊密，將它們合二為一，組成電感反饋式電路。必須有合適的同銘端！A.若中間點(diǎn)交流接地,則首端與尾端相位相反。電容三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式

中間端的瞬時(shí)電位一定在首、尾端電位之間。三點(diǎn)的相位關(guān)系B.若首端或尾端交流接地,則其他兩端相位相同。

總結(jié):三點(diǎn)式LC振蕩電路3.電感反饋式電路反饋電壓取自哪個(gè)線圈？反饋電壓的極性？

電感的三個(gè)抽頭分別接晶體管的三個(gè)極，故稱之為電感三點(diǎn)式電路。3.

電感反饋式電路特點(diǎn)：N1N2耦合緊密，易振，振幅大，C用可調(diào)電容可獲得較寬范圍的振蕩頻率。波形較差，常含有高次諧波。

由于反饋電壓取自電感，電感對(duì)高頻信號(hào)呈現(xiàn)較大的電抗，故波形中含高次諧波，為使振蕩波形好，采用電容反饋式電路。4.

電容反饋式（電容三點(diǎn)式）電路

若要振蕩頻率高，則L、C1、C2的取值就要小。當(dāng)電容減小到一定程度時(shí)，晶體管的極間電容將并聯(lián)在C1和C2上，影響振蕩頻率。特點(diǎn)：波形好，振蕩頻率調(diào)整范圍小，適于頻率固定的場(chǎng)合。與放大電路參數(shù)無(wú)關(guān)作用？仍然由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)電容三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式諧振回路的三個(gè)引出端與三極管的三個(gè)電極相連(指交流連接),其中兩個(gè)同性質(zhì)電抗的公共點(diǎn)與發(fā)射極相連,而另一個(gè)異性電抗則連在集電極與基極間。

總結(jié):三點(diǎn)式LC振蕩電路

總結(jié):三點(diǎn)式LC振蕩電路電容三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式討論三同銘端？能產(chǎn)生正弦波振蕩嗎？注意事項(xiàng)：1.放大電路必須能夠正常工作，放大電路的基本接法；2.斷開(kāi)反饋，在斷開(kāi)處加f=f0的輸入電壓；3.找出在哪個(gè)元件上獲得反饋電壓，是否能取代輸入電壓。極板間加電場(chǎng)極板間加機(jī)械力晶體機(jī)械變形晶體產(chǎn)生電場(chǎng)壓電效應(yīng)交變電壓機(jī)械振動(dòng)交變電壓機(jī)械振動(dòng)的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高當(dāng)交變電壓頻率=固有頻率時(shí)，振幅最大。壓電諧振四、石英晶體正弦波振蕩電路

1.石英晶體的特點(diǎn)SiO2結(jié)晶體按一定方向切割的晶片。四、石英晶體正弦波振蕩電路

1.石英晶體的特點(diǎn)容性感性阻性

一般LC選頻網(wǎng)絡(luò)的Q為幾百，石英晶體的Q可達(dá)104～106；前者Δf/f為10－5，后者可達(dá)10－10～10－11。串聯(lián)諧振晶體等效阻抗為純阻性并聯(lián)諧振實(shí)際使用時(shí)外接一小電容Cs則新的諧振頻率為由于由此看出調(diào)整2.電路①石英晶體工作在哪個(gè)區(qū)？②是哪種典型的正弦波振蕩電路？①石英晶體工作在哪個(gè)區(qū)？②兩級(jí)放大電路分別為哪種基本接法？③C1的作用？（1）并聯(lián)型電路（2）串聯(lián)型電路++++8.2電壓比較器一、概述二、單限比較器三、滯回比較器四、窗口比較器五、集成電壓比較器1、學(xué)會(huì)識(shí)別電壓比較器；2、熟悉常見(jiàn)的電壓比較器；3、掌握電壓比較器的分析方法；4、學(xué)習(xí)在已知電壓傳輸特性的條件下組成電壓比較器的方法。本節(jié)課的教學(xué)目的：一、概述電壓比較器的功能：比較電壓的大小。是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元電路，廣泛用于各種報(bào)警電路。

電壓比較器的描述方法

:電壓傳輸特性u(píng)O＝f(uI)電壓傳輸特性的三個(gè)要素：（1）輸出高電平UOH和輸出低電平UOL（2）閾值電壓UT（3）輸入電壓過(guò)閾值電壓時(shí)輸出電壓躍變的方向輸入電壓是連續(xù)的模擬信號(hào)；輸出電壓表示比較的結(jié)果，只有高電平和低電平兩種情況。使輸出產(chǎn)生躍變的輸入電壓稱為閾值電壓UT

。3.

幾種常用的電壓比較器（1）單限比較器：只有一個(gè)閾值電壓（3）窗口比較器：有兩個(gè)閾值電壓，輸入電壓?jiǎn)握{(diào)變化時(shí)輸出電壓躍變兩次。（2）滯回比較器：具有滯回特性輸入電壓的變化方向不同，閾值電壓也不同，但輸入電壓?jiǎn)握{(diào)變化使輸出電壓只躍變一次。回差電壓4、集成運(yùn)放的非線性工作區(qū)電路特征：集成運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)或僅引入正反饋集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特點(diǎn)1)凈輸入電流為02)uP>uN時(shí)，

uO＝＋UOM

uP<uN時(shí)，

uO＝－UOMI+=I-≈0其數(shù)值接近運(yùn)放的正負(fù)電源電壓二、單限比較器

1.過(guò)零比較器（1）UT＝0（2）UOH＝＋UOM，UOL＝－UOM（3）uI

>0時(shí)uO

＝－UOM;uI

<0時(shí)uO

＝＋UOM

集成運(yùn)放的凈輸入電壓等于輸入電壓，為保護(hù)集成運(yùn)放的輸入端，需加輸入端限幅電路。集成運(yùn)放的凈輸入電壓最大值為±UD輸入為正負(fù)對(duì)稱的正弦波時(shí)，輸出為方波。電壓傳輸特性（同相過(guò)零比較器）輸出限幅電路

為適應(yīng)負(fù)載對(duì)電壓幅值的要求，輸出端加限幅電路。UOH＝＋UZ1＋UD2

UOL＝－(UZ2＋UD1)UOH＝

－

UOL＝UZUOH＝UZ

UOL＝－UD

不可缺少！uo/輸出限幅電路uO＝±UZ（1）保護(hù)輸入端（2）加速集成運(yùn)放狀態(tài)的轉(zhuǎn)換電壓比較器的分析方法：（1）寫(xiě)出uP、uN的表達(dá)式，令uP＝

uN，求解出的uI即為UT；（2）根據(jù)輸出端限幅電路決定輸出的高、低電平；（3）根據(jù)輸入電壓作用于同相輸入端還是反相輸入端決定輸出電壓的躍變方向。2.

一般單限比較器（1）若要UT<0，則應(yīng)如何修改電路？（2）若要改變曲線躍變方向，則應(yīng)如何修改電路？（3）若要改變UOL、UOH呢？作用于反相輸入端

如果在ui=VT=VREF附近出現(xiàn)干擾，uO將時(shí)而為VOH，時(shí)而為VOL，導(dǎo)致比較器輸出不穩(wěn)定。單門(mén)限電壓比較器存在的問(wèn)題三、滯回比較器

1.

閾值電壓三、滯回比較器

2.

工作原理及電壓傳輸特性

設(shè)uI＜－UT，則uN＜uP，

uO＝+UZ。此時(shí)uP＝+UT，增大

uI，直至+UT，再增大，

uO才從+UZ躍變?yōu)椋璘Z。

設(shè)uI＞+UT，則uN＞uP，

uO＝－UZ。此時(shí)uP＝－UT，減小

uI，直至－UT，再減小，

uO才從－UZ躍變?yōu)?UZ。1.若要電壓傳輸特性曲線左右移動(dòng)，則應(yīng)如何修改電路？討論一：如何改變滯回比較器的電壓傳輸特性2.若要電壓傳輸特性曲線上下移動(dòng)，則應(yīng)如何修改電路？3.若要改變輸入電壓過(guò)閾值電壓時(shí)輸出電壓的躍變方向，則應(yīng)如何修改電路？改變輸出限幅電路四、窗口比較器1.當(dāng)uI>URH時(shí)，uO1=－

uO2=UOM，D1導(dǎo)通，D2截止；

uO=UZ。2.當(dāng)uI<URH時(shí)，uO2=－

uO1=UOM，D2導(dǎo)通，D1截止；

uO=UZ

。3.當(dāng)URL<uI<URH時(shí)，

uO1=uO2=－UOM，D1、D2均截止；

uO=0。討論三已知各電壓比較器的電壓傳輸特性如圖所示，說(shuō)出它們各為哪種電壓比較器；輸入電壓為5sinωt(V)，畫(huà)出各電路輸出電壓的波形。你能分別組成具有圖示電壓傳輸特性的電壓比較器電路嗎？同相輸入單限比較器反相輸入滯回比較器窗口比較器8.3非正弦波發(fā)生電路一、常見(jiàn)的非正弦波二、矩形波發(fā)生電路三、三角波發(fā)生電路四、鋸齒波發(fā)生電路五、波形變換電路本節(jié)課的教學(xué)目的：1、理解非正弦波發(fā)生電路的組成、工作原理、波形分析及主要參數(shù)的物理意義；2、學(xué)會(huì)分析集成運(yùn)放應(yīng)用電路的分析方法；3、了解波形變換的方法。一、常見(jiàn)的非正弦波矩形波三角波鋸齒波尖頂波階梯波矩形波是基礎(chǔ)波形，可通過(guò)波形變換得到其它波形。二、矩形波發(fā)生電路

輸出無(wú)穩(wěn)態(tài)，有兩個(gè)暫態(tài)；若輸出為高電平時(shí)定義為第一暫態(tài)，則輸出為低電平為第二暫態(tài)。1.基本組成部分（1）開(kāi)關(guān)電路：輸出只有高電平和低電平兩種情況，稱為兩種狀態(tài)；因而采用電壓比較器。（2）反饋網(wǎng)絡(luò)：自控，在輸出為某一狀態(tài)時(shí)孕育翻轉(zhuǎn)成另一狀態(tài)的條件。應(yīng)引入反饋。（3）延遲環(huán)節(jié)：使得兩個(gè)狀態(tài)均維持一定的時(shí)間，決定振蕩頻率。利用RC電路實(shí)現(xiàn)。2.電路組成正向充電：

uO（+UZ）→R→C→地反向充電：地→C→R→uO（－UZ）RC回路滯回比較器3.

工作原理：分析方法方法一：設(shè)電路已振蕩，且在某一暫態(tài)，看是否能自動(dòng)翻轉(zhuǎn)為另一暫態(tài)，并能再回到原暫態(tài)。方法二：電路合閘通電，分析電路是否有兩個(gè)暫態(tài)，而無(wú)穩(wěn)態(tài)。脈沖寬度4.

波形分析

正向充電和反向充電時(shí)間常數(shù)可調(diào)，占空比就可調(diào)。5.