第9章(09)波形的發(fā)生與變換電路

第9章波形的發(fā)生和變換電路9.1正弦波振蕩電路9.1.1概述

放大電路在無(wú)輸入信號(hào)的情況下，就能輸出一定頻率和幅值的交流信號(hào)（又稱振蕩器）。輸出的交流電能是從電源的直流電能轉(zhuǎn)換而來(lái)的。

信號(hào)發(fā)生器從波形上分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器（方波、鋸齒波、三角波等）。信號(hào)發(fā)生器：振蕩波形：

應(yīng)用：無(wú)線電通訊、廣播電視，工業(yè)上的高頻感應(yīng)爐、超聲波發(fā)生器、正弦波信號(hào)發(fā)生器、半導(dǎo)體接近開(kāi)關(guān)等。AF=a+f=2n振蕩條件幅度平衡條件

仍有穩(wěn)定的輸出。反饋信號(hào)代替了放大電路的輸入信號(hào)。1、產(chǎn)生正弦波振蕩的條件相位平衡條件n=0,1,2．．．

2）

幅度條件表明反饋放大器要產(chǎn)生自激振蕩，必須有足夠的反饋量(可以通過(guò)調(diào)整放大倍數(shù)A

或反饋系數(shù)F達(dá)到)。3）

起振及穩(wěn)幅振蕩的過(guò)程●起振過(guò)程中:

要求|AF|>1

，●穩(wěn)定振蕩時(shí):

要求

|AF|=1

，

從AF

>

1到AF

=

1，就是自激振蕩建立的過(guò)程?？墒馆敵鲭妷旱姆炔粩嘣龃?。使輸出電壓的幅度得以穩(wěn)定。

●起始信號(hào)的產(chǎn)生：電源接通時(shí)，在電路中激起一個(gè)微小的擾動(dòng)信號(hào)，它是個(gè)非正弦信號(hào)，含有一系列頻率不同的正弦分量。討論：1）相位條件意味著振蕩電路在頻率f0下必須是正反饋；正弦波振蕩電路只在一個(gè)頻率(f0)下滿足相位平衡條件。所以正弦波振蕩電路必須有一個(gè)選頻網(wǎng)絡(luò)。選頻網(wǎng)絡(luò)可設(shè)在中或中。選頻網(wǎng)絡(luò)由

RC元件或

LC元件組成。2、正弦波振蕩電路的組成及各部分的作用（1）放大電路——沒(méi)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，使振蕩穩(wěn)定3、正弦波振蕩電路的分類(lèi)LC正弦波振蕩電路:輸出功率大、頻率高。RC正弦波振蕩電路:輸出功率小、頻率低。石英晶體正弦波振蕩電路：頻率穩(wěn)定度高。根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件來(lái)命名4、判斷電路是否為正弦波振蕩電路的方法和步驟a.檢查電路的組成部分c.將電路在放大器反饋端斷開(kāi)，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19.1.2RC正弦波振蕩電路電路的構(gòu)成

RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是正反饋網(wǎng)絡(luò)，Rf

和R1為負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。

RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與Rf、R1負(fù)反饋支路正好構(gòu)成一個(gè)橋路，稱為橋式。令ω0=1/RC1、RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性反饋系數(shù)ω=ω0=1/RC或f=f0=1/2πRCFVmax=1/3RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線

當(dāng)f=f0時(shí)的反饋系數(shù)FVmax=1/3。此時(shí)的相角f=0。改變RC可調(diào)節(jié)諧振頻率穩(wěn)定振蕩條件AuF

=1，|F|=1/3，則起振條件AuF

>1，因?yàn)閨F|=1/3，則考慮到起振條件AuF

>1,一般應(yīng)選取RF

略大于2R1。如果這個(gè)比值取得過(guò)大，會(huì)引起振蕩波形嚴(yán)重非線性失真。2.振蕩的建立與穩(wěn)定3.

振蕩頻率與振蕩波形

因?yàn)锳

=

0，而僅在f

0處F=

0，滿足相位平衡條件，所以振蕩頻率f

0=12RC。改變R、C可改變振蕩頻率RC振蕩電路的振蕩頻率一般在200KHz以下。振蕩頻率由相位平衡條件決定。振蕩頻率為單一頻率f

0，故振蕩波形是正弦波4.

穩(wěn)幅措施

振蕩電路的穩(wěn)幅作用是靠熱敏電阻R1實(shí)現(xiàn)的。R1是正溫度系數(shù)熱敏電阻，當(dāng)輸出電壓升高，R1上所加的電壓升高，即溫度升高，R1的阻值增加，負(fù)反饋增強(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Rf

的位置。改變開(kāi)關(guān)K的位置可改變選頻網(wǎng)絡(luò)的電阻，實(shí)現(xiàn)頻率粗調(diào)；改變電容C的大小可實(shí)現(xiàn)頻率的細(xì)調(diào)。振蕩頻率5.振蕩頻率的調(diào)整+RFRCC–uO

–+SSR1R2R3R3R2R19.1.3LC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。1.LC并聯(lián)諧振電路通常R<<ωL諧振時(shí)：諧振頻率：品質(zhì)因數(shù)

Q值越大，曲線較陡較窄。并聯(lián)諧振時(shí)總電流與電感支路電流或電容支路電流之比。

諧振曲線并聯(lián)諧振電路的諧振阻抗輸入電流IS和IL或IC的關(guān)系諧振時(shí)LC并聯(lián)諧振電路相當(dāng)一個(gè)電阻。通常Q>>1，所以IC≈IL>>IS0Z

Q大Q小0f90o-90oQ

減小幅頻特性相頻特性2.選頻放大電路：3、變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路雖然波形出現(xiàn)了失真，但由于LC諧振電路的Q值很高，選頻特性好，所以仍能選出0的正弦波信號(hào)。(1)相位平衡條件的滿足(2)幅值平衡條件的滿足(3)穩(wěn)幅(4)選頻通過(guò)選擇高值的BJT和調(diào)整變壓器的匝數(shù)比，可以滿足，電路可以起振。

BJT進(jìn)入非線性區(qū)，波形出現(xiàn)失真，從而幅值不再增加，達(dá)到穩(wěn)幅目的。

優(yōu)點(diǎn)：易于產(chǎn)生振蕩，輸出波形失真不大。缺點(diǎn)：耦合不緊密，損耗較大，振蕩頻率的穩(wěn)定性不高。+_+(5)振蕩頻率靠同名端實(shí)現(xiàn)正反饋放大電路選頻電路反饋網(wǎng)絡(luò)+UCCC1RB1RB2RECEL1CL2RC反饋電壓取自L2電路構(gòu)成：UoUf選頻電路：L1、L2、C產(chǎn)生諧振4.電感三點(diǎn)式振蕩電路電感三點(diǎn)式振蕩電路分析正反饋+UCCC1RB1RB2RECEL1CL2RC－振蕩頻率：

通常改變電容C來(lái)調(diào)節(jié)振蕩頻率。振蕩頻率一般在幾十MHz以下。相位條件的滿足：幅值條件的滿足：因AV較大，適當(dāng)選擇L1和L2即可反相－－反饋網(wǎng)絡(luò)分析：IB很小，并呈容性設(shè)輸入加入5.電容三點(diǎn)式振蕩電路正反饋放大電路反饋網(wǎng)絡(luò)－－振蕩頻率

通常再與線圈串聯(lián)一個(gè)較小的可變電容來(lái)調(diào)節(jié)振蕩頻率。反饋電壓取自C2+UCCC1RB1RB2RECEC1LC2RC反相振蕩頻率可達(dá)100MHz以上。選頻電路與前面分析相同，C1和C2的電壓反相－－判斷圖示各電路是否可能產(chǎn)生正弦波振蕩，簡(jiǎn)述理由。（9.4題）相位條件判別舉例：共射放大器：三級(jí)移相電路：共基放大器：當(dāng)f從0→∞時(shí)：可滿足相位條件不滿足相位條件9.7題共基放大器：uf電感三點(diǎn)式電容三點(diǎn)式9.8題uf共基放大器：--隔直隔直ufuf--反饋被短路ufuf--9.1.4石英晶體正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路振蕩頻率的穩(wěn)定LC振蕩器的振蕩頻率的穩(wěn)定與L、C、R參數(shù)有關(guān),也與品質(zhì)因數(shù)Q有關(guān)，Q越大振蕩頻率越穩(wěn)定。1、石英晶體①特性：

當(dāng)電壓變化頻率等于晶體的固有頻率時(shí)，產(chǎn)生壓電諧振。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)交變電壓機(jī)械振動(dòng)交變電場(chǎng)②符號(hào)及等效電路等效電路符號(hào)石英晶體的品質(zhì)因數(shù)很高機(jī)械振蕩慣性：L晶片彈性：C品質(zhì)因數(shù)損耗：R數(shù)百歐小靜態(tài)電容:C0③石英晶體諧振頻率（固有頻率）

電抗-頻率響應(yīng)特性等效電路1.當(dāng)R、L、C支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，串聯(lián)諧振頻率為：2.當(dāng)R、L、C支路與C0發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，并聯(lián)諧振頻率為：2.石英晶體振蕩電路并聯(lián)型石英晶體振蕩電路對(duì)于f=fp

，晶體相當(dāng)于電感相當(dāng)于電容三點(diǎn)式振蕩電路振蕩頻率f0串聯(lián)型石英晶體振蕩電路對(duì)于f=fs

，晶體相當(dāng)于電阻對(duì)于f=fs的信號(hào)正反饋?zhàn)饔米顝?qiáng)＋共基極放大電路＋＋＋串聯(lián)型石英晶體振蕩電路

石英晶體工作在fs處，呈電阻性，且阻抗最小，正反饋?zhàn)顝?qiáng)。該電路為電感三點(diǎn)式振蕩器。加入石英晶體是利用石英晶體的高Q值，提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。9.2非正弦波發(fā)生電路9.2.1矩形波發(fā)生電路1.方波發(fā)生電路電路的組成：●滯回比較器●RC充放電電路(1)電源剛接通時(shí),設(shè)vc=0,v0=+vz：電容C充電，vc

開(kāi)始升高；(3)當(dāng)vc≤V2時(shí)，vo=+VZ先看VP：工作原理vctv0tv1v2(2)當(dāng)vc≥V1時(shí)，vo=-VZ，Vp=V2電容C放電，vc

開(kāi)始下降。這時(shí)，Vp=V1這時(shí)又，Vp=V1，電容C充電＋VZ－VZt1t2震蕩周期計(jì)算注意推導(dǎo)時(shí):如何改變方波的占空比?2.矩形波發(fā)生電路改變電容器C的充電和放電時(shí)間常數(shù)。充電時(shí)間常數(shù)：是二極管D1的導(dǎo)通電阻放電時(shí)間常數(shù)：占空比：vctv0tv1v2＋VZ舉例：本章結(jié)束下一章總目錄結(jié)束放映

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。9.2.2三角波發(fā)生電路(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(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。工作原理輸出波形峰值:方波跳變時(shí)：VP=VN=0，VO1=±VZ

Vo1m=VZ振蕩周期：為了獲得鋸齒波，應(yīng)改變積分器的充放電時(shí)間常數(shù)。鋸齒波發(fā)生器的電路如圖所示。圖中的二極管D和R'將使充電時(shí)間常數(shù)減為(R∥R')C，而放電時(shí)間常數(shù)仍為RC。9.2.3鋸齒波發(fā)生電路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=Vzvom=Vz

R1/R2于是有：輸出波形9.2.4壓控振蕩器≈T電路的組成：由鋸齒波發(fā)生電路演變而來(lái)。若T2決定于外加電壓，則電路的振蕩頻率就幾乎僅僅受控于外加電壓，實(shí)現(xiàn)了u→f的轉(zhuǎn)換。R1>>R5單位時(shí)間內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)表示電壓的數(shù)值，故實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換若uI>0，則電路作何改動(dòng)？9.2.4壓控振蕩器9.3波形變換電路周期性變化的信號(hào)方波三角波比較器積分器微分器鋸齒波正弦波精密整流9.3.1三角波-鋸齒波變換電路三角波上升的半個(gè)周期中,方波為負(fù),使T夾斷,這時(shí)vo=vi三角波下降的半個(gè)周期中,方波為正,使T工作在可變電阻區(qū),與其他電阻相比其阻值可忽略。這時(shí)vo=-viARf=RR2=1/2RR1=R1/2R1/2R100KR20PDT+15V-15VRfR19.3.2三角波-正弦波變換電路為什么一般的整流電路不能作為精密的信號(hào)處理電路？

若uImax<Uon，則在uI的整個(gè)周期中uO始終為零；若uImax>Uon

，則uO僅在大于Uon近似為uI，失真。精密整流電路是信號(hào)處理電路，不是電源中AC-DC的能量轉(zhuǎn)換電路；實(shí)現(xiàn)微小信號(hào)的整流。9.3.3精密整流電路設(shè)R＝Rf

對(duì)于將二極管和晶體管作電子開(kāi)關(guān)的集成運(yùn)放應(yīng)用電路，在分析電路時(shí)，首先應(yīng)判斷管子相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合還是斷開(kāi)，它們的狀態(tài)往往決定于輸入信號(hào)或輸出信號(hào)的極性。精密整流電路的組成半波整流，若加uI的負(fù)半周，則實(shí)現(xiàn)全波整流全波精密整流電路二倍頻三角波絕對(duì)值運(yùn)算電路uot-－++R2R1++R4CuoR+–R3改變?nèi)遣òl(fā)生器中積分電路的充放電時(shí)間常數(shù)，使放電的時(shí)間常數(shù)為0，即把三角波發(fā)生器轉(zhuǎn)換成了鋸齒波發(fā)生器。uct§7.3鋸齒波發(fā)生器-－++R2R1++R4CuoR+