正弦波信號(hào)發(fā)生器制作

關(guān)于正弦波信號(hào)發(fā)生器制作正弦波振蕩電路的振蕩條件

正弦波振蕩電路就是一個(gè)沒(méi)有輸入信號(hào)的帶選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大電路。

AF=

a+

f=2n

→→振蕩條件幅度平衡條件

相位平衡條件

n=0,1,2．．．→動(dòng)畫第2頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天振蕩電路的振蕩頻率f0振蕩頻率f0由相位平衡條件決定。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。低頻1HZ~1MHZ高頻1MHZ以上

正弦波振蕩電路只在一個(gè)頻率下(f0)滿足相位平衡條件。第3頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天RC正弦波振蕩電路電路原理(1)

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。第4頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性令ω0=1/RC第5頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天反饋系數(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)與頻率f0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。當(dāng)C1=C2、R1=R2時(shí):第6頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天(3)振蕩的建立與穩(wěn)定

為滿足振蕩的幅度條件

=1，所以Af≥3。加入Rf、R1支路，構(gòu)成串聯(lián)電壓負(fù)反饋。當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)時(shí)：第7頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天(4)

電路的穩(wěn)幅過(guò)程

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。第8頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天例1：⑴.試分析D1、D2自動(dòng)穩(wěn)幅原理；⑵.估算輸出電壓V0m；(VD=0.6V)⑶.試畫出若R2短路時(shí)，輸出電壓V0的波形；⑷.試畫出若R2開(kāi)路時(shí)，輸出電壓V0的波形；解：⑴.穩(wěn)幅原理

當(dāng)v0幅值很小時(shí)，D1、D2接近開(kāi)路，R’3=2.7K。

當(dāng)v0幅值較大時(shí)，D1或D2導(dǎo)通，R’3減小，AV下降。V0幅值趨與穩(wěn)定。第9頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天⑵.估算輸出電壓V0m(VD=0.6V)I第10頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天⑶.若R2短路時(shí)(4).若R2開(kāi)路時(shí)，輸出電壓V0的波形AV<3，電路停振，輸出電壓V0的波形為第11頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用（I）─正弦波發(fā)生器制作第12頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天集成運(yùn)放的外引線排列LM324uA741引腳及符號(hào)圖12－5第13頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天正弦波發(fā)生器電路圖圖3.2.1RC橋式正弦波振蕩器第14頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天方波輸出正弦波輸出正弦波輸入運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用（II）─信號(hào)放大、轉(zhuǎn)換制作第15頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天正弦波發(fā)生器調(diào)試1、按圖焊接好電路。用萬(wàn)用表仔細(xì)檢查電路安裝的正確性。2、接通±5V電源，調(diào)節(jié)電位器RW，用示波器觀察到一個(gè)不失真的正弦波；用交流毫伏表測(cè)量正弦波大小。3、用示波器或頻率計(jì)測(cè)量振蕩頻率fO，并與理論值進(jìn)行比較。4、若要得到一個(gè)輸出幅值可調(diào)的正弦波信號(hào)，如何解決？在輸出正弦波信號(hào)加入直流偏移量，如何解決？5、注意：集成運(yùn)算放大器電源端要加入濾波電容。第16頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天正弦波發(fā)生器所用元件1、14腳IC座；集成運(yùn)算放大器LM324。2、10k電位器。3、電阻若干。4、二極管1N4148.5、電容若干。第17頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天

電壓比較器及弛張振蕩器

1電壓比較器一、電壓比較器的基本特性

電壓比較器的功能是比較兩個(gè)輸入電壓的大小，據(jù)此決定輸出是高電平還是低電平。高電平相當(dāng)于數(shù)字電路中的邏輯“1”，低電平相當(dāng)于邏輯“0”。比較器輸出只有兩個(gè)狀態(tài)，不論是“1”或是“0”，比較器都工作在非線性狀態(tài)。所以，“虛短路”概念不能隨便應(yīng)用。第18頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天

圖給出了電壓比較器的符號(hào)及傳輸特性。其反相輸入端加信號(hào)ui，同相輸入端加參考電壓(ur)。比較器一般是開(kāi)環(huán)工作，其增益很大。所以，當(dāng)ui

＜ur時(shí)，輸出為“高”；反之，當(dāng)ui

＞ur時(shí)，輸出為“低”。而當(dāng)ui接近ur時(shí)，輸出電平發(fā)生轉(zhuǎn)換，此刻同相端和反相端可看成“虛短路”。其它時(shí)刻U+與U-可能差得很遠(yuǎn)(即U+≠U-)。電壓比較器的輸入為模擬量，輸出為數(shù)字量(0或1)，可作為模擬和數(shù)字電路的接口電路，也可作為一位模–數(shù)轉(zhuǎn)換器，在實(shí)際中有著廣泛應(yīng)用。第19頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天

電壓比較器的符號(hào)及傳輸特性第20頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.高電平(UoH)和低電平(UoL)

電壓比較器可以用運(yùn)放構(gòu)成，也可用專用芯片構(gòu)成。用運(yùn)放構(gòu)成的比較器，其高電平UoH可接近于正電源電壓(UCC)，低電平UoL可接近于負(fù)電源電壓(-UEE)。在有些應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)輸出加以限幅，如圖所示。其中圖7–49(a)電路的高低電平等于±(UVZ+UVD)，圖7–49(b)電路的高低電平等于±(UVZ+UVD)。第21頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.鑒別靈敏度

事實(shí)上，集成運(yùn)放和專用比較器芯片的Aud不為無(wú)窮大，ui在ur附近的一個(gè)很小范圍內(nèi)存在著一個(gè)比較器的不靈敏區(qū)。如圖7–48(b)中虛線所示的輸入電壓變化范圍，在該范圍內(nèi)輸出狀態(tài)既非UoH，也非UoL，故無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電平大小進(jìn)行判別。Aud越大，則這個(gè)不靈敏區(qū)就越小，工程上稱比較器的鑒別靈敏度越高。第22頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天

圖7–49輸出限幅電路

(a)UoH=UVZ1+UVD2,UoL=-(UVD1+UVZ2);(b)UoH=UVD1+UVZ+UVD2,UoL=-(UVD4+UVZ+UVD3)第23頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.轉(zhuǎn)換速度作為比較器的另一個(gè)重要特性就是轉(zhuǎn)換速度，即比較器的輸出狀態(tài)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。通常要求轉(zhuǎn)換時(shí)間盡可能短，以便實(shí)現(xiàn)高速比較。比較器的轉(zhuǎn)換速度與器件壓擺率SR有關(guān)，SR越大，輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間就越短，比較器的轉(zhuǎn)換速度越高。電壓比較器一般為開(kāi)環(huán)應(yīng)用或正反饋應(yīng)用，不需要相位補(bǔ)償電容。第24頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、電壓比較器的開(kāi)環(huán)應(yīng)用––簡(jiǎn)單比較器

1.過(guò)零比較器在圖7–48(a)中，令參考電平ur=0,則輸入信號(hào)ur與零比較，ur

＞0，輸出為低(UoL),而ur

＜0，輸出為高，其波形如圖7--50(a)所示。這種電路可做為零電平檢測(cè)器。該電路也可用于“整形”，將不規(guī)則的輸入波形整形成規(guī)則的矩形波。第25頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天

圖7–50過(guò)零比較器及脈寬調(diào)制器輸出波形(a)過(guò)零比較器整形波形；(b)脈寬調(diào)制器輸出波形第26頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.脈寬調(diào)制器

若參考信號(hào)ur為三角波，而輸入信號(hào)ui為緩變信號(hào)，如經(jīng)傳感器變換的溫度、壓力等信號(hào)，則隨著ui的變化，輸出矩形波的脈寬也隨之變化。所以，開(kāi)環(huán)比較器還可實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制，如圖7–50(b)所示。第27頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、遲滯比較器––雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

1.簡(jiǎn)單比較器應(yīng)用中存在的問(wèn)題

如圖7–48(a)所示的比較器存在兩個(gè)問(wèn)題：一是輸出電壓轉(zhuǎn)換時(shí)間受運(yùn)放壓擺率SR的限制，導(dǎo)致高頻脈沖的邊緣不夠陡峭(如圖7–51(a)所示)；二是抗干擾能力差，如圖7–51(b)所示，若ui在參考電壓ur(=0)附近有噪聲或干擾，則輸出波形將產(chǎn)生錯(cuò)誤的跳變，直至ui遠(yuǎn)離ur值才穩(wěn)定下來(lái)。如果對(duì)受干擾的uo波形去計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值必然會(huì)多出許多，從而造成極大的誤差。第28頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖7-51簡(jiǎn)單比較器輸出波形邊緣不陡峭及受干擾的情況(a)輸出波形邊緣不陡峭(b)受干擾情況第29頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.遲滯比較器電路及傳輸特性為了解決以上兩個(gè)問(wèn)題，在比較器中引入正反饋，構(gòu)成所謂“遲滯比較器”。這種比較器具有很強(qiáng)的抗干擾能力，而且，由于正反饋加速了狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從而改善了輸出波形的邊緣。

1)反向輸入的遲滯比較器反向輸入的遲滯比較器電路如圖7–52(a)所示。其中R2將uo反饋到運(yùn)放的同相端與R1一起構(gòu)成正反饋，其正反饋系數(shù)F正為第30頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖7–52遲滯比較器電路及傳輸特性

(a)電路；(b)傳輸特性

第31頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖7–52遲滯比較器電路及傳輸特性

(a)電路；(b)傳輸特性

第32頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天

電路中R及帶溫度補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)壓管(VZ1、VZ2)組成輸出限幅電路，使輸出電壓的高低電平限制在±(UVZ+UVD)。下面我們來(lái)分析該電路的傳輸特性。因?yàn)樾盘?hào)加在運(yùn)放反相端，所以u(píng)i為負(fù)時(shí)，uo必為正，且等于高電平UoH=+(UVZ1+UVD2)。此時(shí)，同相端電壓(U+)為參考電平Ur1:(7–59)(7–60)第33頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天

當(dāng)ui由負(fù)逐漸向正變化，且ui=Uf=Ur1時(shí)，輸出將由高電平轉(zhuǎn)換為低電平。我們稱uo從高到低所對(duì)應(yīng)的ui轉(zhuǎn)換電平為上門限電壓，記為UTH。可見(jiàn)(7–61)

而后，ui再增大，uo將維持在低電平。此時(shí)，比較器的參考電壓Ur將發(fā)生變化，即(7–62)第34頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天

當(dāng)ui由正變負(fù)的比較電平將是Ur2(負(fù)值)，故只有當(dāng)ui變得比Ur2更負(fù)時(shí)，uo才又從低變高。所以，稱Ur2為下門限電壓，記為UTL。(7–63)第35頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天

綜上所述，遲滯比較器的傳輸特性如圖7–52(b)所示。由于它像磁性材料的磁滯回線，所以稱之為遲滯比較器或滯回比較器。遲滯比較器的上、下門限之差稱之為回差，用ΔU表示：(7–64)第36頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天

如圖7–53所示。由于使電路輸出狀態(tài)跳變的輸入電壓不發(fā)生在同一電平上，若ui上疊加有干擾信號(hào)時(shí)，只要該干擾信號(hào)的幅度不大于回差ΔU，則該干擾的存在就不會(huì)導(dǎo)致比較器輸出狀態(tài)的錯(cuò)誤跳變。應(yīng)該指出，回差ΔU的存在使比較器的鑒別靈敏度降低了。輸入電壓ui的峰峰值必須大于回差，否則，輸出電平不可能轉(zhuǎn)換。第37頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖7–53遲滯比較器輸出波形第38頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天2)同相輸入遲滯比較器電路如圖7–54(a)所示，信號(hào)與反饋都加到運(yùn)放同相端，而反相端接地(U-=0)。只有當(dāng)同相端電壓U+=U-=0時(shí)，輸出狀態(tài)才發(fā)生跳變。而同相端電壓等于正反饋電壓與ui在此端分壓的疊加。據(jù)此，可得該電路的上門限電壓和下門限電壓分別為

(7–65a)(7–65b)第39頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天

其傳輸特性如圖7–54(b)所示，讀者可自行分析。遲滯比較器又名施密特觸發(fā)器或雙穩(wěn)態(tài)電路，它有兩個(gè)狀態(tài)，且具有記憶功能。第40頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖7–54同相輸入遲滯比較器及其傳輸特性

(a)電路；(b)傳輸特性第41頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天7–4–2弛張振蕩器弛張振蕩器即方波–三角波產(chǎn)生器。對(duì)于方波信號(hào)發(fā)生器，其狀態(tài)有時(shí)維持不變，而有時(shí)則發(fā)生突跳。為區(qū)別于正弦振蕩器，人們將這種有張有弛的信號(hào)發(fā)生器稱之為弛張振蕩器。弛張振蕩器必須是一個(gè)正反饋電路，它由兩部分組成：一部分是狀態(tài)記憶電路;另一部分是定時(shí)電路，即控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間的電路。如圖7–55所示，一般用遲滯比較器作為狀態(tài)記憶電路，而用積分器作為定時(shí)電路。第42頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖7–55弛張振蕩器框圖第43頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、單運(yùn)放弛張振蕩器單運(yùn)放將狀態(tài)記憶電路和定時(shí)電路集中在一起，如圖7–56(a)所示，其中帶正反饋的運(yùn)放構(gòu)成遲滯比較器，RC構(gòu)成積分器即定時(shí)電路。其波形如圖7–56(b)所示。第44頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖7–56單運(yùn)放弛張振蕩器電路及波形第45頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天

假定輸出為高電平(UoH=UVZ+UVD)，且電容初始電壓uC(0)=0，那么電容被充電，uC(t)以指數(shù)規(guī)律上升，并趨向UoH。此時(shí)，運(yùn)放同相端電壓U+為(7–66)

該電壓為比較器的參考電平。當(dāng)uC上升到該電平值時(shí)，即U-=U+，則輸出狀態(tài)要發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即由高電平跳變到低電平UoL。我們將此時(shí)的U+記為高門限電壓UTH：(7–67)第46頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天

一旦Uo變?yōu)榈碗娖剑娙蓍_(kāi)始放電，后又反充電，uC以指數(shù)規(guī)律下降，并趨向UoL。但是，因?yàn)榇藭r(shí)的U+變?yōu)榱硪粋€(gè)參考電平(下門限電壓)

當(dāng)uC下降到UTL時(shí)，輸出又從低電平跳變到高電平。周而復(fù)始，運(yùn)放輸出為方波，其峰峰值為

(7–68)(7–69)第47頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天電容電壓uC(t)為近似的三角波，其峰峰值為(7–70)

因?yàn)殡娙莩潆姾头烹姇r(shí)常數(shù)均等于RC，所以T1=T2，占空比D=T2/T=50%?，F(xiàn)在來(lái)計(jì)算振蕩頻率f0。首先計(jì)算時(shí)間T1。如圖7–56(b)所示，根據(jù)三要素法，電容電壓uC(t)為(7–71)第48頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天(7–72)將式(7–71)代入式(7–70)，得第49頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天

如果要求改變占空比，只要令電容C充電和放電時(shí)常數(shù)不同即可，如圖7–57(a)所示。只要調(diào)節(jié)電位器抽頭的位置，充放電時(shí)常數(shù)就不等。(7–73)第50頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖7–57占空比可調(diào)的弛張振蕩器

(a)電路；(b)波形第51頁(yè),共59頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、雙運(yùn)放構(gòu)成的弛張振蕩器

如圖7–58所示，運(yùn)放A1構(gòu)成同相輸入的遲滯比較器，A2為理想積分器。A1輸出為方波，該方波通過(guò)電阻R給電容C恒流充放電，形成三角波，反過(guò)來(lái)三角波又去控制遲滯比較器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，周而復(fù)始形成