集成运放组成的波形发生器.ppt

1 正弦波振荡电路 2 非正弦波振荡电路 第二部分 由集成运放组成的 波形发生器 1 正弦波振荡器 1.1 正弦波振荡器的组成 1.2 产生正弦波振荡的条件 1.3 起振条件和稳幅环节 1.4 RC文氏桥正弦波振荡器 其中选频网络由R、C和L、C或石英 晶体等电抗性元件组成。振荡器也常因此 而命名。 1.放大电路 2.正反馈网络 3.选频网络 4.稳幅电路 1.1 正弦波发生电路的组成 AF = A+ F= 2n 图11.01 振荡器的方框图 1.2 产生正弦波的条件 右图所示电路若满足： 振荡条件： 幅度平衡条件： 相位平衡条件： 则电路产生振荡 起振条件： 1.3 起振条件和稳幅环节 稳幅环节： 由于 ,起振后就要产生增幅振荡，需要 靠三极管大信号运用时的非线性特性去限制幅度的 增加，这样电路必然产生失真。这就要靠选频网络 的作用，选出失真波形的基波分量作为输出信号， 以获得正弦波输出。也可以在反馈网络中加入非线 性稳幅环节，用以调节放大电路的增益，从而达到 稳幅的目的。 1.4 RC文氏桥振荡电路 (1) RC文氏桥振荡电路的构成 RC文氏桥振荡电路如图1 所示，RC 串并 联网络是正反馈网络，另外还增加了R3和R4负 反馈网络。 C1、R1和C2、 R2正反馈支路与 R3、R4负反馈支 路正好构成一个 桥路，称为文氏 桥。 图1 RC文氏桥振荡电路 当C1 =C2、R1 =R2时: 为满足振荡的幅度条件 ，所以Af3 。加入R3、R4支路，构成串联电压负反馈。 F=0 (2) RC文氏桥振荡电路的稳幅过程 RC文氏桥振 荡电路的稳幅作用 是靠热敏电阻R4实 现的。R4是正温度 系数热敏电阻，当 输出电压升高，R4上所加的电压升高，即温度 升高，R4的阻值增加，负反馈增强，输出幅度 下降。反之输出幅度增加。若热敏电阻是负温 度系数，应放置在R3的位置。见图1。 (a) 稳幅电路 (b) 稳幅原理图 图11.04 反并联二极管的稳幅电路 采用反并联二极管的稳幅电路如图11.04所示 。 电路的电压增益为 式中 R“p是电位器上半部的电阻值，Rp是 电位器下半部的电阻值。R3= R3 / RD，RD是并 联二极管的等效平均电阻值。 当Vo大时，二极管支路的交流电流较大， RD较小，Avf较小，于是Vo下降。由图(b)可看 出二极管工作在C、D点所对应的等效电阻， 小于工作在A、B点所对应的等效电阻，所以输 出幅度小。 二极管工作在A、B点，电路的增益较大， 引起增幅过程。当输出幅度大到一定程度，增 益下降，最后达到稳定幅度的目的。 1 方波发生电路 2 三角波发生电路 3 锯齿波发生电路 2 非正弦波发生电路 方波发生电路是由滞回比较电路和RC定时电路 构成的，电路如图2.1所示。 (1)工作原理 电源刚接通时, 设 电容C充电， 升高。 参阅图2.2。 图2.1 方波发生器 2.1 方波发生电路 当 时， ，所以 电容C放电， 下降。 当 ， 时，返回初态。 方波周期用过渡过 程公式可以方便地求 出 图2.2 方波发生器波形图 图2.1 方波发生器 过渡时间t: 显然为了改变输出方波的占空比，应改变 电容器C的充电和放电时 间常数。占空比可调的矩 形波电路见图2.3。 C充电时，充电电流 经电位器的上半部、二 极管D1、Rf； C放电时，放电电流 经Rf、二极管D2、电位 器的下半部。 图2.3 占空比可调方波发生电路 (2)占空比可调的矩形波电路 占空比为： 其中， 是电位器中点到 上端电阻， 是二极管D1的 导通电阻。 其中， 是二极管D2的导 通电阻。即改变 的中点位 置，占空比就可改变。 图14.08 方波发生器波形图 图2.4 三角波发生器 三角波发生器的电路如图2.4所示。它是由滞 回比较器和积分器闭环组合而成的。积分器的输 出反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的 。 1.当vO1=+VZ时,则电容C 充电, 同时vO按线性逐 渐下降，当使A1的VP 略低于VN 时，vO1 从 +VZ跳变为-VZ。波形 图参阅图2.5。 2.2 三角波发生器 2. 在vO1=-VZ后，电容C开 始放电，vO按线性上升， 当使A1的VP略大于零时， vO1从-VZ跳变为+ VZ ， 如此周而复始，产生振 荡。vO的上升时间和下降 时间相等，斜率绝对值 也相等，故vO为三角波。 图2.5 三角波发生器的波形 输出峰值 振荡周期： 锯齿波发生器的电路如图2.6所示。显然,为了获 得锯齿波，应改变积分器的充放电时间常数。图中的 二极管D和R将 使充电时间常数 减为(RR)C， 而放电时间常数 仍为RC。 图2.6 锯齿波发生器电路图 锯齿波电路的 输出波形图如图 2.7所示。 2.3 锯齿波发生器 图2.7 锯齿波发生器的波形 锯齿波周期可以 根据时间常数和锯齿 波的幅值求得。锯齿 波的幅值为： vo1m=|Vz|= vomR2/R1 vom= |Vz| R1/R2 于是有 附 电压比较器 电压比较器是一种能将输入的模拟电压信 号与预设的某个参考电压相比较并给出比较结 果（高电平或低电平）的电路。 由于其输入信号是连续变化的信号，而输 出却只有高电平或低电平两种状态，所以其中 的集成运放往往工作在非线形区，为此，从电 路结构来看，运放往往处于开环状态，有时甚 至为了使输入输出的状态转换更快，提高比较 精度，常在电路中引入正反馈。 * 固定幅度比较器 * 滞回比较器 常用的电压比较器有固定幅度比 较器、具有滞回特性的滞回比较器和 窗口比较器。这些比较器的阈值是固 定的，有的只有一个阈值，有的具有 两个阈值。 这里我们回顾以下两种比较器: (1) 过零比较器和电压幅度比较器 过零电 压比较器是 典型的幅度 比较电路， 它的电路图 和传输特性 曲线如图1 所示。 (a) (b) 图1 过零电压比较器 (a)电路图(b)传输特性曲线 1. 固定幅度比较器 将过零电压比较器的一个输入端从接地改 接到一个电压值VREF 上 , 就得到电压幅度比较 器，它的电路图和传输特性曲线如图2 所示。 图2 固定电压比较器 (a)电路图(b)传输特性曲线 (2)比较器的基本特点 常工作在开环或正反馈状态。 开关特性，因开环增益很大，比较器的输 出只有高电平和低电平两个稳定状态。 非线性，因大幅度工作，输出和输入不成 线性关系。 从输出引一个电阻分压支路到同相输入端，电路 如图3(a)所示。当 vo = V+om时，若输入电压 vI 由低于 V+增大至高于V+， vo将翻转，此时V+记为 VT+，称为 上限阈值(触发)电平。 当vo =V-om时,若输入电压vI由 高于V+减小至低于V+， vo将 翻转，此时V+记为 VT-, 称为 下限阈值(触发)电平。 图3(a) 滞回比较器电路图 2. 滞回比较器 图3(b)滞回比较电路的传输特性 因此，当vi由小而大，增至VT+后vo出现跳 变，而vi由大变小，则须减小至VT-后vo才出现 跳变，vi与vo的关系表现出具有如图3(b) 所示 的滞回特性。 回差电压VT： 积分运算电路的分析方法与求和电 路差不多，反相积分运算电路如图1所示 。 图1 积分运算电路 附 积分运算电路 当输入信号是阶跃直流电压VI时，即 图 积分运算放大电路 若积分前电容已存在初始电压vo(0)则: 附3：由555构成的矩形波信号产生电路 图2.4.1 由555构成的矩形波信号产生电路 输出矩形波的振荡周期为： 输出频率为： 输出矩形波的占空比为： 输出高电平的持续时间 ： 输出低电平的持续时间 ： 附4：由石英晶体构成的矩形波信号产生电路 石英晶体的选频 特性非常好，只有在其谐振频率 附近的信号能通过电 路， 其他频率的信号全部被石英晶体衰减。故而只有频率为 的信号 通过不断放大最后获得稳定的输出。R1、R2使反相器工作在线性放大区， 若反相器为TTL门电路，则R1、R2常选取0.72K，若反相器为CMOS门电路， 则R1、R2常取10100M，C1和C2用作反相器间的信号耦合，反相器C用作 提高输出驱动能力。 附5：由单片机构成的信号产生电路 编程时只需把要产生的信号波形各点的幅值转换为二进制数， 把整个周期的数据制成一张表，单片机查表依次输出到DAC0832 进行D/A转换，经运放后可得相应的电压信号，如此周而复始可 获得相应的周期信号波形。 设计任务一：函数信号发生器的设计 1、设计任务： 利用LM324构成正弦波、方波、三角波函数信号 发生器 给定条件:（1）给定VCC=+9V、VEE=-9V; （2）用万能板搭接电路。 要求性