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第八章波形的产生与变换电路 一 产生自激振荡的条件 只有正反馈电路才能产生自激振荡 8 1正弦波振荡电路 8 1 1概述 反馈信号代替了放大电路的输入信号 Xd Xf 所以 自激振荡条件也可以写成 自激振荡的条件 1 振幅条件 动画演示 起振条件和稳幅原理 振荡建立与稳定过程图 起振条件 结果 产生增幅振荡 略大于 1 被动 器件非线性2 主动 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 稳幅 1 放大电路 二 正弦波振荡器的一般组成 2 正反馈网络 3 选频网络 只对一个频率满足振荡条件 从而获得单一频率的正弦波输出 4 稳幅电路 选频网络组成 R C和L C 正弦波振荡器命名 石英晶体 8 1 2RC振荡电路 一 RC串并联网络的选频特性 R1C1串联阻抗 R2C2并联阻抗 选频特性 2 2 如果 R1 R2 R C1 C2 C 则 选频特性 w wo时 RC串并联网络的频率特性曲线 RC桥式振荡器的工作原理 在f0处 满足相位条件 因为 AF 1 A 3 A 3 同相放大器 文氏桥选频电路 振幅条件 例题 R 1k C 0 1 F R1 10k Rf为多大时才能起振 振荡频率f0 AF 1 A 3 2 10 20k 1592Hz 起振条件 能自动稳幅的振荡电路 起振时RT 2R1 使A 3 易起振 当uo幅度自激增长达某一值时 RT 2R1 A 3 当uo进一步增大时 RT 2R1 使A 3 因此uo幅度自动稳定于某一幅值 能自动稳幅的振荡电路 Rf1 Rf2略大于2R1 随着uo的增加 Rf2逐渐被短接 A自动下降 输出自动被稳定于某一幅值 将Rf分为二个 Rf1和Rf2 Rf2并联二极管 K 双联波段开关 切换R 用于粗调振荡频率 C 双联可调电容 改变C 用于细调振荡频率 振荡频率的调节 电子琴的振荡电路 使R2 R1 AF 1 可调 A 2 RF1 RF2 Rf 1 LC并联谐振回路的选频特性 阻性 LC并联谐振特点 谐振时 总路电流很小 支路电流很大 电感与电容的无功功率互相补偿 电路呈阻性 用于选频电路 R为电感线圈中的电阻 8 1 3LC正弦波振荡器 Q为谐振回路的品质因数 Q值越大 曲线越陡越窄 选频特性越好 图中Q1 Q2 并联谐振阻抗为Z0 谐振时LC并联谐振电路相当一个电阻 LC并联谐振回路的幅频特性曲线 互感线圈的极性判别 磁棒 初级线圈 次级线圈 同极性端 C L R u i 反馈信号通过互感线圈引出 二 变压器反馈式LC振荡电路 工作原理 三极管共射放大器 利用互感线圈的同名端 满足相位条件 振荡频率 判断是否是正反馈 用瞬时极性法判断 LC正弦波振荡器举例 反馈 满足相位平衡条件 满足相位平衡条件 反馈 正反馈 LC正弦波振荡器举例 振荡频率 uo 满足相位平衡条件 仍然由LC并联谐振电路构成选频网络 A 若中间点交流接地 则首端与尾端相位相反 三 三点式LC振荡电路 原理 中间端的瞬时电位一定在首 尾端电位之间 三点的相位关系 B 若首端或尾端交流接地 则其他两端相位相同 三 三点式LC振荡器 1 电感三点式LC振荡电路 振荡频率 2 电容三点式LC振荡电路 振荡频率 例 试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件 a b Q值越高 选频特性越好 频率越稳定 8 1 4石英晶体振荡电路 1 频率稳定问题 频率稳定度一般由来衡量 频率偏移量 振荡频率 LC振荡电路Q 数百 石英晶体振荡电路Q 10000 500000 一 石英晶体 2 基本特性 1 结构 极板间加电场 极板间加机械力 压电效应 交变电压 机械振动的固有频率与晶片尺寸有关 稳定性高 当交变电压频率 固有频率时 振幅最大 压电谐振 3 石英晶体的等效电路与频率特性 等效电路 1 串联谐振 频率特性 晶体等效阻抗为纯阻性 2 并联谐振 通常 所以 实际使用时外接一小电容Cs 则新的谐振频率为 由于 由此看出 调整 二 石英晶体振荡电路 利用石英晶体的高品质因数的特点 构成LC振荡电路 1 并联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在fs与fp之间 相当一个大电感 与C1 C2组成电容三点式振荡器 由于石英晶体的Q值很高 可达到几千以上 所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性 2 并联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在fs处 呈电阻性 且阻抗最小 正反馈最强 该电路为电感三点式振荡器 加入石英晶体是利用石英晶体的高Q值 提高振荡频率的稳定性 例 分析下图的振荡电路能否产生振荡 若产生振荡 石英晶体处于何种状态 a b 8 2电压比较器 将一个模拟电压信号与一参考电压相比较 输出一定的高低电平 功能 特性 运放组成的电路处于非线性状态 输出与输入的关系uo f ui 是非线性函数 1 运放工作在非线性状态的判定 电路开环或引入正反馈 运放工作在非线性状态基本分析方法 2 运放工作在非线性状态的分析方法 若U U 则UO UOM 若U U 则UO UOM 虚断 运放输入端电流 0 注意 此时不能用虚短 1 过零比较器 门限电平 0 一 单门限电压比较器 例题 利用电压比较器将正弦波变为方波 2 单门限比较器 与参考电压比较 UREF UREF为参考电压 当ui UREF时 uo Uom当ui UREF时 uo Uom 运放处于开环状态 UREF 当uiUREF时 uo Uom 若ui从反相端输入 用稳压管稳定输出电压 忽略了UD 3 限幅电路 使输出电压稳定 稳幅电路的另一种形式 将双向稳压管接在负反馈回路上 R R 二 迟滞比较器 1 迟滞比较器 特点 电路中使用正反馈 1 因为有正反馈 所以输出饱和 2 当uo正饱和时 uo UOM 3 当uo负饱和时 uo UOM 迟滞比较器 设ui 当ui UT uo从 UOM UOM 这时 uo UOM U UT 设初始值 uo UOM U UT 设ui 当ui UT uo从 UOM UOM 传输特性 UT 上门限电压UT 下门限电压UT UT 称为回差 例 设输入为正弦波 画出输出的波形 加上参考电压后的迟滞比较器 上下限 例题 R1 10k R2 10k UZ 6V UR 10V 当输入ui为如图所示的波形时 画出输出uo的波形 上下限 1 电路结构 由滞回比较电路和RC定时电路构成的 上下限 8 3非正弦波发生电路1 方波发生器 2 工作原理 1 设uo UOM 此时 输出给C充电 uc 则 u UT 一旦uc UT 就有u u 在uc UT 时 u u uo立即由 UOM变成 UOM 设uC初始值uC 0 0 方波发生器 uo保持 UOM不变 此时 C经输出端放电 再反向充电 2 当uo UOM时 u UT uc达到UT 时 uo上翻 当uo重新回到 UOM以后 电路又进入另一个周期性的变化 动画演示 周期与频率的计算 f 1 T 此期间是分析问题时的假设 实际上用示波器观察波形时看不到这段波形 周期与频率的计算 T T1 T2 2T2 因正反向充电条件一样T1 T2 T2阶段uc t 的过渡过程方程为 UC UOM 周期与频率的计算 思考题 点b是电位器RW的中点 点a和点c是b的上方和下方的某点 试定性画出点电位器可动端分别处于a b c三点时的uo uc相对应的波形图 设Rwa Rwc 2 三角波发生器 三角波发生器波形图 电路与工作原理 锯齿波发生器 应改变积分器的充放电时间常数 充电 R R C 放电 仍为RC 本章小结 1 自激振荡可以使反馈放大器工作不稳定 但我们可以利用产生自激振荡的条件去构成正反馈电路 以产生正弦波振荡 正弦波振荡电路由放大器 反馈网络 选频网络和稳幅环节构成 2 正弦波振荡电路主要有RC振荡电路和LC振荡电路两种 RC振荡电路主要用于中低频场合 LC振荡电路主要用于高频场合 石英晶体振荡电路是一种特殊类型的LC振荡电路 其特点是具有很高的频率稳定性 3 比较器是一种能够比较两个模拟量大小的电路 由于集成运放的开环电压增益很高 所以 当集成运放工作