波形发生器(实验重点).ppt

1 8 2三角波发生器 8 3RC正弦波振荡器 8 1信号发生电路 第8章波形产生电路与变换电路 2 随着集成运放技术的发展 目前集成运放的应用几乎渗透到电子技术的各个领域 除运算以外 还可以对信号进行处理 变换和测量 也可以用来产生正弦信号和各种非正弦信号 三角波 矩形波 锯齿波等 8 1信号发生电路 3 利用电容器充放电产生脉冲波形 产生脉冲波形的基本原理 三角波 4 试着用迟滞比较器充当电源和开关 5 1 电路结构 8 1 1方波发生器 多谐振荡电路 用迟滞比较器充当电源和开关 Uc充当着Ui的作用 反相迟滞比较器 6 2 工作原理 1 设uo UZ 此时 输出给C充电 uc 一旦uc U H 就有u u 在uc U H时 u u uo立即由 UZ变成 UZ 设uC初始值uC 0 0 uo保持 UZ不变 方波发生器 7 此时 C经输出端放电 再反向充电 2 当uo UOM时 当uo重新回到 UOM以后 电路又进入另一个周期性的变化 方波发生器 8 充电 放电 9 周期与频率的计算 方波发生器 10 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 思考题 b a c 11 8 2三角波发生器 从下图的电容C1输出 便可得到一个近似的三角波 但由于其充电电流i充 UO1 UC1 R3随t而下降 因此uC输出的三角波线性较差 为此 只要保证恒流充电即可 于是后面又增加了一个积分电路 其原理分析如下 C1 12 在实用电路中 将方波发生电路中的RC充 放电回路用积分运算电路来取代 滞回比较器和积分电路的输出互为另一个电路的输入 如下图所示 其虚线左边为同相输入滞回比较器 右边为积分运算电路 滞回比较器输出为方波 经积分运算电路后变换为三角波 波形如下图所示 因为U 为虚地 所以I充 UO1 R3为定值 因为UO1为方波 恒流充电 13 另付三角波发生器电路 14 三角波产生电路的条件是电容充放电时间常数相等 如果二者相差较大 即为锯齿波产生电路 具体电路如图所示 利用VD1 VD2组成控制充放电回路 调整电位器Rw可改变充放电时间常数 如果Rw在中点 则充放电时间常数相等 输出为三角波 如果Rw在最下端 则充电时间常数大于放电时间常数 得负向锯齿波 如果Rw在最上端 则充电时间常数小于放电时间常数 得正向锯齿波 15 T1变为0 三角波发生器 锯齿波发生器 16 17 一放大电路通常在输入端接上信号源的情况下才有信号输出 在不加任何输入信号的情况下 放大电路仍会产生一定频率的信号输出 这种现象就是放大电路的自激振荡 复习 8 3RC正弦波振荡器 8 3 1概述 18 电路中的反馈形式 在不加任何输入信号的情况下 放大电路仍会产生一定频率的信号输出 2 产生原因 振荡电路的输入信号是从自己的输出端反馈回来的 开始产生相移 变成了正反馈 1 自激振荡现象 19 产生正弦波的条件与负反馈放大电路产生自激的条件十分类似 只不过负反馈放大电路中是由于信号频率达到了通频带的两端 产生了足够的附加相移 从而使负反馈变成了正反馈 在振荡电路中加的就是正反馈 振荡建立后只是一种频率的信号 无所谓附加相移 20 振荡器在刚刚起振时 为了克服电路中的损耗 需要正反馈强一些 即要求 这称为起振条件 既然 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 4 起振条件和稳幅原理 21 振荡条件幅度平衡条件相位平衡条件 AF A F 2n a 负反馈放大电路 b 正反馈振荡电路 图振荡器的方框图 比较图 a 和 b 就可以明显地看出负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区别了 由于振荡电路的输入信号 所以 由于正 负号的改变 22 为了产生正弦波 必须在放大电路里加入正反馈 因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分 但是 这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波 这是由于很难控制正反馈的量 如果正反馈量大 则增幅 输出幅度越来越大 最后由三极管的非线性限幅 这必然产生非线性失真 反之 如果正反馈量不足 则减幅 可能停振 为此振荡电路要有一个稳幅电路 另外为了获得单一频率的正弦波输出 应该有选频网络 选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一 选频网络由R C和L C等电抗性元件组成 正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名 思路 23 在波形发生电路中 是否一定只有一个频率满足相位条件 如否 电路的振荡频率f0如何确定 答 在有选频网络的电路中 情况一般是这样 但是 在某些不选频网络的振荡电路中 情况则不然 例如 在图8 03 下页 的电路中可以求出 表达式没有虚部 说明A和F同相 这表明电路在任何频率下都能满足振荡的相位平衡条件 但是 由于稳压管的稳幅作用 在振荡稳定时 还是只有一个频率能满足幅值平衡条件 仍能产生的正弦 余弦波 这和通常只有一个频率满足相位条件的情况不同 24 25 1 放大电路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 常用的选频网络有RC选频和LC选频4 稳幅环节 使电路易于起振又能稳定振荡 波形失真小 5 正弦波振荡器的一般组成 26 正反馈选频网络F 电压负反馈网络 稳幅环节 放大电路 A 2n 同相输出 如 F 0 时 反馈到U 端的电压uF就为正反馈 正弦波振荡器结构 下面就来构造F和稳幅环节 27 R1C1串联阻抗 R2C2并联阻抗 8 3 2RC正弦波振荡电路 正反馈 选频一 RC串并联网络的选频特性 频率特性 前面学习的负反馈放大电路中的F是一定值 纯电阻网络和频率无关 28 1 当信号的频率很低时 R1 R2 其低频等效电路为 其频率特性为 当 0时 uf 0 F 0 90 当 时 uf F 1 定性分析 29 R1 R2 其高频等效电路为 其频率特性为 当 时 uf 0 F 0 90 当 时 uf F 2 当信号的频率很高时 30 0 F max 由以上分析知 一定有一个频率 0存在 使得当 0时 F 最大 且 0 31 R1C1串联阻抗 R2C2并联阻抗 频率特性 2 定量分析 32 通常 取R1 R2 R C1 C2 C 则有 式中 可见 当时 F 最大 且 0 F max 1 3 33 当时 F F max 1 3 RC串并联网络完整的频率特性曲线 相频特性的特点 仅对一个频率 o 1 RC是零相移 对低于此频率和高于此频率分别呈正相移和负相移 幅频特性的特点 对频率 o传输系数最大 等于1 3 而对其它频率的传输系数都是小于1 3的 所以只要放大器的电压放大倍数大于3 就能起振 幅频特性 相频特性 34 RC正弦波振荡电路 同相比例电路 电压负反馈稳幅作用 文氏桥正弦波振荡电路 实验6 35 在f0处 满足相位条件 因为 AF 1 只需 A 3 振幅条件 引入负反馈 选 二 RC桥式振荡器的工作原理 A 稳幅环节 36 RC串并联网络的相频特性是 仅对一个频率 o 1 RC是零相移 对低于此频率和高于此频率分别呈正相移和负相移 这样一来 仅对这个 o 结合同相放大器能实现正反馈 因为正反馈的条件是放大器的相移 反馈网络的相移 360 RC串并联网络的幅频特性是 对频率 o传输系数最大 等于1 3 而对其它频率的传输系数都是小于1 3的 所以只要放大器的电压放大倍数大于3 就能起振 而运放的电压放大倍数是远大于3的 这样一来 起振是没有问题 但是会带来严重的失真 解决办法是 设法使运放的电压放大倍数稍稍大于3就行 引入负反馈 稳幅环节 37 RC串并联选频网络振荡器 2 38 一 T1 T2组成两级共射放大电路 由于一级共射放大是反相放大 两级就是同相放大 二 两个电阻 R 16K 2只 C 0 01 2只 是一个RC串并联移相网络 它的输入端是上面的那个R上边 而它的输出端是中间 这个RC电路的输入端接的就是两级放大器的输出端 而这个RC电路的输出端接的就是两级放大器的输入端 这样就构成了一个闭环 三 RC串并联网络的相频特性是 仅对一个频率 o 1 RC是零相移 对低于此频率和高于此频率分别呈正相移和负相移 这样一来 仅对这个 o 结合两级同相放大器能实现正反馈 因为正反馈的条件是放大器的相移 反馈网络的相移 360 四 RC串并联网络的幅频特性是 对频率 o传输系数最大 等于1 3 而对其它频率的传输系数都是小于1 3的 所以只要放大器的电压放大倍数大于3 就能起振 而两级共射放大电路的电压放大倍数是远大于3的 这样一来 起振是没有问题 但是会带来严重的失真 解决办法是 设法使两级放大器的电压放大倍数稍稍大于3就行 五 为使两级放大器的电压放大倍数比3大 但不要大太多 引入两级间的电压串联负反馈 就是由那个带星号的电阻Rf 10K 将输出端信号引到T1的射极 与T1的射极电阻 1 2K 组成电压串联负反馈 由串联负反馈电路的计算公式可以估出这个引入负反馈后的闭环电压放大倍数 10 1 2 1 9 可知电路中的这个负反馈电阻Rf再小点 只要不小于2 4K就行 也行 39 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 Rf 2R1 2 10 20k 1592Hz 例题 Rf不能太大 否则正弦波将变成方波 振幅条件 40 振幅条件 AF 1 但是如果放大倍数正好为3 这样工作不稳定 因为放大倍数稍有下降 立即停振 因此 要留有余地 使放大倍数稍大于3 因为振荡以后 振荡器的振幅回不断增大 由于受运放最大输出电压的限制 输出波形将产生非线性失真 为此 只要设法使输出电压的幅值增大时 适当减小 反之则应增大 就可