第7章_波形发生与变换电路

第7章波形发生与变换电路 7 1正弦波发生电路 7 2非正弦波发生电路 7 3波形转换电路 主要内容和要求 理解正弦波振荡器的振荡条件 掌握RC正弦波振荡电路的原理 会用相位平衡条件判断电路能否起振 信号产生电路 振荡器 Oscillators 分类 正弦波振荡 非正弦波振荡 RC振荡器 1kHz 数百kHz LC振荡器 几百kHz以上 石英晶体振荡器 频率稳定度高 方波 三角波 锯齿波等 主要性要求能 输出信号的幅度准确稳定 输出信号的频率准确稳定 7 1正弦波发生电路 7 1 1正弦波发生电路的基本概念 正弦波振荡电路原理框图 怎样产生振荡 引入正反馈能产生自激振荡 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 1 平衡条件 2 起振条件 振荡电路是单口网络 无须输入信号就能起振 起振的信号源来自何处 噪声中 满足相位平衡条件的某一频率 0的噪声信号被放大 成为振荡电路的输出信号 起振条件 略大于 放大电路 包括负反馈放大电路 3 振荡电路基本组成部分 反馈网络 构成正反馈的 选频网络 选择满足相位平衡条件的一个频率 经常与反馈网络合二为一 稳幅环节 按组成选频网络的元件类型 4 分类 RC正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路 石英晶体正弦波振荡电路 7 1 2RC正弦波振荡电路 1 电路原理 电路的构成 RC串并联网络是正反馈网络 Rf和R1为负反馈网络 RC串并联网络与Rf R1负反馈支路正好构成一个桥路 称为桥式 2 RC选频网络的选频特性 式中 0 1 RC 当 0时 0 3 RC桥式振荡器的工作原理 在f0处 满足相位条件 AF 1 只需 A 3 振幅条件 引入负反馈 选 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 Rf 2R1 2 10 20k 1592Hz 起振条件 RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于1MHz的正弦波 4 稳幅措施 起振时Rt较大使A 3 易起振 当uo幅度自激增长时 Rt减小 A减小 当uo幅度达某一值时 A 3 uo幅度自动稳定于某一幅值 正弦波振荡电路的分析步骤 1 判定电路能否产生振荡 1 检查电路的基本组成 看电路是否包括放大电路 反馈网络和选频网络 2 检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正常工作 3 检查放大电路是否满足自激振荡产生的条件 一般情况下 幅度平衡条件容易满足 重点检查电路是否满足相位平衡条件 2 用相位平衡条件判定电路能否振荡采用瞬时极性法 沿着放大和反馈环路判别反馈的性质 如果是正反馈则满足相位条件 否则不满足 1 断开反馈支路与放大电路输入端的连接点 2 在放大电路断开点处输入信号ui 经放大电路和反馈支路求反馈信号uf 根据放大电路和反馈网络的相频特性 确定ui和uf之间的相位关系 3 如果ui和uf在某一频率下相位相同 则电路满足相位的起振条件 否则不满足 7 1 3LC正弦波振荡电路 常见的LC正弦波振荡电路有变压器反馈式 电感三点式电容三点式共同点 LC并联谐振回路作为选频网络 1 LC并联回路的选频特性 当时 并联谐振 LC并联谐振特点 谐振时 总电流很小 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 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 谐振时LC并联谐振电路相当一个大电阻 LC并联谐振回路的幅频特性曲线 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 2 变压器反馈式LC正弦波振荡电路 为了满足幅度条件AF 1 对晶体管的 值有一定要求 一般只要 值较大 就能满足振幅平衡条件 反馈线圈匝数越多 耦合越强 电路越容易起振 判断是否满足相位条件 相位平衡法 断开反馈到放大器的输入端点 假设在输入端加入一正极性的信号 用瞬时极性法判定反馈信号的极性 若反馈信号与输入信号同相 则满足相位条件 否则不满足 例 变压器反馈式LC正弦波振荡电路 1 电路构成 变压器反馈式LC正弦波振荡电路 仍然由LC并联谐振电路构成选频网络 3 三点式LC振荡电路 原理 uf与uo反相 uf与uo同相 电感三点式 电容三点式 uf与uo反相 uf与uo同相 电感三点式LC振荡电路 振荡频率 电容三点式LC振荡电路 振荡频率 容易起振 振荡频率高 可达100MHz以上 由于C2对高次谐波的阻抗小 反馈电压中的谐波成分少 故振荡波形较好 但调节频率不方便 这是由于C1 C2的大小既与振荡频率有关 也与反馈量有关 改变C1 或C2 时会影响反馈系数 从而影响反馈电压的大小 因此 该电路适用于波形要求较高而振荡频率固定的场合 电容三点式LC振荡电路 7 1 4石英晶体振荡电路 1 石英晶体的谐振特性与等效电路 图7 11石英晶体谐振器 a 石英晶体振荡器 b 外形图 石英晶体在电路中的符号和等效电路 图7 12石英晶体的符号和等效电路 a 符号 b 等效电路 图7 13石英晶体的电抗 频率特性 石英晶体谐振器的电抗 频率特性 串联 一个是L C R支路发生串联谐振时的串联谐振频率fs 并联谐振 另一个是L C R支路与C0支路发生并联谐振时的并联谐振频率fp 由图7 12等效电路得 谐振频率 石英晶体振荡器可以归结为两类 一类称为并联型 振荡频率接近于fp 另一类称为串联型 振荡频率接近于fs 2 石英晶体振荡电路 2 振荡频率 由石英晶体决定 改变C1 C2的值可以在很小的范围内微调f0 1 组成 晶体在电路中起一个电感作用 它与C1 C2组成电容反馈式振荡电路 并联型石英晶体振荡器 串联型石英晶体振荡电路 当电路中的石英晶体工作于串联谐振频率fs时 晶体呈现的阻抗最小 且为纯电阻性 F 0 A 0 电位器 调节反馈量 使输出的振荡波形失真较小且幅度稳定 相位平衡 1 电路结构 由滞回比较电路和RC定时电路构成 上下限 7 2矩形波发生器 2 工作原理 1 设uo UZ 此时 uO给C充电 uc 则 u UT 一旦uc UT 就有u u uo立即由 UZ变成 UZ 在uc UT 时 u u 设uC初始值uC 0 0 方波发生器 uo保持 UZ不变 此时 C向uO放电 再反向充电 2 当uo UZ时 u UT uc达到UT 时 uo上跳 当uo重新回到 UZ后 电路又进入另一个周期性的变化 完整的波形 计算振荡周期T 周期与频率的计算 T T1 T2 2T2 T2阶段uc t 的过渡过程方程为 f 1 T 可推出 3 占空比可调的方波发生器 改变电位器RW的滑动端 就改变了冲放电的时间 从而使方波的占空比可调 7 2三角波及锯齿波信号发生器 电路结构 迟滞比较器 反相积分器 一 三角波发生器 工作原理 若uo1 UZ uo2 u 当u 0时 uo1翻转为 UZ 若uo1 UZ uo2 u 当u 0时 uo1翻转为 UZ 波形图 振荡周期 二 锯齿波发生器 改变积分器的正反向充电时间常数 uo1 UZ D截止 充电时间常数 R4C uo1 UZ D导通 充电时间常数 R6 R4 C R6 R4 本章小结 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