波形发生及变换电路.ppt

9.1正弦波振荡电路的基本原理9.2RC正弦波振荡电路9.3LC正弦波振荡电路9.4石英晶体振荡电路9.5电压比较器9.6非正弦信号产生电路,电气与电子工程学院,第9章波形发生及变换电路,9.1.1自激振荡的条件9.1.2正弦波振荡电路的组成9.1.3正弦波振荡电路的类型9.1.4正弦波振荡电路的分折步骤,电气与电子工程学院,9.1正弦波振荡电路的基本原理,放大电路,反馈网络,如果反馈电压uf与原输入信号ui完全相等，则即使无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号自激振荡。,图9.1.1反馈放大电路产生自激振荡的条件,9.1.1自激振荡的条件,由此知放大电路产生自激振荡的条件是：,即：,所以产生正弦波振荡的条件是：,幅度平衡条件,相位平衡条件,组成：放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。,1.放大电路2.正反馈网络3.选频网络4.稳幅环节,满足振荡条件,实现单一频率的振荡,稳定振荡幅度、波形好,常合二而一,9.1.2正弦波振荡电路的组成,1.RC振荡电路：分为桥式、移相式和双T式等常用的RC振荡电路。,9.1.3正弦波振荡电路的类型,图9.1.2桥式、移相式和双T式RC振荡电路,工作频率较低，一般为几赫兹至几百千赫兹，它们的直接输出功率较小，常用于低频电子设备中。,2.LC振荡电路,分为变压器反馈式、电感三点式和电容三点式等常用的LC振荡电路。,工作频率较高，可以产生几十兆赫兹以上的正弦波信号，它们可以直接给出较大的输出功率，常用于高频电子电路或设备中。,图9.1.3LC振荡电路,3.石英晶体振荡电路,图9.1.4石英晶体振荡电路,选用石英晶体作选频网络，主要有并联型和串联型石英晶体振荡电路。石英晶体振荡电路的工作频率一般在几十千赫兹以上，它的频率稳定度较高，多用于时基电路和测量设备中。,9.1.4正弦波振荡电路的分折步骤,1.分析电路的结构(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、选频网络和稳幅环节。(2)检查放大电路直流通路，看静态工作点是否合适。(3)检查交流通路，看信号能否输入、输出和放大，即能否保证放大电路正常工作。,2.判断电路是否满足自激振荡的相位平衡条件判断相位平衡条件采用瞬时极性法，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平衡条件，否则不满足相位平衡条件。,(1)断开反馈回路与放大电路输入端的连接点，在断开点处加频率为f0的信号Ui，经放大电路和反馈回路求反馈信号Uf，根据放大电路和反馈网络的相频特性，确定Uf=Ui之间的相位关系;,具体的判断步骤是:,(2)如果Ui和Uf在某频率f0下相位相同，则电路满足相位平衡条件，否则不满足相位平衡条件。,3.判断电路是否满足自激振荡的幅度条件,4.振荡频率和起振条件的估算,振荡频率f0：由相位平衡条件所决定。,起振条件：,9.2RC正弦波振荡电路,9.2.1RC桥式正弦波振荡电路9.2.2RC移相式振荡电路9.2.3双T网络正弦波振荡电路,9.2.1RC桥式正弦波振荡电路,1.电路组成：,(1)放大电路同相比例运算放大器；,文氏电桥电路,(2)选频与正反馈网络R、C串并联电路；(3)稳幅环节Rf与R1组成的负反馈电路。,图9.2.1RC桥式振荡电路,式中:0=1/RC,幅频特性：,相频特性：,2.RC串并联选频网络,图9.2.2RC串并联选频电路,幅频特性：,相频特性：,最大，F=0。,1/3,+90,-90,图9.2.3RC串并联选频网络的频率特性,3.振荡频率与起振条件,(1)振荡频率,(2)起振条件,f=f0时，,由起振条件：,同相比例运放的电压放大倍数为,即要求：,A=0,F=0,得：,Rf：串联电压负反馈,提高输入电阻，减小输出电阻，提高了输出端的带负载能力。还可以提高振荡电路的稳定性和改善输出电压的波形(使其更接近正弦波)。,4.稳幅措施,输出幅度不稳定，常采用非线性热敏元件来稳幅。,(1)采用热敏电阻,Rf：负温度系数R1：正温度系数均可实现自动稳幅。,原理：,UO，电流If增大，t,Rf,A,UO,(2)采用反并联二极管,电压放大倍数为,RD并联二极管的等效平均电阻值,起振时VD1、VD2不导通，Rf1+Rf2略大于2R1。随着uo的增加，VD1、VD2逐渐导通，Rf2被短接，A自动下降，起到稳幅作用。,起振时信号小，二极管电阻大；起振后二极管电阻逐渐减小。,图9.2.4采用反并联二极管的稳幅电路,5.分立元件组成的桥式RC振荡电路,振荡频率：,电压放大倍数为,图9.2.5桥式RC振荡电路,6.振荡频率的调节,振荡频率：,用双层波段开关接不同电容，作为振荡频率f0的粗调；,用同轴电位器实现f0的微调。,图9.2.9振荡频率的调节,电子琴的振荡电路,可调,例9.2.1试用相位平衡条件判断如图9.2.6(a)所示电路能否产生自激振荡。,第1级是共射放大电路,方法1：,第2级是共射放大电路,放大电路总的,选频网络相位移：,故不能产生自激振荡。,方法2：瞬时极性法,图9.2.6,例9.2.2试判断如图所示的各电路能否产生正弦波振荡，并简述理由。,故相位条件满足,但因是共集电极放大电路，A小于1，幅度条件不满足,故不能振荡,图9.2.7(a),图9.2.7(b),错误一是集成运放输入端的正负极性颠倒；错误二是电阻R1与R2的位置颠倒。,例9.2.3一文氏电桥振荡电路如图9.2.8所示，接通电源后电路不能振荡，请指出电路的错误。,解：,图9.2.8,RC超前移相电路,RC滞后移相电路,一节RC环节,移相90,二节RC环节,移相180,三节RC环节,移相270,9.2.2RC移相式振荡电路,1.移相式振荡电路,集成运放采用反相输入方式，故,振荡频率为：,270,180,90,当F=180时，,f=f0,A=180，,F=180，即可满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。,图9.2.10RC移相式振荡电路,2.双T网络振荡电路,振荡频率约为：,如果放大电路的放大倍数足够大，同时满足振幅平衡条件，即可产生正弦波振荡。,集成运放采用反相输入方式，故,当F=180时，,f=f0,A=180，,F=180，即可满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。,图9.2.11双T网络正弦波振荡电路,表9-1三种RC振荡电路的比较,9.3.1LC并联网络的选频特性9.3.2变压器反馈式LC振荡电路9.3.3电感三点式振荡电路9.3.4电容三点式振荡电路,9.3LC正弦波振荡电路,9.3.1LC并联网络的选频特性,电路发生并联谐振。,即,一般,则,谐振频率：,此时，|Z|最大,图9.3.1LC并联电路,1.谐振频率f0,3.回路品质因数Q,4.频率特性,Z01,Z02,Q1Q2,Q1,Q2,Q1,Q2,Q1Q2,感性,纯阻,容性,不同Q值时，LC并联电路的幅频特性、相频特性,2.谐振阻抗Z0,图9.3.2LC并联电路的幅频特性和相频特性,电容、电感支路的电流值：,并联回路的输入电流值：,所以：,当Q1时，,结论：谐振时，电容支路的电流与电感支路的电流大小近似相等，而谐振回路的输入电流极小。,5.并联谐振的本质,电流谐振,结论：,1.LC并联电路具有选频特性。当f=f0时，电路为纯电阻性，等效阻抗值最大；当ff0时，电路为容性。,2.电路的品质因数Q愈大，幅频特性越尖锐，选频特性愈好。3.谐振频率的数值与LC并联电路的参数有关。,磁棒,初级线圈,次级线圈,同极性端,反馈信号通过互感线圈引出,9.3.2变压器反馈式振荡电路,放大电路：共射放大电路选频网络：LC振荡回路反馈网络：变压器副边N2,1.电路组成,用瞬时极性判断为正反馈，所以满足自激振荡的相位平衡条件。,2.振荡频率和起振条件,振荡频率,起振条件,rbe为三极管的输入等效电阻，M为绕组Nl、N2的互感，R是折合到谐振回路的等效总损耗电阻。,图9.3.2LC并联电路的幅频特性和相频特性,例9.3.1电路如图9.3.4(a)所示，试分析该电路的组成，按相位平衡条件判断能否产生正弦波振荡。,能产生正弦波振荡,共基极放大电路,图9.3.4例9.3.1电路,例9.3.2电路如图9.3.5所示，接上电源后电路不能起振，请修改电路以满足自激振荡的条件。,(1)静态工作点不合适,(2)不满足相位平衡条件,三极管基极电位UB=0V，三极管处于截止状态，所以电路不能正常工作。,共基极放大电路,图9.3.5例9.3.2电路,9.3.3电感三点式振荡电路,1.电路组成,用瞬时极性判断为正反馈，满足自激振荡的相位平衡条件。,2.相位平衡条件,振荡频率,起振条件,3.振荡频率和起振条件,图9.3.7电感三点式振荡电路,4.特点：(1)由于L1、L2的耦合很紧，容易起振。改变电感抽头的位置，即改变L1、L2的比值，可以获得满意的正弦波，且振幅较大。通常反馈线圈选择为整个线圈的18到l4。(2)并联谐振回路可以采用可变电容，来获得一个较宽的振荡频率调节范围。(3)由于反馈电压取自电感L2，而电感对高次谐波的阻抗较大，在反馈信号中有较大的高次谐波分量，使输出波形变差。一般用于要求不高的场合，产生几十兆赫以下的正弦波。,例9.3.3：振荡电路如图9.3.8(a)所示，分析电路有没有错误，如有错误，请改正。,满足相位平衡条件,但电感对直流电路相当于短路，三极管集电极和发射极电位都等于VCC，三极管不能正常工作。因此在三极管发射极和电感2端之间加隔直电容，以实现隔离直流量并使交流信号顺利通过。,图9.3.8例9.3.3图,用瞬时极性判断为正反馈，所以满足自激振荡的相位平衡条件。,9.3.4电容三点式振荡电路,1.电路组成,2.相位平衡条件,3.振荡频率和起振条件,振荡频率,起振条件,图9.3.9电容三点式振荡电路,4.特点：(1)由于反馈电压取自于电容，电容对高次谐波的阻抗较小，输出波形较好。(2)振荡频率较高，一般可达100MHZ。因为电容C1、C2的容量可以选得较小，并将放大管的极间电容也计算到C1、C2中去。适用于产生固定频率的振荡。调节电容可改变频率，但会影响起振条件。如要改变频率，可在L两端接一个可变电容。,5.电容三点式改进型振荡电路,振荡频率,选择CC1，CC2，,则：,减小了三极管极间电容对振荡频率的影响，适用于产生高频振荡。,图9.3.10电容三点式改进型振荡电路,例9.3.4试分析如图所示电路是否满足相位平衡条件？,图9.3.11例9.3.4图,例9.3.5试分析如图9.3.13所示电路为改进型电容三点式振荡电路，已知L=1uH，C1=0.1uF，C2=0.25uF，C为可变电容，其容值C=12250pF，估算振荡频率的可调范围。,因CC1，CC2，,解：,当C=12pF时，,振荡频率近似为,当C=250pF时，,因此，振荡频率的可调范围为1045.9MHz。,表9.3.1各种LC振荡电路的比较,9.4石英晶体振荡器,9.4.1正弦波振荡电路的频率稳定问题9.4.2石英晶体的特性9.4.3石英晶体振荡电路,9.4.1正弦波振荡电路的频率稳定问题,频率稳定度：用频率的相对变化量ff来表示。其中，f为振荡频率，f为频率偏移。ff的值越小，频率稳定度越高。,振荡频率不稳定的原因：选频电路的参数、三极管参数的不稳定等。,改进措施：选用高质量的选频电路元件、采用直流稳压电源以及恒温等措施以外、提高谐振回路的品质因数Q。,实践表明，这样做是有限度的，因为电容器有介质损耗，电感器有电阻损耗和高频集肤效应。另外，由于C受到电路分布电容的限制，不能做得太小，而L值不能做得太大，否则，电感线圈本身的分布电容又要增大，反而使LC值下降，所以，一般的LC回路，Q值最高可达到几百。在要求高频率稳定度的场合，往住采用高Q值的石英晶体谐振器代替一般的LC回路。石英晶体振荡电路突出的特点是谐振频率稳定性好。其频率稳定度可达10-1010-11，频带较宽，可到100MHz以上。,1.石英晶体的结构,压电效应：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产生机械变形；若在晶片上施加机械压力，在晶片相应的方向上会产生一定的电场。,压电谐振：晶片上外加交变电压的频率为某一特定频率时，振幅突然增加。,9.4.2石英晶体的特性,2.石英晶体的等效电路,L晶体的动态电感(10-3102H)(大),C晶体的动态电容(0.1pF)(小),R等效摩擦损耗电阻(小),C0晶片静态电容(几几十pF),由于晶片的等效电感L很大，而电容C很小，R也很小，因此回路的品质因数Q很大，可达106。故其频率的稳定度很高。,3.频率特性和谐振频率,串联谐振频率,并联谐振频率,电抗频率特性,fs,fp,容性,容性,感性,1.串联型石英晶体振荡电路,图9.4.4串联型石英晶体振荡电路,当振荡频率等于fS时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，此时正反馈最强，相移为零，电路满足自激振荡条件。,振荡频率,调节R可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。,9.4.3石英晶体振荡电路,f=fs，晶体呈电阻性,2.并联型石英晶体振荡电路,交流等效电路,振荡频率,由于,图9.4.3,fsfUREF时，uo=-UOPP当ui0，,ui0，,ui0，,u-0，,uo=UZ；,uo=UZ；,该电路的门限电平为,显然，通过改变R1与R2的比值，即可调节门限电平。,图9.5.7任意电平比较器,例:已知R1=R2=5k，UREF=2V，UZ=5V，输入电压ui波形如图，画出输出电压uo波形。,=-2V,传输特性,例:已知R1=R2=5k，UREF=2V，UZ=5V，输入电压ui波形如图，画出输出电压uo波形。,=-2V,若uI受到干扰或噪声的影响，在门限电平上下波动，则uo将在高、低两个电平之间反复地跳变，如在控制系统中发生这种情况，将对执行机构产生不利的影响。,单限比较电路具有电路简单、灵敏度高等优点，但存在的主要问题是抗干扰能力差。,缺点：抗干扰能力差。,解决办法：采用具有滞回传输特性的比较器。,1.电路组成在单门限比较器基础上增加了正反馈电路实现的。,9.5.2滞回比较器,图9.5.11滞回比较器,滞回比较器又称施密特触发器，它的特点是当输入电压ui由小变大或由大变小时，有两种不同的门限电压，因此电路的传输特性具有“电压迟滞回环”曲线的形状。为了加速输出高、低电平的转换，运放接成正反馈形式。,2.工作原理,输出电压：,uo=UZ,ui=u-=u+时，输出电压的状态发生跳变。,UZ,两个门限电压：,门限电压UT：,输出发生跳转的输入有两个值，UT+和UT-。,UT-,UT+,图9.5.15滞回比较器,比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状。,电压传输特性,当ui增加到UT+时，输出由UZ跳变到-UZ；,当ui减小到UT-时，输出由-UZ跳变到UZ。,ui小时，uo为高电平UZ；,ui大时，uo为低电平-UZ,可见，改变UREF的大小，可以同时调节两个门限电平UT+和UT-的大小，但二者之差UT不变。也就是说，当UREF增大或减小时，滞回比较器的传输特性将平行地右移或左移，但滞回曲线的宽度将保持不变。,回差(门限宽度)UT：,与UREF无关,UZ,当UREF=0时，,作用：产生矩形波、三角波和锯齿波，或用于波形变换。抗干扰能力强。,适当调整UT+和UT-的值，就可以避免比较器的输出电压在高、低电平之间反复跳变。,当ui增加到UT+时，输出由UZ跳变到-UZ；,当ui减小到-UT-时，输出由-UZ跳变到UZ。,3.滞回比较器的应用,例9.5.2如图9.5.11所示滞回比较器，稳压管的稳定电压UZ土9V，R220k，RF40K，UREF=3V，输入电压ui为如图9.5.12(a)所示的正弦波。试画出输出电压uo的波形。,输出高电平和低电平为土9V，阀值(门限)电压分别为,解：,例9.5.3:如图9.5.11所示电路中，UT+、UT-、存在干扰的输入电压波形如图9.5.13(a)所示。试画出输出电压uo的波形。,解：,uiUREF1，,VD2截止，VD1导通，,uo为高电平；,UREF2uiUREF1，,VD1截止VD2截止，,9.5.3双向电压比较器（窗口比较器）,1.电路组成,uo为低电平；,上门限电平UTH=UREF1；,下门限电平UTL=UREF2。,2.工作原理,9.5.4集成电压比较器,1集成电压比较器的特点和分类,(1)特点工作速度比较快；价格比较低廉；输出电平一般可与TTL等数字逻辑电平直接兼容，而无需外加限幅电路。(2)种类根据比较器的响应速度：高速比较器和中速比较器；根据电压比较器的指标：精密比较器、高灵敏度比较器、低功耗比较器、低失调比较器以及高阻抗比较器等；根据在一个芯片上集成的电压比较器的数目：单比较器、双比较器和四比较器。,2.集成电压比较器的参数,当机内温度为设定值以下时，同相输入端电压u+大于反相输入端电压u-，uo为高电位。当温度上升为设定值以上时，反相输入端电压u-大于同相输入端电压u+端，比较器翻转，uo输出为零电位，使保护电路动作，调节R1的值可以改变门限电压，即设定温度值的大小。,3集成电压比较器的应用,-LM339为例,图9.5.18温度检测电路,9.6.1方波发生电路9.6.2三角波发生电路9.6.3锯齿波发生电路,9.6非正弦信号发生电路,几种常见的非正弦波,矩形波,三角波,锯齿波,尖顶波,阶梯波,1.电路组成,9.6.1矩形波发生电路,滞回比较器：集成运放、R1、R2；,充放电回路：R、C；,钳位电路：VDZ、R3。,2.工作原理,图9.6.1矩形波发生电路,uC，当uC=UT-时，uO=+UZ，循环上述过程。,uC，当uC=UT+时，uO=-UZ。,(1)充电,设初态uC=0，uo=+UZ,则u+=UT-，uO通过R向C反向充电(放电)。,(2)跳变,uC,(3)放电,u+=UT+,uO通过R向C充电。,t1,t2,(1)充电,(2)跳变,(3)放电,uC,当uC=UT+时，uO=-UZ，,当uC=UT-时，uO=+UZ，,uC，,uO=+UZ，,电容充放电时间常数相同,正负半周对称,图9.6.3方波发生器的波形图,3.输出幅度和振荡周期,放电,解得：,占空比D=50%,4.占空比可调的矩形波发生电路,图9.6.5,图9.6.4占空比可调的矩形波发生电路,结构：RW和VD1、VD2的作用是将充电放电回路分开，使电容的充、放电时间常数不同且可调，即可使矩形波发生器的占空比可调。,图9.6.5,图9.6.4占空比可调的矩形波发生电路,9.6.2三角波发生电路,A1为同相迟滞比较器，输入三角波，输出方波。,1.电路组成,方波发生电路积分运算电路,A2为反相积分电路，输入方波，输出三角波。,u+=0时，比较器跳变。,图9.5.7,积分器反向积分,uo减小,u+=0,uo1=-UZ,(2)uo1=-UZ,积分器正向积分,uo增大,u+=0,uo1=+UZ,u+=0,2.工作原理,(1)uo1=+UZ,图9.5.7,u+=0,当u+=u-=0时，uo1跳变，而发生跳变时的uo即为三角波的最大值Uom。,UZ,0,Uom,3.输出幅度,输出电压幅度,4.振荡周期,整理得：振荡周期,正向积分起始值为-Uom，终了值为+Uom，积分时间T/2,半个周期：,1.电路组成,示波器的扫描电路以及数字电压表等电路中，常常需要使用锯齿波信号。,9.6.3锯齿波发生电路,积分电容的充电和放电回路分开，使积分电路的充电和放电时间常数不同。,图9.6.8锯齿波发生电路图,当uo1=UZ时，二极管VD1导通，VD2截止，积分时间常数为Rp1C；,当uo1=UZ时，二极管VD2导通，VD1截止，积分时间常数为Rp2C,设Rp1Rp2，,图9.6.9锯齿波发生电路波形,2.输出幅度和振荡周期,充电时间,放电时间,输出电压幅值,振荡周期,调整R1和R2可以改变锯齿波的幅值；调整R1和R2、Rp以及C的容量，可以改变振荡周期；调整Rp滑动端的位置，可以改变锯齿波上升和下降的斜率。,9.7集成函数发生器,9.7.1集成函数发生器ICL8038及应用9.7.2高频函数发生器MAX038及其应用,特点：有正弦波、矩形波、三角波（锯齿波）三种波形；工作频率范围为0.001Hz500kHz，失真度1%，外接较少元件就可完成要求的功能。,9.7.1集成函数发生器ICL8038及应用,由两个电流源、两个比较器、两个缓冲器、一个触发器和一个正弦波变换器等部分组成。,1.ICL8038的内部结构,2.工作原理,在10脚外接电容C，在电容C两端产生三角波。三角波一方面加到两个比较器的输入端，从而产生触发信号，并通过触发器控制两个电流源的相互转接；另一方面通过缓冲器加到正弦波变换器，则可以获得三角波输出和正弦波输出。通过比较器和触发器，并经过缓冲器，又可获得方波信号输出。,3.ICL8038性能特点,(1)可同时产生和输出波形：正弦波、三角波、方波;(2)电源电压范围宽；(3)振荡频率范围宽，频率稳定性好；(4)输出波形的失真小；(5)矩形波占空比的调节范围很宽，D=1%99%，由此可获得窄脉冲、宽脉冲或方波。(6)外围电路非常简单；(7)足够低的频率温漂：最大值为50106；,1脚、12脚：正弦波波形调整端。2脚：正弦波输出。3脚：三角波输出。4脚、5脚：输出信号频率和占空比调节端。6脚：该脚接电源+VCC的正端。7脚：调频频偏。8脚：调频电压输入端。9脚：方波输出。10脚：定时电容端。11脚：负电源端或接地。13脚、14脚：空脚。,4引脚及其功能,电位器RP和外接电容C一起决定了输出波形的频率，调节RP，使波形对称。,9.7.3占空比频率调节电路2,5ICL8038的应用电路,9.7.2高频函数发生器MAX038及其应用,ICL8038函数发生器的频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，同时调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。MAX038是一通用波形发生芯片，较以前常用的函数发生器件，从频率范围、频率精确度、对芯片、波形的控制性能以及用户使用的方便性等方面都有了很大的提高，因此可广泛应用于波形的产生、压控振荡器、脉宽调制器和频率合成器等。,1.MAX038的内部结构,由振荡器、振荡频率控制器、2.50V基准电压源、正弦波合成器、