模电课件第六章波形产生与变换电路

1、1模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 波形产生与变换是电子技术中广泛使用的电路。波形产生与变换是电子技术中广泛使用的电路。 波形产生电路：在无外加输入信号的情况下，能自波形产生电路：在无外加输入信号的情况下，能自 动产生一定波形、一定频率和幅值的交流信号。动产生一定波形、一定频率和幅值的交流信号。 波形变换电路：能把外加输入信号的波形变换成指波形变换电路：能把外加输入信号的波形变换成指 定的适合于系统应用和处理的波形。定的适合于系统应用和处理的波形。 波形产生电路波形产生电路 广泛应用于通广泛应用于通 讯、广播、电视等系统。讯、广播、电视等系统。 如矩形波、如矩形

2、波、 三角波锯齿波。广泛应用于测量三角波锯齿波。广泛应用于测量 设备、数字系统和自控系统。设备、数字系统和自控系统。 2模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 在振荡电路中，是利用正反馈产生自激振荡。在振荡电路中，是利用正反馈产生自激振荡。 但正反馈的引入只是为振荡提供了必要条件，而但正反馈的引入只是为振荡提供了必要条件，而 非充分条件。非充分条件。 1、正弦波振荡电路产生振荡的条件正弦波振荡电路产生振荡的条件 df UU 若若，则环路输出可得到持续稳定的正弦波。，则环路输出可得到持续稳定的正弦波。 3模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路

3、df UU 由由 1 o f d o d f U U U U U U 得得 1 FA 正弦波振荡电路产生振荡的条件正弦波振荡电路产生振荡的条件 幅度平衡条件：幅度平衡条件：1 AFFA 相位平衡条件：相位平衡条件： ), 2, 1, 0(2 FA nn 负反馈放大器的自激条件为负反馈放大器的自激条件为 1 FA 与上式差一负号，这是由于输入端规定的反馈与上式差一负号，这是由于输入端规定的反馈 信号正方向不同所造成的。信号正方向不同所造成的。 4模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 2、振荡的建立和稳定、振荡的建立和稳定 实际振荡电路不需外部激励信号，以内实际振荡电路

4、不需外部激励信号，以内 部噪声或外部干扰作输入信号，经放大后再反馈，部噪声或外部干扰作输入信号，经放大后再反馈， 周而复始使电路开始振荡。周而复始使电路开始振荡。 为了得到频率为为了得到频率为fo的正弦振荡，可用选频的正弦振荡，可用选频 网络从噪声和干扰中选出频率为网络从噪声和干扰中选出频率为fo的成分，并使整的成分，并使整 个振荡电路只对个振荡电路只对fo满足等幅振荡条件。满足等幅振荡条件。 从噪声和干扰中选出的从噪声和干扰中选出的fo分量幅度很小，分量幅度很小， 起振过程应使振荡电路增幅振荡，即起振过程应使振荡电路增幅振荡，即 当幅度足够大后，再继续增幅，将出现非线性失真，当幅度足够大后，

5、再继续增幅，将出现非线性失真， 则需振荡器幅度振荡。故在振荡电路中要有稳幅环则需振荡器幅度振荡。故在振荡电路中要有稳幅环 节，一般由非线性电阻构成。节，一般由非线性电阻构成。 1 FA 5模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 4）电路组成）电路组成 正弦波振荡电路应具备下述正弦波振荡电路应具备下述 四个功能的部分组成：四个功能的部分组成： 放大电路、正反馈网络、放大电路、正反馈网络、 选频网络、稳幅电路选频网络、稳幅电路 按组成选频网络的元件不同，正弦波振荡电路按组成选频网络的元件不同，正弦波振荡电路 主要有：主要有： RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 LC正弦波振

6、荡电路正弦波振荡电路 石英晶体正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路 3、正弦波振荡电路的分类、正弦波振荡电路的分类 6模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 1、文氏电桥（、文氏电桥（RC串并联）振荡器串并联）振荡器 1）RC串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性 )/1( 111 CjRZ 22 2 222 1 /1/( CRj R CjRZ ） 21 2 i f ZZ Z U U F 12 21 1 2 2 1 1 1 1 CR CRj C C R R RRR 21 CCC 21 RC RCj F 1 3 1 o o 3 1 j RC 1 o 7模电课件第六章波

7、形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 2 o o 2 3 1 F 3 arctan o o f 幅频特性：幅频特性： 相频特性：相频特性： 当当= =o o时，电路达到谐振，时，电路达到谐振， 电路呈电路呈“电阻性电阻性”，此时，此时 3 1 F 0 f RC f 2 1 o 幅值最大幅值最大 RC 1 o 8模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 2、文氏电桥振荡器的分析、文氏电桥振荡器的分析 1）组成）组成 同相比例同相比例 放大电路放大电路 RC选频网络，选频网络， 兼正反馈网络兼正反馈网络 Z1、Z2、 R3 与与R4形形 成四个桥臂成四个桥臂 9

8、模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 2）起振条件及振荡频率）起振条件及振荡频率 RC网络谐振时满足自网络谐振时满足自 激振荡的相位平衡条件。激振荡的相位平衡条件。 RC f 2 1 o 振荡频率：振荡频率： 由同相放大电路：由同相放大电路： 4 3 1 R R A 由幅度起振条件：由幅度起振条件： 3 1 F 由选频网络可知，谐振时：由选频网络可知，谐振时： 1 FA 3 A 或或 43 2RR 10模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 3）稳幅环节）稳幅环节 为了改善振荡波形，一为了改善振荡波形，一 般采用外稳幅电路。般采用外稳幅电路

9、。 Uo IR4 PR4 TR4 R4 4 3 1 R R A Uo 也可采用负温度系数的热敏电阻作也可采用负温度系数的热敏电阻作R3。 R4采用正温度系数的热采用正温度系数的热 敏电阻，可起稳幅作用敏电阻，可起稳幅作用 11模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 RC f 62 1 o RC f 2 1 o RC正弦波振荡器只能用作低频振荡器。正弦波振荡器只能用作低频振荡器。 振荡频率的范围：振荡频率的范围：1Hz 1MHz 例如，桥式振荡器。例如，桥式振荡器。 选选R=1k，C=200pF，则，则 fo=796Hz RC正弦波振荡器的振荡频率取决于正弦波振荡器的振

10、荡频率取决于R、C 的数值。的数值。 若提高振荡频率若提高振荡频率fo ，必须选择较小的，必须选择较小的R和和C值。值。 fo R基本放大电路的负载加重；基本放大电路的负载加重； C受到管子结电容和分布电容的限制。受到管子结电容和分布电容的限制。 当振荡频率高于当振荡频率高于1MHz时，采用时，采用LC正弦波振荡器。正弦波振荡器。 12模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 13模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 14模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 分析依据分析依据 uo/V Uom Uom uid/mV

11、 的概念不再成立，的概念不再成立，的概念仍成立。的概念仍成立。 omo Uu uu uu omo Uu 15模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 电压比较器实现一个模拟信号与另一个模电压比较器实现一个模拟信号与另一个模 拟信号的比较功能，通常用于越限报警、数拟信号的比较功能，通常用于越限报警、数 模转换和波形变换等。模转换和波形变换等。 电压比较器的输入信号是连续变化的模拟量，电压比较器的输入信号是连续变化的模拟量， 但输出电压只有两种状态：高电平和低电平。但输出电压只有两种状态：高电平和低电平。 16模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路

12、 _ + + uoui R1 R2 ui uO Uom Uom UR 0 电压传输特性电压传输特性 UR 17模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 ui uO Uom Uom 0 电路电路 电压传输特性电压传输特性 _ + + uoui R1 R2 18模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 _ + + uoui R1 R2 波形变换波形变换 19模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 使输出电压与负载电平匹配使输出电压与负载电平匹配 R1 uR uo ui R2 R UZ uO ui UZ 0 UR 20模电课件

13、第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 图示是一个监控报警装置，如需对某一参数（如图示是一个监控报警装置，如需对某一参数（如 温度、压力等）进行监控，可由传感器取得监控信温度、压力等）进行监控，可由传感器取得监控信 号号ui，UR是参考电压。当是参考电压。当ui超过正常值时，报警灯超过正常值时，报警灯 亮，试分析其工作原理。亮，试分析其工作原理。 解解 监控信号监控信号ui参考电压参考电压 UR 时，比较器输出高电时，比较器输出高电 平，三极管导通，报警平，三极管导通，报警 灯因有电流通过而亮。灯因有电流通过而亮。 21模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与

14、变换电路 u随输出电压随输出电压uo变化变化 电路特点：电路特点： uoUom uoUom om F U RR R u 2 2 om F U RR R u 2 2 22模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 假设某一瞬间，假设某一瞬间， uoUom om F U RR R u 2 2 om F U RR R u 2 2 因此因此 ui由小逐渐增大由小逐渐增大 当当 uui 时时 输出电压输出电压uo从从Uom跳变为跳变为Uom 比较器的同相输入电压也随之改变比较器的同相输入电压也随之改变 ui由大逐渐减小由大逐渐减小 当当 uui 时时 输出电压输出电压uo从从Uom

15、跳变为跳变为Uom 23模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 U+H U+L U+H-U+L称为回称为回 差差 小于回差的干扰不会引起跳转小于回差的干扰不会引起跳转 下门限下门限 上门限上门限 uo ui 0 Uom -Uom 24模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 t ui U+H U+L t uo Uom -Uom 例例:设输入为正弦波设输入为正弦波, 画出输出的波形。画出输出的波形。 + + uo R R2R1 ui U+ 25模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 R 21 2 om 21 1 H U

16、RR R U RR R U R 21 2 om 21 1 L U RR R U RR R U 加上参考电压后的迟滞比较器加上参考电压后的迟滞比较器(下行下行) ： + + uo R R2R1 ui UR 上下限：上下限： uo ui 0 U+H U+L 传输特性传输特性 +UOM -UOM 26模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 例题：例题：R1=10k ，R2=20k ，UOM=12V， UR=9V当输入当输入ui为如图所示的波形时，画为如图所示的波形时，画 出出 输出输出uo的波形。的波形。 uo ui 0 U+H U+L + + uo R R2R1 ui U

17、R 传输特性传输特性 上下限：上下限： R 21 2 om 21 1 H U RR R U RR R U =10V R 21 2 om 21 1 L U RR R U RR R U =2V 27模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 2V 10V ui uo +UOM -UOM uo ui 0 U+H U+L 传输特性传输特性 +UOM -UOM + + uo R R2R1 ui UR 28模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 + + uo R R2R1 ui UR uo ui 0 U+H U+L + + uo R R2R1 ui U+ u

18、o ui 0 +Uom -Uom U+H U+L 迟滞比较器迟滞比较器(下行下行)两种电路传输特性的比较两种电路传输特性的比较: 29模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 2.迟滞比较器迟滞比较器(上行上行) u+=0 时翻转，可以求出时翻转，可以求出 上下门限电压。上下门限电压。 0U RR R u RR R om 21 1 i 21 2 + + uo R R2R1 ui 当当u+ u- =0 时时, uo= +UOM 当当u+ u- =0时时, uo= -UOM 0U RR R RR R om 21 1 21 2 u i 当当uo= -UOM 当当uo= +UO

19、M om 2 1 H U R R U ui= om 2 1 L U R R U ui= 30模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 U+H U+L uo ui 0 Uom -Uom 传输特性曲线传输特性曲线 + + uo R R2R1 ui 迟滞比较器迟滞比较器(上行上行)(续续) om 2 1 H U R R U om 2 1 L U R R U 上下门限电压上下门限电压 31模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 加上参考电压后的迟滞比较器加上参考电压后的迟滞比较器(上行上行) ： + + uo R R2R1 ui UR om 2 1 H

20、 U R R U om 2 1 L U R R U 上下门限电压上下门限电压 URU RR R u RR R om 21 1 i 21 2 当当uo= +UOM 当当uo= -UOM U RR R RR R om 21 1 21 2 u i UR UR R2 RR 21 UR R2 RR 21 32模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 加上参考电压后的迟滞比较器加上参考电压后的迟滞比较器(上行上行)传输特性：传输特性： + + uo R R2R1 ui UR + + uo R R2R1 ui 对照对照 U+H U+L uo ui 0 Uom -Uom U+HU+L

21、uo ui 0 Uom -Uom 33模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 设设R1 =R2，则有：，则有： )2( 2 1 DCC UV DLH 2=UUU 21 2DCC L )2( = RR RUV U 1、电路结构、电路结构 用于判断输入电平是否处于两个已知电用于判断输入电平是否处于两个已知电 压之间的电压比较器，常用于自动测试系统、压之间的电压比较器，常用于自动测试系统、 故障检测系统等场合。故障检测系统等场合。 34模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 当当uiUH时，时，uo1为高电为高电 平，平，D3导通；导通；uo2为低

22、电平为低电平, D4截止，截止，uo= uo1。 当当uiUL时，时，uo2为高为高 电平，电平，D4导通；导通；uo1为低为低 电平，电平，D3截止，截止，uo= uo2。 当当UHuiUL时，时，uo1为为 低电平，低电平，uo2为低电平，为低电平，D3 、D4截止，截止，uo为低电平。为低电平。 2、工作原理、工作原理 窗口电压窗口电压 U= UH UL=2UD 35模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 36模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 比较器的输出电压经一定延时，馈送作为比较器比较器的输出电压经一定延时，馈送作为比较器 的

23、输入电压，使比较器自行翻转，产生矩形波输出。的输入电压，使比较器自行翻转，产生矩形波输出。 1、电路组成、电路组成 RC积分电路积分电路 延时兼反馈延时兼反馈 迟滞比较器迟滞比较器 开关电路开关电路 限流限流 电阻电阻 37模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 2、工作原理、工作原理 电路的正反馈系数电路的正反馈系数 21 1 RR R F zo FUFuu 比较电压比较电压 设设t=0时，时，uC=0，uo=+Uz z FUu 则则 输出电压输出电压uo通过通过R向向C充电，充电，uC呈呈 指数规律增加。指数规律增加。 当当t = t1，uCu+时，时，uo跳变为

24、跳变为 Uz。 z FUu 此时此时 38模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 z FUu uo= Uz 此时此时C通过通过R放电，放电，uC呈指数呈指数 规律减小。规律减小。 如此周而复始，产生如此周而复始，产生 振荡，输出矩形波。振荡，输出矩形波。 当当t = t2，uCu +时，时， uo跳变为跳变为+Uz。 电容又被充电。电容又被充电。 39模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 3、振荡周期、振荡周期 t1 t2，电容放电。，电容放电。 放电时间常数：放电时间常数： 1=RC z 0FUuC ）（ z UuC ）（ 11 z RC

25、 t C eFUtu ）（）（ 当当t = T1=T/2时，时， z 2FUTuC ）（ ，代入上式，得，代入上式，得 z 2 z 11 2FUeFUTu RC T C ）（）（ F F RCT 1 1 ln2 2 1 2 1ln2 R R RC 振荡频率：振荡频率： T f 1 矩形矩形波波产生图产生图 40模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 4、占空比可调的矩形波产生电路、占空比可调的矩形波产生电路 占空比：矩形波中高电平的持续时间与振占空比：矩形波中高电平的持续时间与振 荡周期的比值。方波的占空比为荡周期的比值。方波的占空比为50%。 %100%100 21

26、 11 T T CRrR 1dw1 CRrRR 2d ww2 其中其中rd是二极管是二极管D的导通电阻。的导通电阻。 改变改变Rw 的中点位置，占空比就可改变。的中点位置，占空比就可改变。 为改变输出方波的占空比，可改变电容为改变输出方波的占空比，可改变电容C的充、的充、 放电时间常数。放电时间常数。 占空比：占空比： 41模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 三角波发生器是由迟滞比较器三角波发生器是由迟滞比较器A1和积分器和积分器A2闭闭 环组合而成的。环组合而成的。 1、电路组成、电路组成 2、工作原理、工作原理 设设t = 0时，时，uC=0，uo1=+Uz 运放运放A1同相端的电位：同相端的电位： 21 2o 21 1z RR Ru RR RU u uo= uC=0 此时，此时， uo1通过通过R4向电容向电容C恒流充电，恒流充电，uC线性上升，线性上升，uo 线性下降。线性下降。 iC=Uz/R4 42模电课件第六章波形产生与变换电路模电课件第六章波形产生与变换电路 2