波形的产生与变换电路教学ppt课件

1、Chapter 6 波形的产生与变换波形的产生与变换波形产生与变换是电子技术中广泛运用的电路。波形产生与变换是电子技术中广泛运用的电路。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宜于系统运用和处置的波形。定的适宜于系统运用和处置的波形。波形产生电路波形产生电路正弦波振荡电路的任务原理正弦波振荡电路的任务原理RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路石英

2、晶体振荡器石英晶体振荡器6.1 正弦波振荡电路的任务原理正弦波振荡电路的任务原理在振荡电路中，是利用正反响产生自激振荡。在振荡电路中，是利用正反响产生自激振荡。但正反响的引入只是为振荡提供了必要条件，而但正反响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dfUU 假设假设，那么环路输出可得到继续稳定的正弦波。，那么环路输出可得到继续稳定的正弦波。dfUU 由由1ofdodf UUUUUU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

3、件：), 2, 1, 0(2FA nn 1 FA与上式差一负号，这是由于输入端规定的反响信号与上式差一负号，这是由于输入端规定的反响信号正方向不同所呵斥的。正方向不同所呵斥的。2、振荡的建立和稳定、振荡的建立和稳定1 FA3、电路组成、电路组成 放大电路放大电路正反响网络正反响网络选频网络选频网络稳幅电路稳幅电路按组成选频网络的元件不同：按组成选频网络的元件不同： RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 LC正弦波振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4、正弦波振荡电路的分类、正弦波振荡电路的分类正弦波振荡电路应具备下正弦波振荡电路应具备下述四个功能的部分组成：述四个功

4、能的部分组成：6.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路1、文氏电桥、文氏电桥RC串并联振荡器串并联振荡器同相比例同相比例放大电路放大电路Z1、Z2、 R3 与与R4构构成四个桥臂成四个桥臂RC选频网络，选频网络，兼正反响网络兼正反响网络1RC串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性)/1(111CjRZ 2222221/1/(CRjRCjRZ ）212ifZZZUUF 12211221111CRCRjCCRR RRR 21CCC 21 RCRCjF 131 oo31jRC1o 2oo231 F3arctanoof 幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：当当=o时，电路到达谐振，时，电路到达谐

5、振，电路呈电路呈“电阻性，此时电阻性，此时31 F 0f RCf 21o 幅值最大幅值最大RC1o 2起振条件及振荡频率起振条件及振荡频率RC网络谐振时满足自激网络谐振时满足自激振荡的相位平衡条件。振荡的相位平衡条件。RCf 21o 振荡频率：振荡频率：由同相放大电路：由同相放大电路：431RRA 由幅度起振条件：由幅度起振条件：31 F由选频网络可知，谐振时：由选频网络可知，谐振时：1 FA3 A或或432RR 3稳幅环节稳幅环节 为了改善振荡波形，普为了改善振荡波形，普通采用外稳幅电路。通采用外稳幅电路。UoIR4 PR4 TR4 R4 431RRAUo 也可采用负温度系数的热敏电阻作也可

6、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2、RC移相式正弦波振荡器移相式正弦波振荡器移相网络采用移相网络采用RC移相器最大移相移相器最大移相90 。超前超前移相移相滞后滞后移相移相反相放大电路在通频带内的反相放大电路在通频带内的移相为移相为180。三节三节RC电路为移相兼反响网电路为移相兼反响网络，对某一频率可实现络，对某一频率可实现180相移，从而满足振荡条件。相移，从而满足振荡条件。RCf621o 振荡频率：振荡频率：优点：构造简单。优点：构造简单。缺陷：缺陷：选频作用较差；选频作用较差；频率调理不方便；频率调理不方便

7、；输出波形较差。输出波形较差。普通用于振荡频率固定且稳定性要求不高的场所。普通用于振荡频率固定且稳定性要求不高的场所。RCf621o RCf 21o 例如，桥式振荡器。例如，桥式振荡器。选选R=1k，C=200pF，那么，那么 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荡频率取决于R、C的数值。的数值。假设提高振荡频率假设提高振荡频率fo ，必需选择较小的，必需选择较小的R和和C值。值。foR根本放大电路的负载加重；根本放大电路的负载加重；C遭到管子结电容和分布电容的限制。遭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

8、器。正弦波振荡器。6.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路nLC选频电路选频电路n变压器反响式振荡电路变压器反响式振荡电路n电感反响式电感三点式振荡电路电感反响式电感三点式振荡电路n电容反响式电容三点式振荡电路电容反响式电容三点式振荡电路LjRCjLjRCjZ 1)(1普通普通R R，故近似以为石英晶体对，故近似以为石英晶体对于于fs 呈纯阻性。呈纯阻性。 当当f fs时，时，LCR支路呈感性，与支路呈感性，与Co产生并联谐振，产生并联谐振，等效为很大的纯电阻。等效为很大的纯电阻。串联谐振频率串联谐振频率LCf 21s 并联谐振频率并联谐振频率oop21CCCCLf os1CCf fsfp 1

9、串联型串联型 利用利用f = fs时，石英晶体呈纯阻性，相移时，石英晶体呈纯阻性，相移为为0的特性构成。的特性构成。2并联型并联型 当频率在当频率在fs与与fp之间之间 fsfp ，石英，石英晶体相当于电感。晶体相当于电感。3、石英晶体正弦波振荡电路、石英晶体正弦波振荡电路 比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。其输出表示比较结果，只需两种能够比较的电路。其输出表示比较结果，只需两种能够的形状：高电平或低电平。的形状：高电平或低电平。 比较器的输入信号是延续变化的模拟量，而输出比较器的输入信号是延续变化的模拟量，而输出信号那么是高、低电

10、平。所以，比较器可作为模拟信号那么是高、低电平。所以，比较器可作为模拟电路和数字电路的电路和数字电路的“接口，广泛地运用于接口，广泛地运用于A/D变换、变换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，此外数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，此外还可以用于非正弦波形的产生和变换电路。还可以用于非正弦波形的产生和变换电路。 比较器可用通用的集成运放组成，也可采用公用比较器可用通用的集成运放组成，也可采用公用集成比较器。集成比较器。常用的比较器类型有：单门限比较器、迟滞常用的比较器类型有：单门限比较器、迟滞(滞回滞回)比较器、窗口比较器等。比较器、窗口比较器等。 由集成运放构成的比较器，运放通常任

11、务在开环由集成运放构成的比较器，运放通常任务在开环形状或者引入正反响，此时运放任务在非线性区。形状或者引入正反响，此时运放任务在非线性区。虚断：虚断：ii0uu时，时，uoUom或或uoUZuu时，时，uoUom或或uoUZ6.5.1 单门限比较器单门限比较器1、过零比较器、过零比较器1任务原理任务原理当当ui0时，时，uo=+Uom；当；当ui0 时，时，uo=Uom；运放开环任务。运放开环任务。ui与与u+相比较。相比较。电压传输特性电压传输特性波形变换波形变换2门限电压门限电压(阈值阈值 当比较器的输出电压由一种形状跳变为另一当比较器的输出电压由一种形状跳变为另一种形状时相对应的输入电压

12、称门限电压种形状时相对应的输入电压称门限电压UT。门限电压门限电压UT = 0如何求门限值如何求门限值列出集成运放同相输入端列出集成运放同相输入端u和反相输和反相输入端入端u电位的表达式，令它们相等，电位的表达式，令它们相等，求出的输入电压即为阈值电压。求出的输入电压即为阈值电压。3带限幅的比较器带限幅的比较器输出电压幅度限制在某一范围。输出电压幅度限制在某一范围。引入负反响引入负反响令令u= u+0 uREF12iURRUuT REF12iURRu 假设假设即即u+ u-那么那么uo = +Uz2、恣意电平比较器、恣意电平比较器RFF212i211URRRuRRRu 单门限比较器只需一个门限

13、电压又称单门限比较器只需一个门限电压又称为阈值，当输入电压越过该门限电压时，为阈值，当输入电压越过该门限电压时，输出电压发生跳变。具有电路简单、灵敏度输出电压发生跳变。具有电路简单、灵敏度高的特点。高的特点。小结小结 当输入信号在参考电压附近时，当输入信号在参考电压附近时，假设输入信号还没有变化时，出假设输入信号还没有变化时，出现干扰信号，这个干扰信号就有现干扰信号，这个干扰信号就有能够使比较器翻转，出现不希望能够使比较器翻转，出现不希望的误动作。的误动作。处理方法：采用迟滞比较器。处理方法：采用迟滞比较器。 6.5.2 迟滞比较器迟滞比较器1、电路构造及任务原理、电路构造及任务原理uu 令令

14、得门限电压：得门限电压：o2f2RFF2ffuRRRURRRu z2f2RFF2ffTURRRURRRU z2f2RFF2ffTURRRURRRU 正反响正反响iuu uiuo0UT+UZ-UZUTz2f2TTT2URRRUUU UT称为门限宽度回差称为门限宽度回差 UT与与Uz、R2和和Rf有关，与有关，与UREF无关。无关。 UT 灵敏度灵敏度 抗干扰才干抗干扰才干 ui UT时，比较器不翻转。时，比较器不翻转。uiuo0UT+UZ-UZUTz2f2TTT2URRRUUU 单门限比较器滞回比较器小结小结迟滞比较器有滞回特性。有两个阈值，但当输迟滞比较器有滞回特性。有两个阈值，但当输入电压向

15、单一方向变化时输出仅跃变一次。入电压向单一方向变化时输出仅跃变一次。uiuo0UT+UZ-UZUT如何绘制电压传输特性曲线？如何绘制电压传输特性曲线？电压传输特性具有三个要素：电压传输特性具有三个要素：输出高、低电平，输出高、低电平，阈值电压，阈值电压，输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向。输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向。知：集成运放的最大输出电压知：集成运放的最大输出电压Uom15V，稳，稳压管的稳压值压管的稳压值UZ= 6V。 输出高、低电平：取决于集成运放输出电压的最输出高、低电平：取决于集成运放输出电压的最大幅值或输出端限幅稳压管的稳定电压。大幅值或输出端限幅稳压管的稳定电压

16、。输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向决议输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向决议于输入电压是作用于集成运放的反相输入端还是于输入电压是作用于集成运放的反相输入端还是同相输入端。假设为前者，那么输入电压大于阈同相输入端。假设为前者，那么输入电压大于阈值电压时输出为低电平。假设为后者，那么输入值电压时输出为低电平。假设为后者，那么输入电压大于阈值电压时输出为高电平。电压大于阈值电压时输出为高电平。阈值电压：列出集成运放同相输入端阈值电压：列出集成运放同相输入端u和和反相输入端反相输入端u电位的表达式，令它们相等，电位的表达式，令它们相等，求出的输入电压即为阈值电压。求出的输入电压即为阈值电压

17、。知：集成运放的最大输出电压知：集成运放的最大输出电压Uom15V，稳，稳压管的稳压值压管的稳压值UZ= 6V。6.5.3 窗口比较器窗口比较器1、电路构造、电路构造 用于判别输入电平能否处于两个知电压之间的用于判别输入电平能否处于两个知电压之间的电压比较器，常用于自动测试系统、缺点检测系电压比较器，常用于自动测试系统、缺点检测系统等场所。统等场所。 当当uiUH时，时，uo1为高电为高电平，平，D1导通；导通；uo2为低电为低电平平, D2截止，截止，uo= uo1。 当当uiUL时，时，uo2为高为高电平，电平，D2导通；导通；uo1为低为低电平，电平，D1截止，截止，uo= uo2。 当

18、当UHuiUL时，时，uo1为低电平，为低电平，uo2为低电平，为低电平，D1、D2截止，截止，uo为低电平为低电平。n方波发生电路方波发生电路n三角波发生电路三角波发生电路n 锯齿波发生电路锯齿波发生电路6.6.1 方波发生电路方波发生电路比较器的输出电压经一定延时，馈送作为比较器的比较器的输出电压经一定延时，馈送作为比较器的输入电压，使比较器自行翻转，产生方波输出。输入电压，使比较器自行翻转，产生方波输出。1、电路组成、电路组成RC积分电路积分电路延时兼反响延时兼反响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2、任务原理、任务原理设设t=0时，时，uo=+Uz ， uC=0门限电

19、平门限电平Z211TURRRU Z211TURRRU UZ 经经R向向C充电充电 uC按指数规律按指数规律当当uC UT+ 时时 uo跳变为跳变为-UZ此时此时C经经R放电放电 uC按指数规律按指数规律当当uC UT-时时 uo又上跳到又上跳到UZ如此周而复始，产生如此周而复始，产生振荡，输出方波。振荡，输出方波。3、振荡周期、振荡周期电容充放电过程中，电容充放电过程中，uc的变化规律如下：的变化规律如下： tCCCCeuuutu )()0()()(把把t1作为计时的起点作为计时的起点Z2110URRR)(uC ZU)(uC ZtZZCUeUURRRtu )(211RC t2t1=T/2Z21

20、12URRR)t (uC 21212RRlnRCT振荡频率：振荡频率：Tf1 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：矩形波中高电平的继续时间与振荡周期占空比：矩形波中高电平的继续时间与振荡周期的比值。方波的占空比为的比值。方波的占空比为50%。%100%1002111 TT 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。改动改动Rw 的中点位置，占空比就可的中点位置，占空比就可改动。改动。 为改动输出方波的占空比，可改动电容为改动输出方波的占空比，可改动电容C的充、的充、放电时间常数。放电时间常数。占空比：占空

21、比：6.6.2 三角波发生器三角波发生器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闭环组闭环组合而成的。合而成的。1、电路组成、电路组成2、任务原理、任务原理设设t = 0时，时，uo1=+Uz 运放运放A1同相端的电位：同相端的电位：212o211zRRRuRRRUu uC=0 ，uo= uC=0此时，此时， uo1经过经过R4向电容向电容C恒流充电，恒流充电，uC，uo。iC=Uz/R4过零比较过零比较 212o211zRRRuRRRUu当当u+0时，时，A1翻转，翻转，uo1Uzz21omoURRUu C恒流放电，恒流放电，uC线性线性 ，uo线性线性。

22、C恒流充电，恒流充电，uC线性线性，uo线性线性 。 212o211zRRRuRRRUu 212o211zRRRuRRRUu当当u+0时，时，A1翻转，翻转，uo1跳变为跳变为+Uz。z21omoURRUu 如此周而复始，产生振如此周而复始，产生振荡，输出三角波荡，输出三角波C恒流放电，恒流放电，uC线性线性 ，uo线性线性。3、振荡周期、振荡周期214zmo444RCRRUUCRT mo4Z2121UdtRUCuttC t2 t1=T/26.6.3 锯齿波发生电路锯齿波发生电路为了获得锯齿波，应改动积分器的充放电时间常数。为了获得锯齿波，应改动积分器的充放电时间常数。6.6.4 6.6.4 压控振荡电路压控振荡电路 经过外加的电压控制端来控制输出信号的频率经过外加的电压控制端来控制输出信号的频率 -+R2R1R3uo1DZ-+uoCR5A1A2ZUR4Duiu+控制电压控制电压ui0 ui0 设电源接通时，设电源接通时，uo1=+UZuo1=+UZ，D D截止，截止，C C充电，充电，uouo从零开场线性下降从零开场线性下降OtOtuo1UZ-UZuoUom-Uomu+u+随之下降，当随之下降，当u+u+降至零时，降至零时，uo1uo1跳变为跳变为-UZ-UZ，( (同时同时u+u+跳变成一个负