模电第9章波形发生及变换电路

1、第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 iU放大电路放大电路AioUAU 反馈网络反馈网络FtUU sin2ii ofUFU 如果反馈电压如果反馈电压 uf 与原输入信号与原输入信号 ui 完全相等，则即使完全相等，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自激振荡。图 9.1.1反馈放大电路产生自激振荡的条件第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 由此知放大电路产生自激振荡的条件是由此知放大电路

2、产生自激振荡的条件是ifUU 即即iiofUUAFUFU 所以产生正弦波振荡的条件是：所以产生正弦波振荡的条件是：1 FA1 FA幅度平衡条件幅度平衡条件2argFAnFA 相位平衡条件相位平衡条件, 2 , 1 , 0 n第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 组成组成：放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。：放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。1.放大电路放大电路2.正反馈网络正反馈网络3.选频网络选频网络4.稳幅环节稳幅环节满足振荡条件满足振荡条件 实现单一频率的振荡实现单一频率的振荡稳定振荡幅度、波形好稳定振荡幅度、波形好常合二为一常合二为一 放大电路放大电路Aio

3、UAU 反馈网络反馈网络F第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 1.RC振荡电路：振荡电路： 分为分为桥式桥式、移相式移相式和和双双T式式等常用的等常用的RC振荡电路。振荡电路。图图 9.1.2桥式、移相式和双桥式、移相式和双T式式RC振荡电路振荡电路 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。直接输出功率较小，常用于低频电子设备中。 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 2.LC振荡电路振荡电路 分为分为变压器反馈式变压器反馈式、电感三点式电感三点式和和电容三点式电容三点

4、式等常用等常用的的LC振荡电路。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。子电路或设备中。图图 9.1.3LC振荡电路振荡电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 3.石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路图图 9.1.4 9.1.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 选用石英晶体作选频网络，主要有选用石英晶体作选频网络，主要有并联型并联型和和串联型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石英晶体振

5、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。电路和测量设备中。 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 1.分析电路的结构分析电路的结构 (1)检查电路的基本组成，看电路是否包括放大电路、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。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。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，即检查交流通路，看信号能否输入、输出和放

6、大，即能否保证放大电路正常工作。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判断相位平衡条件采用瞬时极性法瞬时极性法，沿着放大和反馈，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，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。否则不满足相位平衡条件。 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 (1)断开反馈回路与放大电路输入端的连接点断开反馈回路与放大电路输入端的连接点，在断，在断开点处加频率为开点处加频率为f0的信号的信号Ui，经放大电路和反馈回

7、路求反，经放大电路和反馈回路求反馈信号馈信号Uf，根据放大电路和反馈网络的相频特性，确定，根据放大电路和反馈网络的相频特性，确定Uf= Ui之间的相位关系之间的相位关系;具体的判断步骤是具体的判断步骤是: (2)如果如果Ui和和Uf在在某某频率频率f0下相位相下相位相同同，则电路满足相位，则电路满足相位平衡条件，否则不满平衡条件，否则不满足相位平衡条件。足相位平衡条件。- - - - 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 3.判断电路是否满足自激振荡的幅度条件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和起振条件的估算1 FA振荡频率振荡频率f0：由

8、相位平衡条件所决定。：由相位平衡条件所决定。2argFAnFA 1 FA起振条件：起振条件： 计算计算f0需要画出断开反馈信号至放大电路的输入需要画出断开反馈信号至放大电路的输入端点后的交流等效电路，写出回路增益的的表达式。端点后的交流等效电路，写出回路增益的的表达式。第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 1.电路组成：电路组成：(1)放大电路放大电路 同相比例运算放大器同相比例运算放大器 ；文氏电桥电路文氏电桥电路 0A (2)选频与正反馈网络选频与正反馈网络 R、C 串并联电路；串并联电路；(3)稳幅环节稳幅环节 Rf与

9、与 R1 组成的负反馈电路。组成的负反馈电路。图图 9.2.1RC桥式振荡电路桥式振荡电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 oZ1Z2)1RCj(31RC )j(3100 F式中式中: 0 = 1/RC幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：2002)(31 F3arctan00F RCCRRCRZZZUUF j11j1j1212of RCCRRCRZZZUUF j11j1j1212of 2.RC 串并联选频网络串并联选频网络图图 9.2.2RC串并串并联选频电路联选频电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 幅频特性：幅频特性：2002)(31 F3arc

10、tan00F 相频特性：相频特性：时，时，当当RC10 31 F最大，最大， F = 0 0 0 F0 F 01/3+90- -90图图 9.2.3 RC9.2.3 RC串并联选频串并联选频网络的频率特性网络的频率特性RCf 210第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 3.振荡频率与起振条件振荡频率与起振条件(1) 振荡频率振荡频率RCf 210(2) 起振条件起振条件1 FAf = f0 时，时，31 F由起振条件：由起振条件：3 A同相比例运放的电压放大倍数为同相比例运放的电压放大倍数为1f1RRA 即要求：即要求：1f2RR A = 0 F = 02nFA 得：得：第第9

11、 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 Rf：串联电压负反馈：串联电压负反馈提高输入电阻，减小输出提高输入电阻，减小输出电阻，提高了输出端的带负载电阻，提高了输出端的带负载能力。还可以提高振荡电路的能力。还可以提高振荡电路的稳定性和改善输出电压的波形稳定性和改善输出电压的波形(使其更接近正弦波使其更接近正弦波)。 4.稳幅措施稳幅措施 输出幅度不稳定，常采用输出幅度不稳定，常采用非线性热敏元件非线性热敏元件来稳幅。来稳幅。(1) 采用热敏电阻采用热敏电阻Rf：负温度系数：负温度系数R1：正温度系数：正温度系数均可实现自动稳幅。均可实现自动稳幅。原理：原理：UO ，电流，电流If增大，增

12、大，t Rf A UO 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 (2) 采用反并联二极管采用反并联二极管1f+1=RRA 电压放大倍数为电压放大倍数为 )/(D2f1ffRRRR RD并联二极管的等效平均电阻值并联二极管的等效平均电阻值 起振时起振时信号小，二极管信号小，二极管电阻大；电阻大；起振后起振后二极管电阻二极管电阻逐渐减小。逐渐减小。图 9.2.4采用反并联二极管的稳幅电路 起振时起振时VD1、VD2不导不导通，通，Rf1+Rf2略大于略大于2R1。随。随着着 的增加，的增加， VD1、VD2逐渐导通，逐渐导通，Rf2被短接，被短接，A自自动下降，起到稳幅作用。动下降，

13、起到稳幅作用。oU第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 5.分立元件组成的桥式分立元件组成的桥式RC振荡电路振荡电路 0A RCf210 1ef1RRA 31 F振荡频率：振荡频率：电压放大倍数为电压放大倍数为1ef2RR 图图 9.2.59.2.5桥式桥式RCRC振荡电路振荡电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 6.振荡频率的调节振荡频率的调节RCf210 振荡频率：振荡频率： 用双层波段开关接不同电用双层波段开关接不同电容，作为振荡频率容，作为振荡频率f0的的粗调粗调； 用同轴电位器实现用同轴电位器实现f0的的微调微调。图图 9.2.99.2.9振荡频率

14、的调节振荡频率的调节第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 例例9.2.1 用相位平衡条件判断如图用相位平衡条件判断如图9.2.6(a)所示电路能否所示电路能否产生自激振荡产生自激振荡?第第1级是共射放大电路级是共射放大电路第第2级是共集电极放大电路级是共集电极放大电路 瞬时极性法瞬时极性法 负反馈负反馈第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 例例9.2.2 试判断如图所示的各电路能否产生正弦波振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。荡，并简述理由。相位条件满足相位条件满足 但因是共集电极放大电路，但因是共集电极放大电路，A小于小于1，幅度条件不满足

15、。，幅度条件不满足。故不能振荡故不能振荡图 9.2.7(a)图 9.2.7(b)第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 错误一错误一是集成是集成运放输入端的正负运放输入端的正负极性颠倒；极性颠倒； 例例9.2.3 一文氏电桥振荡电路如图一文氏电桥振荡电路如图9.2.8所示，接通电所示，接通电源后电路不能振荡，请指出电路的错误。源后电路不能振荡，请指出电路的错误。解：解：图图 9.2.8错误二错误二是电阻是电阻R1与与R2的位置颠倒。的位置颠倒。第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 +uofuRRRCCC+uouf+RRRCCCRC超前移相电路超前移相电路 RC滞后

16、移相电路滞后移相电路 一节一节 RC 环节环节移相移相 90 二节二节 RC 环节环节移相移相 180 三节三节 RC 环节环节移相移相 270 9.2.2 RC 移相式振荡电路移相式振荡电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 移相式振荡电路移相式振荡电路 集成运放采用反相集成运放采用反相输入方式，故输入方式，故振荡频率为：振荡频率为：RCf 32100ff0 F27018090当当 F = 180 时，时，f = f0 A = -180， F = 180，即可满足产，即可满足产生正弦波振荡的相位平生正弦波振荡的相位平衡条件。衡条件。图 9.2.10 RC移相式振荡电路RR1

17、2f第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 振荡频率约为：振荡频率约为：RCf510 如果放大电路的放大倍数足够大，同时满足振幅平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。衡条件，即可产生正弦波振荡。 集成运放采用反相输集成运放采用反相输入方式，故入方式，故当当 F = 180 时，时，f = f0 A = -180， F = 180，即可满足，即可满足产生正弦波振荡的相位平产生正弦波振荡的相位平衡条件。衡条件。图图 9.2.11 9.2.11 双双T T网络正弦波振荡电路网络正弦波振荡电路9.2.3 双双 T 网络振荡电路网络振荡电路第第9 9章章

18、 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 表表 9 - 1三种三种 RC 振荡电路的比较振荡电路的比较名称名称RC 串并联网络振荡电路串并联网络振荡电路移相式振荡电路移相式振荡电路双双 T 网络选频振荡电路网络选频振荡电路电路电路形式形式振荡振荡频率频率起振起振条件条件电路特电路特点及应点及应用场合用场合可方便地连续调节振荡可方便地连续调节振荡频率，便于加负反馈稳幅电频率，便于加负反馈稳幅电路，容易得到良好的振荡波路，容易得到良好的振荡波形。形。电路简单，经济电路简单，经济方便，适用于波形要方便，适用于波形要求不高的轻便测试设求不高的轻便测试设备中。备中。选选频特性好，适用于频特性好，适用于产生

19、单一频率的振荡波形。产生单一频率的振荡波形。RCf 2103 ARCf 3210RCf510 1 23 FARR，RR12F 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 2222)(j)(j1jLRLCLRRLRCY 电路发生电路发生并联谐振并联谐振。 2222)(j)(j1jLRLCLRRLRCY 0)(22 LRLC 2222)(j)(j1jLRLCLRRLRCY LR CL001 LC10 即即一般一般则则LCf 210谐振频率：谐振频率：此时，此时，|Z|最大最大RCLZ 0图图 9.3.1 LC并联电路并联电路第第9 9

20、章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 CQLQZ00 0 0RCLZ 01. 谐振频率谐振频率 f0 1 0，LC LCf210 3. 回路品质因数回路品质因数 Q RLQ0 CLR1 4. 频率特性频率特性Z 0 Z01Z02Q1 Q2Q1Q2 0 F+90- -90Q1Q2Q1 Q2感性感性纯阻纯阻容性容性不同不同 Q 值时，值时，LC 并联电路并联电路的幅频特性、的幅频特性、相频特性。相频特性。2. 谐振阻抗谐振阻抗 Z0图图9.3.2 9.3.2 LC并联电路的幅频并联电路的幅频特性和相频特性特性和相频特性第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 L0 UUCIILC

21、 电容、电感支路的电流值：电容、电感支路的电流值：并联回路的输入电流值：并联回路的输入电流值：L000 QUQCUZUI 所以：所以：IQII LC当当 Q 1 时，时，IIC IILLCII 结论结论：谐振时，电容支路的电流与电感支路的电流大：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。小近似相等，而谐振回路的输入电流极小。5. 并联谐振的本质并联谐振的本质 电流谐振电流谐振第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 Z 0 Z01Z02Q1 Q2Q1Q2 0 F+90- -90Q1Q2Q1 Q2感性感性纯阻纯阻容性容性结论：结论：1.LC 并联电

22、路具有选频并联电路具有选频特性。当特性。当 f = f0 时，电路为纯时，电路为纯电阻性，等效阻抗值最大；当电阻性，等效阻抗值最大；当 f f0 时，电路为容性。时，电路为容性。2. 电路的品质因数电路的品质因数 Q 愈愈大，幅频特性越尖锐，选频特大，幅频特性越尖锐，选频特性愈好。性愈好。 3.谐振频率的数值与谐振频率的数值与LC并并联电路的参数有关。联电路的参数有关。第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 1234磁棒磁棒一次线圈一次线圈二次线圈二次线圈同极性端同极性端1234+CLR+u- -i反馈信号反馈信号通过通过互感互感线圈引出线圈引出第第9 9章章 波形发生及变换电路

23、波形发生及变换电路 放大电路：共射放大电路放大电路：共射放大电路选频网络：选频网络：LC振荡回路振荡回路反馈网络：二次绕组反馈网络：二次绕组N21.电路组成电路组成用瞬时极性判断为用瞬时极性判断为正反馈正反馈，所以满足自激，所以满足自激振荡的相位平衡条件。振荡的相位平衡条件。2.振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件LCf 210振荡频率振荡频率起振条件起振条件MCRr be rbe为三极管的输入等效电阻，为三极管的输入等效电阻，M为绕组为绕组Nl、N2的互感，的互感，R是折合到谐振回路的等效总损耗电阻。是折合到谐振回路的等效总损耗电阻。 图图9.3.2 LC9.3.2 LC并联电路的幅频特并联

24、电路的幅频特性和相频特性性和相频特性第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 例例9.3.1 电路如图电路如图9.3.4(a)所示，试分析该电路的组所示，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。成，按相位平衡条件判断能否产生正弦波振荡。 能产生正弦波振荡能产生正弦波振荡共基极放大电路共基极放大电路图图9.3.4 9.3.4 例例9.3.19.3.1电路电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 例例9.3.2 电路如图电路如图9.3.5所示，接上电源后电路不能起所示，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。振，请修改电路以满足自激振荡

25、的条件。(1)静态工作点不合适静态工作点不合适(2)不满足相位平衡条件不满足相位平衡条件 三极管基极电位三极管基极电位UB=0V，三极管处于截止状，三极管处于截止状态，所以电路不能正常工作。态，所以电路不能正常工作。图图9.3.5 例例9.3.2电路电路 修改同名端修改同名端第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 1.电路组成电路组成用瞬时极性判断用瞬时极性判断为为正反馈正反馈，满足自激，满足自激振荡的相位平衡条件。振荡的相位平衡条件。2.相位平衡条件相位平衡条件CMLLLCf)2(2121210 振荡频率振荡频率起振条件起振条件RrMLML be21 3.振荡频率和起振条件振荡

26、频率和起振条件 图9.3.7 电感三点式振荡电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 4.特点：特点： (1)由于由于L1、L2的耦合很紧，容易起振。改变电感抽头的耦合很紧，容易起振。改变电感抽头的位置，即改变的位置，即改变L1、L2的比值，可以获得满意的正弦波，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且振幅较大。通常反馈线圈选择为整个线圈的18l4。 (2)并联谐振回路可以采用可变电容，来获得一个较宽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。的振荡频率调节范围。 (3)由于反馈电压取自电感由于反馈电压取自电感L2，而电感对高

27、次谐波的阻，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。正弦波。第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 例例9.3.3 ：振荡电路如图：振荡电路如图9.3.8(a)所示，分析电路有没有所示，分析电路有没有错误，如有错误，请改正。错误，如有错误，请改正。 满足相位平衡条件满足相位平衡条件 但电感对直流电路相当但电感对直流电路相当于短路，三极管集电极和发于短路，三极管集电极和发射极电位都等于射极电位都等

28、于VCC，三极，三极管不能正常工作。因此在三管不能正常工作。因此在三极管发射极和电感极管发射极和电感2端之间端之间加隔直电容，以实现隔离直加隔直电容，以实现隔离直流量并使交流信号顺利通过。流量并使交流信号顺利通过。 图图9.3.8 9.3.8 例例9.3.39.3.3图图 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 用瞬时极性判断用瞬时极性判断为为正反馈正反馈，所以满足，所以满足自激振荡的相位平衡自激振荡的相位平衡条件。条件。1.电路组成电路组成2.相位平衡条件相位平衡条件3.振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件212102121CCCCLLCf 振荡频率振荡频率起振条件起振条件Rr

29、CC be12 - - - - 图图9.3.9 9.3.9 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 4.特点：特点： (1)由于反馈电压取自于电容，电容对高次谐波的阻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。抗较小，输出波形较好。 (2)振荡频率较高，一般可达振荡频率较高，一般可达100 MHZ。 因为电容因为电容C1、C2的容量可以选得较小，并将放大管的的容量可以选得较小，并将放大管的极间电容也计算到极间电容也计算到C1、C2 中去。中去。 适用于产生固定频率的振荡。适用于产生固定频率的振荡。 调节电容可改变频率，但会影

30、响起振条件。如要改变调节电容可改变频率，但会影响起振条件。如要改变频率，可在频率，可在L两端接一个两端接一个可变电容可变电容。第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 5.电容三点式改进型振荡电路电容三点式改进型振荡电路210111121CCCLf 振荡频率振荡频率选择选择 C C1， C C2，则：则：LCf 210减小了三极管极间电容对振荡频率的影响，适用于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。产生高频振荡。图图9.3.10 9.3.10 电容三点式改进型振荡电路电容三点式改进型振荡电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 例例9.3.4 试

31、分析如图所示电路是否满足相位平衡条件？试分析如图所示电路是否满足相位平衡条件？ 图图9.3.11 9.3.11 例例9.3.49.3.4图图 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 例例9.3.5 试分析如图试分析如图9.3.12所示电路为改进型电容三点式所示电路为改进型电容三点式振荡电路，已知振荡电路，已知L=1 H，C1=0.1 F，C2=0.25 F，C为可变为可变电容，其容值电容，其容值C=12250pF，估算振荡频率的可调范围。，估算振荡频率的可调范围。因因CC1，CC2，解：解： LCf210 当当C=12pF时，时， ZZMHHf 9 .45101210121126

32、0 振荡频率近似为振荡频率近似为 当当C=250pF时，时， ZZMHHf 1010250101211260 因此，振荡频率的可调因此，振荡频率的可调范围为范围为1045.9MHz。 图图9.3.12 9.3.12 例例9.3.59.3.5图图 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 名称名称变压器反馈式变压器反馈式电感三点式电感三点式电容三点式电容三点式电容三点式改进型电容三点式改进型电电路路形形式式振荡频率振荡频率起振条件起振条件同左同左频率调节方频率调节方法及范围法及范围频率可调，范围较频率可调，范围较宽。宽。同左同左频率可调，范围频率可调，范围较小。较小。同左同左振荡波形

33、振荡波形一般一般较差较差好好好好频率稳定度频率稳定度可达可达 10-4同左同左可达可达 10-4 10-5可达可达 10-5适用频率适用频率几千赫几千赫 几十兆赫几十兆赫同左同左几兆赫几兆赫 一百兆一百兆赫赫同左同左表表9.3.1 各种各种LC振荡电路的比较振荡电路的比较LCf 210CMLLf)2(21210 2121021CCCCLf 210111121CCCLf MCRr be RrMLML eb21 RrCC eb12 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 频率稳定度：用频率的频率稳定度：用频率的相对变化量相对变化量

34、ff来表示。来表示。其中，其中，f为振荡频率，为振荡频率，f 为频率偏移。为频率偏移。ff的值越小，的值越小，频率稳定度越高。频率稳定度越高。 振荡频率不稳定的原因：振荡频率不稳定的原因：选频电路的参数、三极管选频电路的参数、三极管参数的不稳定等。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、稳压电源以及恒温等措施以外、提高谐振回路的品质因数提高谐振回路的品质因数Q。RLQ0 CLR1 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 实践表明，这样做是有限度的，因为电容器有介质损实践表明，这样做是有限

35、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，由于耗，电感器有电阻损耗和高频集肤效应。另外，由于C受受到电路分布电容的限制，不能做得太小，而到电路分布电容的限制，不能做得太小，而L值不能做得值不能做得太大，否则，电感线圈本身的分布电容又要增大，反而太大，否则，电感线圈本身的分布电容又要增大，反而使使LC值下降，所以，一般的值下降，所以，一般的LC回路，回路，Q值最高可达到值最高可达到几百。在要求高频率稳定度的场合，往住采用高几百。在要求高频率稳定度的场合，往住采用高Q值的石值的石英晶体谐振器代替一般的英晶体谐振器代替一般的LC回路。回路。 石英晶体振荡电路突出的特点是谐振频

36、率稳定性好。石英晶体振荡电路突出的特点是谐振频率稳定性好。其频率稳定度可达其频率稳定度可达10-1010-11，频带较宽，可到，频带较宽，可到100 MHz以上。以上。第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 1.石英晶体的结构石英晶体的结构压电效应压电效应：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产：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。方向上会产生一定的电场。压电谐振压电谐振：晶片上外加交变电压的频率为某一特定：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。频率

37、时，振幅突然增加。底座绝缘体管脚晶片引线(a)金属壳(b)第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 2. 石英晶体的等效电路石英晶体的等效电路RC0CLL 晶体的动态电感晶体的动态电感 ( (10 3 102 H) )( (大大) )C 晶体的动态电容晶体的动态电容 ( ( 0.1 pF) )( (小小) )R 等效摩擦损耗电阻等效摩擦损耗电阻( (小小) )C0 晶片静态电容晶片静态电容 ( (几几 几十几十 pF) ) 由于晶片的等效电感由于晶片的等效电感L很大，而电容很大，而电容C很小，很小，R也很也很小，因此回路的品质因数小，因此回路的品质因数Q很大，可达很大，可达106。

38、故其频率的。故其频率的稳定度很高。稳定度很高。CLRQ1 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 3. 频率特性和谐振频率频率特性和谐振频率RC0CL串联谐振频率串联谐振频率并联谐振频率并联谐振频率电抗频率特性电抗频率特性OfXfsfp容性容性容性容性感性感性LCf 21s0s00p121CCfCCCCLf 0s00p121CCfCCCCLf )(1j0202CLCCCLCZ 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 1.串联型石英晶体振荡电路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当振荡频率等于 fS 时，时，晶体阻抗最小，且为纯电晶

39、体阻抗最小，且为纯电阻，此时正反馈最强，相阻，此时正反馈最强，相移为零，电路满足自激振移为零，电路满足自激振荡条件。荡条件。振荡频率振荡频率s0ff 调节调节 R 可改变反馈的强可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。弱，以获得良好的正弦波。f = fs，晶体呈电阻性，晶体呈电阻性第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 2.并联型石英晶体振荡电路并联型石英晶体振荡电路交流等效电路交流等效电路振荡频率振荡频率CCCCCCLf 000)(212121CCCCC 由于由于CCC 0s021fLCf 图图 9.4.3fs f UREF 时，时，uo = - - UOPP当当 ui UREF

40、时时, uo = UOPP1.一般的单限比较器一般的单限比较器 +UoppuO ui i0 UoppUREF(a) (a) 电路电路图图9.5.1 9.5.1 电压比较器电压比较器(b) (b) 传输特性传输特性如果需要，也可采如果需要，也可采用用同相同相输入方式。输入方式。 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 +UoppuO ui i0 UoppUREF阈值电压（门限电压）阈值电压（门限电压）UT：当比较器的输出电压由一种状当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态相应的输态跳变为另一种状态相应的输入电压入电压UREF 。单限比较器单限比较器:只有一个门限电平只有一个门限

41、电平UREF，当输入电压，当输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立即发生等于此门限电平时，输出端的状态立即发生跳变跳变。常。常用于检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。用于检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 2.过零比较器过零比较器(1)简单的过零比较器简单的过零比较器当当 ui 0 时，时，uo= - - UoPP ；以上电路输出幅度是以上电路输出幅度是UoPP，有时希望比较器的输出幅，有时希望比较器的输出幅值能限制在一定的范围内，以满足与比较器输出端连接的值能限制在一定的范围内，以满足与比较器输出端连接的数字电路对逻辑电平的要求

42、，此时需要数字电路对逻辑电平的要求，此时需要限幅措施限幅措施。uiuo+Uopp- -Uopp0图图 9.5.2 9.5.2 过零比较器电路过零比较器电路(a)(a)( ( b) b) 传输特性传输特性第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 (2)利用稳压管限幅的过零比较器利用稳压管限幅的过零比较器uiuo+Uopp - -UoppO+UZ- -UZ 设输出电压设输出电压幅值小于幅值小于Uoppui 0，ui 0，ui 0，u- - 0，uo=UZ；uo=UZ；REF21iURRu REF21iURRu 该电路的门限电平为该电路的门限电平为REF21TURRU 显然，通过改变显然

43、，通过改变R1与与R2的比值，即可调节门限电平。的比值，即可调节门限电平。图图9.5.7 9.5.7 任意电平比较器任意电平比较器 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 例例:已知已知 R1= R2= 5 k，UREF =2 V，UZ = 5 V，输入电压输入电压 ui波形如图，画出输出电压波形如图，画出输出电压 uo 波形。波形。= - -2V5-5-2uouI0传输特性传输特性REF21iTURRuU 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 例例:已知已知 R1= R2= 5k，UREF =2V，UZ = 5V，输入电压输入电压 ui波形如图，画出输出电压波形

44、如图，画出输出电压 uO 波形。波形。5-5tuO/V0REF21iTURRuU = - -2V第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 若若uI受到干扰或噪声受到干扰或噪声的影响，在门限电平上下的影响，在门限电平上下波动，则波动，则uO将在高、低两将在高、低两个电平之间反复地跳变，个电平之间反复地跳变，如在控制系统中发生这种如在控制系统中发生这种情况，将对执行机构产生情况，将对执行机构产生不利的影响。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。存在的主要问题是抗干扰能力差。缺点缺点：抗干扰能力

45、差。：抗干扰能力差。解决办法解决办法：采用具有滞回传输特性的比较器。：采用具有滞回传输特性的比较器。应为高电平应为高电平错误电平错误电平第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 1.电路组成电路组成 在单门限比在单门限比较器基础上增加较器基础上增加了正反馈电路实了正反馈电路实现的。现的。图图9.5.11 9.5.11 滞回比较器滞回比较器 滞回比较器又称施密特触发器，它的特点是当输入滞回比较器又称施密特触发器，它的特点是当输入电压电压ui由小变大或由大变小时，有两种不同的门限电压，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因此电路的传输特性具有“电压迟滞回环

46、电压迟滞回环”曲线的形状。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。为了加速输出高、低电平的转换，运放接成正反馈形式。 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 2.工作原理工作原理输出电压：输出电压：uo = UZ ui=u- -=u+时，时，输出电压的状态输出电压的状态发生跳变。发生跳变。REF21TURRU Of22REFf2fuRRRURRRu UZZf22REFf2fTURRRURRRU 两个门限电压：两个门限电压：门限电压门限电压UT： 输出发生跳转的输入输出发生跳转的输入有两个值，有两个值，UT+和和UT- -。 Zf22REFf2fTURRRUR

47、RRU 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 +UZuiuo - -UZoUT- -UT+ +图图 9.5.159.5.15滞回比较器滞回比较器比较器有两个不同的门限电平，比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈故传输特性呈滞回滞回形状。形状。 电压传输特性电压传输特性 当当ui增加到增加到UT+时，输出时，输出由由UZ跳变到跳变到- -UZ； 当当ui减小到减小到UT- -时，输出时，输出由由- -UZ跳变到跳变到UZ 。ui小小 时，时，uo为为高电平高电平UZ；ui大大 时，时，uo为为低电平低电平- -UZ。第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 可见，改

48、变可见，改变UREF的大小，可的大小，可以同时调节两个门限电平以同时调节两个门限电平UT+和和UT- -的大小，但二者之差的大小，但二者之差UT不变。不变。也就是说，当也就是说，当UREF增大或减小时，增大或减小时，滞回比较器的传输特性将平行地滞回比较器的传输特性将平行地右移或左移，但右移或左移，但滞回曲线的宽度滞回曲线的宽度将保持不变。将保持不变。+UZuIuO - -UZOUT- -UT+ +回差回差( (门限宽度门限宽度) ) UT ：ZF22TTT2URRRUUU 与与UREF无关无关ZF22TTT2URRRUUU REF21TURRU OF22REFF2FuRRRURRRu UZ第第

49、9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 OF22REFF2FuRRRURRRu REF21TURRU oF22REFF2FuRRRURRRu 当当 UREF=0时，时，REF21TURRU oF22REFF2FuRRRURRRu 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 作用作用：产生矩形波、三角波和锯齿波，或用于波形：产生矩形波、三角波和锯齿波，或用于波形变换。变换。抗干扰能力强抗干扰能力强。适当调整适当调整UT+ 和和UT- 的值，就可以避免的值，就可以避免比较器的输出电压比较器的输出电压在高、低电平之间在高、低电平之间反复跳变。反复跳变。 +UZ-UZtuO/V0当

50、当ui增加到增加到UT+时，输时，输出由出由UZ跳变到跳变到- -UZ；当当ui减小到减小到- -UT- -时，时，输出由输出由- -UZ跳变到跳变到UZ 。3. 滞回比较器的应用滞回比较器的应用 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 例例9.5.2 如图如图9.5.11所示滞回比较器，稳压管的稳定所示滞回比较器，稳压管的稳定电压电压UZ土土9V，R220k，RF40k，UREF=3V，输，输入电压入电压ui为如图为如图9.5.12(a)所示的正弦波。试画出输出电压所示的正弦波。试画出输出电压uo的波形。的波形。 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 输出高电平

51、和低电平为土输出高电平和低电平为土9V，阀值电压分别为，阀值电压分别为解：解：REFF2FZF22TURRRURRRU V5V)34020409402020( REFF2FZF22TURRRURRRU V1V)34020409402020( 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 例例9.5.3 :如图如图9.5.11所示电路中，所示电路中，UT+、UT- -、存在干扰的、存在干扰的输入电压波形如图输入电压波形如图9.5.13(a)所示。试画出输出电压所示。试画出输出电压uO的波形。的波形。解：解：第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 ui UREF1 ，VD2截

52、止，截止，VD1导通，导通，uO为高电平；为高电平； UREF2 ui UREF2第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 9.5.4 集成电压比较器集成电压比较器1集成电压比较器的特点和分类集成电压比较器的特点和分类 (1)特点特点 工作速度比较快；价格比较低廉；输出电平一般可与工作速度比较快；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。等数字逻辑电平直接兼容，而无需外加限幅电路。 (2) 种类种类 根据比较器的响应速度根据比较器的响应速度：高速比较器和中速比较器；：高速比较器和中速比较器； 根据电压比较器的指标根据电压比较器的指标：精密比较器

53、、高灵敏度比较：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；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根据在一个芯片上集成的电压比较器的数目：单比较：单比较器、双比较器和四比较器。器、双比较器和四比较器。第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 2.集成电压比较器的参数集成电压比较器的参数型号型号名称名称电源电压电源电压典型值典型值/V输入偏输入偏置电流置电流/ A输入失输入失调电流调电流/ A输入失输入失调电压调电压/mV响应时响应时间间/ns开环差开环差模增益模增益LM111单电压单电压比较器比较器1

54、5或或50.10.040.72002105LM119高速双高速双比较器比较器+15或或50.50.0754804104LM319高速双高速双比较器比较器+15或或510.28804104LM239四比较四比较器器118或或2360.250.0551.3us2105LM339四比较四比较器器118或或2360.250.0551.3us2105LM260超高速超高速比较器比较器4.56.51022163103第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 当机内温度为设定值以下时，同相输入端电压当机内温度为设定值以下时，同相输入端电压u+大于反相大于反相输入端电压输入端电压u- -，uo为高

55、电位。为高电位。 当温度上升为设定值以上时，反相输入端电压当温度上升为设定值以上时，反相输入端电压u-大于同相大于同相输入端电压输入端电压u+端，比较器翻转，端，比较器翻转，uo输出为零电位，使保护电路输出为零电位，使保护电路动作，调节动作，调节R1的值可以改变门限电压，即设定温度值的大小。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集成电压比较器的应用-LM339为例为例 CC212VRRRu 图图9.5.18 9.5.18 温度检测电路温度检测电路 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 几种常见的非

56、正弦波几种常见的非正弦波矩形波矩形波三角波三角波锯齿波锯齿波尖顶波尖顶波阶梯波阶梯波第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 1.电路组成电路组成9.6.1 矩形波发生电路矩形波发生电路滞回比较器：集成运放、滞回比较器：集成运放、R1、R2；充放电回路：充放电回路：R、C；钳位电路：钳位电路：VDZ、R3。2.工作原理工作原理Z211TURRRu Z211TURRRu 图图 9.6.1 9.6.1 矩形波发生电路矩形波发生电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 uC ，当，当 uC = UT- - 时，时， uO = +UZ ，循环上述过程。，循环上述过程。uC

57、，当，当 uC = UT+ 时时， uO = - -UZ 。(1)充电充电设初态设初态uC= = 0，uo = + UZ 则则u+ =UT- - ，uO 通过通过R向向C反向充电反向充电(放电放电) 。(2)跳变跳变uC (3)放电放电u+ = UT+ , uO 通过通过R向向C充电充电 。Z211TURRRu Z211TURRRu 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 0uOZU ZU tt0uC T U T Ut1t22T2T(1)充电充电(2)跳变跳变(3)放电放电uC 当当 uC= UT+ 时时， uO = - -UZ ，当当 uC= UT- - 时，时， uO = +

58、UZ ，uC ，uO = +UZ ，电容充放电时间常数相同电容充放电时间常数相同正负半周对称正负半周对称图图 9.6.3 9.6.3 方波发生器的波形图方波发生器的波形图第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 3.输出幅度和振荡周期输出幅度和振荡周期t0uCT UT U0uOZU ZU tt1t22T2TZ211)0(URRRuC Z)(UuC RC 解得：解得：)21ln(221RRRCT 占空比占空比 D=50% )(e)()0()( CtCCCuuutu 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 4.占空比可调的矩形波发生电路占空比可调的矩形波发生电路tOuC图

59、图 9.6.59.6.5图图 9.6.4 占空比可调占空比可调的矩形波发生电路的矩形波发生电路 结构：结构：RW和和VD1、VD2的作用是将充电放电回路分开，使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占空比可调。可调。uOtOT1T2T第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 )21ln()(221W1RRCRRT )21ln()(221W2RRCRRT WW12RRRRTTD )21ln()(221W1RRCRRT )21ln()(221W2RRCRRT )21ln()2(21

60、W21RRCRRTTT tOuCuOtOT1T2T图图 9.6.59.6.5图图 9.6.4 9.6.4 占空比可调占空比可调的矩形波发生电路的矩形波发生电路第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 9.6.2 三角波发生电路三角波发生电路A1为同相迟滞比较器，为同相迟滞比较器， 输入三角波，输出方波。输入三角波，输出方波。1.电路组成电路组成方波发生电路方波发生电路积分运算电路积分运算电路A2为反相积分电路，为反相积分电路，输入方波，输出三角波。输入方波，输出三角波。 dtuCRu1o4o1第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 0uo1ZU ZU t0uoomU