波形产生和变换课件

波形產生和變換9.1.1振盪基礎知識振盪條件起振和穩幅振盪電路的基本組成部分振盪電路的分析方法1.振盪條件相位平衡條件幅度平衡條件振盪平衡條件:XiXdXoXf基本放大電路A回饋網路F回饋電路的方框圖：考慮耦合電容、極間電容等的影響負回饋自激條件:受正回饋網路影響不考慮極間電容等的影響正回饋自激條件:+2.起振和穩幅滿足上述條件後，一旦電源接通，隨著時間增加輸出幅度增大。增大到一定程度後，放大電路中電晶體將進入飽和或截至狀態，輸出正弦波將失真。——應採取穩幅措施。起振的幅度條件是：3.振盪電路的基本組成部分

振盪電路的基本組成部分:（1）放大電路——沒有放大，不可能產生振盪。 要保證電路具有放大功能（2）回饋網路——形成正回饋，以滿足相位平衡條件（3）選頻網路——以產生單一頻率的正弦波(RC、LC)（4）穩幅電路——以保證輸出端得到不失真的正弦波4.振盪電路的分析方法判斷能否產生振盪的一般方法和步驟：a.檢查電路的組成部分c.將電路在放大器輸入端斷開，利用暫態極性法判斷電路是否滿足相位平衡條件

b.檢查放大電路是否正常工作d.分析是否滿足振盪產生的幅度條件。一般AF應略大於1振盪電路的分析方法:9.1.2RC正弦振盪電路RC橋式振盪電路RC串並聯網路的頻率特性RC橋式振盪電路穩幅措施RC橋式振盪電路仿真場效應管穩幅音頻信號發生器移相式選頻網路和移相式式振盪電路移相式選頻網路移相式RC振盪電路雙T選頻網路VoRfR1CRCRVf1.RC橋式振盪電路橋式RC振盪電路結構:選頻和回饋網路放大電路RC串並聯網路的頻率特性0.1fHfH10fH0-20-4045900ff-20dB/十倍頻-30.1fHfH10fH0-20-40-45-900ff-20dB/十倍頻-3低頻VoCRVf高頻VoCRVfVoCRCRVfRC串並聯網路的頻率特性VoCRCRVfRC串並聯網路的頻率特性)]j1/([+)Cj/1()j1/(22211222212CRRRCRRZZZwww+++=+=1)122Cw1RCR1j()1(2121CRCRw-+++=R/j+)Cj/1(2122221112RCCRCRRRww+++=)j1]()Cj/1([222112RCRRRww+++=諧振頻率為:RC串並聯網路的頻率特性當R1=R2，C1=C2時，諧振角頻率諧振頻率幅頻特性:相頻特性:RC串並聯網路的頻率特性當f=f0時的回饋係數為1/3,且與頻率f0的大小無關。此時的相角

F=0

。VoRfR1CRCRVfRC橋式振盪電路Rf>2R1振盪頻率:已知RC串並連選頻電路諧振時回饋係數為1/3，Vf與Vo相位差為0。所以要使電路能產生正弦振盪，放大器必須是同相放大器，且放大倍數要大於3。VoRfR1CRCRVf穩幅措施穩幅措施2:利用非線性器件穩幅VoRfR1CRCRD1D2穩幅措施1:

Rf採用負溫度係數的熱敏電阻

R1採用正溫度係數的熱敏電阻RC橋式振盪電路仿真仿真電路結果場效應管穩幅音頻信號發生器場效應管穩幅音頻信號發生器RC選頻網路輸出經D整流和R4C3濾波後，經R5和RP4加在場效應管柵極。輸出幅度增大，VGS負向增大，RDS增大使放大倍數減小。2.移相式選頻網路和移相式式振盪電路f/f01-270-1800f/f012701800滯後移相式選頻網路超前移相式選頻網路VoCRCRCRVf移相式選頻網路:超前移相仿真滯後移相仿真移相式RC振盪電路超前移相式RC振盪器CRCRCRVoRfR1VoRfR1CRCRCR滯後移相式RC振盪器雙T式選頻網路注：有源濾波器中R‘=R/2CRCR2CR'0-180R’<R/2f/f0-360f/f090-900R’≥R/2雙T式選頻網路仿真(R’<R/2)雙T式選頻網路仿真(R’≥R/2)例1:判斷電路能否產生振盪CRCCRT1T2Re1Re2Rc2Rc1Rb1VCCCCT1T2Re1Re2Rc2Rc1Rb1VCC判斷電路能否產生振盪CCT1T2Re1Re2Rc1Rb1VCCCRRReR1R2R4R3RRRCCCVCC-VEE變壓器回饋式電感三點式電容三點式分類9.1.3LC正弦波振盪電路LC正弦波振盪電路可產生1000MHz以上的正弦波信號，而一般運放頻帶較窄，高速運放價格昂貴，所以LC振盪電路中的放大器一般採用分離元件組成。1.LC並聯回路的基本特性R:回路的等效耗損電阻等效阻抗:LC並聯回路LC並聯回路的基本特性b.諧振時的等效阻抗Q:回路品質因數,用來評價回路損耗的大小,

一般為幾十到幾百a.諧振頻率LC並聯回路的基本特性c.

諧振電流諧振時,回路呈純電阻性,這時V與I同相輸入電流:諧振電流:即LC並聯回路LC並聯回路的基本特性d.

回路的頻率特性:諧振回路的選頻性能主要取決於Q,Q越大,選頻性能越好在f=f0時,回路為純阻性,且阻抗最大2.選頻放大器CLRLviRb1Rb2Tr1Tr2CbReCeTVCC+vo-當輸入信號頻率等於LC回路諧振頻率時輸出信號最大3.變壓器回饋式正弦波振盪器

LC並聯諧振電路作為三極管的負載，回饋線圈L2與電感線圈Ｌ相耦合,將反饋信號送入三極管的輸入回路。交換回饋線圈的兩個同名端，可使回饋極性發生變化。調整回饋線圈的匝數可以改變回饋信號的強度，以使正回饋的幅度條件得以滿足。變壓器回饋式正弦振盪器分析方法判斷能否產生振盪的一般方法和步驟：a.檢查電路的組成部分c.將電路在放大器輸入端斷開，利用暫態極性法判斷電路是否滿足相位平衡條件

b.檢查放大電路是否正常工作d.分析是否滿足振盪產生的幅度條件。一般AF應略大於1+_+同名端的判斷:先找出交流公共端,如果輸出端與回饋端如果互為同名端則同相,否則反相例2:試用相位平衡條件判斷電路能否產生振盪C1CR2R1VCCC1CR2R1VCCR3不能，直流偏置不對不滿足相位平衡條件能試用相位平衡條件判斷電路能否產生振盪C2CR2R1VCCR3C1CeCR2R1VCCR3C1能能4.三點式正弦振盪器(1)三點式振盪器的一般結構A：放大電路：1,3：輸入端2,3：輸出端Z2：電路負載Z1，Z3起回饋作用Z3Z1Z2Vo132AZ3Z1Z2roVoA三點式正弦振盪器回饋係數:開環增益:ZLZ3Z1Z2Vo132A三點式正弦振盪器如果Z1,Z2,Z3都是純電抗元件,則有:Z1=jX1

Z2=jX2Z3=jX3

所以:要使電路能產生振盪,必須滿足:環路增益:三點式正弦振盪器a.b.所以對於反相放大器：

X1，X2必須是同類電抗元件，

X3與X1或X2是不同類電抗元件三點式正弦振盪器結論:對於反相放大電路，X1、X2必須是同類電抗元件，X3與X1或X2是不同類電抗元件；

對於同相放大電路，X1、X2必須是不同類電抗元件，X3與X1或X2是同類電抗元件。Z3Z1Z2Vo132電容三點式向量圖VCCLCb1Cb2C1C2LC1C2VbeVceVf+-+-ILC1支路呈感性,電流滯後電壓90度；C1上電壓滯後電流90度-+電感三點式VbeVceVfIOL2CL1VceVf+-IL1C支路呈容性,電流超前電壓90度;L1上電壓超前電流90度-++-VbeVCCL2Cb1Cb2CL1Ce常見的電感三點式電路常見的電容三點式電路兩種改進型電容三點式振盪電路克拉潑電路(Clapp)西勒電路(Seiler)VCCLCb1Cb2C1C2VCCLCb1Cb2C1C2例3:試用相位平衡條件判斷三點式電路能否產生振盪能不能判斷三點式電路能否產生振盪VCCLCb1C1C2能能VCCL2Cb1CL1判斷三點式電路能否產生振盪VCCLCb1Cb2C1C2Vo+-能不能，直流偏置錯誤。在發射極與電感線圈間加隔直電容VCCL2Cb1C1L1作業9.3.19.3.29.3.69.1.4石英晶體正弦波振盪電路1.基本知識(2)符號和等效電路優點:Q值很大

頻率穩定度高(1)壓電效應

壓電諧振問題諧振與振盪是相同的嗎？石英晶體諧振分析L、C組成串聯諧振電路L、C、C0組成並聯諧振電路因此晶體有兩個諧振頻率：串聯諧振頻率:並聯諧振頻率:C02PC0.01PL2.5HR640石英晶體諧振分析串聯諧振時有最小阻抗，且相移為0。並聯諧振時有最大阻抗，相移不為0。一般C<<C0，fs與fp接近石英晶體振盪電路串聯並聯石英晶體振盪電路串聯型f0=fs並聯型fs<f0<fp

簡單電壓比較器滯回比較器窗口比較器三態比較器9.2電壓比較器電壓比較器功能功能:

比較兩個電壓的大小比較結果以輸出高或低電平來表示用集成運和電阻、二極體等放構成集成電壓比較器電壓比較器中運放的工作特點1.工作在開環或正回饋狀態

2.

大多數情況下工作在非線性區域,輸出與輸入不成線性關係,只有在臨界情況下才能使用虛短,虛斷概念3.

輸出高電平或者低電平,呈現為開關狀態V+>V–時,Vo為高

V+<V–時,Vo為低

比較器的分析方法1.求出閾值:輸出從一個電平跳變到另一個電平時（這時運放的兩個輸入端之間可視為虛短虛斷）所對應的輸入電壓值。2.分析輸入與輸出的關係,畫出傳輸特性9.2.1簡單電壓比較器過零比較器：

過零電壓比較器是典型的幅度比較電路，它的電路圖和傳輸特性曲線如圖所示。簡單電壓比較器

將過零電壓比較器的一個輸入端從接地改接到一個電壓值VREF

上,就得到電壓幅度比較器，它的電路圖和傳輸特性曲線如圖所示。電壓幅度比較器：過零比較器應用同相比較器反相比較器反相比較器波形圖同相比較器波形圖?傳輸特性?限幅比較器同相端與反相端間的電壓?輸出幅度?同相端與反相端間的電壓?輸出幅度?+_R1R2vivoVD=0.7VVD=.2VVZ+_R1R2vivoVD=0.7V9.2.2滯回比較器a.反相輸入滯回比較器臨界狀態下有:vI-+AR2vOR1R3±VZVRvNvP滯回比較器當vI從VT-逐漸增大，增大到vI≥VT+時，vo=-Vz

vP=VT-當vI

<VT-時，vo=+Vz

vP=VT+當vI從VT+逐漸減小，減小到vI≤VT-時，vo=+VzvP=VT+(VR=0V)vI-+AR2vOR1R3±VZVRvNvP滯回比較器輸入輸出波形VT+VT-(VREF=0V)滯回比較器臨界狀態下有:b.

同相滯回比較器vI-+AR2vOR1R3±VZVRvPvN同相滯回比較器電壓傳輸特性VT+VT-(VREF=0V)vRVT+VT-vIvOVOHVOL滯回比較器應用為了提高簡單電壓比較器的抗干擾能力滯回比較器應用正弦波變換為矩形波有干擾正弦波變換為方波9.2.3窗口比較器設R1=R2，則有：

當vI＞VH時，vO1為高電平，D3導通；vO2為低電平,D4截止，vO=vO1

=

VOH。窗口比較器當VH

＞vI＞

VL時，vO1為低電平，vO2為低電平，D3、D4截止，vO為0V；傳輸特性當vI＜

VL時，vO2為高電平，D4導通；vO1為低電平，D3截止，vO=vO2=

VOH。9.2.4

三態比較器vI-+A2vOR3R4±VZVRL-+A1R1R2VRHD1D2vo1vo2R5vOvIVRLVRHVOHVOL9.3非正弦波產生電路占空比=T1T矩形波方波TTL波

矩形波發生電路的基本工作原理方波經積分變為三角波,矩形波積分變為鋸齒波9.3.1方波發生電路

方波發生電路是由滯回比較電路和RC定時電路構成的，電路如圖所示。方波發生電路工作原理(2)當vc=VN≥VP時，vo=-VZ，所以：電容C放電，vc

開始下降。(1)電源剛接通時,設：電容C充電，vc

開始升高；(3)當vc=VN≤Vp時，vo=+VZ，返回初態。方波發生電路輸出波形

方波週期Ｔ用過渡過程公式可以方便地求出：∞其中：過渡過程公式：∞∞∞t1t2方波發生電路波形週期計算t1t2方波發生電路改進—占空比可調的矩形波電路

為了改變輸出方波的占空比，應改變電容器C的充電和放電時間常數。占空比可調的矩形波電路如圖。

C充電時，充電電流經電位器的上半部、二極體D1、Rf；

C放電時，放電電流經Rf、二極體D2、電位器的下半部。矩形波電路的占空比可調占空比為：

其中，是二極體D2的導通電阻。即改變的中點位置，占空比就可改變。

其中，是電位器中點到上端電阻，是二極體D1的導通電阻。思考題：思考題：正弦振盪與非正弦振盪的原理有什麼不同之處？9.3.2三角波方波發生電路

三角波發生器的電路如圖所示。它是由滯回比較器和積分器閉環組合而成的。積分器的輸出回饋給滯回比較器，作為滯回比較器的輸入電壓VI。1.三角波方波發生電路工作原理(1)當vO1=+VZ時,則電容C充電,同時vO按線性逐漸下降，當使A1的VP

略低於VN(0)時，vO1

從+VZ跳變為-VZ。(2)

在vO1=-VZ後，電容C開始放電，vO按線性上升，當使A1的VP略大於零時，vO1從-VZ跳變為+VZ

，如此周而復