波形的产生与变换电路教学课件PPT 65页

'Chapter6波形的产生与变换 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定的适合于系统应用和处理的波形。波形产生电路正弦波产生电路：广泛应用于通讯、广播、电视等系统。非正弦波产生电路：如矩形波、三角波、锯齿波。广泛应用于测量设备、数字系统和自控系统。2 波形的产生与变换正弦波振荡电路电压比较器非正弦波振荡电路3 正弦波振荡电路正弦波振荡电路的工作原理RC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路石英晶体振荡器4 6.1正弦波振荡电路的工作原理在振荡电路中，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，而非充分条件。1、正弦波振荡电路产生振荡的条件若，则环路输出可得到持续稳定的正弦波。5 由得——正弦波振荡电路产生振荡的条件幅度平衡条件：相位平衡条件：注意：负反馈放大器的自激条件为与上式差一负号，这是由于输入端规定的反馈信号正方向不同所造成的。6 2、振荡的建立和稳定1）起振实际振荡电路不需外部激励信号，以内部噪声或外部干扰作输入信号，经放大后再反馈，周而复始使电路开始振荡。2）选频为了得到频率为fo的正弦振荡，可用选频网络从噪声和干扰中选出频率为fo的成分，并使整个振荡电路只对fo满足等幅振荡条件。3）稳幅从噪声和干扰中选出的fo分量幅度很小，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，则需振荡器幅度稳定。故在振荡电路中要有稳幅环节。7 3、电路组成放大电路正反馈网络选频网络稳幅电路按组成选频网络的元件不同：RC正弦波振荡电路LC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应具备下述四个功能的部分组成：8 6.2RC正弦波振荡电路1、文氏电桥（RC串并联）振荡器同相比例放大电路Z1、Z2、R3与R4形成四个桥臂RC选频网络，兼正反馈网络9 1）RC串并联网络的选频特性10 幅频特性：相频特性：当ω=ωo时，电路达到谐振，电路呈“电阻性”，此时幅值最大11 2）起振条件及振荡频率RC网络谐振时满足自激振荡的相位平衡条件。振荡频率：由同相放大电路：由幅度起振条件：由选频网络可知，谐振时：或12 3）稳幅环节为了改善振荡波形，一般采用外稳幅电路。UoIR4PR4TR4R4Uo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敏电阻，可起稳幅作用13 2、RC移相式正弦波振荡器移相网络采用RC移相器（最大移相90）。超前移相滞后移相反相放大电路在通频带内的移相为180。三节RC电路为移相兼反馈网络，对某一频率可实现180相移，从而满足振荡条件。振荡频率：14 优点：结构简单。缺点：选频作用较差；频率调节不方便；输出波形较差。一般用于振荡频率固定且稳定性要求不高的场合。15 结论：RC正弦波振荡器只能用作低频振荡器。振荡频率的范围：1Hz~几MHz例如，桥式振荡器。选R=1kΩ，C=200pF，则fo=796HzRC正弦波振荡器的振荡频率取决于R、C的数值。若提高振荡频率fo，必须选择较小的R和C值。foR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。当振荡频率高于1MHz时，采用LC正弦波振荡器。16 6.3LC正弦波振荡电路LC选频电路变压器反馈式振荡电路电感反馈式（电感三点式）振荡电路电容反馈式（电容三点式）振荡电路17 一般R<<ωL，则1、LC并联谐振电路的选频特性18 谐振频率谐振时Z为纯电阻性品质因数，Q值越大，选频特性越好，谐振时阻抗越大。19 2、变压器反馈式振荡电路1）组成三极管的负载并作选频网络共射放大电路反馈线圈L2。将反馈信号送入放大器输入端。交换反馈线圈的两个线头，可使反馈极性反相。调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度。阻抗变换20 2）起振条件和振荡频率在谐振频率fo处满足相位平衡条件。振荡频率约为谐振频率幅度起振条件：只要选择合适的变压器匝比，都能满足幅度起振条件。相位起振条件：21 优点：1）只要改变LC并联谐振电路的电容C，即可改变振荡频率，故适于制作频率可调的振荡器。2）选择适当的变压器匝比n或互感M，使电路容易起振。3）选择适当的变压器匝比，可适应不同负载的要求。缺点：振荡频率不宜太高，一般在100MHz以下。22 3、电感反馈式振荡电路（电感三点式）1）组成共射放大电路三极管的负载并作选频网络反馈元件23 注意：分析三点式LC振荡电路时：由LC并联谐振电路构成选频网络A.若中间点交流接地，则首端与尾端相位相反。三点式LC并联电路中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。三点的相位关系B.若首端或尾端交流接地，则其他两端相位相同。24 2）起振条件和振荡频率电路在LC并联回路谐振时，满足相位平衡条件。振荡频率即为谐振频率：25 4、电容反馈式振荡电路（电容三点式）1）组成三极管的负载并作选频网络反馈元件共射放大电路26 2）起振条件和振荡频率电路在LC并联回路谐振时，满足相位平衡条件。振荡频率即为谐振频率：27 6.4石英晶体振荡器工程技术中，常要求振荡器的振荡频率十分稳定。如通讯系统中的射频振荡器，数字系统中的时钟发生器。频率稳定度：衡量振荡频率稳定程度的质量指标。定义为在特定时间内频率的相对变化量f/fo。LC振荡电路中Q值对频率稳定度有较大影响，Q增大，f稳定度提高。1、正弦波振荡器的频率稳定问题RC电路中不稳定电容C（分布电容、杂散电容）影响。L体积，R（线圈损耗）且分布电容C。28 LC选频电路的阻抗频率响应（a）幅频响应（b）相频响应29 石英晶体具有很高的Q值及等效L/C值，由石英晶体组成的振荡器其频率稳定度可达106~108。2、石英晶体的特性与等效电路1）结构引线晶片敷银层2）压电效应和压电谐振压电效应：当石英晶片的两电极间加一电场，晶片会产生机械形变；反之，机械力又会在晶片上产生电场。压电谐振：当某一特定频率的交变电压作用于晶片时，能使晶片的机械振幅最大。30 3）等效电路与阻抗特性石英晶体的压电谐振可用LC回路的电参数来模拟。晶体不振动时，视为平板电容Co：静态电容，很小，几pF～几十pF振动时用LC振荡电路模拟L：模拟机械振动的惯性，几十mH～几百mHC：模拟晶片弹性，0.0002～0.1pFR：模拟振动的摩擦损耗，约100ΩQ值可达106。31 4）阻抗特性当f=fs时，LCR支路发生串联谐振，等效阻抗最小(zo=R)。由于1/ωCo>>R，故近似认为石英晶体对于fs呈纯阻性。当f>fs时，LCR支路呈感性，与Co产生并联谐振，等效为很大的纯电阻。串联谐振频率并联谐振频率fs≈fp32 1）串联型利用f=fs时，石英晶体呈纯阻性，相移为0的特性构成。2）并联型当频率在fs与fp之间（fs≈fp），石英晶体相当于电感。3、石英晶体正弦波振荡电路33 §6.5电压比较器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，只有两种可能的状态：高电平或低电平。比较器的输入信号是连续变化的模拟量，而输出信号则是高、低电平。所以，比较器可作为模拟电路和数字电路的“接口”，广泛地应用于A/D变换、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。34 比较器可用通用的集成运放组成，也可采用专用集成比较器。常用的比较器类型有：单门限比较器、迟滞(滞回)比较器、窗口比较器等。由集成运放构成的比较器，运放通常工作在开环状态或者引入正反馈，此时运放工作在非线性区。虚断：i＋＝i－＝0u＋>u－时，uo＝Uom或uo＝UZu＋u-则uo=+Uz2、任意电平比较器39 单门限比较器只有一个门限电压（又称为阈值），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、灵敏度高的特点。小结40 单门限比较器的抗干扰能力差当输入信号在参考电压附近时，如果输入信号还没有变化时，出现干扰信号，这个干扰信号就有可能使比较器翻转，出现不希望的误动作。解决方法：采用迟滞比较器。41 6.5.2迟滞比较器1、电路结构及工作原理令得门限电压：正反馈uiuo0UT+UZ-UZUT−ΔUT称为门限宽度（回差）42 UT与Uz、R2和Rf有关，与UREF无关。UT灵敏度抗干扰能力uiUT时，比较器不翻转。uiuo0UT+UZ-UZUT−43 单门限比较器滞回比较器44 小结迟滞比较器有滞回特性。有两个阈值，但当输入电压向单一方向变化时输出仅跃变一次。uiuo0UT+UZ-UZUT−45 如何绘制电压传输特性曲线？电压传输特性具有三个要素：输出高、低电平，阈值电压，输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向。已知：集成运放的最大输出电压Uom＝±15V，稳压管的稳压值UZ=±6V。46 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。输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向决定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。若为前者，则输入电压大于阈值电压时输出为低电平。若为后者，则输入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（u＋）和反相输入端（u－）电位的表达式，令它们相等，求出的输入电压即为阈值电压。47 已知：集成运放的最大输出电压Uom＝±15V，稳压管的稳压值UZ=±6V。48 6.5.3窗口比较器1、电路结构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、故障检测系统等场合。49 当ui＞UH时，uo1为高电平，D1导通；uo2为低电平,D2截止，uo=uo1。当ui＜UL时，uo2为高电平，D2导通；uo1为低电平，D1截止，uo=uo2。当UH＞ui＞UL时，uo1为低电平，uo2为低电平，D1、D2截止，uo为低电平。50 6.6非正弦波振荡电路方波发生电路三角波发生电路锯齿波发生电路51 6.6.1方波发生电路比较器的输出电压经一定延时，馈送作为比较器的输入电压，使比较器自行翻转，产生方波输出。1、电路组成RC积分电路延时兼反馈迟滞比较器开关电路限流电阻52 2、工作原理设t=0时，uo=+Uz，uC=0门限电平UZ经R向C充电uC按指数规律当uCUT+时uo跳变为-UZ此时C经R放电uC按指数规律当uCUT-时uo又上跳到UZ53 如此周而复始，产生振荡，输出方波。54 3、振荡周期电容充放电过程中，uc的变化规律如下：把t1作为计时的起点t2－t1=T/255 振荡频率：56 4、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荡周期的比值。方波的占空比为50%。其中rd是二极管D的导通电阻。改变Rw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C的充、放电时间常数。占空比：57 6.6.2三角波发生器三角波发生器是由迟滞比较器A1和积分器A2闭环组合而成的。1、电路组成2、工作原理设t=0时，uo1=+Uz运放A1同相端的电位：uC=0，uo=uC=0此时，uo1通过R4向电容C恒流充电，uC，uo。iC=Uz/R4过零比较58 当u+≤0时，A1翻转，uo1UzC恒流放电，uC线性，uo线性。C恒流充电，uC线性，uo线性。59 当u+≥0时，A1翻转，uo1跳变为+Uz。如此周而复始，产生振荡，输出三角波C恒流放电，uC线性，uo线性。60 3、振荡周期t2t1=T/261 6.6.3锯齿波发生电路为了获得锯齿波，应改变积分器的充放电时间常数。62 6.6.4压控振荡电路通过外加的电压控制端来控制输出信号的频率控制电压ui>0设电源接通时，uo1=+UZ，D截止，C充电，uo从零开始线性下降u+随之下降，当u+降至零时，uo1跳变为-UZ，(同时u+跳变成一个负值),二极管导通，电容C快速放电，uo直线上升，u+也随之增大当u+增至零时，uo1再次发生跳变，由-UZ跳变为+UZ，二极管截止，uI对C充电，uo开始下降如此反复，在积分电路的输出端，得到一个锯齿波，在比较器的输出端得到一个矩形波。63 锯齿波的幅值为u+=0时的输出电压值，与三角波的幅值相同，为uo从Uom下降至-Uom所需的时间T2为二极管的正向电阻很小，因此电容的放电时间T1很短，可忽略不计64 本章内容的重点1、RC、LC选频网络的选频原理，利用相位平衡条件判断振荡电路能否起振及振荡频率的估算。2、掌握求解各种比较器的门限电压及画传输特性的方法。3、熟悉集成运放组成的非正弦波发生器的工作原理和振荡频率的计算方法。65'