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1、第八章 波形的产生与变换电路,8.1 正弦波振荡的基本原理,8.2 RC正弦波振荡电路,8.3 LC正弦波振荡电路,8.4 石英晶体振荡电路,8.5 比较器,8.6 方波发生器,8.7 三角波及锯齿波发生器,一.产生自激振荡的条件,只有正反馈电路才能产生自激振荡。,8.1 正弦波振荡器的基本原理,反馈信号代替了放大电路的输入信号。,Xd=Xf,所以,自激振荡条件也可以写成:,自激振荡的条件:,(1)振幅条件:,动画演示,二.起振条件和稳幅原理,起振条件:,结果:产生增幅振荡,(略大于),1、被动:器件非线性2、主动:在反馈网络中加入非线性稳幅环节,用以调节放大电路的增益,稳幅过程:,起振时,,
2、稳定振荡时,,稳幅措施:,1.放大电路2.正反馈网络3.选频网络只对一个频率满足振荡条件,从而获得单一频率的正弦波输出。常用的选频网络有RC选频和LC选频4.稳幅环节使电路易于起振又能稳定振荡,波形失真小。,三.正弦波振荡器的一般组成,8.2 RC正弦波振荡电路,一.RC 串并联网络的选频特性,R1C1 串联阻抗:,R2C2 并联阻抗:,选频特性:,1.定性分析:,(1)当信号的频率很低时。,R1,R2,其低频等效电路为:,其频率特性为:,当=0时,uf=0,F=0=+90,当时,uf=,F,(2)当信号的频率很高时。,R1,R2,其高频等效电路为:,其频率特性为:,当=时,uf=0,F=0=
3、-90,当时,uf=,F,0=?Fmax=?,由以上分析知:一定有一个频率0存在,当=0时,F最大,且=0,2.定量分析,R1C1 串联阻抗:,R2C2 并联阻抗:,频率特性:,通常,取R1R2R,C1C2C,则有:,式中:,可见:当 时,F最大,且=0,Fmax=1/3,RC串并联网络完整的频率特性曲线:,当 时,F=Fmax=1/3,二.RC桥式振荡器的工作原理:,在 f0 处,满足相位条件:,因为:,AF=1,只需:A=3,振幅条件:,引入负反馈:,选:,例题:R=1k,C=0.1F,R1=10k。Rf为多大时才能起振?振荡频率f0=?,AF=1,,A=3,Rf=2R1=210=20k,
4、=1592 Hz,起振条件:,能自动稳幅的振荡电路,起振时Rt较大 使A3,易起振。当uo幅度自激增长时,Rt减小,A减小。当uo幅度达某一值时,A3。当uo进一步增大时,RT再减小,使A3。因此uo幅度自动稳定于某一幅值。,能自动稳幅的振荡电路,起振时D1、D2不导通,Rf1+Rf2略大于2R1。随着uo的增加,D1、D2逐渐导通,Rf2被短接,A自动下降,起到稳幅作用。,将Rf分为Rf1 和Rf2,Rf2并联二极管,EWB演示RC振荡器,K:双联波段开关,切换R,用于粗调振荡频率。,C:双联可调电容,改变C,用于细调振荡频率。,振荡频率的调节:,三.RC移相式振荡电路,1.RC移相电路,(
5、1)RC超前移相电路,(2)RC滞后移相电路,2.RC移相式振荡电路,在 f0 处,满足相位条件:,1.LC并联谐振回路的选频特性,(阻性),LC并联谐振特点:谐振时,总路电流很小,支路电流很大,电感与电容的无功功率互相补偿,电路呈阻性。,R为电感和回路中的损耗电阻,8.3 LC正弦波振荡器,当 时,,并联谐振。,谐振时,电路呈阻性:,Q为谐振回路的品质因数,Q值越大,曲线越陡越窄,选频特性越好。,谐振时LC并联谐振电路相当一个大电阻。,LC并联谐振回路的幅频特性曲线,互感线圈的极性判别,初级线圈,次级线圈,在LC振荡器中,反馈信号通过互感线圈引出,同名端:,二.变压器反馈式LC振荡电路,工作
6、原理:,三极管共射放大器。,利用互感线圈的同名端:,满足相位条件。,振荡频率:,判断是否是满足相位条件相位平衡法:,断开反馈到放大器的输入端点,假设在输入端加入一正极性的信号,用瞬时极性法判定反馈信号的极性。若反馈信号与输入信号同相,则满足相位条件;否则不满足。,(+),(-),(+),(+),(+),(+),(+),LC正弦波振荡器举例,满足相位平衡条件,(+),(+),(),(+),LC正弦波振荡器举例,振荡频率:,(),满足相位平衡条件,仍然由LC并联谐振电路构成选频网络,三.三点式LC振荡电路,原理:,uf与uo反相,uf与uo同相,电感三点式:,电容三点式:,uf与uo反相,uf与u
7、o同相,1.电感三点式LC振荡电路,振荡频率:,2.电容三点式LC振荡电路,振荡频率:,例:试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。,Q值越高,选频特性越好,频率越稳定。,8.4 石英晶体振荡电路,1.频率稳定问题,频率稳定度一般由 来衡量,频率偏移量。,振荡频率。,LC振荡电路 Q 数百,石英晶体振荡电路 Q 10000 500000,一.石英晶体,2.基本特性,1.结构:,极板间加电场,极板间加机械力,压电效应:,交变电压,机械振动的固有频率与晶片尺寸有关,稳定性高。,当交变电压频率=固有频率时,振幅最大,3.石英晶体的等效电路与频率特性,等效电路:,(1)串联谐振,频率特性:,
8、晶体等效纯阻且阻值0,(2)并联谐振,通常,所以,二.石英晶体振荡电路,利用石英晶体的高品质因数的特点,构成LC振荡电路。,1.并联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs与fp之间,相当一个大电感,与C1、C2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高,可达到几千以上,所以电路可以获得很高的振荡频率稳定性。,2.串联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs处,呈电阻性,而且阻抗最小,正反馈最强,相移为零,满足振荡的相位平衡条件。对于fs以外的频率,石英晶体阻抗增大,且相移不为零,不满足振荡条件,电路不振荡。,例:分析下图的振荡电路能否产生振荡,若产生振荡,石英晶体处于何种状态?,8.5 比较器,将
9、一个模拟电压信号与一参考电压相比较,输出一定的高低电平。,功能:,构成:,运放组成的电路处于非线性状态,输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。,1.运放工作在非线性状态的判定:电路开环或引入正反馈。,运放工作在非线性状态基本分析方法,2.运放工作在非线性状态的分析方法:若U+U-则UO=+UOM;若U+U-则UO=-UOM。虚断(运放输入端电流=0)注意:此时不能用虚短!,1.过零比较器:(门限电平=0),一.单门限电压比较器,例题:利用电压比较器将正弦波变为方波。,2.单门限比较器(与参考电压比较),UREF,UREF为参考电压,当ui UREF时,uo=+Uom当ui UREF时,
10、uo=-Uom,运放处于开环状态,UREF,当ui UREF时,uo=-Uom,若ui从反相端输入,(1)用稳压管稳定输出电压,忽略了UD,3.限幅电路使输出电压为一稳定的确定值,当ui 0时,uo=+UZ当ui 0时,uo=-UZ,(2)稳幅电路的另一种形式:将双向稳压管接在负反馈回路中,当ui 0时,uo=-UZ当ui 0时,uo=+UZ,二.迟滞比较器,1.工作原理两个门限电压。,特点:电路中使用正反馈运放工作在非线性区。,(1)当uo=+UZ时,,(2)当uo=-UZ时,,UT+称上门限电压UT-称下门限电压UT+-UT-称为回差电压,迟滞比较器的电压传输特性:,设ui,当ui=UT-
11、时,uo从-UZ+UZ,这时,uo=-UZ,u+=UT-,设初始值:uo=+UZ,u+=UT+设ui,当ui=UT+时,uo从+UZ-UZ,例题:Rf=10k,R2=10k,UZ=6V,UREF=10V。当输入ui为如图所示的波形时,画 出输出uo的波形。,上下限:,1.电路结构,由滞回比较电路和RC定时电路构成,上下限:,8.6 方波发生器,2.工作原理:,(1)设 uo=+UZ,此时,uO给C 充电,uc,,则:u+=UT+,一旦 uc UT+,就有 u-u+,uo 立即由UZ变成UZ。,在 uc UT+时,,u-u+,设uC初始值uC(0+)=0,方波发生器,uo保持+UZ不变,此时,C
12、向uO放电,再反向充电,(2)当uo=-UZ 时,,u+=UT-,uc达到UT-时,uo上跳。,当uo 重新回到UZ 后,电路又进入另一个周期性的变化。,完整的波形:,动画演示,计算振荡周期T。,EWB演示方波发生器,周期与频率的计算:,T=T1+T2=2 T2,T2阶段uc(t)的过渡过程方程为:,f=1/T,可推出:,3、占空比可调的方波发生器,改变电位器 RW 的滑动端,就改变了冲放电的时间,从而使方波的占空比可调。,8.7 三角波及锯齿波信号发生器,电路结构:迟滞比较器+反相积分器,一.三角波发生器,工作原理:,若uo1=+UZ,uo2,u+。,当u+0时,uo1翻转为-UZ。,若uo
13、1=-UZ,uo2,u+。,当u+0时,uo1翻转为+UZ。,波形图,振荡周期:,二.锯齿波发生器,改变积分器的正反向充电时间常数,uo1=+UZ,D截止,充电时间常数:R4C。,uo1=-UZ,D导通,充电时间常数:(R6R4)C。,R6R4,本章小结,2正弦波振荡电路主要有RC振荡电路和LC振荡电路两种。RC振荡电路主要用于中低频场合,LC振荡电路主要用于高频场合。石英晶体振荡电路是一种特殊的LC振荡电路,其特点是具有很高的频率稳定性。3当运放开环工作或引入正反馈时,运放工作在非线性状态。其分析方法为:若U+U-则UO=+UOM;若U+U-则UO=-UOM。虚断(运放输入端电流=0)4 比较器是一种能够比较两个模拟量大小的电路。迟滞比较器具有回差特性。它们是运放非线性工作状态的典型应用。5在方波、锯齿波和三角波等非正弦波信号发生器中,运放一般也工作在非线性状态。电路由比较器、积分器等环节组成。,