波形產(chǎn)生及變換電路課件

1、波形產(chǎn)生及變換電路波形產(chǎn)生及變換電路教學目標了解各種類型的信號波形掌握正弦波的產(chǎn)生原理理解非正弦波振蕩電路的工作原理9/9/20222教學目標了解各種類型的信號波形9/4/202247.1.1 產(chǎn)生正弦波的振蕩條件 正弦波振蕩電路是用來產(chǎn)生一定頻率和幅度的正弦交流信號的，其頻率范圍較廣。在第5章我們了解自激振蕩現(xiàn)象，當放大電路在一定的條件下就會產(chǎn)生自激振蕩。在放大電路中自激是非正常工作狀態(tài)，必須設法消除它。而本節(jié)討論的振蕩電路，正是利用自激振蕩來產(chǎn)生正弦波。 9/9/202237.1.1 產(chǎn)生正弦波的振蕩條件 正弦波振蕩電圖7 . 1 正弦波產(chǎn)生電路的基本結(jié)構(gòu) 9/9/20224圖7 . 1

2、正弦波產(chǎn)生電路的基本結(jié)構(gòu) 9/4/20226 正弦波發(fā)生電路的基本結(jié)構(gòu)是引入正反饋的反饋網(wǎng)絡和放大電路, 如圖6 - 15所示。接成正反饋是產(chǎn)生振蕩的首要條件, 又稱為相位條件。為了使電路在沒有外加信號時 , 就產(chǎn)生振蕩, 所以還要求電路在開環(huán)時滿足即 9/9/20225 正弦波發(fā)生電路的基本結(jié)構(gòu)是引入正反饋的反饋網(wǎng)絡 正弦波產(chǎn)生電路一般應包括以下幾個基本組成部分: (1) 放大電路。 (2) 反饋網(wǎng)絡。 (3) 選頻網(wǎng)絡。 (4) 穩(wěn)幅電路。 判斷一個電路是否為正弦波振蕩器, 就看其組成是否含有上述四個部分。 9/9/20226 正弦波產(chǎn)生電路一般應包括以下幾個基本組成部分: 判斷振蕩的一般

3、方法是: (1) 是否滿足相位條件, 即電路是否為正反饋, 只有滿足相位條件才有可能振蕩。 (2) 放大電路的結(jié)構(gòu)是否合理, 有無放大能力, 靜態(tài)工作點是否合適。 (3) 分析是否滿足幅度條件, 檢驗 , 若 , 則不可能振蕩。 , 能振蕩, 但輸出波形明顯失真。 , 產(chǎn)生振蕩。振蕩穩(wěn)定后 。再加上穩(wěn)幅措施, 振蕩穩(wěn)定, 而且輸出波形失真小。 n=0，1，2， 9/9/20227 判斷振蕩的一般方法是: n=0，1，2， 為了保證輸出波形為單一頻率的正弦波，要求振蕩電路必須具有選頻特性。選頻特性通常由選頻網(wǎng)絡實現(xiàn)。選頻網(wǎng)絡可設置在放大電路中，使 具有選頻特性；也可設置在反饋網(wǎng)絡中，使 具有選頻

4、特性，因此振蕩電路僅對某一頻率成分的信號滿足振蕩的相位條件和幅度條件，該信號的頻率就是該振蕩電路的振蕩頻率。9/9/20228 為了保證輸出波形為單一頻率的正弦波，要求振蕩電路必7.1.2 RC正弦波的振蕩電路RC正弦波振蕩電路可分為RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路、移相式正弦波振蕩電路和雙T網(wǎng)絡正弦波振蕩電路。本節(jié)主要介紹RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路，它又稱為文氏橋正弦波振蕩電路，因為它具有波形好、振幅穩(wěn)定、選頻調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點，應用十分廣泛。其電路主要結(jié)構(gòu)是采用RC串并聯(lián)網(wǎng)絡作為選頻和反饋網(wǎng)絡。在分析正弦波振蕩電路時，關鍵是要了解串并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特性，才能分析它振蕩的工作原理。9/9/202297.1.

5、2 RC正弦波的振蕩電路RC正弦波振蕩電路可分為R1、 RC網(wǎng)絡的頻率響應 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的電路如圖7.2(a) 所示。RC串聯(lián)臂的阻抗用Z1表示，RC并聯(lián)臂的阻抗用Z2表示。其頻率響應如下: 圖7.2（a）RC串并聯(lián)網(wǎng)絡9/9/2022101、 RC網(wǎng)絡的頻率響應 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡1)122Cw1RCR1j()1(2121CRCRw-+=R/j+)Cj/1(2122221112RCCRCRRRww+=)j1()Cj/1(222112RCRRRww+=諧振頻率為: f0=當R1 = R2，C1 = C2時，諧振角頻率和諧振頻率分別為:)j1/(+)Cj/1()j1/(22211222212CRR

6、RCRRZZZwww+=+=9/9/2022111)122Cw1RCR1j()1(2121CRCRw-+幅頻特性:相頻特性: 當 f=f0 時的反饋系數(shù) ,且與頻率f0的大小無關。此時的相角 F=0。即改變頻率不會影響反饋系數(shù)和相角，在調(diào)節(jié)諧振頻率的過程中，不會停振，也不會使輸出幅度改變。如圖7.2（b）所示。9/9/202212幅頻特性:相頻特性: 當 f= 圖7.2（b) RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的頻率特性曲線9/9/202213 圖7.2（b) RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的頻率特性曲線2、 RC文氏橋振蕩電路 (1) RC文氏橋振蕩電路的構(gòu)成 RC文氏橋振蕩電路如圖7.3所示，RC 串并聯(lián)網(wǎng)絡是正反饋網(wǎng)絡，另

7、外還增加了R3和R4負反饋網(wǎng)絡。 C1、R1和C2、R2正反饋支路與R3、R4負反饋支路正好構(gòu)成一個橋路，稱為文氏橋。圖7.3 RC文氏橋振蕩電路9/9/2022142、 RC文氏橋振蕩電路 (1) RC文氏橋振蕩電路的當C1 =C2、R1 =R2時: 為滿足振蕩的幅度條件 =1，所以Af3。加入R3、R4支路，構(gòu)成串聯(lián)電壓負反饋。F=09/9/202215當C1 =C2、R1 =R2時: 為滿足振蕩 (2) RC文氏橋振蕩電路的穩(wěn)幅過程 RC文氏橋振蕩 電路的穩(wěn)幅作用是 靠熱敏電阻R4實現(xiàn) 的。R4是正溫度系數(shù)熱敏電阻，當輸出電壓升高，R4上所加的電壓升高，即溫度升高，R4的阻值增加，負反饋

8、增強，輸出幅度下降。反之輸出幅度增加。若熱敏電阻是負溫度系數(shù)，應放置在R3的位置。見圖11.03。9/9/202216 (2) RC文氏橋振蕩電路的穩(wěn)幅過程 (a) 穩(wěn)幅電路 (b) 穩(wěn)幅原理圖 圖11.04 反并聯(lián)二極管的穩(wěn)幅電路 采用反并聯(lián)二極管的穩(wěn)幅電路如圖7.4所示。電路的電壓增益為 式中 Rp是電位器上半部的電阻值，Rp是電位器下半部的電阻值。R3= R3 / RD，RD是并聯(lián)二極管的等效平均電阻值。 當Vo大時，二極管支路的交流電流較大，RD較小，Avf較小，于是Vo下降。由圖(b)可看出二極管工作在C、D點所對應的等效電阻，小于工作在A、B點所對應的等效電阻，所以輸出幅度小。 二

9、極管工作在A、B點，電路的增益較大，引起增幅過程。當輸出幅度大到一定程度，增益下降，最后達到穩(wěn)定幅度的目的。9/9/202217 (a) 穩(wěn)幅電路 7.1.3 LC正弦波振蕩電路 LC正弦波振蕩電路的構(gòu)成與RC正弦波振蕩電路相似，包括有放大電路、正反饋網(wǎng)絡、選頻網(wǎng)絡和穩(wěn)幅電路。這里的選頻網(wǎng)絡是由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成，正反饋網(wǎng)絡因不同類型的LC正弦波振蕩電路而有所不同。 一、LC并聯(lián)諧振電路的頻率響應 二、變壓器反饋LC振蕩器 三、電感三點式LC振蕩器9/9/2022187.1.3 LC正弦波振蕩電路 LC正1、LC并聯(lián)諧振電路的頻率響應 LC并聯(lián)諧振電路如圖7.5（a）所示。顯然輸出電壓是頻率

10、的函數(shù)： 輸入信號頻率過高，電容的旁路作用加強，輸出減??；反之頻率太低，電感將短路輸出。并聯(lián)諧振曲線如圖7.5（b）所示。 （a）LC并聯(lián)諧振電路圖7.5 LC并聯(lián)諧振電路與并聯(lián)諧振曲線 （b）并聯(lián)諧振曲線9/9/2022191、LC并聯(lián)諧振電路的頻率響應 LC并聯(lián)諧振時諧振頻率 諧振時電感支路電流或電容支路電流與總電流之比，稱為并聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù) 考慮電感支路的損耗，用R表示，如圖7.6所示。 圖7.6 有損耗的諧振電路9/9/202220 諧振時電感支路電流或電容支路電流與總電流之比 對于圖7.5(b)的諧振曲線，Q值大的曲線較陡較窄，圖中Q1Q2。并聯(lián)諧振電路的諧振阻抗諧振時LC并聯(lián)

11、諧振電路相當一個電阻。9/9/202221 對于圖7.5(b)的諧振曲線，Q值大的曲2、變壓器反饋LC振蕩電路圖7.6 變壓器反饋LC振蕩電路變壓器反饋LC振蕩電路如圖7.6所示。 LC并聯(lián)諧振電路作為三極管的負載，反饋線圈L2與電感線圈相耦合,將反饋信號送入三極管的輸入回路。交換反饋線圈的兩個線頭，可使反饋極性發(fā)生變化。調(diào)整反饋線圈的匝數(shù)可以改變反饋信號的強度，以使正反饋的幅度條件得以滿足。9/9/2022222、變壓器反饋LC振蕩電路圖7.6 變壓器反饋LC振蕩電路變 有關同名端的極性請參閱圖7.7。 圖7.7 同名端的極性 變壓器反饋LC振蕩電路的振蕩頻率與并聯(lián)LC諧振電路相同，為9/9

12、/202223 有關同名端的極性 圖7.7 同名端的極性 變3、電感三點式LC振蕩器 圖7.8 為電感三點式LC振蕩電路。電感線圈L1和L2是一個線圈，2點是中間抽頭。如果設某個瞬間集電極電流減小，線圈上的瞬時極性如圖所示。反饋到發(fā)射極的極性對地為正，圖中三極管是共基極接法，所以使發(fā)射結(jié)的凈輸入減小，集電極電流減小，符合正反饋的相位條件。 圖7.8 電感三點式LC振蕩器（CB）圖7.9電感三點式LC振蕩器（CE）圖7.9 為另一種電感三點式LC振蕩電路。 9/9/2022243、電感三點式LC振蕩器 圖7.8 為 分析三點式LC振蕩電路常用如下方法，將諧振回路的阻抗折算到三極管的各個電極之間，

13、有Zbe、Zce、Zcb ,如圖7.10所示。 圖7.10 三點式振蕩器 對于圖7.11 Zbe是L2、 Zce是L1、 Zcb是C。可以證明若滿足相位平衡條件， Zbe和Zce必須同性質(zhì)，即同為電容或同為電感，且與Zcb性質(zhì)相反。 圖7.11 三點式振蕩器實際電路9/9/202225 分析三點式LC振蕩電路常用如下方法，將諧振回路的阻抗4、電容三點式LC振蕩電路 與電感三點式LC振蕩電路類似的有電容三點式LC振蕩電路，見圖7.12。（a）CB組態(tài) （b）CE組態(tài)圖7.12 電容三點式LC振蕩電路9/9/2022264、電容三點式LC振蕩電路 與電感三點式LC振例7.1：圖7.13為一個三點式

14、振蕩電路，試判斷是否滿足相位平衡條件。 (a) (b) 圖7.13 例題7.1的電路圖9/9/202227例7.1：圖7.13為一個三點式振蕩電路，試判斷是否滿足相位5、石英晶體LC振蕩電路 利用石英晶體的高品質(zhì)因數(shù)的特點，構(gòu)成LC振蕩電路，如圖7.14所示。 (a)串聯(lián)型 f0 =fs （b）并聯(lián)型 fs f0fp 圖7.14 石英晶體振蕩電路9/9/2022285、石英晶體LC振蕩電路 利用石英晶體的高品質(zhì)因 石英晶體的阻抗頻率特性曲線見圖7.15,圖7.15 石英晶體的電抗曲線它有一個串聯(lián)諧振頻率fs,一個并聯(lián)諧振頻率 fp，二者十分接近。 對于圖7.14(a)的電路與電感三點式振蕩電路

15、相似。要使反饋信號能傳遞到發(fā)射極，為此石英晶體應處于串聯(lián)諧振點，此時晶體的阻抗接近為零。 對于圖7.14(b)的電路，滿足正反饋的條件，為此，石英晶體必須呈電感性才能形成LC并聯(lián)諧振回路，產(chǎn)生振蕩。由于石英晶體的Q值很高，可達到幾千以上，所示電路可以獲得很高的振蕩頻率穩(wěn)定性。9/9/202229 石英晶體的圖7.15 石英晶體的電抗曲線它有一個串聯(lián)1、方波發(fā)生電路2、三角波發(fā)生電路3、鋸齒波發(fā)生電路 7.2 非正弦波發(fā)生電路9/9/2022301、方波發(fā)生電路 7.2 非正弦波發(fā)生電路9/4/2022 1、方波發(fā)生電路 方波發(fā)生電路是由滯回比較電路和RC定時電路構(gòu)成的，電路如圖7.16所示。(

16、1)工作原理電源剛接通時, 設 電容C充電， 升高。參閱圖7.17。圖7.16 方波發(fā)生器9/9/202231 1、方波發(fā)生電路 方波發(fā)生電路是由滯回比較電路和 當 時， ，所以 電容C放電， 下降。 當 ，時，返回初態(tài)。 方波周期用過渡過程公式可以方便地求出 圖7.17方波發(fā)生器波形圖9/9/202232 當 (2)占空比可調(diào)的矩形波電路 顯然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(shù)。占空比可調(diào)的矩形波電路見圖7.18。 C充電時，充電電流經(jīng)電位器的上半部、二極管D1、Rf； C放電時，放電電流經(jīng)Rf、二極管D2、電位器的下半部。 圖7.18 占空比可調(diào)方波發(fā)生電路 9/

17、9/202233(2)占空比可調(diào)的矩形波電路 顯然為了改變輸出方占空比為： 其中， 是電位器中點到上端電阻， 是二極管D1的導通電阻。 其中， 是二極管D2的導通電阻。即改變 的中點位置，占空比就可改變。 圖7.19 方波發(fā)生器波形圖9/9/202234占空比為： 其中， 是電位器中點到上端電阻2、 三角波發(fā)生器 三角波發(fā)生器的電路如圖7.20所示。它是由滯回比較器和積分器閉環(huán)組合而成的。積分器的輸出反饋給滯回比較器，作為滯回比較器的 。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 略低于VN 時，vO1 從 +VZ跳變?yōu)?VZ。波形 圖參閱圖7.27。

18、圖7.20三角波發(fā)生器9/9/2022352、 三角波發(fā)生器 三角波發(fā)生器的電路如圖7.22. 在vO1=-VZ后，電容C開 始放電，vO按線性上升， 當使A1的VP略大于零時， vO1從-VZ跳變?yōu)? VZ ， 如此周而復始，產(chǎn)生振 蕩。vO的上升時間和下降 時間相等，斜率絕對值 也相等，故vO為三角波。圖7.21 三角波發(fā)生器的波形輸出峰值振蕩周期：9/9/2022362. 在vO1=-VZ后，電容C開 圖7.21 三角波發(fā)生 三、鋸齒波發(fā)生器 鋸齒波發(fā)生器的電路如圖7.22所示。顯然，為了獲得鋸齒波，應改變積分器的充放電時間常數(shù)。圖中的二極管D和R將使充電時間常數(shù)減為(RR)C，而放電時間常數(shù)仍為RC。 圖7.22 鋸齒波發(fā)生器電路圖 鋸齒波電路的輸出波形圖如圖7.23所示。9/9/202237 三、鋸齒波發(fā)生器 鋸齒波發(fā)生器的電路如圖7 圖7.23 鋸齒波發(fā)生器的波形 鋸齒波周期可以根據(jù)時間常數(shù)和鋸齒波的幅值求得。鋸齒波的幅值為： vo1m=|Vz|= vomR2/R1 vom= |Vz| R1/R2于是有9/9/202238 圖7.23 鋸齒波發(fā)生器的波形 鋸齒波周期可7.3 波形產(chǎn)生及變換的Multisim 仿真舉例本節(jié)選取矩形波發(fā)生電路和三角波發(fā)生電路為例進