电路与电子学基础 教学课件 ppt 作者 陈利永 第九章

1、第9章 波形产生和变换电路,学习要点： 1.各种信号发生器电路的结构和工作原理，振荡器产生振荡的相位条件。 2.电压比较器阈值电压的计算，输入-输出波形的变换关系。,9.1 正弦波信号产生电路 9.1.1 正弦波信号产生电路的组成 1产生正弦振荡的条件,闭环放大倍数大于开环放大倍数，说明负反馈放大器变成了正反馈放大器。特别是当 AF=-1 时，反馈放大器的闭环放大倍数无穷大，此时的放大器在没有输入信号的情况下，仍然有输出信号输出，反馈放大器将转变成振荡器。由此可得反馈放大器产生振荡要满足的条件为,2正弦波振荡器的组成和分类,2正弦波振荡器的组成和分类 正弦波振荡器应该由基本放大器、反馈网络、选频网络和稳幅网络四个部分组成.,根据选频网络的不同，可将正弦波振荡器分成RC正弦波振荡器、LC正弦波振荡器和石英晶体正弦波振荡器三种类型。在低频的情况下通常用RC正弦波振荡器，在高频的情况下通常用LC正弦波振荡器，在振荡频率要求非常稳定的场合应选用石英晶体振荡器。,3判断电路是否会产生振荡的方法,8.1.2 RC正弦波振荡电路 1电路的组成,2振荡的建立和稳幅的措施,9.1.3 LC正弦波振荡器

2、RC正弦波振荡器的选频网络由RC电路组成，该电路通常用来产生频率低于1MHz的低频信号。要产生频率高于1MHz的高频信号，必须用LC正弦波振荡器。 LC正弦波振荡器的选频网络由LC谐振电路组成，反馈信号的耦合方式有变压器反馈式、电感反馈式和电容反馈式三种类型。,1变压器反馈式振荡电路 （1）电路的组成,为了保证放大器处在正反馈，变压器同名端的设置必须如图所示。利用前面介绍的瞬时极性法可判断反馈电路的同名端设置是否正确，并由此推断该电路是否能产生振荡信号的输出。,2电感反馈式振荡电路（电感三点式） （1）电路的组成 根据画交流等效电路的法则，可得该电路中自耦变压器的三个端子分别与三极管的三个引脚相连，所以该电路又称为电感三点式振荡电路。,（1）振荡频率,3电容反馈式振荡电路（电容三点式） （1）电路的组成,克拉泼电路和西勒电路,（2）振荡频率,9.1.4 石英晶体正弦波振荡电路 1石英晶体的等效电路和振荡频率,因为CfP时，石英晶体又呈容性，因此，石英晶体只有在fSffP范围内才会发生谐振的现象，并且C0和C的容量相差越悬殊，fS和fP的值愈接近，石英晶体振荡的频带愈窄。,2石英晶体正弦

3、波振荡电路,915压控振荡器 压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）的特征是输出信号的频率随输入电压的变化而变化。 1变容二极管 变容二极管就是一个电容值随控制电压变化而变化的器件。变容二极管是利用二极管PN结电容的值，随反向偏置电压的变化而变化的特性，制成的一种压控电抗元件。 2压控振荡器（VCO）,如图所示的电路就可以实现输出信号的频率随调制信号幅度的变化而变化的目的。,【例1】用相位平衡条件判别图8-19所示各电路是否会产生振荡，若不会产生振荡，请改正。,【解】图（a）所示电路的放大器是单端输入、单端输出的差动放大器，反馈网络和选频网络是RC选频电路。用瞬时极性判别法可得，当VT1管的基极注入正极性的信号时，VT1管的集电极为负极性信号，而VT2管的集电极为正极性信号，该信号经RC选频网络反馈到VT1管基极的信号为正极性信号，所以，该电路的反馈是正反馈，满足振荡器起振的相位条件，该电路有可能成为振荡器。,图（b）所示电路的放大器是反相比例运算放大器，反馈网络是RC移相电路，该放大器的输出信号与输入信号反相。因运算放大器的输出信号经二级RC

4、移相网络反馈到输入端，二级RC移相网络的最大相移是180，移相网络和反相比例运算放大器两级电路总的最大相移为360。考虑到两级RC移相网络移相的极限和数值的差别，运算放大器不可能形成正反馈，不满足振荡器起振的相位条件，电路不可能产生振荡。在电路中再增加一级RC移相网络，有可能使电路产生振荡。,图（c）所示电路的放大器是共基极组态的电路，反馈网络是变压器耦合电路。用瞬时极性判别法可得，在三极管的发射极注入正极性的信号时，三极管的集电极也为正极性的信号，即L2电感上的信号是下“+”，上“-”，该信号经变压器耦合到L1电感上的信号是下“-”，上“+”，形成正极性的反馈信号，使放大电路工作在正反馈的状态下，满足振荡器起振的相位条件，该电路有可能成为振荡器,图（d）所示电路的放大器是共源极电路，反馈网络是变压器耦合电路。用瞬时极性判别法可得，在场效应管的栅极注入正极性的信号时，场效应管的漏极为负极性的信号，即L2电感上的信号是右“-”，左“+”。该信号经变压器耦合到L1电感上的信号也是右“-”，左“+”，形成负极性的反馈信号。放大电路工作在负反馈的状态下，不满足振荡器起振的相位条件，该电路不可能

5、成为振荡器。将电路中电感L1的同名端位置对调，即可实现负反馈向正反馈的转化，使电路满足起振的相位条件，电路有可能成为振荡器。,9.2 电压比较器 电压比较器用来比较两个输入电压的大小关系。因为两个输入电压的大小关系是相对的，所以在比较两个输入电压大小关系的时候，通常将其中的一个输入电压当作参考，称为参考电压，用字母UR来表示，另一个输入电压与参考电压相比较的结果，即为电压比较器的输出电压。,9.2.1 电压比较器的电压传输特性 描述电压比较器输出电压与输入电压函数关系的表达式称为电压比较器的电压传输特性。,根据电压比较器电压传输特性曲线可知，凡是在两个输入电压的驱动下能够输出高、低电平的电路都可以作为电压比较器。因为电压比较器的电压传输特性曲线与运算放大器在非线性工作区的电压传输特性曲线相同，所以最简单的电压比较器，可以利用工作在非线性工作区的运算放大器来组建。,9.2.2 单门限电压比较器 1过零电压比较器 阈值电压等于零的电压比较器称为过零电压比较器。,2任意电压比较器 阈值电压等于任意值的电压比较器称为任意电压比较器。,【例9-2】在右图所示的电路中，若参考电压UR=3V，稳压管

6、的稳压值UZ=5V，R1=2k，R2=3k，输入信号的波形如图（a）所示，请画出输出电压的波形。,【解】根据阈值电压的计算公式可得,在输入信号的-2V处做一条平行于横轴的虚线，在两曲线的交界点上做平行于纵轴的虚线，如图（a）所示。 在虚线的左边，因输入信号电压小于阈值电压，输出电压为+UZ；在虚线的右边，因输入信号电压大于阈值电压，输出电压为-UZ。根据输入和输出电压的这个特点可画出输出电压的波形，如图（b）所示。 由图可见，三角波信号经电压比较器整形变换后成为矩形波信号。,9.2.3 滞回电压比较器 1电路组成 2阈值电压的计算,当UR0时，该电路的滞回特性曲线为。,【例9-3】在图所示的电路中，若稳压管的稳压值为UZ，R1=R2，输入信号的波形如图（a）所示，请画出输出电压的波形。,【解】根据式可计算出电路的阈值电压为,在输入信号的UTH1和UTH2处分别做一条平行于横轴的直线，在UTH2与输入波形的交界点上做平行于纵轴的虚线，交横轴于t1和t3两点，在UTH1与输入波形的交界点上做平行于纵轴的虚线，交横轴于t2和t4两点，如图（a）所示。 在t1点的左边，因输入信号电压小于阈值电

7、压，输出电压为+UZ；在t1点右边，t2点的左边，因输入信号电压大于阈值电压，输出电压为-UZ；在t2点右边，t3点的左边，因输入信号电压小于阈值电压，输出电压为+UZ；根据输入和输出电压的这个特点，可画出输出电压波形如图（b）所示。 由图可见，正弦波信号经滞回电压比较器整形变换后，成为矩形波信号。,【例8-4】在右图所示的电路中，已知UZ=5V，R1=2k，R2=5k，画出电路的电压传输特性曲线。,【解】要画出电路的电压传输特性曲线，必须先确定电路的门限电压。因该电路运算放大器的反向输入端接地，输出端接单向稳压管，输出电压为Uz和-Uon，根据门限电压的定义和叠加定理可得计算门限电压的表达式为,9.2.4 窗口电压比较器,图中的URH和URL是两个不同的参考电压。运放A1和A2组成两个单门限电压比较器，将两个电压比较器相并联，并加上由二极管VD1和VD2组成的输出电压隔离电路，即可组成窗口电压比较器。 因为两个电压比较器所加的参考电压不相同，所以该电路有两个门限电压UTH和UTL，分别称为上门限电压和下门限电压。根据门限电压的定义可得UTH和UTL分别等于URH和URL。 该电路的电

8、压传输特性是：当输入电压小于下门限电压UTL时，uo2为正，uo1为负，二极管VD2导通，VD1断开，输出电压uo等于UZ；,9.3 非正弦波信号发生电路 9.3.1 矩形波信号发生电路 1电路的组成,电路特点是：将滞回电压比较器的输出信号通过RC积分电路反馈到输入端，即组成矩形波信号发生器。,2振荡频率,占空比可调的电路,9.3.2 三角波信号发生电路 1电路的组成,2振荡频率 因为该电路振荡信号的频率与三角波信号的幅度有关，所以，要确定该电路的振荡频率，必须先确定三角波信号的幅度。,设积分电路的输出电压从+UOM到-UOM所需的时间为t，根据积分电路输出电压和输入电压的关系式可得,9.3.3 锯齿波信号发生器 三角波信号的特征是波形上升和下降的斜率相同。当波形上升和下降的斜率不同时，三角波就转化成锯齿波,正弦波、方波、三角波和锯齿波除了利用上面所述的电路来产生之外，还可以利用函数发生器来产生ICL8038，该芯片正常使用时的基本接法如图所示。,图中的电位器RP用来调节输出信号的占空比和频率，12脚接的电位器用来调节正弦波输出信号的失真度。,8.5 小结与讨论 各种电器设备中所用的正弦波、矩形波、三角波和锯齿波等，都是由波形产生和变换电路来提供的。能够输出正弦波信号的电路称为正弦波信号发生器。正弦波信号发生器由放大器、反馈网络、选频网络和稳幅电路四部分组成。振荡器要产生振荡，必须满足振荡的相位条件和幅度条件。振荡器产生振荡的相位条件是 振荡器产生振荡的幅度条件是 判别一个电路是否会产生振荡的方法是：先判别相位条件，再判别幅度条件。只有满足相位条件的那些电路才有可能产生振荡。凡不满足相位条件的那些电路肯定不会产生振荡，判别的过程应注意电感线圈同名端的设置。 方波、三角波等信号发生器通常是利用波形变换的方法来产生的，波形变换电路的基础是电压比较器，电压比较器可利用工作在非线性工作区的运算放大器来组成。研究电压比较器的问题主要是：阈值电压的计算，电压传输特性曲线的绘制和输入、输出波形的变换关系。 利用三要素公式、RC积分电路计算电容两端电压的方法和电压比较器电压传输特性的关系可推导出各种振荡器输出信号的频率。,

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