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章节波形发生电路

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    • 1、波形发生电路,第 7 章,7.1 正弦波振荡电路,7.2 非正弦波信号产生电路,小 结,7.1 正弦波振荡电路,7.1.1 正弦波振荡电路的工作原理,7.1.2 RC 正弦振荡,7.1.3 LC 正弦振荡,引 言,信号产生电路,(振荡器Oscillators),分类:,正弦波振荡:,非正弦波振荡:,RC 振荡器(1 kHz 数百 kHz),LC 振荡器(几百 kHz 以上),石英晶体振荡器(频率稳定度高),方波、,三角波、,锯齿波等,主要性 要求能:,输出信号的幅度准确稳定,输出信号的频率准确稳定,引 言,7.1.1 正弦波振荡电路的工作原理,一、振荡条件,微弱的电扰动中,某一频率成分通过正反馈逐渐放大,则产生正弦振荡。, 振幅平衡条件, 相位平衡条件,n = 0, 1, 2, ,二、起振条件,起振条件,1/Fu,Au = 1/Fu,O,ui,uo,Au,uo,Au Fu 1,Au Fu 1,Ui1,Uo1,Uf1,Ui2,Uo2,Uf2,Ui3,Uo3,Uf2,Ui4,Uo4,uf,起振,稳幅, ,动画演示,三、电路的组成和起振的判断,1. 放大电路 Au,2. 正反馈网络 Fu,3

      2、. 选频率网络实现单一频率的振荡,4. 稳幅环节使振荡稳定、波形好,满足振荡条件,组成:,分类:,按选频率网络分类,RC 正弦波振荡器,LC 正弦波振荡器,晶体振荡器,判断:,1. 检查电路组成,2.“Q”是否合适,3. 是否满足起振条件,7.1.2 RC 正弦振荡,一、RC 桥式振荡电路,1. RC 串并联选频网络,式中: 0 = 1/RC,当 = 0 时, = 0,2. RC 桥氏振荡电路,A = 2n,F = 0,2) 电路:,同相 放大器,1) 组成:,3)振荡频率,5)幅值条件,Rf 不能太大,否则 正弦波将变成方波,应使:, ,4)相位条件,6)稳幅措施,热敏电阻稳幅,为使电 Au 为非线性,起振时,应使 Au 3,稳幅后 Au = 3。,正温度系数,负温度系数,二极管稳幅,12.4 k R2 8.1 k,起振时信号小, 二极管电阻大,Au 1 + (R2+ R3)/R1 3,R2 2R1 - R3,起振后二极管电阻逐渐减小,,Au 1 + R2/R1 = 3,为使失真小:,R2 2R1,f0 = 1.94 kHz,动画演示,二、RC 移相式振荡电路,一节 RC 环节,移相

      3、 90,二节 RC 环节,移相 180,三节 RC 环节,移相 270, 满足相位平衡条件,优点:,结构简单,缺点:,选频特性差,输出波形差,7.1.3 LC 振荡电路,类型:变压器反馈式 、 电感三点式、 电容三点式,一、变压器反馈式 LC 振荡电路,L 的等效损耗电阻,(一) LC 并联回路的特性,Z,1. 谐振频率 f0,2. 谐振阻抗 Z0,3. 回路品质因数 Q,4. 频率特性,Q 大,Q 小,Q 增大,幅频特性,相频特性,5. 并联谐振的本质, 电流谐振,1) Z = Z0,呈纯阻,2)形成环流,大小是总电流的 Q 倍, ,(二)变压器反馈式振荡电路,满足相位平衡条件,1、电感三点式和电容三点式LC正弦波发生器,把并联LC回路中的C或L分成两个,则LC回路就 有三个端点。把这三个端点分别与三极管的三个 极相连,就形成了LC三点式正弦波发生电路。 它们又分为电感三点式和电容三点式两类。,LC三点式正弦波发生电路图,a)电感三点式,b)电容三点式,二、三点式 LC 振荡电路,2、组成LC三点式正弦波发生电路的规律,LC三点式正弦波发生电路的一般结构如下图所示。,图 LC三点式正

      4、弦波发生电路的一般结构,a)反相放大,b)同相放大,若考虑到a中的负载阻抗,运放输出电阻为,,,无反馈时的,因此,其中,,为了使电路振荡,应有,,上式应为实数,,分母的需不应为零,即:,进而可得,、,而,必须与它们异号。,由因为:,所以得:,为了产生振荡,由上式可得:,和,所以必然有,结论:在LC三点式正弦波发生电路中,为了 满足产生振荡的相位平衡条件,同性 质电抗的中间点必须接集成运放的同 相输入端。,3、 电感三点式 振荡电路,M,优点:,缺点:,易起振(L 间耦合紧);,易调节(C 可调)。,输出取自电感,对 高次谐波阻抗大, 输出波形差。,4、 电容三点式振荡电路,考毕兹振荡器(Colpitts),C3,优点:波形较好,缺点:,2) V 极间电容影响 f0,1) 调频时易停振,C 3的改进,三、石英晶体(Crystal)振荡电路,(一)石英晶体谐振器的阻抗特性,1. 结构和符号,化学成分 SiO2,结构,晶片,符号,2. 压电效应,形变,形变,机械振动,外力,压电谐振 外加交变电压的频率等于晶体固有频率时,机械振动幅度急剧加大的现象。,3. 等效电路,Lq 晶体的动态电感 (1

      5、0-3 102 H)(大),Cq 晶体的动态电容 ( 0.1 pF)(小),rq 等效摩擦损耗电阻(小),Co 晶片静态电容 (几 几十 pF),大,小,小,大,4. 频率特性和谐振频率,容性,容性,感性,5. 使用注意,2)要有合适的激励电平。过大会影响 频率稳定度、振坏晶片;过小会使 噪声影响大,还能停振。,1)要接一定的负载电容 CL(微调), 以达标称频率。,(二)石英晶体谐振电路,1. 串联型,f = fs,晶体呈纯阻,2. 并联型,fs f fp,晶体呈感性,7.2 非正弦波信号产生电路,7.2.1 电压比较器,7.2.3 方波产生电路,7.2.4 矩形波产生电路,7.2.5 三角波发生电路,7.2.2 非正弦波产生电路的基础知识,7.2.1 电压比较器(Comparer),功能:,类型,基本比较器,简单比较器(单门限),窗口比较器(双门限),迟滞比较器(施密特触发器),比较电压信号(被测试信号与标准信号)大小,一、单限电压比较器,1. 过零电压比较器,(1)电路组成,uI 0,uI 0,UOmax,-UOmax,UOH,UOL,(2)工作原理,(3)转换条件,(4)阈值(

      6、门限电压),(5)电压传输特性,(6)输入端的保护电路 和输出端的限幅电路,2. 同相输入单门限比较器,UZ,(1)计算阈值,(2)画出电压传输特性,UZ,uI UREF,-UZ,uI UREF,门限 电压 UT,特点:,1)工作在非线性区,2)不存在虚短 (除了uI = UREF 时),3)存在虚断,门限电压 UT = UREF,举例:,电路组成,计算阈值,画电压传输特性,二、窗口比较器,uO,uO1,uO2,设 U1 U2 ,比较器采用单电源,UOmax,截止 导通,UZ,0,UOmax,0,导通 截止,UZ,0,0,截止 截止,0,UZ,U1,U2,应用举例, 三极管 值分选电路,3CG,50 100,LED 不亮。,分析电路是否满足要求: 100,LED 亮,,解,IB = (15 - 0.7 ) /1430,= 0.01 mA,当 50 时,IC 0.5 mA,UC 2.5 V, V2 导通,LED 亮,当 100 时,IC 1 mA,UC 5 V V1 导通,LED 亮,当 50 100 时,2.5 V UC 5 V, LED 不亮,1)电路和门限电压,三、迟滞比较器,1.

      7、 反相型迟滞比较器,正反馈,当 uI uP 时, uO = -UZ,当 uI uP 时, uO = +UZ,当 uI = uP 时, 状态翻转,例:R1 = 30 k,R2 =15 k, UZ = 6 V, UREF = 0, 求 UT。,特点:,2)传输特性,uO,UT+,UT-,UZ,-UZ,当 uI 逐渐增大时,只要 uI UT+ ,则 uO = UZ,一旦 uI UT+ ,则 uO = -UZ,当 uI 逐渐减小时,只要 uI U T- ,则 uO = -UZ,一旦 uI UT- ,则 uO = UZ,上门限,下门限,U = UT+ - UT-,回差 电压,uI 上升时与上门限比,uI 下降时与下门限比。,3)当UREF=0时的电压传输特性,2. 同相型迟滞比较器,状态翻转时,uP = uN = UREF,若 UREF = 0,传输特性,U = UT+ - UT-,抗 干 扰,单门限比较,UT,迟滞比较,UT-,UT+,uO,整 形,7.2.2 非正弦波产生电路的基础知识,1.非正弦波产生电路的方框图,2.振荡条件,能产生高低电频的转换,7.2.3 方波产生电路(Astable

      8、 Multivibrator),1. 电路组成和输出波形,积分 电路,滞回比较器,2. 振荡频率,占空比 = 50%,7.2.3 矩形波产生电路,周期T的计算,1. 获得三角波的基本方法,方波,积分电路,三角波,7.2.4 三角波发生电路,2. 锯齿波发生电路,在三角波发生电路中,如果电容的充电、放电时间 常数不相等,则可使积分电路的输出为锯齿波。,周期,周期,7.2.6 压控方波产生电路,一、积分 - 施密特触发器型压控振荡器,压控 恒流源,压控 恒流源,积分器,积分器,镜象 电流源,镜象 电流源,uO = UOL,V3 截止,,uO = UOH,C 充电至 UT+,V3 导通,,C 放电至 UT-,uO = UOL,占空比 50%,二、8038 集成函数发生器, I01,1. 原理,当 Q = 0,S 断开,,C 充电 (I01) 至 2/3VCC,Q = 1,当 Q = 1,S 闭合,,C 放电 (I02 -I01) 至 1/3VCC,Q = 0,当 I02 = 2I01, 引脚 9 输出方波,引脚 3 输出三角波;,当 I02 2I01, 引脚 9 输出矩形波,引脚 3 输出锯

      9、齿波。,2. 应用,调占空比和正弦波失真,小 结,第 7 章,一、信号产生电路的分类:,正弦波振荡:,非正弦波振荡:,RC 振荡器 (低频),LC 振荡器 (高频),石英晶体振荡器(振荡频率精确),方波、,三角波、,锯齿波等。,二、正弦波振荡条件、电路结构和选频电路,1. 振荡条件, 振幅平衡条件, 相位平衡条件,n = 0, 1, 2, ,判断电路是否起振采用瞬时极性法,即断开反馈 网络,加一信号,如果信号极性逐级变化后, 返回后与原信号同极性,则满足相位平衡条件。,2. 振荡电路的两种结构,3. 选频电路及其特性,1) RC 串并联式,幅 频 特 性,相 频 特 性,当 = 0 = 1/RC 时, = 0,电 路,2) LC并联谐振回路,阻抗幅频特性,电路,阻抗相频特性,谐振频率,谐振阻抗,回路品质因数,三、正弦波振荡电路,1. RC 桥氏振荡电路,振荡频率,振荡条件,即,自动稳幅措施:,使电 Au 成为非线性,Rf 串接二极管(图略),Rf 串接负温度系数热敏电阻,R1 采用正温度系数热敏电阻,3. LC 振荡电路,变压器反馈式,电感三点式,电容三点式,四、石英晶体振荡电路,1. 等效电路和频率特性,符号,等效电路,频率特性,串联谐振频率,并联谐振频率,2. 石英晶体谐振电路,串联型,f = fs,晶体呈纯阻,并联型,fs f fp,晶体呈感性,五、比较器,1. 单限电压比较器,传 输 特 性,特点:,1) 工作在非线性区,2) 不存在虚短 (除了uI = UREF 时),3) 存在虚断,门限电压 UT = UREF,六、非正弦波振荡电路,1. 产生方波振荡的基本原理,当施密特

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