波形发生与变换电路.ppt

华成英 模拟电子技术基础Fundamentals of Analog Electronic 第九章 波形的发生和变换电路华成英 第九章 波形的发生和变换电路9.1 9.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.2 9.2 非正弦波发生电路非正弦波发生电路9.3 9.3 波形变换电路波形变换电路华成英 9.19.1 正弦波振荡电路一、正弦波振荡的条件和电路的组成一、正弦波振荡的条件和电路的组成二、二、RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路三、三、LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路四、石英晶体正弦波振荡电路四、石英晶体正弦波振荡电路华成英 一、正弦波振荡的条件和电路的组成1.正弦波振荡的条件 无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。与负反馈放大电路振荡的不同之处：在正弦波振荡电路与负反馈放大电路振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。中引入的是正反馈，且振荡频率可控。在电扰动下，对于某一特定频率在电扰动下，对于某一特定频率f0的信号形成正反馈：的信号形成正反馈：由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最终达到终达到动态平衡动态平衡，稳定在一定的幅值。，稳定在一定的幅值。华成英 1.正弦波振荡的条件 一旦产生稳定的振荡，则一旦产生稳定的振荡，则电路的输出量自维持，即电路的输出量自维持，即幅值平衡条件幅值平衡条件相位平衡条件相位平衡条件起振条件：起振条件：要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的f0，且在，且在合闸通电时对于合闸通电时对于f=f0信号有从小到大直至稳幅的过程，信号有从小到大直至稳幅的过程，即满足起振条件。即满足起振条件。华成英 2.起振与稳幅：输出电压从幅值很小、含有丰富频率，到输出电压从幅值很小、含有丰富频率，到仅有一种频率且幅值由小逐渐增大直至稳幅。仅有一种频率且幅值由小逐渐增大直至稳幅。幅值很小幅值很小频率丰富频率丰富华成英 上图上图部分部分频率趋频率趋于单一于单一幅值逐幅值逐渐增大渐增大华成英 逐渐变为逐渐变为单一频率的单一频率的稳幅振荡稳幅振荡华成英 3.基本组成部分1)放大电路：放大作用放大电路：放大作用2)正反馈网络：满足相位条件正反馈网络：满足相位条件3)选频网络：确定选频网络：确定f0，保证电路产生正弦波振荡保证电路产生正弦波振荡4)非线性环节（稳幅环节）：稳幅非线性环节（稳幅环节）：稳幅1)是否存在主要组成部分；是否存在主要组成部分；2)放大电路能否正常工作，即是否有合适的放大电路能否正常工作，即是否有合适的Q点，信号是否可点，信号是否可能正常传递，没有被短路或断路能正常传递，没有被短路或断路；3)是否满足相位条件，即是否存在是否满足相位条件，即是否存在 f0，是否可能振荡，是否可能振荡；4)是否满足幅值条件，即是否一定振荡。是否满足幅值条件，即是否一定振荡。常合二为一常合二为一4、分析方法华成英 相位条件的判断方法：瞬时极性法瞬时极性法 断开反馈，在断开处给放大电路加断开反馈，在断开处给放大电路加 ff0的信号的信号Ui，且规且规定其极性，然后根据定其极性，然后根据 Ui的极性的极性 Uo的极性的极性 Uf的极性的极性若若Uf与与Ui极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不可能产生自激振荡。可能产生自激振荡。在多数正弦波振荡电路在多数正弦波振荡电路中，输出量、净输入量和中，输出量、净输入量和反馈量均为电压量。反馈量均为电压量。极性？极性？华成英 5.分类常用选频网络所用元件分类。常用选频网络所用元件分类。1)RC正弦波振荡电路：正弦波振荡电路：1兆赫兆赫以下以下2)LC正弦波振荡电路：几百正弦波振荡电路：几百千赫千赫几百几百兆赫兆赫3)石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定华成英 二、RC 正弦波振荡电路1.RC串并联选频网络低频段低频段高频段高频段 在频率从在频率从0中必有一个频率中必有一个频率f0，F0。华成英 RC串并联选频网络的频率响应当当 f=f0时，不但时，不但=0，且，且 最大，为最大，为1/3。华成英 1)是否可用共射放大电路？是否可用共射放大电路？2)是否可用共集放大电路？是否可用共集放大电路？3)是否可用共基放大电路？是否可用共基放大电路？4)是否可用两级共射放大电路？是否可用两级共射放大电路？2.电路组成 应为应为RC 串并联网路配一个电压放大倍数略大于串并联网路配一个电压放大倍数略大于3、输入电、输入电阻趋于无穷大、输出电阻趋于阻趋于无穷大、输出电阻趋于0的放大电路。的放大电路。不符合相位条件不符合相位条件不符合幅值条件不符合幅值条件输入电阻小、输出输入电阻小、输出电阻大，影响电阻大，影响f0 可引入电压串联负反馈，使可引入电压串联负反馈，使电压放大倍数大于电压放大倍数大于3，且，且Ri大、大、Ro小，对小，对f0影响小影响小华成英 3.3.RC 桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡器）用同相比例运算电路作放大电路。用同相比例运算电路作放大电路。因同相比例运算电路有非常好的因同相比例运算电路有非常好的线性度，故线性度，故 R 或或 Rf 用热敏电阻，或用热敏电阻，或加二极管作为非线性环节。加二极管作为非线性环节。文氏桥振荡文氏桥振荡器的特点？器的特点？以以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络、并引入电串并联网络为选频网络和正反馈网络、并引入电压串联负反馈，两个网络构成桥路，一对顶点作为输出电压串联负反馈，两个网络构成桥路，一对顶点作为输出电压，一对顶点作为放大电路的净输入电压，就构成文氏桥压，一对顶点作为放大电路的净输入电压，就构成文氏桥振荡器。振荡器。华成英 频率可调的文氏桥振荡器 改变电容以粗调，改变电改变电容以粗调，改变电位器滑动端以微调。位器滑动端以微调。加稳压管可以限制输出电加稳压管可以限制输出电压的峰压的峰-峰值。峰值。同轴同轴电位器电位器华成英 讨论一：合理连接电路，组成文氏桥振荡电路合理连接电路，组成文氏桥振荡电路华成英 讨论二：判断图示电路有可能产生正弦波振荡吗？判断图示电路有可能产生正弦波振荡吗？RC 移项式电路移项式电路RC 双双T选频网络选频网络 选频网络和正反馈选频网络和正反馈网络是两个网络。网络是两个网络。1)RC 移相电路有几级才移相电路有几级才可能产生正弦波振荡？可能产生正弦波振荡？2)若若R 和和C 互换呢？互换呢？正反馈正反馈网络网络选频选频网络网络华成英 试将图T8.3所示电路合理连线，组成RC桥式正弦波振荡电路。+-+华成英 8.8 电路如图电路如图P8.8所示，所示，稳压管稳压管DZ起稳幅作用，其稳定电压起稳幅作用，其稳定电压UZ6V。试估算：。试估算：（1）输出电压不失真情况下的有效值；）输出电压不失真情况下的有效值；（2）振荡频率。）振荡频率。解：（解：（1）输出电压不失真情况下的峰）输出电压不失真情况下的峰值是稳压管的稳定电压，故其有效值值是稳压管的稳定电压，故其有效值（2）电路的振荡频率）电路的振荡频率 华成英 三、LC 正弦波振荡电路 1.LC并联网络的选频特性 理想理想LC并联网络在谐振时呈纯阻性，且并联网络在谐振时呈纯阻性，且阻抗无穷大。阻抗无穷大。谐振频率为谐振频率为在损耗较小时，品质因数及谐振频率在损耗较小时，品质因数及谐振频率损耗损耗 在在ff0时，电容和电感中电流各约为多少？网络的电时，电容和电感中电流各约为多少？网络的电阻为多少？阻为多少？华成英 构成正弦波构成正弦波振荡电路最简振荡电路最简单的做法是通单的做法是通过变压器引入过变压器引入反馈。反馈。附加相移附加相移LC选频放大电路正弦波振荡电路 当当 f=f0时，电时，电压放大倍数的数压放大倍数的数值最大，且附加值最大，且附加相移为相移为0。共射电路共射电路A=-华成英 2.变压器反馈式电路C1是必要的吗？是必要的吗？特点：特点：易振，波形较好；耦合不紧密，易振，波形较好；耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。损耗大，频率稳定性不高。分析电路是否可能产生正弦分析电路是否可能产生正弦波振荡的步骤：波振荡的步骤：1)是否存在四个组成部分是否存在四个组成部分2)放大电路是否能正常工作放大电路是否能正常工作3)是否满足相位条件是否满足相位条件4)是否可能满足幅值条件是否可能满足幅值条件 为使为使N1、N2耦合紧密，将它们合二为一，组成电感反馈式耦合紧密，将它们合二为一，组成电感反馈式电路。电路。必须有合适的同铭端！必须有合适的同铭端！为什么用分立元为什么用分立元件放大电路件放大电路如何组成？如何组成？华成英 3.电感反馈式电路反馈电压取自哪个线圈？反馈电压取自哪个线圈？反馈电压的极性？反馈电压的极性？必要吗？必要吗？电感的三个抽头分别接晶电感的三个抽头分别接晶体管的三个极，故称之为电体管的三个极，故称之为电感三点式电路。感三点式电路。特点：耦合紧密，易振，特点：耦合紧密，易振，振幅大，振幅大，C 用可调电容可获用可调电容可获得较宽范围的振荡频率。波得较宽范围的振荡频率。波形较差，常含有高次谐波。形较差，常含有高次谐波。为使振荡波形好，采用电为使振荡波形好，采用电容反馈式电路容反馈式电路华成英 4.电容反馈式（电容三点式）电路 若要振荡频率高，则若要振荡频率高，则L、C1、C2的取值就要小。当的取值就要小。当电容电容减减小到一定程度小到一定程度时时，晶体管的极间电容将并联在，晶体管的极间电容将并联在C1和和C2上，影上，影响振荡频率。响振荡频率。特点：特点：波形好，振荡频率调整范围小，适于频率固定的场合。波形好，振荡频率调整范围小，适于频率固定的场合。与放大电路参数无关与放大电路参数无关作用？作用？华成英 四、石英晶体正弦波振荡电路SiO2结晶体按一定方向切割的晶片。结晶体按一定方向切割的晶片。压电效应和压电振荡：机械变形和电场的关系压电效应和压电振荡：机械变形和电场的关系固有频率只决定于其几何尺寸，故非常稳定。固有频率只决定于其几何尺寸，故非常稳定。容性容性感性感性阻性阻性 一般一般LC选频网络的选频网络的Q为几百，石英晶体的为几百，石英晶体的Q可达可达104106；前者；前者f/f为为105，后者可达，后者可达10101011。1.石英晶体的特点华成英 2.电路 石英晶体工作在哪个区？石英晶体工作在哪个区？是哪种典型的正弦波振荡是哪种典型的正弦波振荡电路？电路？石英晶体工作在哪个区？石英晶体工作在哪个区？两级放大电路分别为哪种两级放大电路分别为哪种基本接法？基本接法？C1的作用？的作用？（1）并联型电路）并联型电路（2）串联型电路）串联型电路华成英 讨论三：改错，使电路有可能产生正弦波振荡：改错，使电路有可能产生正弦波振荡同名端对吗？同名端对吗？放大电路能放大吗？放大电路能放大吗？各电容的作用？各电容的作用？华成英 讨论四同铭端？同铭端？能产生正弦能产生正弦波振荡吗？波振荡吗？“判振判振”时的注意事项：时的注意事项：1.放大电路必须能够正常工作，放大电路的基本接法；放大电路必须能够正常工作，放大电路的基本接法；2.断开反馈，在断开处加断开反馈，在断开处加 f=f0的输入电压；的输入电压；3.找出在哪个元件上获得反馈电压，是否能取代输入电压。找出在哪个元件上获得反馈电压，是否能取代输入电压。三个电路有什么相同之处？这样的电路形式有什么三个电路有什么相同之处？这样的电路形式有什么好处？好处？华成英 电路如下图所示，试用相位平衡条件判断哪个能振荡，哪个不能，电路如下图所示，试用相位平衡条件判断哪个能振荡，哪个不能，说明理由。说明理由。静态满足要求静态满足要求+-有瞬时极性法得，电路引入有瞬时极性法得，电路引入的是负反馈，所以电路不能的是负反馈，所以电路不能发生振荡。发生振荡。华成英 静态满足要求静态满足要求+-有瞬时极性法得，电路引入有瞬时极性法得，电路引入的是正反馈，所以电路能发的是正反馈，所以电路能发生振荡。生振荡。华成英 静态满足要求静态满足要求-+-+有瞬时极性法得，电路引入有瞬时极性法得，电路引入的是负反馈，所以电路不能的是负反馈，所以电路不能发生振荡。发生振荡。华成英 静态满足要求静态满足要求+-+有瞬时极性法得，电路有瞬时极性法得，电路引入的是正反馈，所以引入的是正反馈，所以电路能发生振荡。电路能发生振荡。华成英+-不能振荡不能振荡+-+能振荡能振荡+-+-不能振荡不能振荡华成英 9.3 非正弦波发生电路一、常见的非正弦波一、常见的非正弦波二、矩形波发生电路二、矩形波发生电路三、三角波发生电路三、三角波发生电路四、锯齿波发生电路四、锯齿波发生电路五、压控振荡器五、压控振荡器华成英 一、常见的非正弦波矩形波矩形波三角波三角波锯齿波锯齿波尖顶波尖顶波阶梯波阶梯波矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。通过什么电路可将矩形波变为其它几种波形？通过什么电路可将矩形波变为其它几种波形？华成英 二、矩形波发生电路 输出输出无稳态无稳态，有两个暂态有两个暂态；若输出为高电平时定义；若输出为高电平时定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。1.基本组成部分 （1）开关电路）开关电路：因为输出只有高电平和低电平：因为输出只有高电平和低电平两种情况，即两个暂态；故采用电压比较器。两种情况，即两个暂态；故采用电压比较器。（2）反馈网络）反馈网络：因需自控，在输出为某一暂态：因需自控，在输出为某一暂态时孕育翻转成另一暂态的条件，故应引入反馈。时孕育翻转成另一暂态的条件，故应引入反馈。（3）延迟环节）延迟环节：要使两个暂态均维持一定的时：要使两个暂态均维持一定的时间，故采用间，故采用RC环节环节实现实现，从而决定振荡频率，从而决定振荡频率。华成英 2.电路组成正向充电：正向充电：uO（+UZ）RC地地反向充电：反向充电：地地C R uO（UZ）RC 回路回路滞回比较器滞回比较器华成英 3.工作原理：分析方法方法一：方法一：方法一：方法一：设电路已振荡，且在某一暂态，看是否能自动翻设电路已振荡，且在某一暂态，看是否能自动翻转为另一暂态，并能再回到原暂态。转为另一暂态，并能再回到原暂态。方法二：方法二：方法二：方法二：电路合闸通电，分析电路是否有两个暂态，而无电路合闸通电，分析电路是否有两个暂态，而无稳态。稳态。设合闸通电时电容上电压为设合闸通电时电容上电压为0，uO上升，则产生正反馈过程：上升，则产生正反馈过程：uO uP uO，直至直至 uOUZ，uP+UT，为，为第一暂态。第一暂态。华成英 3.工作原理 电容正向充电，电容正向充电，t uN，t，uN UZ；但当但当uN+UT时，再增大，时，再增大，uO从从+UZ跃变为跃变为UZ，uPUT，电路电路进入进入第二暂态第二暂态。电容反向充电，电容反向充电，t uN，t，uN UZ；但当但当uN UT时，再减小，时，再减小，uO从从 UZ跃变为跃变为+UZ，uP+UT，电路电路返回第一暂态返回第一暂态。第一暂态第一暂态：uOUZ，uP+UT。华成英 脉冲宽度脉冲宽度4.波形分析华成英 5.占空比可调电路为了占空比调节范围大，为了占空比调节范围大，R3应如何取值？应如何取值？正向充电和反向充电时间常数可正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。调，占空比就可调。华成英 三、三角波发生电路 1.电路组成 用积分运算电路可将方波变为三角波。用积分运算电路可将方波变为三角波。两个两个RC环节环节实际电路将两个实际电路将两个RC 环节合二为一环节合二为一为什么采用同相输为什么采用同相输入的滞回比较器？入的滞回比较器？uO要取代要取代uC，必须改变输入端。，必须改变输入端。集成运放应用电路的分析方法：集成运放应用电路的分析方法：化整为零（分块），分析功能（每块），统观整体，性能估算。化整为零（分块），分析功能（每块），统观整体，性能估算。华成英 2.工作原理滞回比较器滞回比较器积分运算电路积分运算电路求滞回比较器的电压传输特性：三要素求滞回比较器的电压传输特性：三要素 UOH=UOL=UZ，uI作用于集成运放的同相输入端，求作用于集成运放的同相输入端，求 UT：华成英 合闸通电，通常合闸通电，通常C 上电压为上电压为0。设。设uO1 uP1 uO1，直至，直至uO1 UZ（第一暂态第一暂态）；积分电路反向积分，）；积分电路反向积分，t uO，一旦，一旦uO过过 UT，uO1从从 UZ跃变为跃变为 UZ（第二暂态第二暂态）。积分电路正向积分，积分电路正向积分，t uO，一旦一旦uO过过 UT，uO1从从 UZ跃变为跃变为 UZ，返回第一暂态返回第一暂态。重复上述过程，产生周期性的。重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。变化，即振荡。电路状态翻转时，电路状态翻转时，uP1=?三角波发生电路的振荡原理华成英 3.波形分析 如何调整三角波的幅值和频率？如何调整三角波的幅值和频率？怎样修改可获得锯齿波？怎样修改可获得锯齿波？“理性地调试理性地调试”：哪：哪些参数与幅值有关？哪些参数与幅值有关？哪些参数与频率有关？先些参数与频率有关？先调哪个参数？调哪个参数？T/2华成英 四、锯齿波发生电路1.R3应大些？小些？应大些？小些？2.RW的滑动端在最上的滑动端在最上端和最下端时的波形？端和最下端时的波形？T3.R3短路时的波形？短路时的波形？若由输入电压确定，则将电压转换为频率若由输入电压确定，则将电压转换为频率华成英 五、压控振荡器（uf 转换电路）若若uI0，则如何改动？，则如何改动？单位时间内脉冲个数单位时间内脉冲个数表示电压的数值，故表示电压的数值，故实现实现A/D转换转换华成英 讨论一已知已知uO1和和uO2的峰的峰-峰值均为峰值均为10V，二极管为理想二极管。，二极管为理想二极管。1.求出稳压管的稳压值求出稳压管的稳压值UZ和和R4的阻值；的阻值；2.定性画出定性画出uO1、uO2的波形图；的波形图；3.求解求解q的表达式。的表达式。华成英 1.晶体管什么情况下导通？什么情况下截止？晶体管什么情况下导通？什么情况下截止？2.晶体管饱和导通和截止晶体管饱和导通和截止uO1和和uI的运算关系？的运算关系？3.uI的极性？的极性？4.uO1、uO2的波形？的波形？5.uI与振荡频率的关系？与振荡频率的关系？讨论二：已知三极管饱和压降为已知三极管饱和压降为0 0。华成英 9.3 波形变换电路一、利用基本电路实现波形变换一、利用基本电路实现波形变换二、三角波变锯齿波电路二、三角波变锯齿波电路三、三角波变正弦波电路三、三角波变正弦波电路四、精密整流电路四、精密整流电路华成英 一、利用基本电路实现波形变换 正弦波变方波、变矩形波、变二倍频，方波变三角波，正弦波变方波、变矩形波、变二倍频，方波变三角波，三角波变方波，固定频率的三角波变正弦波三角波变方波，固定频率的三角波变正弦波如何得到？如何得到？利用利用电子电子开关开关改变改变比例比例系数系数二.三角波变锯齿波：二倍频二倍频华成英 三角波用傅立叶级数展开，除基波外，还含有三角波用傅立叶级数展开，除基波外，还含有3 3次、次、5 5次次谐波。谐波。三、三角波变正弦波若输入信号的频率变化不大，则可用滤波法实现。若输入信号的频率变化不大，则可用滤波法实现。范围是什么？范围是什么？若输入信号的频率变化较大，则可用折线法实现若输入信号的频率变化较大，则可用折线法实现。华成英 为什么一般的整流电路不能作为精密的信号处理电路？为什么一般的整流电路不能作为精密的信号处理电路？四、精密整流电路 若若uImaxUon，则，则uO仅在大于仅在大于Uon时近似为时近似为uI，失真。，失真。精密整流电路是信号处理电路，不是电源中精密整流电路是信号处理电路，不是电源中AC-DC的能量的能量转换电路；实现微小信号的整流。转换电路；实现微小信号的整流。华成英 设设RRf 对于将二极管和晶体管作电子开关对于将二极管和晶体管作电子开关的集成运放应用电路，在分析电路时，的集成运放应用电路，在分析电路时，首先应判断管子相当于开关闭合还是首先应判断管子相当于开关闭合还是断开，它们的状态往往决定于输入信断开，它们的状态往往决定于输入信号或输出信号的极性。号或输出信号的极性。精密整流电路的组成半波整流，若加半波整流，若加uI的负半周，则实现全波整流的负半周，则实现全波整流为什么是为什么是精密整流？精密整流？华成英 全波精密整流电路二倍频三角波二倍频三角波绝对值运算电路绝对值运算电路华成英 讨论：设计实现将峰值为：设计实现将峰值为1V1V、频率为、频率为100Hz100Hz的正弦波输入电压的正弦波输入电压变换为峰值为变换为峰值为5V5V、频率为、频率为200Hz200Hz锯齿波电压的电路。锯齿波电压的电路。