模电基础之波形发生电路.ppt

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1、模 拟 电 子 技 术波形发生电路波形发生电路第第 7 章章7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.2非正弦波信号产生电路非正弦波信号产生电路小结小结模 拟 电 子 技 术7.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.1.1 正弦波振荡电路的工作原理正弦波振荡电路的工作原理7.1.2 RC 正弦振荡正弦振荡7.1.3 LC 正弦振荡正弦振荡引言引言模 拟 电 子 技 术信号产生电路信号产生电路(振荡器振荡器Oscillators)分类：分类：正弦波振荡正弦波振荡:非正弦波振荡：非正弦波振荡：RC 振荡器振荡器(1 kHz 数百数百 kHz)LC 振荡器振荡器(几百几百 kHz 以上以上)石英晶体振荡器石

2、英晶体振荡器(频率稳定度高频率稳定度高)方波、方波、三角波、三角波、锯齿波等锯齿波等主要性主要性要求能：要求能：输出信号的输出信号的幅度准确稳定幅度准确稳定输出信号的输出信号的频率准确稳定频率准确稳定引言引言模 拟 电 子 技 术7.1.1 正弦波振荡电路的工作原理正弦波振荡电路的工作原理一、振荡条件一、振荡条件放大器放大器反馈网络反馈网络UiAuFuUoUfRL微弱的电扰动中，某一频微弱的电扰动中，某一频率成分通过正反馈逐渐放率成分通过正反馈逐渐放大，则产生正弦振荡。大，则产生正弦振荡。振幅平衡条件振幅平衡条件 相位平衡条件相位平衡条件n=0,1,2,模 拟 电 子 技 术二、起振条件起振条

3、件起振条件起振条件放大器放大器Au反馈网络反馈网络FuUoUfUi 1/FuAu=1/FuOuiuoAuuoAu Fu 1Au Fu 3，稳幅后，稳幅后 Au=3。正温度系数正温度系数负温度系数负温度系数二极管稳幅二极管稳幅8R1R2V1V2R312.4 k R2 8.1 k 起振时信号小，起振时信号小，二极管电阻大二极管电阻大Au 1+(R2+R3)/R1 3R2 2R1-R3起振后二极管电阻逐渐减小，起振后二极管电阻逐渐减小，Au 1+R2/R1=3为使失真小：为使失真小：R2 2R1f0=1.94 kHz8.2 k 6.2 k 22 k 4.3 k 0.01 F8.2 k 0.01 F模

4、 拟 电 子 技 术二、二、RC 移相式振荡电路移相式振荡电路8CRRfRCRC一节一节 RC 环节环节移相移相 90 二节二节 RC 环节环节移相移相 180 三节三节 RC 环节环节移相移相 270 对于对于的信号的信号，满足相位平衡条件满足相位平衡条件优点：优点：结构简单结构简单缺点：缺点：选频特性差，输出波形差选频特性差，输出波形差模 拟 电 子 技 术7.1.3 LC 振荡电路振荡电路类型：类型：变压器反馈式变压器反馈式、电感三点式、电感三点式、电容三点式电容三点式一、变压器反馈式一、变压器反馈式 LC 振荡电路振荡电路LrCIs.L 的等的等效损耗效损耗电阻电阻(一一)LC 并联回

5、路的特性并联回路的特性Z模 拟 电 子 技 术1.谐振频率谐振频率 f02.谐振阻抗谐振阻抗 Z03.回路品质因数回路品质因数 Q 模 拟 电 子 技 术4.频率特性频率特性 0Z Z 0 Q 大大Q 小小 0 f90-90Q 增大增大幅频特性幅频特性相频特性相频特性模 拟 电 子 技 术5.并联谐振的本质并联谐振的本质 电流谐振电流谐振LuCr+iiLiC1)Z=Z0 呈纯阻呈纯阻2)形成形成环流环流，大小是总电流的，大小是总电流的 Q 倍倍 ICILUI模 拟 电 子 技 术(二二)变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路LC+VCCVRERB1RB2CECB满足相位平衡条件满足相位平衡条

6、件模 拟 电 子 技 术1、电感三点式和电容三点式、电感三点式和电容三点式LC正弦波发生器正弦波发生器把并联把并联LC回路中的回路中的C或或L分成两个，则分成两个，则LC回路就回路就有三个端点。把这三个端点分别与三极管的三个有三个端点。把这三个端点分别与三极管的三个极相连，就形成了极相连，就形成了LC三点式正弦波发生电路。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。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、三点式二、三点式 LC 振荡电路振荡电路模 拟 电 子 技 术2、组成、组成LC三点式正弦波发生电路的规律三点式正弦波发

7、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。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，模 拟 电 子 技 术无反馈时的无反馈时的因此因此其中，其中，模 拟 电 子 技 术为了使电路振荡，应有，上式应为实数，分母的需不应为零，即：进而可得模 拟 电 子 技 术、上式说明，为了产生振荡，的符号必须而必须与它们异号。由因为：所以得：模 拟 电 子 技 术为了产生振荡，由上式可得：和因此，必须与异号。由于所以必然有模 拟 电 子 技 术结论：在LC三点式正弦波发生电路中，为了 满足产生振荡

8、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。模 拟 电 子 技 术3 3、电感三点式电感三点式 振荡电路振荡电路C+VCCVRERB1RB2CECBL1L2C1M123模 拟 电 子 技 术优点：优点：缺点：缺点：易起振易起振(L 间耦合紧间耦合紧)；易调节易调节(C 可调可调)。输出取自电感，对输出取自电感，对高次谐波阻抗大高次谐波阻抗大，输出波形差。输出波形差。模 拟 电 子 技 术4 4、电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路考毕兹振荡器考毕兹振荡器(Colpitts)+VCCVRERB1RB2CECBLC1C2123LC3模 拟 电 子 技 术优点：波形较好优点：波

9、形较好缺点：缺点：2)V 极间电容影响极间电容影响 f01)调频时易停振调频时易停振C 3的改进的改进模 拟 电 子 技 术三、石英晶体三、石英晶体(Crystal)振荡电路振荡电路(一一)石英晶体谐振器的阻抗特性石英晶体谐振器的阻抗特性1.结构和符号结构和符号化学成分化学成分 SiO2结构结构晶片晶片涂银层涂银层焊点焊点符号符号模 拟 电 子 技 术2.压电效应压电效应形变形变形变形变机械振动机械振动外力外力外力外力压电谐振压电谐振外加交变外加交变电压的频率等电压的频率等于晶体固有频于晶体固有频率时，机械振率时，机械振动幅度急剧加动幅度急剧加大的现象。大的现象。模 拟 电 子 技 术3.等效

10、电路等效电路rqC0CqLqLq 晶体的动态电感晶体的动态电感 (10-3 102 H)(大大)Cq 晶体的动态电容晶体的动态电容 (0.1 pF)(小小)rq 等效摩擦损耗电阻等效摩擦损耗电阻(小小)Co 晶片静态电容晶片静态电容 (几几 几十几十 pF)模 拟 电 子 技 术大大大大小小小小小小小小大大大大4.频率特性和谐振频率频率特性和谐振频率fXfPfS容性容性感性模 拟 电 子 技 术5.使用注意使用注意2)要有合适的激励电平。过大会影响要有合适的激励电平。过大会影响 频率稳定度、振坏晶片；过小会使频率稳定度、振坏晶片；过小会使 噪声影响大，还能停振。噪声影响大，还能停振。1)要要接

11、接一定的负载电容一定的负载电容 CL(微调微调)，以以达标称频率。达标称频率。模 拟 电 子 技 术(二二)石英晶体谐振电路石英晶体谐振电路1.串联型串联型 f=fs，晶体，晶体呈纯阻呈纯阻+VCCVRERB1RB2CBLC2.并联型并联型fs f fp，晶体，晶体呈感性呈感性+VCCVRERB1RB2CEC3C1C2RC模 拟 电 子 技 术7.2非非正弦波信号正弦波信号 产生电路产生电路7.2.1 电压比较器电压比较器7.2.2 方波产生电路方波产生电路7.2.3 压控方波产生电路压控方波产生电路7.2.4 三角波发生电路三角波发生电路模 拟 电 子 技 术7.2.1 电压比较电压比较器器

12、(Comparer)一、单限电压比较器一、单限电压比较器功能：功能：类型类型基本比较器基本比较器简单比较器简单比较器(单门限单门限)窗口比较器窗口比较器(双门限双门限)迟滞比较器迟滞比较器(施密特触发器施密特触发器)比较电压信号比较电压信号(被测试信号与标准信号被测试信号与标准信号)大小大小8uIuOOuIuO1.过零电压比较器过零电压比较器uI 0UOmax-UOmaxUOHUOL模 拟 电 子 技 术OuIuO2.同相输入单门限比较器同相输入单门限比较器8uIUREF UZUZUREFuI UREF门限门限电压电压 UT特点特点:1)工作在非线性区工作在非线性区2)不存在虚短不存在虚短(除

13、了除了uI=UREF 时时)3)存在虚断存在虚断门限电压门限电压 UT=UREF模 拟 电 子 技 术二、窗口比较器二、窗口比较器uO88U1U2uIV1V2uO1uO2模 拟 电 子 技 术设设 U1 U2，比较器采用单电源，比较器采用单电源uIuO1 uO2 V1 V2uO U1U2 uI U1UOmax截止截止 导通导通UZ0UOmax0导通导通 截止截止UZ00截止截止 截止截止0UZOuIuOU1U2模 拟 电 子 技 术应用举例应用举例 三极管三极管 值分选电路值分选电路885 V2.5 VV1V2V+15 V10 k 20 k 20 k 430 k 1 M 5 k 1.5 k 3

14、CG50 100，LED 不亮。不亮。分析电路是否满足要求：分析电路是否满足要求：100，LED 亮，亮，模 拟 电 子 技 术 解解 IB=(15-0.7)/1430=0.01 mA当当 50 时，时，IC 0.5 mA，UC 100 时，时，IC 1 mA，UC 5 V V1 导通，导通，LED 亮亮当当 50 100 时，时，2.5 V UC uP 时，时，uO=-UZ当当 uI uP 时，时，uO=+UZ当当 uI=uP 时，时，状态翻转状态翻转模 拟 电 子 技 术例：例：R1=30 k，R2=15 k,UZ=6 V,UREF=0,求求 UT。模 拟 电 子 技 术特点：特点：2)传

15、输特性传输特性RR18uIUREFR2R3 UZP PuOOuIuOUT+UT-UZ-UZ当当 uI 逐渐增大时逐渐增大时 只要只要 uI UT+，则，则 uO=-UZ当当 uI 逐渐减小时逐渐减小时只要只要 uI U T-，则，则 uO=-UZ一旦一旦 uI I01电子开关 S S1.原理原理111188+VCCRRRRSCI01I02uC6 69 93 32 2-VEE或地或地10101010反相器反相器电压跟随器电压跟随器正弦波变换器正弦波变换器模 拟 电 子 技 术当当 Q=0，S 断开，断开，C 充电充电(I01)至至 2/3VCCQ=1当当 Q=1，S 闭合，闭合，C 放电放电(I

16、02-I01)至至 1/3VCCQ=0当当 I02=2I01，引脚引脚 9 输出方波，引脚输出方波，引脚 3 输出三角波；输出三角波；当当 I02 2I01，引脚引脚 9 输出矩形波，引脚输出矩形波，引脚 3 输出锯齿波。输出锯齿波。模 拟 电 子 技 术2.应用应用12345678ICL8038141312111091314正弦波正弦波失真度调整失真度调整正弦波失正弦波失真度调整真度调整正弦波输出正弦波输出三角波输出三角波输出矩形波输出矩形波输出调频偏置调频偏置电压输入电压输入调频偏置调频偏置电压输出电压输出接电阻接电阻 RA接电阻接电阻 RB接电容接电容 C+VCC-VEE(或地或地)模

17、拟 电 子 技 术调占空比和正弦波失真调频率调占空比和正弦波失真RP2RP4 RP1+VCC-VEERRAICL8038451310 11128RBRP3CC1692模 拟 电 子 技 术1.获得三角获得三角波波的基本方法的基本方法方波方波积分电路积分电路积分电路积分电路三角三角波波2.锯齿波发生电路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。7.2.4 三角波发生电路三角波发生电路模 拟 电 子 技 术小小 结结第第 7 章章模 拟 电 子 技 术一、信号产生电路的分类：一、信号产生电路的分类：正弦波振荡正弦波振荡:非正弦波振荡：非正弦

18、波振荡：RC 振荡器振荡器(低频低频)LC 振荡器振荡器(高频高频)石英晶体振荡器石英晶体振荡器(振荡频率精确振荡频率精确)方波、方波、三角波、三角波、锯齿波等。锯齿波等。模 拟 电 子 技 术二、二、正弦波振荡正弦波振荡条件、电路结构和选频电路条件、电路结构和选频电路1.振荡条件振荡条件 振幅平衡条件振幅平衡条件 相位平衡条件相位平衡条件n=0,1,2,判断电路是否起振采用判断电路是否起振采用瞬时极性法，瞬时极性法，即断开反馈即断开反馈网络，加一信号，如果信号极性逐级变化后，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。返回后与原信号同极性，则满足相位平衡

19、条件。模 拟 电 子 技 术2.振荡电路的两种结构振荡电路的两种结构放大器放大器选频正选频正反馈网络反馈网络UoUfUi选频选频放大器放大器正反馈正反馈网络网络UoUfUi3.选频电路及其特性选频电路及其特性模 拟 电 子 技 术1)RC 串并联式串并联式幅幅频频特特性性 0 Fu .相相频频特特性性 0 f90 90当当 =0=1/RC 时时 Fu=1/3.=0电电路路模 拟 电 子 技 术2)LC并联谐振回路并联谐振回路LuCr+iiLiC阻抗幅频特性阻抗幅频特性电路电路 0Z Z 0 阻抗相频特性阻抗相频特性 0 f90 90谐振频率谐振频率谐振阻抗谐振阻抗回路品质因数回路品质因数模 拟

20、 电 子 技 术三、三、正弦波振荡正弦波振荡电路电路1.RC 桥氏振荡电路桥氏振荡电路8CR1RfRCR振荡频率振荡频率振荡条件振荡条件即即自动稳幅措施：自动稳幅措施：使电使电 Au 成为非线性成为非线性Rf 串接二极管串接二极管(图略图略)Rf 串接负温度系数热敏电阻串接负温度系数热敏电阻R1 采用正温度系数热敏电阻采用正温度系数热敏电阻模 拟 电 子 技 术3.LC 振荡电路振荡电路变压器反馈式变压器反馈式LC+VCCVRERB1RB2CECB电感三点式电感三点式C+VCCVRERB1RB2CECBL1L2C1模 拟 电 子 技 术电容三点式电容三点式+VCCVRERB1RB2CECBLC

21、1C2123模 拟 电 子 技 术四、四、石英晶体振荡石英晶体振荡电路电路1.等效电路和频率特性等效电路和频率特性符号符号等效电路等效电路rqC0CqLq频率特性频率特性fXfPfS串联谐振频率串联谐振频率并联谐振频率并联谐振频率2.石英晶体谐振电路石英晶体谐振电路串联型串联型 f =fs，晶体，晶体呈纯阻呈纯阻并联型并联型fs f fp，晶体，晶体呈感性呈感性模 拟 电 子 技 术五、五、比较器比较器OuIuOUZUREFUZ1.单限电压比较器单限电压比较器 传传输输特特性性模 拟 电 子 技 术OuIuOUZUREFUZ特点：特点：1)工作在非工作在非线性线性区区2)不存在虚短不存在虚短(

22、除了除了uI=UREF 时时)3)存在虚断存在虚断门限电压门限电压 UT=UREF模 拟 电 子 技 术六、六、非正弦波振荡电路非正弦波振荡电路1.产生产生方波方波振荡的基本原理振荡的基本原理CuOR施密特施密特施密特施密特触发器触发器触发器触发器当施密特触发器输出高当施密特触发器输出高(低低)电平时，电平时，电电容容 C 的的充充电电方方向向不不同同，每每当当 uC 超超过过上上(下下)门门限限电电压压时时，施施密密特特触触发发器器的的输输出出电电平平就就发发生生跳跳变变，使使电电容容改改变变充充电电方方向向，于于是是形形成成 uO 周周而而复复始始的的高、低电平跳变，即高、低电平跳变，即方

23、波方波振荡。振荡。模 拟 电 子 技 术施密特触发器的构成：施密特触发器的构成：迟滞迟滞比较器比较器(运放接成正反馈运放接成正反馈)555 定时器定时器的施密特触发器形式的施密特触发器形式集成施密特触发器集成施密特触发器2.获得三角获得三角波波的基本方法的基本方法方波方波积分电路积分电路积分电路积分电路三角三角波波模 拟 电 子 技 术2.迟滞迟滞比较器比较器(施密特触发器施密特触发器)反相型反相型迟滞迟滞比较器比较器uIRR18UREFR2R3 UZP PuOOuIuOUT+UTUZ UZ传输特性传输特性模 拟 电 子 技 术同相型同相型迟滞迟滞比较器比较器R1R8uIUREFR2R3 UZN NP PuO传输特性传输特性OuIuOUT+UT-UZUZ门限电压的求法：门限电压的求法：根据叠加定理求出同相端电压根据叠加定理求出同相端电压 uP 的表达式，当输出状态的表达式，当输出状态变化时，与反相端电压变化时，与反相端电压uN 相等相等,此时的输入电压此时的输入电压uI即为即为门限电压门限电压UT+和和UT。