模电课件第六章波形产生与变换电路.ppt

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1、第六章第六章 波形产生与变换电路波形产生与变换电路 波形产生与变换是电子技术中广泛使用的电路。波形产生与变换是电子技术中广泛使用的电路。波形产生电路波形产生电路：在无外加输入信号的情况下，能自：在无外加输入信号的情况下，能自动产生一定波形、一定频率和幅值的交流信号。动产生一定波形、一定频率和幅值的交流信号。波形变换电路波形变换电路：能把外加输入信号的波形变换成指：能把外加输入信号的波形变换成指定的适合于系统应用和处理的波形。定的适合于系统应用和处理的波形。波形产生电路波形产生电路正弦波产生电路：正弦波产生电路：正弦波产生电路：正弦波产生电路：广泛应用于通广泛应用于通讯、广播、电视等系统。讯、广

2、播、电视等系统。非正弦波产生电路：非正弦波产生电路：非正弦波产生电路：非正弦波产生电路：如矩形波、如矩形波、三角波锯齿波。广泛应用于测量三角波锯齿波。广泛应用于测量设备、数字系统和自控系统。设备、数字系统和自控系统。16.1 产生正弦振荡的条件产生正弦振荡的条件 在振荡电路中，是利用正反馈产生自激振荡。在振荡电路中，是利用正反馈产生自激振荡。但正反馈的引入只是为振荡提供了必要条件，而但正反馈的引入只是为振荡提供了必要条件，而非充分条件。非充分条件。1、正弦波振荡电路产生振荡的条件正弦波振荡电路产生振荡的条件若若，则环路输出可得到持续稳定的正弦波。，则环路输出可得到持续稳定的正弦波。2由由得得正

3、弦波振荡电路产生振荡的条件正弦波振荡电路产生振荡的条件幅度平衡条件：幅度平衡条件：相位平衡条件：相位平衡条件：注意：注意：注意：注意：负反馈放大器的自激条件为负反馈放大器的自激条件为 与上式差一负号，这是由于输入端规定的反馈与上式差一负号，这是由于输入端规定的反馈信号正方向不同所造成的。信号正方向不同所造成的。32、振荡的建立和稳定、振荡的建立和稳定1 1）起振）起振）起振）起振 实际振荡电路不需外部激励信号，以内部实际振荡电路不需外部激励信号，以内部噪声或外部干扰作输入信号，经放大后再反馈，周噪声或外部干扰作输入信号，经放大后再反馈，周而复始使电路开始振荡。而复始使电路开始振荡。2 2）选频

4、）选频）选频）选频 为了得到频率为为了得到频率为fo的正弦振荡，可用选频的正弦振荡，可用选频网络从噪声和干扰中选出频率为网络从噪声和干扰中选出频率为fo的成分，并使整的成分，并使整个振荡电路只对个振荡电路只对fo满足等幅振荡条件。满足等幅振荡条件。3 3）稳幅）稳幅）稳幅）稳幅 从噪声和干扰中选出的从噪声和干扰中选出的fo分量幅度很小，分量幅度很小，起振过程应使振荡电路增幅振荡，即起振过程应使振荡电路增幅振荡，即当幅度足够大后，再继续增幅，将出现非线性失真，当幅度足够大后，再继续增幅，将出现非线性失真，则需振荡器幅度振荡。故在振荡电路中要有稳幅环则需振荡器幅度振荡。故在振荡电路中要有稳幅环节，

5、一般由非线性电阻构成。节，一般由非线性电阻构成。44）电路组成）电路组成 正弦波振荡电路应具备下述正弦波振荡电路应具备下述四个功能的部分组成：四个功能的部分组成：放大电路、正反馈网络、放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅电路选频网络、稳幅电路 按组成选频网络的元件不同，正弦波振荡电路按组成选频网络的元件不同，正弦波振荡电路主要有：主要有：RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路3、正弦波振荡电路的分类、正弦波振荡电路的分类56.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路1、文氏电桥（、文氏电桥（RC串并联）振荡器串并联）振荡器1）R

6、C串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性6幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：当当=o o时，电路达到谐振，时，电路达到谐振，电路呈电路呈“电阻性电阻性”，此时，此时幅值最大幅值最大72、文氏电桥振荡器的分析、文氏电桥振荡器的分析1）组成）组成同相比例同相比例放大电路放大电路RC选频网络，选频网络，兼正反馈网络兼正反馈网络Z1、Z2、R3 与与R4形形成四个桥臂成四个桥臂82）起振条件及振荡频率）起振条件及振荡频率 RC网络谐振时满足自网络谐振时满足自激振荡的相位平衡条件。激振荡的相位平衡条件。振荡频率：振荡频率：由同相放大电路：由同相放大电路：由幅度起振条件：由幅度起振条件：由选频网络

7、可知，谐振时：由选频网络可知，谐振时：或或93）稳幅环节）稳幅环节 为了改善振荡波形，一为了改善振荡波形，一般采用外稳幅电路。般采用外稳幅电路。Uo IR4 PR4 TR4 R4 Uo 也可采用负温度系数的热敏电阻作也可采用负温度系数的热敏电阻作R3。R4采用正温度系数的热采用正温度系数的热敏电阻，可起稳幅作用敏电阻，可起稳幅作用10结论：结论：结论：结论：RC正弦波振荡器只能用作低频振荡器。正弦波振荡器只能用作低频振荡器。振荡频率的范围：振荡频率的范围：1Hz 1MHz例如，桥式振荡器。例如，桥式振荡器。选选R=1k，C=200pF，则，则 fo=796HzRC正弦波振荡器的振荡频率取决于正

8、弦波振荡器的振荡频率取决于R、C的数值。的数值。若提高振荡频率若提高振荡频率fo，必须选择较小的，必须选择较小的R和和C值。值。foR基本放大电路的负载加重；基本放大电路的负载加重；C受到管子结电容和分布电容的限制。受到管子结电容和分布电容的限制。当振荡频率高于当振荡频率高于1MHz时，采用时，采用LC正弦波振荡器。正弦波振荡器。11带稳幅环节的电路(2)ID DUD振荡幅度较小时振荡幅度较小时振荡幅度较小时振荡幅度较小时正向电阻大正向电阻大正向电阻大正向电阻大振荡幅度较大时振荡幅度较大时振荡幅度较大时振荡幅度较大时正向电阻小正向电阻小正向电阻小正向电阻小 利用二极管的正向伏安利用二极管的正向

9、伏安利用二极管的正向伏安利用二极管的正向伏安特性的非线性自动稳幅。特性的非线性自动稳幅。特性的非线性自动稳幅。特性的非线性自动稳幅。R R+R RF2F2R R1 1 C C R RC C u uOO +D D1 1D D2 2R RF1F1稳幅环节稳幅环节稳幅环节稳幅环节12带稳幅环节的电路（2）R R+R RF2F2R R1 1 C C R RC C u uOO +D D1 1D D2 2R RF1F1 图示电路中，图示电路中，图示电路中，图示电路中，R RF F分为两部分。在分为两部分。在分为两部分。在分为两部分。在R RF1F1上正反上正反上正反上正反并联两个二极管，它们在并联两个二极

10、管，它们在并联两个二极管，它们在并联两个二极管，它们在输出电压输出电压输出电压输出电压u uOO的正负半周内分别导通。的正负半周内分别导通。的正负半周内分别导通。的正负半周内分别导通。在起振之初，在起振之初，在起振之初，在起振之初，由由由由于于于于 u uo o 幅值很小，尚不足以幅值很小，尚不足以幅值很小，尚不足以幅值很小，尚不足以使使使使二极管导通，二极管导通，二极管导通，二极管导通，二极管近于开路二极管近于开路二极管近于开路二极管近于开路此时，此时，此时，此时，R RF F 2 2 R R1 1。而。而。而。而后，后，后，后，随着振荡幅度的增大，二极管导通，其正向随着振荡幅度的增大，二极

11、管导通，其正向随着振荡幅度的增大，二极管导通，其正向随着振荡幅度的增大，二极管导通，其正向电阻逐渐减小，直到电阻逐渐减小，直到电阻逐渐减小，直到电阻逐渐减小，直到R RF F=2=2 R R1 1，振荡稳定。，振荡稳定。，振荡稳定。，振荡稳定。136.3 电压比较器分析依据分析依据uo/VUomUomuid/mV虚短虚短虚短虚短的概念不再成立，的概念不再成立，虚断虚断虚断虚断的概念仍成立。的概念仍成立。146.3.1 单门限电压比较器 电压比较器实现一个模拟信号与另一个模电压比较器实现一个模拟信号与另一个模拟信号的比较功能，通常用于越限报警、数模拟信号的比较功能，通常用于越限报警、数模转换和波

12、形变换等。转换和波形变换等。电压比较器的输入信号是连续变化的模拟量，电压比较器的输入信号是连续变化的模拟量，但输出电压只有两种状态：但输出电压只有两种状态：高电平和低电平高电平和低电平。15单门限比较器_+uouiR1R2uiuOUomUomUR0电压传输特性电压传输特性UR16过零比较器uiuOUomUom0电路电路电压传输特性电压传输特性_+uouiR1R217_+uouiR1R2波形变换波形变换18有限幅作用的电压比较器使输出电压与负载电平匹配使输出电压与负载电平匹配R1uRuouiR2RUZuOuiUZ0UR19例例 图示是一个监控报警装置，如需对某一参数（如图示是一个监控报警装置，如

13、需对某一参数（如温度、压力等）进行监控，可由传感器取得监控信温度、压力等）进行监控，可由传感器取得监控信号号ui，UR是参考电压。当是参考电压。当ui超过正常值时，报警灯超过正常值时，报警灯亮，试分析其工作原理。亮，试分析其工作原理。解解 监控信号监控信号ui参考电压参考电压UR 时，比较器输出高电时，比较器输出高电平，三极管导通，报警平，三极管导通，报警灯因有电流通过而亮。灯因有电流通过而亮。206.3.2 滞回比较器u随输出电压随输出电压uo变化变化电路特点：电路特点：uoUomuoUom21假设某一瞬间，假设某一瞬间，uoUom因此因此ui由小逐渐增大由小逐渐增大当当时时输出电压输出电压

14、uo从从Uom跳变为跳变为Uom比较器的同相输入电压也随之改变比较器的同相输入电压也随之改变ui由大逐渐减小由大逐渐减小当当时时输出电压输出电压uo从从Uom跳变为跳变为Uom22传输特性U+HU+LU+H-U+L称为称为回差回差小于回差的干扰不会引起跳转小于回差的干扰不会引起跳转下门限下门限上门限上门限uoui0Uom-Uom23tuiU+HU+LtuoUom-Uom例例:设输入为正弦波设输入为正弦波,画出输出的波形。画出输出的波形。+uoRR2R1uiU+24加上参考电压后的迟滞比较器加上参考电压后的迟滞比较器(下行下行)：+uoRR2R1uiUR上下限：上下限：uoui0U+HU+L传输

15、特性传输特性+UOM-UOM25例题：例题：R1=10k，R2=20k ，UOM=12V，UR=9V当输入当输入ui为如图所示的波形时，画为如图所示的波形时，画 出输出输出出uo的波形。的波形。uoui0U+HU+L+uoRR2R1uiUR传输特性传输特性上下限：上下限：=10V=2V262V10Vuiuo+UOM-UOMuoui0U+HU+L传输特性传输特性+UOM-UOM+uoRR2R1uiUR27+uoRR2R1uiURuoui0U+HU+L+uoRR2R1uiU+uoui0+Uom-UomU+HU+L迟滞比较器迟滞比较器(下行下行)两种电路两种电路传输特性传输特性的比较的比较:282.

16、迟滞比较器迟滞比较器(上行上行)u+=0 时翻转，可以求出时翻转，可以求出上下门限电压。上下门限电压。0URRRuRRRom211i212=+uoRR2R1ui当当u+u-=0 时时,uo=+UOM当当u+u-=0时时,uo=-UOM0URRRRRRom211212=+ui当当uo=-UOM当当uo=+UOMui=ui=29U+HU+Luoui0Uom-Uom传输特性曲线传输特性曲线+uoRR2R1ui迟滞比较器迟滞比较器(上行上行)(续续)上下门限电压上下门限电压30加上参考电压后的迟滞比较器加上参考电压后的迟滞比较器(上行上行)：+uoRR2R1uiUR上下门限电压上下门限电压URURRR

17、uRRRom211i212=+当当uo=+UOM当当uo=-UOMURRRRRRom211212=+uiURUR R2RR21+UR R2RR21+31加上参考电压后的迟滞比较器加上参考电压后的迟滞比较器(上行上行)传输特性传输特性：+uoRR2R1uiUR+uoRR2R1ui对照对照U+HU+Luoui0Uom-UomU+HU+Luoui0Uom-Uom326.3.3 窗口比较器设设R1=R2，则有：，则有：1、电路结构、电路结构 用于判断输入电平是否处于两个已知电用于判断输入电平是否处于两个已知电压之间的电压比较器，常用于自动测试系统、压之间的电压比较器，常用于自动测试系统、故障检测系统等

18、场合。故障检测系统等场合。33 当当uiUH时，时，uo1为为高电高电平平，D3导通；导通；uo2为为低电平低电平,D4截止，截止，uo=uo1。当当uiUL时，时，uo2为高为高电平，电平，D4导通；导通；uo1为低为低电平，电平，D3截止，截止，uo=uo2。当当UHuiUL时时，uo1为为低低电电平平，uo2为为低低电电平平，D3、D4截止，截止，uo为低电平。为低电平。2、工作原理、工作原理窗口电压窗口电压 U=UH UL=2UD346.4 非正弦波产生电路n n6.4.1 矩形波产生电路矩形波产生电路n n6.4.2 三角波产生电路三角波产生电路n n6.4.3 锯齿波产生电路锯齿波

19、产生电路356.4.1 矩形产生电路 比较器的输出电压经一定延时，馈送作为比较器比较器的输出电压经一定延时，馈送作为比较器的输入电压，使比较器自行翻转，产生矩形波输出。的输入电压，使比较器自行翻转，产生矩形波输出。1、电路组成、电路组成RC积分电路积分电路延时兼反馈延时兼反馈迟滞比较器迟滞比较器开关电路开关电路限流限流电阻电阻362、工作原理、工作原理电路的正反馈系数电路的正反馈系数比较电压比较电压设设t=0时，时，uC=0，uo=+Uz则则输出电压输出电压uo通过通过R向向C充电，充电，uC呈指呈指数规律增加。数规律增加。当当t=t1，uCu+时，时，uo跳变为跳变为 Uz。此时此时37uo

20、=Uz 此时此时C通过通过R放电，放电，uC呈指数呈指数规律减小。规律减小。如此周而复始，产生如此周而复始，产生振荡，输出矩形波。振荡，输出矩形波。当当t=t2，uCu+时，时，uo跳变为跳变为+Uz。电容又被充电。电容又被充电。383、振荡周期、振荡周期t1 t2，电容放电。，电容放电。放电时间常数：放电时间常数：1=RC当当t=T1=T/2时，时，代入上式，得，代入上式，得振荡频率：振荡频率：矩形矩形波波产生图产生图394、占空比可调的矩形波产生电路、占空比可调的矩形波产生电路 占空比：矩形波中高电平的持续时间与振占空比：矩形波中高电平的持续时间与振荡周期的比值。方波的占空比为荡周期的比值

21、。方波的占空比为50%。其中其中rd是二极管是二极管D的导通电阻。的导通电阻。改变改变Rw 的中点位置，占空比就可改变。的中点位置，占空比就可改变。为为改改变变输输出出方方波波的的占占空空比比，可可改改变变电电容容C的的充充、放电时间常数。放电时间常数。占空比：占空比：406.4.2 三角波产生电路三角波产生电路 三角波发生器是由迟滞比较器三角波发生器是由迟滞比较器A1和积分器和积分器A2闭闭环组合而成的。环组合而成的。1、电路组成、电路组成2、工作原理、工作原理设设t=0时，时，uC=0，uo1=+Uz运放运放A1同相端的电位：同相端的电位：uo=uC=0此时，此时，uo1通过通过R4向电容

22、向电容C恒流充电，恒流充电，uC线性上升，线性上升，uo线性下降。线性下降。iC=Uz/R441当当t=t1，u+0时，时，A1翻转，翻转，uo1 Uz。C恒流放电，恒流放电，uC线性线性，uo线性线性。C恒流充电，恒流充电，uC线性线性，uo线性线性。42当当t=t2，u+0时，时，A1翻转，翻转，uo1跳变为跳变为+Uz。如此周而复始，产生振如此周而复始，产生振荡，输出三角波荡，输出三角波C恒流放电，恒流放电，uC线性线性，uo线性线性。433、振荡周期、振荡周期t2 t1=T/2三角波三角波产生产生演示演示44 6.4.3 锯齿波产生电路 锯齿波发生器的电路如图所示。显然，为了获得锯齿波，应改变积分器的充放电时间常数。图中的二极管D和R将使充电时间常数减为(RR)C，而放电时间常数仍为RC。锯齿波发生器电路图 锯齿波电路的输出波形图如图所示。45 锯齿波发生器的波形 锯齿波周期可以根据时间常数和锯齿波的幅值求得。锯齿波的幅值为：vo1m=|Vz|=vomR2/R1 vom=|Vz|R1/R2于是有46集成函数发生器8038简介47振荡频率：振荡频率：调调Rp2可使正弦波的失可使正弦波的失真达到较理想的程度真达到较理想的程度管脚图管脚图48