波形产生电路与变换电路课件

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1、第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院第六章第六章 波形产生电路与变换电路波形产生电路与变换电路 6.1 非正弦波产生电路非正弦波产生电路 6.2 正弦波产生电路正弦波产生电路 第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院6.1 非正弦波产生电路非正弦波产生电路 2K1i充i放RCUCCuRuC图 6 1 利用电容充放电产生脉冲波形原理图 第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院RCUuuCCCC充,)(,0)0(RCuUuCCCC放,0)(,)0(由图 6-1 得其三要素为 其充放电的波形如图 6-2 所示,改变充放电时间常数,可得到不同波形。第六章 波形产

2、生电路与变换电路 延安大学西安创新学院UCCTuCO放充t(a)充放 T UCCTtuCO(b)充放 TtuCOUCC(c)充 放,充 T图图 6 2 电容充放电的波形电容充放电的波形 第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院6.1.1 矩形波产生电路矩形波产生电路 RRouoR3R2CuC UzVDz1VDz2图 6 3 矩形波产生电路 第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院1.工作原理工作原理 在图 6-3 所示电路中,通过Ro和稳压管VDz1、VDz2对输出限幅,如果它们的稳压值相等,即Uz1=Uz2=Uz,那么电路输出电压正、负幅度对称：UOH=+Uz,UOL

3、=-Uz,同相端电位 由uo通过R2、R3分压后得到,这是引入的正反馈；反相端电压 受积分器电容两端的电压uC控制。UU第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院 当电路接通电源时,与 必存在差别。或 是随机的。尽管这种差别极其微小,但一旦出现 ,uo=UOH=+Uz。反之,当出现 时,uo=UOL=-Uz。因此,uo不可能居于其它中间值。设t=0(电源接通时刻)，电容两端电压uC=0,滞回比较器的输出电压uo=+Uz,则集成运放同相输入端的电位为 UUUUUUUUUUzURRRU322第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院此时,输出电压uo=+Uz对电容充电,使 由零

4、逐渐上升。在等于以前,uo=+Uz不变。当 时 输出电压uo从高电平+Uz跳变为低电平-Uz。当uo=-Uz时,集成运放同相输入端的电位也随之发生跳变,其值为zoUuUUUUzURRRU322同时电容器经R放电,使 逐渐下降。在 等于 以前,不变,当 时,uo从-Uz跳变为+Uz,也随之而跳变为 ,电容器C再次充电。如此周而复始,产生振荡,从uo输出矩形波，其波形如图 6-4 所示。CuUUUzoUuUUUzURRR322第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院 Uz UzOz322URRRz322URRRUzT2T1 Uztuo uC图 6 4 矩形波产生电路波形图 第六章 波形

5、产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院2.振荡周期计算振荡周期计算)()()0()(111TuuuunTCCCC放21TTTzCzCzCURRRTuURRRuUuRC3221322)()0()(放其中（6-4）第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院322132232322322121122112111RRnRCTTTRRnRCTRRnRCURRRUURRRUnRCTzzzz代入式(6 -4)得同理求得 第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院 如果UOH|UOL|,则上述 ,T1T2,输出为矩形波。如果|UOH|=|UOL|,但充放,T1T2,那么输出也为矩形波。通

6、常定义矩形波为高电平的时间T2与周期T之比为占空比D,即OLUUTTD2第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院RRouoR3R2CuC UzVD2RWRWVDz3VDz4图 6 5 占空比可调电路RrrRRrRTTDddWdW22112第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院6.1.2 三角波产生电路三角波产生电路 RouoRR2 UzRRoRR3A1A21ouCVDz1VDz2图 6 6 三角波产生电路 第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院1.工作原理工作原理 Uz UzO1outtOUom UomuoT21T21图 6 7 双运放非正弦波产生电路的

7、波形第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院2.计算计算(1)uo幅值计算。1322323oouRRRuRRRU 当 时,对应的uo值为输出三角波的幅值Uom,即0UU132oomuRRU第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院当uo1=+Uz时 zomURRU32当uo1=-Uz时 zomURRU32（6-11）第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院 (2)振荡周期的计算。由A2的积分电路可求出振荡周期,其输出电压uo从-Uom上升到+Uom所需时间为T/2,所以omTzUdtURC212/0zomUURCT4324RRCRT 2341RCRRTf得将式

8、(6-11)代入,可得 第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院6.1.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路 RouoRR2 UzRoRR3A1A21ouVD1VD2RWRWCVDz3VDz4图 6 8 锯齿波产生电路 第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院T2T1T2T1ttOO1ouUz Uzz32URRz32URRUzz32URRz32URR Uz1ouuouo(a)充放，负向锯齿波形(b)充放，正向锯齿波形图图 6 9 锯齿波产生电路波形锯齿波产生电路波形 第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院锯齿波的幅度和振荡周期与三角波相似。1322323oou

9、RRRuRRRU当 时,对应的uo值为 0UU132oomuRRU当uo1=+Uz时 zomURRU32当uo1=-Uz时 zomURRU32第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院振荡周期为T=T1+T2,电容充电时间T1为zomTzWdURRUdtUCRr32022)(111则 CRrRRTWd)(23211电容放电时间T2为 zomTzWWdURRUdtUCRRr32022)(122第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院则CRRrRRTWWd)(23222故振荡周期为CRrrRRTTTWdd)(2213221式中rd1、rd2为二极管VD1、VD2导通时的电阻。

10、第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院6.1.4 波形变换电路波形变换电路 波形变换电路的功能是将一种形状的波形变换成另一种形状的波形,以适应各种不同的需要。第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院6.2 正弦波产生电路正弦波产生电路 6.2.1 产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件 AFiXfXiXXo图图6 15 正弦波产生电路的基本结构正弦波产生电路的基本结构 第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院 正弦波发生电路的基本结构是引入正反馈的反馈网络和放大电路,如图6-15所示。接成正反馈是产生振荡的首要条件,又称为相位条件。为了使电路在没有外加信

11、号时 ,就产生振荡,所以还要求电路在开环时满足0iX,iiifXXFAXX或即 1FA第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院 正弦波产生电路一般应包括以下几个基本组成部分:(1)放大电路。(2)反馈网络。(3)选频网络。(4)稳幅电路。判断一个电路是否为正弦波振荡器,就看其组成是否含有上述四个部分。第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院 判断振荡的一般方法是:(1)是否满足相位条件,即电路是否为正反馈,只有满足相位条件才有可能振荡。(2)放大电路的结构是否合理,有无放大能力,静态工作点是否合适。(3)分析是否满足幅度条件,检验 ,若 ,则不可能振荡。,能振荡,但输出

12、波形明显失真。,产生振荡。振荡稳定后 。再加上稳幅措施,振荡稳定,而且输出波形失真小。1FA1FA1FAFA1FA第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院6.2.2 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 1.RC串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性 R1C1C2R2iU2UC1R2iU2UiU2UR1C2(a)RC串并联电路(b)低 频等效电路(c)高 频等效电路图图 6 16 RC串并联网络及其高低频等效电串并联网络及其高低频等效电路路第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院 当信号频率足够低时,可得到近似的低频等效电路,如图6-16(b)所示。它是一个超前网络。输出电压

13、 相位超前输入电压 。当信号频率足够高时,其近似的高频等效电路如图 6-16(c)所示。它是一个滞后网络。输出电压 相位落后输入电压 。因此可以断定,在高频与低频之间存在一个频率fo,其相位关系既不是超前也不是落后,输出电压 与输入电压 相位一致。这就是RC串并联网络的选频特性。22111,1RCRC2UiU22111,1RCRC2UiUiU2U第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院2221122222112221111/11/CRjRCjRCRjRCjRCjRCjRUUi122121122111CRCRjRRCCUUi整理后得 由图6-16(a)可得 第六章 波形产生电路与变换

14、电路 延安大学西安创新学院通常取R1=R2=R,C1=C2=C,则 ooijUU312其中 ,即RCo1RCfo21(6-23)式(6 -23)所代表的幅频特性为 221231ooUU第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院相频特性为 oo31arctan0.111031i2UUoo900100.1190图图 6 17 RC串并联网络的频率特性串并联网络的频率特性 可见,当=o=1/RC时,达到最大值,且等于 1/3,而相移=0。iUU2第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院2.RC串并联网络正弦波振荡电路串并联网络正弦波振荡电路 RfR1RCCRuo图图 6 18

15、RC串并联网络正弦波振荡电路串并联网络正弦波振荡电路 第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院 由RC串并联网络的选频特性得知,在=o=1/RC时,其相移F=0,为了使振荡电路满足相位条件要求放大器的相移A也为0(或360)。所以,放大电路可选用同相输入方式的集成运算放大器或两级共射分立元件放大电路等。由于它是RC串并联网络选频特性,所以使信号通过闭合环路 后,仅有=o的信号才满足相位条件,因此,该电路振荡频率为o,从而保证了电路输出为单一频率的正弦波。nFAAF2FA第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院为了使电路能振荡,还应满足起振条件,即要求1FA 而图 6-1

16、8 所示的反馈系数就是RC串并联网络的传输系数,如式(6-23)所示,即ooofjUUF31放大器的放大倍数11RRAf(6-27)第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院当=o时,因而按起振条件式(6 -27),要求3/1F311RRAf12RRf即 例如,若Rf=20k,则取R1=10k,用 8.2 k的电阻和 4.7k的电位器串联作为R1,这样便于调整,使之满足式(6-29)而起振。该电路的振荡频率为RCfo21第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院RfRCCRuoR1VD1VD2(a)电路IUOABDC(b)稳幅原理图 6 19 二极管稳幅电路的RC串并联网络

17、振荡电路 第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院6.2.3LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 1.LC并联回路的选频特性并联回路的选频特性 CLRI图 6 20 LC并联电路 第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院CLjRCLCLjRLjCjLjRCjLjRCjZ1111)(1对于某个特定频率o,满足 ,即CLoo1LCo1或 LCfo21第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院CLQCQLQRCLZoooCLRCRRLQoo11 此时电路产生并联谐振,所以fo叫作谐振频率。谐振时,回路的等效阻抗呈现纯电阻性质,且达到最大值,称为谐振阻抗Zo,这时其中 L

18、QUZUIooLC并联回路谐振时的输入电流为 第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院而流过电感的电流为 LUIoL所以 IQIL通常Q1,所以 ,即谐振时,LC并联电路的回路电流比输入电流大得多,此时谐振回路外界的影响可忽略。谐振时式(6-31)虚部为零,所以相移也为零。IIILC第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院fofQ1Q29090fofQ1Q2(a)阻抗频率特性(Q1 Q2)(b)相频特性 (Q1 Q2)z图 6 21 LC并联回路的频率特性 第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院2.变压器反馈式变压器反馈式LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路

19、fU注入点ReCe2bR1bRCbCL UCC(a)注入点2bR1bR UCCfUReCeLCb C注入点Cb2bR1bRReCefULC UCC(b)(c)图 6 22 变压器反馈式LC正弦波振荡电路第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院 振荡的起振幅值条件为 ,只要变压器的匝数比设计恰当,一般都可满足幅值条件。在满足相位条件的前提下仍不起振,可加、减变压器次级绕组的匝数,使之振荡。当Q值较高时,振荡频率fo就等于LC并联回路的谐振频率,即ifUULCfo21第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院3.三点式三点式LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 fUReCe UC

20、C2bR1bRCb(a)fURe UCC2bR1bRCb(c)L1L2C1C2LReCe2bR1bR UCCRcCbCcCL1L2fU(b)ReCe2bR1bR UCCRcCbLC1C2fU(d)C图图 6 23 三点式振荡电路三点式振荡电路 第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院 电感三点式正弦波振荡电路的振荡频率基本上等于LC并联电路的谐振频率,即CLfo212121CCCCC其中L是谐振回路的等效电感,即MLLL22121LCfo 电容三点式正弦波振荡电路的振荡频率近似等于LC并联电路的谐振频率,即对图 6-23(c)、(d)第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新

21、学院ReCe2bR1bR UCCRcCbLC1C2fUC图图 6 24 电容三点式改进型正弦波振荡电路电容三点式改进型正弦波振荡电路 第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院211111CCCC在选取电容参数时,可使C1C,C2C,所以 CC 故 LCfo21 fo仅取决于电感L和电容C,与C1、C2和管子的极间电容关系很小,因此振荡频率的稳定度较高,其频率稳定度f/fo的值可小于0.01%。第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院4.石英晶体正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路1)石英晶体的基本知识 Ofsfpf感性容性容性(b)等效电路(c)电抗频率特性(R0)Co

22、LCRx图图 6 25 石英晶体谐振器石英晶体谐振器 第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院LCfs21osoopCCfCCCCLf121 从石英晶体谐振器的等效电路可知,它有两个谐振频率,即当L、C、R支路发生谐振时,它的等效阻抗最小(等于R)。串联谐振频率为 当频率高于fs时,L、C、R支路呈感性,可与电容Co发生并联谐振,并联谐振频率为 由于CCo,因此fs和fp非常接近。第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院2)石英晶体振荡器石英晶体振荡器 Re2bR1bR UCCRcCbC1C2ReRcC1C2CoRCL(a)电路(b)石英晶体等效电路图图 6-26 并联型石英晶体正弦波振荡电路并联型石英晶体正弦波振荡电路)(21CCCCCCLfooo2121CCCCC式中,由于CCCo,所以fofs,此时石英晶体的阻抗呈感性。第六章 波形产生电路与变换电路 延安大学西安创新学院 UCC2bR1bRCb1cR1eR2eRR5V1V2oU图 6-27 串联型石英晶体正弦波振荡电路