1、第八章第八章 波形的產生與變換電路波形的產生與變換電路8.1 正弦波振蕩的基本原理正弦波振蕩的基本原理8.2 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路8.3 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路8.4 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路8.5 比較器比較器8.6 方波發生器方波發生器8.7 三角波及鋸齒波發生器三角波及鋸齒波發生器8.1 正弦波振蕩器的基本原理正弦波振蕩器的基本原理一一. 產生自激振蕩的條件產生自激振蕩的條件fidXXX-=只有正反饋電路才能產生自激振蕩。只有正反饋電路才能產生自激振蕩。+Xi f基本放大器基本放大器A反饋網絡反饋網絡FX+doXX改成正反饋改成正反饋+如果：如果：,dfXX

2、=則去掉則去掉,iX仍有信號輸出。仍有信號輸出。即反饋信號代替了放即反饋信號代替了放大電路的輸入信號。大電路的輸入信號。Xi +f基本放大器基本放大器A反饋網絡反饋網絡FX+doXXfidXXX+=AF=1Xd=Xf所以，自激振蕩條件也可以寫成：所以，自激振蕩條件也可以寫成：自激振蕩的條件：自激振蕩的條件：（1）振幅條件：）振幅條件：1|=AF（2）相位條件：）相位條件：pjjnFA2=+n是整數是整數1.=FAAAAj=|因為：因為：FFFj=|.Xdof基本放大器基本放大器A反饋網絡反饋網絡FXX二二.起振條件和穩幅原理起振條件和穩幅原理起振條件：起振條件：結果：產生增幅振蕩結果：產生增幅

3、振蕩1| FA（略大于）（略大于）1 1、被動：利用放大器的限幅特性、被動：利用放大器的限幅特性2 2、主動：在電路中加入穩幅環節，用以、主動：在電路中加入穩幅環節，用以調節放大電路的環路調節放大電路的環路增益增益穩幅過程：穩幅過程：穩幅措施：穩幅措施：Xdof基本放大器基本放大器A反饋網絡反饋網絡FXX干擾、噪聲中選擇所干擾、噪聲中選擇所需的頻率成分需的頻率成分起振時，起振時，1| FA穩定振蕩時，穩定振蕩時，1|= = FA 1.1.基本放大電路基本放大電路 A 三三. . 正弦波振蕩器的組成正弦波振蕩器的組成2.2.正反饋網絡正反饋網絡 F3.3.選頻網絡選頻網絡4.4.穩幅環節穩幅環節

4、 使電路易于起振又能使電路易于起振又能穩定振蕩，波形失真小穩定振蕩，波形失真小RC，LC，晶體晶體A與與F首尾相連首尾相連正弦波振蕩器命名正弦波振蕩器命名RCLC低頻低頻高頻高頻晶體晶體穩頻穩頻幾百幾百KHzKHz以下以下 幾百幾百KHzKHz至幾百至幾百MHzMHz振蕩頻振蕩頻率穩定率穩定四四. . 振蕩電路的分析方法振蕩電路的分析方法判斷能否產生振蕩的一般方法判斷能否產生振蕩的一般方法(1). 檢查電路的基本組成(4). 用相位平衡條件相位平衡條件判定電路能否振蕩。將電路在放大器輸入端斷開，利用瞬時極性法判斷電路是否是正反饋 (2). 檢查放大電路是否正常工作(3). 分析是否滿足振蕩產生

5、的幅值平衡條件幅值平衡條件。 一般一般|AF|應略大于18 . 2 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 8.2.1、RC橋式振蕩電路橋式振蕩電路 8.2.2、RC移相式振蕩電路移相式振蕩電路8.2.1 RC橋式振蕩電路橋式振蕩電路RC橋式振蕩器結構圖橋式振蕩器結構圖基本放大器基本放大器A正反饋網絡正反饋網絡F選頻網絡運放的限幅特性運放的限幅特性uRf1RRRCCufA+oRC 串并聯串并聯網絡網絡一一. RC 串并聯網絡的選頻特性串并聯網絡的選頻特性R1C1 串聯阻抗：串聯阻抗：)j/1(111CRZ + += =222222j1 )j/1/(CRRCRZ + += = =R2C2 并聯阻抗：并

6、聯阻抗：選頻特性選頻特性(傳輸增益傳輸增益)+Ru+-o-fu+12RC12C212ofZZZUUF+ += = =.1.定性分析：定性分析：（1）當信號的頻率很低時）當信號的頻率很低時R111CR221C其低頻等效電路為：其低頻等效電路為：其頻率特性為：其頻率特性為：當當=0時，時，uf=0，F=0 =+90Fj當當時，時，uf=，F Fj+fo-+R21u-uC+0 |F|0 F90+Ru+-o-fu+12RC12C.ofUUF = =.（2）當信號的頻率很高時）當信號的頻率很高時R111CR221C其高頻等效電路為：其高頻等效電路為：其頻率特性為：其頻率特性為：當當=時，時，uf=0，F

7、=0 =-90Fj當當時，時，uf=，F Fj+ou-f-u+2C+1R0 |F|0 F-90+Ru+-o-fu+12RC12C0=？ Fmax=？由以上分析知：一定有一個頻率由以上分析知：一定有一個頻率0存在，存在，當當=0時，時，F最大，且最大，且 =0Fj0 |F|0 F900 |F|0 F-902. 定量分析定量分析)j/1 (111CRZ+=222222j1 )j/1/(CRRCRZ+=R1C1 串聯阻抗：串聯阻抗：R2C2 并聯阻抗：并聯阻抗：頻率特性：頻率特性：+Ru+-o-fu+12RC12C212ofZZZUUF+ += = =.)1j()1 (1j1j1j112212112

8、22211222CRCRRRCCCRRCRCRR-+=+=)1j()1(1j1j1j11221211222211222CRCRRRCCCRRCRCRRF - -+ + + += =+ + + + += = 通常，取通常，取R1R2R，C1C2C，則有：，則有：)j(3100 - -+ += = F式中：式中：RC10= = 可見：當可見：當 時，時， F最大，且最大，且 =0RC10=Fj Fmax=1/3+Ru+-o-fu+12RC12C+Ru+-o-fu+RCCRC串并聯網絡完整的頻率特性曲線：串并聯網絡完整的頻率特性曲線：RC10= = 當當 時，時， F= Fmax=1/30F=jRC

9、10=RCfp p210= = Fo +90o |F|1/32002)(31|-+=F3)(arctg00j-=F)j(3100 - -+ += = F二二.RC橋式振蕩器的工作原理橋式振蕩器的工作原理0=Aj在在 f0 處處,0=Fj滿足相位條件：滿足相位條件：因為：因為：AF=131=F11f+=RRA1f2RR =只需：只需：A=3輸出正弦波頻率輸出正弦波頻率：RCfp210=0=+FAjj振幅條件：振幅條件：uRf1RRRCCufA+o引入負反饋：引入負反饋：選：選：例題例題: :R=1k=1k ，C=0.1=0.1 F F，R1 1=10k=10k 。Rf f為多大時才為多大時才能起

10、振？振蕩頻率能起振？振蕩頻率f0 0= =？ AF=1，31=F11f+=RRAA=3Rf=2R1=2 10=20k k RCfp210=1592 Hz起振條件：起振條件：uRf1RRRCCufA+o能自動穩幅的振蕩電路能自動穩幅的振蕩電路半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻(負溫度系數）負溫度系數）起振時起振時Rt較大較大 使使A3,易起振。易起振。 當當uo幅度自激增長幅度自激增長時，時， Rt減小，減小，A減減小。小。 當當uo幅度達某一值幅度達某一值時，時， A3。 當當uo進一步增大時，進一步增大時， Rt再減小再減小 ,使使A3。 因此因此uo幅度自動穩幅度自動穩定于某一幅值。定于某一幅值

11、。u0.1u10k0.1u+Afu10k10k39k100kotRfHz15910102121740=-RCf能自動穩幅的振蕩電路能自動穩幅的振蕩電路 起振時起振時D1、D2不導通，不導通，Rf1+Rf2略大于略大于2R1。隨著。隨著uo的增加，的增加， D1、D2逐漸逐漸導通，導通，Rf2被短接，被短接，A自動自動下降，起到穩幅作用。下降，起到穩幅作用。 將將Rf分為分為Rf1 和和Rf2 ， Rf2并聯二極管并聯二極管u12ARCo1RR+C.+D1D2Rf1f2RRC橋式振蕩電路仿真仿真電路結果K：雙聯波段開關，：雙聯波段開關，切換切換R，用于，用于粗調振蕩頻率。粗調振蕩頻率。C：雙聯可

12、調電容，改變：雙聯可調電容，改變C，用于細調振蕩頻率。，用于細調振蕩頻率。振蕩頻率的調節：振蕩頻率的調節：_+ + RfuoRCCR1 1KKR1R1R2R2R3R3振蕩頻率：振蕩頻率：RCfp210=三三.RC移相式振蕩電路移相式振蕩電路 基本放大器基本放大器A正反饋網絡正反饋網絡F移相式選頻網絡1+uofuRRRCCCRC超前移相電路超前移相電路 +uouf+RRRCCCRC滯后移相電路滯后移相電路 Fo +90+180+2700 Fo -90-180-2700移相網絡的選頻特性：移相網絡的選頻特性：RCf6210p p= =RC610= = 基本放大器基本放大器A正反饋網絡正反饋網絡FR

13、C移相式振蕩電路的工作原理移相式振蕩電路的工作原理相位條件：相位條件：o180= =Aj j在在 f0 處處o180= =Fj jo360= =+ +FAj jj j滿足相位條件：滿足相位條件：幅值條件幅值條件:很易滿足很易滿足RCf6210p p= =振蕩頻率：振蕩頻率：u+A+/ /= =/oR2R1R0RRCCCufRRR01R1判斷電路能否產生振蕩判斷電路能否產生振蕩CRCCRT1T2Re1Re2Rc2Rc1Rb1VCCCCT1T2Re1Re2Rc2Rc1Rb1VCC判斷電路能否產生振蕩判斷電路能否產生振蕩CCT1T2Re1Re2Rc1Rb1VCCCRRReR1R2R4R3RRRCCC

14、VCC-VEERC正弦波振蕩器共同點正弦波振蕩器共同點1. 結構簡單，制作方便，經濟可靠；結構簡單，制作方便，經濟可靠；2. 振蕩頻率與振蕩頻率與RC的乘積成反比，如果需要振蕩頻率較的乘積成反比，如果需要振蕩頻率較高時，要求高時，要求R，C值較小，實現困難。值較小，實現困難。3. RC選頻網絡的選頻特性較差。選頻網絡的選頻特性較差。變壓器反饋式變壓器反饋式電感三點式電感三點式電容三點式電容三點式分類分類8.3 LC 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 由于由于LC振蕩電路的振蕩頻率很高，放大電路的振蕩電路的振蕩頻率很高，放大電路的帶寬會影響振蕩頻率。一般集成運放頻帶較窄，所以帶寬會影響振蕩頻率。一般

15、集成運放頻帶較窄，所以LC振蕩電路中的放大器一般采用高頻振蕩電路中的放大器一般采用高頻BJT分離元件分離元件組成，而且組成，而且BJT放大器的組態多用共基極接法。放大器的組態多用共基極接法。結構上：結構上：選頻網絡由選頻網絡由L和和C元件組成，一般作為放大元件組成，一般作為放大器的負載，使放大環節具有選頻特性。器的負載，使放大環節具有選頻特性。1. LC并聯諧振回路的選頻特性并聯諧振回路的選頻特性R為電感線圈中的損耗電阻為電感線圈中的損耗電阻等效阻抗：等效阻抗： CL001 = =并聯諧振并聯諧振 ：LC10= =諧振頻率諧振頻率 RCLZ = =0諧振阻抗諧振阻抗LC10= =RCLZZ=

16、= =0(阻值最大阻值最大且為純阻且為純阻)1j(jj1)j(j1CLRCLLRCLRCIUZ - -+ += =+ + + + = = -+LCRiCiLiuZ一、一、 LC并聯諧振回路并聯諧振回路LC 并聯回路的基本特性并聯回路的基本特性)1(CLjRCLZ-+=b. 諧振時的等效阻抗諧振時的等效阻抗CQLQRCLZ000 =CLRRCRLQ1100= Q: 回路品質因數回路品質因數,用來評價回路損耗的大小用來評價回路損耗的大小, 一般為幾十到幾百一般為幾十到幾百a. 諧振頻率諧振頻率LC10=LCfp210=LC10= = RCLZZ= = =0|(阻性阻性)幅頻特性幅頻特性 相頻特性相

17、頻特性Q值越高，則幅頻特性越尖銳，選頻特性越好。值越高，則幅頻特性越尖銳，選頻特性越好。LC并聯諧振回路的特性曲線并聯諧振回路的特性曲線)21(0LCfp p= =0= = （最大值（最大值)CLRQ1= =品質因數品質因數 由相頻特性可由相頻特性可知，當知，當0 0時，由于時，由于L1/CL UREF時時 , uo = +Uom當當ui UREF時時 , uo = -Uom 運放處于運放處于開環狀態開環狀態uuU+i-uuAOREFuoui0+Uom-UomUREF當當ui UREF時時 , uo = -Uom 若若ui從反相端輸入從反相端輸入uoui0+UZ-UZ（1）用雙向穩壓管穩定輸出

18、電壓）用雙向穩壓管穩定輸出電壓忽略了忽略了UD3. 限幅電路限幅電路使輸出電壓為一穩定的確定值使輸出電壓為一穩定的確定值uuZ+O+-AuZ+DuRi當當ui 0時時 , uo = +UZ當當ui 0時時 , uo = -UZ當當ui 0時時 , uo = +UZ 電路中存在非線性負反饋元件，運放工作在線性狀態電路中存在非線性負反饋元件，運放工作在線性狀態對于單門限比較器，如果輸入在對于單門限比較器，如果輸入在門限電平附近波動時，輸出將不門限電平附近波動時，輸出將不斷在高、低電平之間跳變斷在高、低電平之間跳變。二二. 遲滯遲滯(滯回滯回)比較器比較器1.工作原理工作原理兩個門限電壓。兩個門限電

19、壓。特點特點:電路中使用正反饋電路中使用正反饋運放工作在非線性區。運放工作在非線性區。（1）當）當uo =+UZ時，時，（2）當）當uo =-UZ時，時，REFZURRRURRRUu2ff2f2T+ + + += = =+ + +REFZURRRURRRUuf2ff22T+ + + +- -= = =- -+ +UT+稱上門限電壓稱上門限電壓UT-稱下門限電壓稱下門限電壓UT+- UT-稱為回差電壓稱為回差電壓uuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2疊加原理！疊加原理！遲滯比較器的電壓傳輸特性：遲滯比較器的電壓傳輸特性：uoui0+UZ-UZUT+UT-設設ui , 當當ui = U

20、T+時時, uo從從+UZ -UZuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2主要特點：抗干擾能力強。當輸入信號受干擾或噪聲的影響而上下波動的時候，只要根主要特點：抗干擾能力強。當輸入信號受干擾或噪聲的影響而上下波動的時候，只要根據噪聲或干擾的電平適當調整兩個閾值電壓就可以避免輸出電壓在高低電平之間反復跳據噪聲或干擾的電平適當調整兩個閾值電壓就可以避免輸出電壓在高低電平之間反復跳變。變。例題：例題：Rf=10k ，R2=10k ，UZ=6V， UREF=10V。當輸入當輸入ui為如圖所示的波形時，畫為如圖所示的波形時，畫 出輸出出輸出uo的波形。的波形。上下門限電壓：上下門限電壓：V82

21、ff2f2T= =+ + + += =+ +RZURRRURRRUV32ff2f2T= =+ + + +- -= =- -RZURRRURRRUuoui08V3V傳輸特性傳輸特性+6V-6VuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R23V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V3V傳輸特性傳輸特性+6V-6VuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R28.6 方波發生器方波發生器1.電路結構電路結構由滯回比較電路和由滯回比較電路和RC定時電路構成定時電路構成ZURRRUf11T+ += =+ +ZURRRUf11T+ +- -= =- -上下門限電壓上下門限電壓:u+A+-u+u1R

22、fRZRZDORCuC2.工作原理：工作原理：(1) 設設 uo = + UZ , 此時，此時，uo給給C 充電充電, uc ，則：則：u+=UT+0tuo+UZ-UZucUT+0t一旦一旦 uc UT+ , 就有就有 u- u+ , uo 立即由立即由UZ變成變成UZ在在 uc UT+ 時，時，u- u+ , 設設uC初始值初始值uC(0+)= 0方波發生器方波發生器uo保持保持+UZ不變不變+UZu+A+-u+u1RfRZRZDORCuC此時，此時，C向向u uO O放電放電, ,再反向充電再反向充電(2) 當當uo = -UZ 時，時， u+=UT-uc達到達到UT-時，時，uo上跳。上

23、跳。UT+uctUT-當當uo 重新回到重新回到UZ 后，電路又進入另一個周期性的變化。后，電路又進入另一個周期性的變化。-UZu+A+-u+u1RfRZRZDORCuC0UT+uctUT-+UZuo0t - UZT完整的波形：完整的波形：計算振蕩周期計算振蕩周期T。u+A+-u+u1RfRZRZDORCuC周期與頻率的計算：周期與頻率的計算：0 UT+uct UT- +UZ -UZT1T2TT= T1 + T2 =2 T2 uc(t)=UC ( )+ UC (0+) -UC ( ) e , =RC-t T2階段階段uc(t)的過渡過程方程為的過渡過程方程為:)21ln(2f1RRRCT+ +

24、= =f = 1/T可推出可推出:u+A+-u+u1RfRZRZDORCuC3 3、占空比可調的方波發生器占空比可調的方波發生器UZuo0t- UZ 改變電位器改變電位器 RW 的滑動端，就改變了沖放電的的滑動端，就改變了沖放電的時間，從而使方波的占空比可調。時間，從而使方波的占空比可調。u+A+-u+u1RfRZRZD1D2DORWRCuC8.7 三角波及鋸齒波信號發生器三角波及鋸齒波信號發生器電路結構：遲滯比較器電路結構：遲滯比較器+反相積分器反相積分器一一. 三角波發生器三角波發生器u+R+A1+RZ-2ZDu4Ro2+R1R35RCuuo1A2工作原理工作原理：若若uo1=+UZ， uo2， u+ 。)(0dt12o01o42o+ + +- -= = uuCRut2o2121o211uRRRuRRRu+ + + += =+ + 當當u+ 0時，時， uo1翻轉為翻轉為-UZ。若若uo1=-UZ， uo2， u+ 。 當當u+ 0時，時， uo1翻轉為翻轉為+UZ。波形圖波形圖振蕩周期：振蕩周期：0UT+uo2tUT-+UZuo10t - UZTuR-+Z+uRR+12A1u4R+CA2RZD5+uo1o2ZTURRU21= =+ +ZTURRU21- -= =- -2414RCRRT = = 二二.鋸齒波發生器鋸齒波發生器改變積分器的正反向改變積