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1、第八章第八章 波形的产生与变换电路波形的产生与变换电路 正弦波振荡电路正弦波振荡电路二、二、RCRC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、四、石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路8.2 8.2 比较器比较器8.3 8.3 非正弦波发生电路非正弦波发生电路一、一、概述概述1.1.产生自激振荡的条件产生自激振荡的条件fidXXX-=改成正反馈改成正反馈只有正反馈电路才能产生自激振荡。只有正反馈电路才能产生自激振荡。基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FiX+dXoXfX8.1 8.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路+一、一、概述概述如果：如果：,ifXX=则去掉则
2、去掉,iX仍有信号输出。仍有信号输出。基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FdXoXfX反馈信号代替了放大反馈信号代替了放大电路的输入信号。电路的输入信号。基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FiX+dXoXfX基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FdXoXfXFA=1Xd=Xf所以，自激振荡条件也可以写成：所以，自激振荡条件也可以写成：自激振荡的条件：自激振荡的条件：（1）振幅条件：）振幅条件：（2）相位条件：）相位条件：pjjnFA2=+n是整数是整数因为：因为：.起振条件和稳幅原理振荡建立与振荡建立与稳定过程图稳定过程图起振条件起振条件：结果：产生增幅振荡结果：产生增幅
3、振荡（略大于）1 1、被动：器件非线性、被动：器件非线性2 2、主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环、主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以节，用以调节调节放大电路的放大电路的增益增益稳幅：稳幅：1.1.放大电路放大电路 2.2.正弦波振荡器的一般组成正弦波振荡器的一般组成2.2.正反馈网络正反馈网络3.3.选频网络选频网络只对一个频率满足振荡条件，从而获得只对一个频率满足振荡条件，从而获得单一频率的正弦波输出。单一频率的正弦波输出。4.4.稳幅电路稳幅电路选频网络组成：选频网络组成：R、C和和L、C正弦波振荡器命名正弦波振荡器命名RCLC低频低频高频高频（石英晶体）（石英晶体）3 3、RC
4、 RC振荡电路振荡电路1.RC 1.RC 串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性R1C1R2C2OUfUR1C1 串联阻抗：串联阻抗：R2C2 并联阻抗：并联阻抗：选频特性：选频特性：)1()1(112211221CRCRjCCRRUUOfww-+=R1C1R2C2OUfU时，相移为时，相移为0 0。1221w1CRCR=w当当22如果：如果：R1=R2=R，C1=C2=C，则：，则：选频特性选频特性w=wo时RC串并联网络的频率特性曲线串并联网络的频率特性曲线RC桥式振荡器的工作原理：桥式振荡器的工作原理：在在 f0 处处满足相位条件：满足相位条件：因为：因为：AF=11f2RR=A=3u
5、o同同相相放放大大器器文文氏氏桥桥选选频频电电路路输出正弦波频率：输出正弦波频率：振幅条件：振幅条件：uo_+RfRCRCR1_+A=3例题例题:R=1kR=1k，F F，R R1 1=10k=10k。R Rf f为多大时才能起振？振荡为多大时才能起振？振荡频率频率f f0 0=？AF=1，A=3=2 10=20k k=1592 Hz起振条件：起振条件：1f2RR=uo_+RfRCRCR1_+能自动稳幅的振荡电路能自动稳幅的振荡电路半导体热敏电阻半导体热敏电阻(负温度系数）负温度系数）起振时起振时R RT T2R2R1 1,使使A3,A3,易起振。易起振。当当u uo o幅度自激增长幅度自激增
6、长达某一值时，达某一值时，R RT T=2R=2R1 1，A=3A=3。当当u uo o进一步增大时，进一步增大时，R RT T2R2R1 1,使使A3AR1AF 1可调可调A 2RF1+RF2 Rf_+Rf1uoR1CCRfD1D1Rf2R28R27R26R25R24R23R22R21R2_+1.LC1.LC并联谐振回路的选频特性并联谐振回路的选频特性CLRuiLici(阻性阻性)LC并联谐振并联谐振特点：特点：谐振时，总路电流很小，支路谐振时，总路电流很小，支路电流很大，电感与电容的无功功率互相补偿，电电流很大，电感与电容的无功功率互相补偿，电路呈阻性。用于选频电路。路呈阻性。用于选频电路
7、。R为电感线圈中的电阻为电感线圈中的电阻 三、三、LC LC正弦波振荡器正弦波振荡器 Q Q为谐振回路的品质因数，为谐振回路的品质因数，Q Q值越大，曲线越陡越窄，值越大，曲线越陡越窄，选频特性越好。图中选频特性越好。图中Q Q1 1Q Q2 2。并联谐振阻抗为并联谐振阻抗为Z Z0 0谐振时谐振时LC并联谐振电路并联谐振电路相当一个电阻。相当一个电阻。LC并联谐振回路的幅频特性曲线并联谐振回路的幅频特性曲线2.2.变压器反馈式变压器反馈式LCLC振荡电路振荡电路 工作原理：工作原理：三极管共射放大器。三极管共射放大器。利用互感线圈的同利用互感线圈的同名端：名端：满足相位条件。满足相位条件。振
8、荡频率振荡频率:判断是否是正反馈判断是否是正反馈:用用瞬时极性法瞬时极性法判断判断uf uIuo +-+(-)(+)(+)(+)(+)(+)(-)LC正弦波振荡器举例正弦波振荡器举例反馈反馈满足相位平衡条件满足相位平衡条件满足相位平衡条件满足相位平衡条件反馈反馈(+)+正反馈正反馈 LC正弦波振荡器举例正弦波振荡器举例振荡频率振荡频率:+UCCCC1Luo满足相位平衡条件满足相位平衡条件仍仍然然由由LC并并联联谐谐振振电电路构成选频网络路构成选频网络A.若若中中间间点点交交流流接接地地，则则首端与尾端相位相反。首端与尾端相位相反。3.3.三点式三点式LCLC振荡电路振荡电路原理：原理：电容三点
9、式电容三点式电感三点式电感三点式中中间间端端的的瞬瞬时时电电位位一一定定在在首、尾端电位之间。首、尾端电位之间。三点的相位关系三点的相位关系B.若若首首端端或或尾尾端端交交流流接接地地，则其他两端相位相同。则其他两端相位相同。4.4.三点式三点式LCLC振荡器振荡器振荡频率：振荡频率：ufuf5.5.电容三点式电容三点式LCLC振荡电路振荡电路振荡频率：振荡频率：+uf-uf例例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。位平衡条件。uo_+ufuo_+uo_+ufuo_+Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。值越高，选频特性越好，频率越稳定。四、
10、四、石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 频率稳定问题频率稳定问题频率稳定度一般由频率稳定度一般由 来衡量来衡量频率偏移量。频率偏移量。振荡频率。振荡频率。LC振荡电路振荡电路 Q 数百数百石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 Q 10000 5000001.1.石英晶体石英晶体2.基本特性基本特性1.结构：结构：极板间加电场极板间加电场极板间加机械力极板间加机械力晶体机械变形晶体机械变形晶体产生电场晶体产生电场压电效应压电效应交变电压交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高当交变电压频率当交变电压频率=固有频率时，振
11、幅最大固有频率时，振幅最大 压电谐振压电谐振3.石英晶体的等效电路与频率特性石英晶体的等效电路与频率特性等效电路：等效电路：（1）串联谐振）串联谐振频率特性：频率特性：晶体等效阻抗为纯阻性晶体等效阻抗为纯阻性（2）并联谐振）并联谐振通常通常所以所以实际使用时外接一小电容实际使用时外接一小电容Cs则新的谐振频率为则新的谐振频率为由于由于由此看出由此看出调整调整2.2.石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路利用石英晶体的高品质因数的特点，构成利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。振荡电路。(1).并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器_+uouf 石英晶体工作在石英晶体工作在fs s与与f
12、p p之间，相当一个大电感，与之间，相当一个大电感，与C C1 1、C C2 2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高，可达到几值很高，可达到几千以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。千以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。2.并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在石英晶体工作在fs s处，呈电阻性，且阻抗最小，正反馈最处，呈电阻性，且阻抗最小，正反馈最强。该电路为电感三点式振荡器。强。该电路为电感三点式振荡器。加入石英晶体是利用石英晶体的高加入石英晶体是利用石英晶体的高Q值，提高振荡频率的值，提高振荡频率的稳定性。稳定性
13、。-例：例：分析下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振分析下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振荡荡,石英晶体处于何种状态？石英晶体处于何种状态？(a)(b)uo8.2 8.2 比较器比较器 将将一一个个模模拟拟电电压压信信号号与与一一参参考考电电压压相相比比较，输出一定的高低电平。较，输出一定的高低电平。功能：功能：特性：特性：运放组成的电路处于非线性状态，输出运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。是非线性函数。_+1.1.运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。运放工作在非线性状态基本
14、分析方法运放工作在非线性状态基本分析方法2.2.运放工作在非线性状态的分析方法：运放工作在非线性状态的分析方法：若若U+U-则则UO=+UOM；若若U+U-则则UO=-UOM。虚断（运放输入端电流虚断（运放输入端电流=0）_+注意：此时不能用虚短！注意：此时不能用虚短！uoui0+UOM-UOM(1).过零比较器过零比较器:（门限电平（门限电平=0）uoui0+UOM-UOM1.1.单门限电压比较器单门限电压比较器uoui_+uouituituo+Uom-Uom例题：利用电压例题：利用电压比较器将正弦波比较器将正弦波变为方波。变为方波。+uoui(2).单门限比较器单门限比较器（与参考电压比较
15、）（与参考电压比较）+uouiUREFuoui0+Uom-UomUREFUREF为参考电压为参考电压当当ui UREF时时,uo=+Uom当当ui UREF时时,uo=-Uom 运放处于运放处于开环状态开环状态+uouiUREFuoui0+Uom-UomUREF当当ui UREF时时,uo=-Uom 若若ui从反相端输入从反相端输入uoui0+UZ-UZ用稳压管稳定输出电压用稳压管稳定输出电压uoui0+UOM-UOM忽略了忽略了UD3.限幅电路限幅电路使输出电压稳定使输出电压稳定uo+uiuo UZ+ui稳幅电路的另一种形式：稳幅电路的另一种形式：将双向稳压管接在负反馈回路上将双向稳压管接在
16、负反馈回路上+uiuo UZR R_uoui0+UZ-UZR=R2.2.滞回比较器滞回比较器(1).迟滞比较器迟滞比较器特点特点:电路中使用正反馈电路中使用正反馈1、因为有正反馈，所以输、因为有正反馈，所以输出饱和。出饱和。2、当、当uo正饱和时正饱和时(uo=+UOM)：+om211+UURRRUT T=+=3、当、当uo负饱和时负饱和时(uo=-UOM)：-om211+UURRRUT T=+-=+uoRR2R1uiU+迟滞比较器迟滞比较器uoui0+Uom-UomUT+UT-设设ui ,当当ui=UT+,uo从从+UOM -UOM+uoRR2R1uiU+传输特性传输特性uoui0+Uom-
17、UomUT+UT-UT+上门限电压上门限电压UT-下门限电压下门限电压UT+-UT-称为回差称为回差om211URRR+=+UT Tom211URRR+=-=-UT TtuiUT+UT-tuoUom-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+uo+RR2R1uiU+uo UZ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：上下限上下限阈值阈值：uoui0UT-UT+传输特性传输特性+UZ-UZ+RR2R1uiUREFuo UZ例题：例题：R1=10k，R2=10k ，UZ=6V，UR=10V。当。当输入输入ui为如图所示的波形时，
18、画为如图所示的波形时，画 出输出出输出uo的波形。的波形。上下限阈值：上下限阈值：+RR2R1uiUREFuo UZ3V8Vuiuo+UZ-UZ+RR2R1uiUREFuo UZ1.电路结构电路结构由滞回比较电路和由滞回比较电路和RC定时电路构成的定时电路构成的上下限上下限阈值阈值:8.3 非正弦波发生电路非正弦波发生电路+RR1R2Cucuo2.工作原理：工作原理：(1)设设 uo=+UOM,此时，输出给此时，输出给C 充电充电,uc 则：则：u+=UT+0tuoUOM-UOMucUT+0t一旦一旦 uc UT+,就有就有 u-u+,在在 uc UT+时，时，u-RwcUOMuo0t-UOM
19、-+RWR1R2CucD1D2abc8.7 三角波、锯齿波发生器三角波发生器波形图电路与电路与工作原理工作原理：锯齿波发生器应改变积分器的充放电时间常数应改变积分器的充放电时间常数充电：充电：(RR)C，放电：仍为，放电：仍为RC本章小结本章小结1自自激激振振荡荡可可以以使使反反馈馈放放大大器器工工作作不不稳稳定定，我我们们可可以以利利用用正正反反馈馈电电路路产产生生自自激激振振荡荡，以以产产生生正正弦弦波波。正正弦弦波波振振荡荡电电路路由由放放大大器、反馈网络、选频网络和稳幅环节构成器、反馈网络、选频网络和稳幅环节构成2正正弦弦波波振振荡荡电电路路主主要要有有RC振振荡荡电电路路和和LC振振
20、荡荡电电路路两两种种。RC振振荡荡电电路路主主要要用用于于中中低低频频场场合合，LC振振荡荡电电路路主主要要用用于于高高频频场场合合。石石英英晶晶体体振振荡荡电电路路是是一一种种特特殊殊类类型型的的LC振振荡荡电电路路，其其特特点点是是具具有很高的频率稳定性。有很高的频率稳定性。3比比较较器器是是一一种种能能够够比比较较两两个个模模拟拟量量大大小小的的电电路路。由由于于集集成成运运放放的的开开环环电电压压增增益益很很高高，所所以以，当当集集成成运运放放工工作作在在开开环环状状态态时时，可可以以作作为为比比较较器器使使用用。运运放放工工作作在在非非线线性性状状态态，其其输输出出电电压压仅仅为为正正负负饱饱和和值值，输输入入信信号号“虚虚短短”的的概概念念也也不不再再成成立立。迟迟滞滞比比较器具有回差特性，在信号处理电路中得到广泛应用较器具有回差特性，在信号处理电路中得到广泛应用4在在方方波波、锯锯齿齿波波和和三三角角波波等等非非正正弦弦波波信信号号发发生生器器中中，运运放放一一般般工工作作在在非非线线性性状状态态。电电路路是是由由积积分分器器、反反馈馈网网络络、和和比比较较器器等等环环节节组组成成，属属于于一一种种弛弛张张振振荡荡电电路路。这这类类电电路路得得到到广广泛泛的的应应用。用。