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1、8.2三角波发生器三角波发生器8.3RC正弦波振荡器正弦波振荡器8.1信号发生电路信号发生电路第第8章章波形产生电路与变换电路波形产生电路与变换电路1根据振荡器产生的波形不同，又分为根据振荡器产生的波形不同，又分为正弦波振荡器（正弦波振荡器（简谐振荡器简谐振荡器）非正弦波振荡器非正弦波振荡器(张驰振荡器张驰振荡器)随着集成运放技术的发展，目前集成运放的应用随着集成运放技术的发展，目前集成运放的应用几乎渗透到电子技术的各个领域，除运算以外，还可几乎渗透到电子技术的各个领域，除运算以外，还可以对信号进行处理，变换和测量，也可以用来产生正以对信号进行处理，变换和测量，也可以用来产生正弦信号和各种非正
2、弦信号：三角波、矩形波、锯齿波弦信号和各种非正弦信号：三角波、矩形波、锯齿波等等 信号发生电路信号发生电路2利用电容器充放电产生脉冲波利用电容器充放电产生脉冲波形形(产生脉冲波形的基本原理产生脉冲波形的基本原理)三角波三角波3试着用迟滞比较器试着用迟滞比较器充当电源和开关充当电源和开关41.电路结构电路结构方波发生器方波发生器（多谐振荡电路）（多谐振荡电路）用迟滞比较器充当电用迟滞比较器充当电源和开关源和开关Uc充当着充当着Ui的作用的作用反相迟滞比较器反相迟滞比较器充电充电放电放电ZCTHURRRUtuU3221)(+=-ZCTHURRRUtuU3222)(+-=-uoui0+Uom-Uom
3、UTH1UTH252.工工作作原原理理(1)设设uo=+UZ,此时，输出给此时，输出给C 充电充电,uc 0tuoUOM-UOMucU+H0t一旦一旦uc U+H,就有就有u-u+,在在uc U+H时，时，u-RwcUOMuo0t-UOM思考题：思考题：bac108.2三角波发生器三角波发生器 从下图的电容C1输出，便可得到一个近似的三角波。但由于其充电电流i充=（UO1-UC1）/R3 随t 而下降，因此uC 输出的三角波线性较差。为此，只要保证恒流充电即可。于是后面又增加了一个积分电路。其原理分析如下。C111在实用电路中，将方波发生电路中的在实用电路中，将方波发生电路中的RC充、放电回路
4、用充、放电回路用积分运算电路来取代，滞回比较器和积分电路的输出互为另积分运算电路来取代，滞回比较器和积分电路的输出互为另一个电路的输入，如下图所示。其虚线左边为同相输入滞回一个电路的输入，如下图所示。其虚线左边为同相输入滞回比较器，右边为积分运算电路。滞回比较器输出为方波，经比较器，右边为积分运算电路。滞回比较器输出为方波，经积分运算电路后变换为三角波，波形如下图所示。因为积分运算电路后变换为三角波，波形如下图所示。因为U_为为虚地，所以虚地，所以I充充=UO1/R3为定值为定值（因为（因为UO1为方波，恒流充电）。为方波，恒流充电）。12另付三角波发生器电路另付三角波发生器电路:13三角波产
5、生电路的条件是电容充放电时间常三角波产生电路的条件是电容充放电时间常数相等，如果二者相差较大，即为锯齿波产生电路。数相等，如果二者相差较大，即为锯齿波产生电路。具体电路如图所示。具体电路如图所示。利用利用VD1、VD2组成控制充放电回路，调整电组成控制充放电回路，调整电位器位器Rw可改变充放电时间常数。可改变充放电时间常数。如果如果Rw在中点，则充放电时间常数相等，在中点，则充放电时间常数相等，输出为三角波。输出为三角波。如果如果Rw在最下端，则充电时间常数大于放在最下端，则充电时间常数大于放电时间常数，得负向锯齿波。电时间常数，得负向锯齿波。如果如果Rw在最上端，则充电时间常数小于放在最上端
6、，则充电时间常数小于放电时间常数，得正向锯齿波电时间常数，得正向锯齿波14uottuoT1T2T1变为变为0三角波发生器三角波发生器锯齿波发生器锯齿波发生器1516一放大电路通常在输入端接上信号源的情况下才有信号一放大电路通常在输入端接上信号源的情况下才有信号输出。在不加任何输入信号的情况下，放大电路仍会产生一输出。在不加任何输入信号的情况下，放大电路仍会产生一定频率的信号输出，这种现象就是放大电路的定频率的信号输出，这种现象就是放大电路的自激振荡自激振荡。放大电路和振荡电路的区别：前者的输入端放大电路和振荡电路的区别：前者的输入端接有信号源，而后者不加输入信号就有信号输出。接有信号源，而后者
7、不加输入信号就有信号输出。但是，不管是振荡电路还是放大电路，它们但是，不管是振荡电路还是放大电路，它们的输出信号总是由输入信号引起的。那么，振荡的输出信号总是由输入信号引起的。那么，振荡电路既然不接信号源，它的输入信号电路既然不接信号源，它的输入信号从何而来？从何而来？复习复习8.3RC正弦波振荡器正弦波振荡器8.3.1 概述17电路中的电路中的反馈形式反馈形式在在不不加加任任何何输输入入信信号号的的情情况况下下，放放大大电电路路仍仍会会产产生生一一定定频频率率的的信信号输出。号输出。2.产生原因产生原因 振荡电路的输入信振荡电路的输入信号是从号是从自己的输出端反自己的输出端反馈回来的。馈回来
8、的。在中频区，在中频区，Xid和和Xf同相，此时为负反馈。同相，此时为负反馈。在高频区或低频区，当在高频区或低频区，当Xid和和Xf在在某一特定频率下某一特定频率下，产生，产生附附加相移加相移达到达到180，使中频区的负反馈在高频区或低频区变成了，使中频区的负反馈在高频区或低频区变成了正反馈，当满足了一定的幅值条件时，便产生正反馈，当满足了一定的幅值条件时，便产生自激振荡自激振荡。开始产生相移变成了正反馈Xid=Xi-Xf1.自激振荡现象自激振荡现象18 产生正弦波的条件与负反馈放大电路产生正弦波的条件与负反馈放大电路产生自激的条件十分类似。只不过负反馈产生自激的条件十分类似。只不过负反馈放大
9、电路中是由于信号频率达到了通频带放大电路中是由于信号频率达到了通频带的两端，产生了足够的附加相移，从而使的两端，产生了足够的附加相移，从而使负反馈变成了正反馈。在振荡电路中加的负反馈变成了正反馈。在振荡电路中加的就是正反馈，振荡建立后只是一种频率的就是正反馈，振荡建立后只是一种频率的信号，无所谓附加相移。信号，无所谓附加相移。19 振振荡荡器器在在刚刚刚刚起起振振时时，为为了了克克服服电电路路中中的的损耗，需要正反馈强一些，即要求：损耗，需要正反馈强一些，即要求：这称为这称为起振条件起振条件。既既然然 ，起起振振后后就就要要产产生生增增幅幅振振荡荡，需需要要靠靠三三极极管管大大信信号号运运用用
10、时时的的非非线线性性特特性性去去限限制制幅幅度度的的增增加加，这这样样电电路路必必然然产产生生失失真真。这这就就要要靠靠选选频频网网络络的的作作用用，选选出出失失真真波波形形的的基基波波分分量量作为输出信号，以获得正弦波输出。作为输出信号，以获得正弦波输出。4.起振条件和稳幅原理起振条件和稳幅原理 20振荡条件振荡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AF=A+F=2n(a)负反馈放大电路 (b)正反馈振荡电路 图 振荡器的方框图 比比较较图图(a)和和(b)就就可可以以明明显显地地看看出出负负反反馈馈放放大大电电路路和和正正反反馈馈振振荡荡电电路路的的区区别别了了。由由于于振振
11、荡荡电电路路的的输输入入信信号号 ，所以，所以。由于正、负号的改变。由于正、负号的改变21为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反馈，因此馈，因此放大电路放大电路和和正反馈网络正反馈网络是振荡电路的最主是振荡电路的最主要部分。要部分。但是，这样两部分构成的振荡器一般得不到正但是，这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波，这是由于很难控制正反馈的量。如果正反馈弦波，这是由于很难控制正反馈的量。如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，最后由三极管量大，则增幅，输出幅度越来越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。反之，如的非线性限幅，这必然产生非
12、线性失真。反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能停振，为此振荡电果正反馈量不足，则减幅，可能停振，为此振荡电路要有一个路要有一个稳幅电路稳幅电路。另外为了获得单一频率的正。另外为了获得单一频率的正弦波输出，应该有弦波输出，应该有选频网络选频网络，选频网络往往和正反，选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一。选频网络由馈网络或放大电路合而为一。选频网络由R、C和和L、C等电抗性元件组成。等电抗性元件组成。正弦波振荡器的名称一般由选正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。频网络来命名。思路思路22 在波形发生电路中，是否一定只有一个频率满在波形发生电路中，是否一定只有一个频率满足相位条件？如否，电
13、路的振荡频率足相位条件？如否，电路的振荡频率f f0 0如何确定？如何确定？答：答：在有在有选频网络选频网络的电路中，情况一般是这样。但是，在某些的电路中，情况一般是这样。但是，在某些不选频网络的振荡电路中，情况则不然。例如，在图不选频网络的振荡电路中，情况则不然。例如，在图8-03（下（下页）的电路中可以求出页）的电路中可以求出。表达式没有虚部，说明。表达式没有虚部，说明A和和F同相，这表明电路在任何频率下都能满足振荡的相位平衡同相，这表明电路在任何频率下都能满足振荡的相位平衡条件。但是，由于稳压管的稳幅作用，在振荡稳定时条件。但是，由于稳压管的稳幅作用，在振荡稳定时，还是只有一个频率能满足
14、幅值平衡条件，仍能产生还是只有一个频率能满足幅值平衡条件，仍能产生的正弦的正弦/余弦波。这和通常只有一个频率满足相位条件的情况不余弦波。这和通常只有一个频率满足相位条件的情况不同。同。23241.1.放大电路放大电路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。而获得单一频率的正弦波输出。常用的选频网络有常用的选频网络有RC选频选频和和LC选频选频4.4.稳幅环节稳幅环节使电路易于起振又能稳定振荡，使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小。波形失真小。5.正弦波振荡器的一般组成正弦波振荡器的一般组成25u
15、Rf1RRRCCufoA+-正反馈选频网络F电压负反馈网络，稳幅环节放大电路，A=2n 同相输出如F=0 时，反馈到U+端的电压uF就为正反馈正弦波振荡器结构正弦波振荡器结构下面就来构造 F和稳幅环节26R1C1串联阻抗：串联阻抗：R2C2并联阻抗：并联阻抗：8.3.2RC正弦波正弦波振荡电路振荡电路正反馈正反馈选频选频一一.RC串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性频率特性：频率特性：前面学习的负反馈放大前面学习的负反馈放大电路中的电路中的F是一定值是一定值(纯纯电阻网络和频率无关电阻网络和频率无关).27（1）当信号的频率很低时）当信号的频率很低时R1R2其低频等效电路为：其低频等效电路
16、为：其频率特性为：其频率特性为：当当=0时，时，uf=0，F=0=+90当当时，时，uf=，F0|F|0F901.定性分析：定性分析：uc1ufuo超前网络uf 超前uo28R1R2其高频等效电路为：其高频等效电路为：其频率特性为：其频率特性为：当当=时，时，uf=0，F=0=-90当当时，时，uf=，F0|F|0F-90ufuR1uouf 滞后 uo（2 2）当信号的频率很高时）当信号的频率很高时290=？Fmax=？由以上分析知：一定有一个频率由以上分析知：一定有一个频率0存在，使得存在，使得当当=0时，时，F最大，且最大，且=00|F|0F900|F|0F-9030R1C1串联阻抗：串联
17、阻抗：R2C2并联阻抗：并联阻抗：频率特性：频率特性：2.定量分析定量分析31通常，取通常，取R1R2R，C1C2C，则有：，则有：式中：式中：可见：当可见：当时，时，F最大，且最大，且=0Fmax=1/332当当时，时，F=Fmax=1/3F+90|F|RC串并联网络完整的频率特性曲线：串并联网络完整的频率特性曲线：相频特性的特点:仅对一个频率o=1/RC是零相移，对低于此频率和高于此频率分别呈正相移和负相移.幅频特性的特点:对频率o传输系数最大，等于1/3，而对其它频率的传输系数都是小于1/3的。所以只要放大器的电压放大倍数大于3，就能起振。幅频特性相频特性33uRf1RRRCCufoA+
18、-RC正弦波正弦波振荡电路振荡电路同相比例电路电压正反馈网络F电压负反馈 稳幅作用文氏文氏桥正桥正弦波弦波振荡振荡电路电路 A=2n F=0同相同相放大器放大器+-+实验实验634在在f0处处满足相位条件：满足相位条件：因为：因为：AF=131=F11f+=RRA1f2RR=只需：只需：A=3输出单一正弦波频率输出单一正弦波频率:振幅条件：振幅条件：引入负反馈：引入负反馈：选：选：二二.RC桥式振荡器的工作原理：桥式振荡器的工作原理：uRf1RRRCCufo+-A稳幅环节35 RC串并联网络的相频特性是：仅对一个频率o=1/RC是零相移，对低于此频率和高于此频率分别呈正相移和负相移，这样一来，
19、仅对这个o，结合同相放大器能实现正反馈（因为正反馈的条件是放大器的相移+反馈网络的相移=360）。RC串并联网络的幅频特性是：对频率o传输系数最大，等于1/3，而对其它频率的传输系数都是小于1/3的。所以只要放大器的电压放大倍数大于3，就能起振。而运放的电压放大倍数是远大于3的，这样一来，起振是没有问题，但是会带来严重的失真，解决办法是：设法使运放的电压放大倍数稍稍大于3就行(引入负反馈稳幅环节)。36*RC串并联选频网络振荡器-2 37 一、T1、T2组成两级共射放大电路，由于一级共射放大是反相放大，两级就是同相放大；二、两个电阻：R（16K）2只，C（）2只，是一个RC串并联移相网络，它的
20、输入端是上面的那个R上边，而它的输出端是中间，这个RC电路的输入端接的就是两级放大器的输出端，而这个RC电路的输出端接的就是两级放大器的输入端，这样就构成了一个闭环。三、RC串并联网络的相频特性是：仅对一个频率o=1/RC是零相移，对低于此频率和高于此频率分别呈正相移和负相移，这样一来，仅对这个o，结合两级同相放大器能实现正反馈（因为正反馈的条件是放大器的相移+反馈网络的相移=360）。四、RC串并联网络的幅频特性是：对频率o传输系数最大，等于1/3，而对其它频率的传输系数都是小于1/3的。所以只要放大器的电压放大倍数大于3，就能起振。而两级共射放大电路的电压放大倍数是远大于3的，这样一来，起
21、振是没有问题，但是会带来严重的失真，解决办法是：设法使两级放大器的电压放大倍数稍稍大于3就行。五、为使两级放大器的电压放大倍数比3大，但不要大太多，引入两级间的电压串联负反馈，就是由那个带星号的电阻Rf(10K)，将输出端信号引到T1的射极，与T1的射极电阻（）组成电压串联负反馈，由串联负反馈电路的计算公式可以估出这个引入负反馈后的闭环电压放大倍数=（）+19。可知电路中的这个负反馈电阻Rf再小点（只要不小于就行）也行。*38 R=1k=1k，C F F，R1 1=10k=10k。Rf f为多大时为多大时才能起振？振荡频率才能起振？振荡频率f0 0=？AF=1，31=F11f+=RRAA=3R
22、f=2R1=2 10=20k k=1592Hz例题例题:Rf 不能太大，否则正弦波将变成方波振幅条件：振幅条件：39振幅条件：振幅条件：AF=1但是如果放大倍数正好为但是如果放大倍数正好为3,这样工作不稳定这样工作不稳定,因因为放大倍数稍有下降为放大倍数稍有下降,立即停振立即停振.因此因此,要留有余地要留有余地,使放大倍数稍大于使放大倍数稍大于3.因为振荡以后因为振荡以后,振荡器的振幅回不断增大振荡器的振幅回不断增大,由于由于受运放最大输出电压的限制受运放最大输出电压的限制,输出波形将产生非线性输出波形将产生非线性失真失真.为此为此,只要设法使输出电压的幅值增大时只要设法使输出电压的幅值增大时
23、,适当适当减小减小(反之则应增大反之则应增大),就可以维持就可以维持Uo的幅值基本不变的幅值基本不变.此外此外,引入负反馈后引入负反馈后,还可以提高振荡电路的稳还可以提高振荡电路的稳定性和改善输出电压的波形定性和改善输出电压的波形(使更接近正弦波使更接近正弦波).40起振时起振时D1、D2不导通，不导通，Rf1+Rf2略大于略大于2R1。随着。随着uo的增加，的增加，D1、D2逐渐逐渐导通，导通，Rf2被短接，被短接，A自动自动下降，起到稳幅作用。下降，起到稳幅作用。将将Rf分为分为Rf1 和和Rf2，Rf2并联二极管并联二极管能自动稳幅的振荡电路能自动稳幅的振荡电路11f+=RRA41K：双联波段开关，：双联波段开关，切换切换R，用于，用于粗调振荡频率。粗调振荡频率。C：双联可调电容，改变双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。，用于细调振荡频率。振荡频率的调节：振荡频率的调节：_+RfuoRCCR1 1KKR1R1R2R2R3R3振荡振荡频率：频率：42实验43