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1、第9章 波形产生与变换电路 9.1 正弦波振荡电路 9.2 非正弦波发生电路,正弦波发生电路能产生正弦波输出，它是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的，它是各类波形发生器和信号源的核心电路。正弦波发生电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振荡器。 9.1.1 产生正弦波的条件 9.1.2 RC正弦波振荡电路 9.1.3 LC正弦波振荡电路,9.1 正弦波发生电路,9.1.1 产生正弦波的条件,一、 正弦波发生电路的组成 二、 产生正弦波的条件 三、 起振条件和稳幅原理,一、正弦波发生电路的组成,为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反馈，因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分。但是，这样两部
2、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，如果正反馈量不足，则减幅，可能停振，为此振荡电路要有一个稳幅电路。,为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络，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R、C和L、C等电抗性元件组成。正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。正弦波发生电路的组成,放大电路 正反馈网络 选频网络 稳幅电路,二、 产生正弦波的条件,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。只不过负反馈放大电路中是由于信号频率达到了通频带的两端，
3、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。,振荡条件 幅度平衡条件 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11.01 振荡器的方框图,比较图11.01(a) 和 (b)就可以明显地看出负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区别了。由于振荡电路的输入信号 ，所以 。由于正、负号的改变,振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈强一些，即要求 这称为起振条件。,三、 起振条件和稳幅原理,既然 ，起振后就要产生增幅振荡，需要靠三极管大信号运用时的非线性特性去限制幅
4、度的增加，这样电路必然产生失真。这就要靠选频网络的作用，选出失真波形的基波分量作为输出信号，以获得正弦波输出。,也可以在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益，从而达到稳幅的目的。这在下面具体的振荡电路中加以介绍。,9.1.2 RC正弦波振荡电路,一、 RC网络的频率响应 二、 RC文氏桥振荡器,一、 RC网络的频率响应,RC串并联网络的电路如图11.02(a) 所示。RC串联臂的阻抗用Z1表示，RC并联臂的阻抗用Z2表示。其频率响应如下:,图11.02(a) RC串并联网络,谐振频率为: f0=,当R1 = R2，C1 = C2时，谐振角频率和谐振频率分别为:,幅频特性:,相频
5、特性:,当 f=f0 时的反馈系数 ,且与频率f0的大小无关。此时的相角 F=0。即改变频率不会影响反馈系数和相角，在调节谐振频率的过程中，不会停振，也不会使输出幅度改变。有关曲线见图11.02(b)。,图11.02(b) RC串并联网络的频率特性曲线,二、 RC文氏桥振荡电路,(1) RC文氏桥振荡电路的构成 RC文氏桥振荡电路如图11.03所示，RC 串并联网络是正反馈网络，另外还增加了R3和R4负反馈网络。,C1、R1和C2、R2正反馈支路与R3、R4负反馈支路正好构成一个桥路，称为文氏桥。,图11.03 RC文氏桥振荡电路,当C1 =C2、R1 =R2时:,为满足振荡的幅度条件 =1，
6、所以Af3。加入R3、R4支路，构成串联电压负反馈。,F=0,(2) RC文氏桥振荡电路的稳幅过程,RC文氏桥振荡 电路的稳幅作用是 靠热敏电阻R4实现 的。R4是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，R4上所加的电压升高，即温度升高，R4的阻值增加，负反馈增强，输出幅度下降。反之输出幅度增加。若热敏电阻是负温度系数，应放置在R3的位置。见图11.03。,(a) 稳幅电路 (b) 稳幅原理图 图11.04 反并联二极管的稳幅电路,采用反并联二极管的稳幅电路如图11.04所示。,电路的电压增益为,式中 R“p是电位器上半部的电阻值，Rp是电位器下半部的电阻值。R3= R3 / RD，RD是并联二极
7、管的等效平均电阻值。,当Vo大时，二极管支路的交流电流较大，RD较小，Avf较小，于是Vo下降。由图(b)可看出二极管工作在C、D点所对应的等效电阻，小于工作在A、B点所对应的等效电阻，所以输出幅度小。,二极管工作在A、B点，电路的增益较大，引起增幅过程。当输出幅度大到一定程度，增益下降，最后达到稳定幅度的目的。,9.1.3 LC正弦波振荡电路,LC正弦波振荡电路的构成与RC正弦波振荡电路相似，包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。这里的选频网络是由LC并联谐振电路构成，正反馈网络因不同类型的LC正弦波振荡电路而有所不同。 一、LC并联谐振电路的频率响应 二、变压器反馈LC振荡器 三
8、、电感三点式LC振荡器,一、LC并联谐振电路的频率响应,LC并联谐振电路如图11.05（a）所示。显然输出电压是频率的函数：,输入信号频率过高，电容的旁路作用加强，输出减小；反之频率太低，电感将短路输出。并联谐振曲线如图11.05（b）所示。,谐振时 谐振频率,谐振时电感支路电流或电容支路电流与总电流之比，称为并联谐振电路的品质因数,考虑电感支路的损耗，用R表示，如图11.06所示。,图11.06 有损耗的谐振电路,对于图11.05(b)的谐振曲线，Q值大的曲线较陡较窄，图中Q1Q2。并联谐振电路的谐振阻抗,谐振时LC并联谐振电路相当一个电阻。,二、变压器反馈LC振荡电路,图11.07变压器反
9、馈LC振荡电路,变压器反馈LC振荡电路如图11.07所示。,LC并联谐振电路作为三极管的负载，反馈线圈L2与电感线圈相耦合,将反馈信号送入三极管的输入回路。交换反馈线圈的两个线头，可使反馈极性发生变化。调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度，以使正反馈的幅度条件得以满足。,有关同名端的极性 请参阅图11.08。,图11.08 同名端的极性,变压器反馈LC振荡 电路的振荡频率与并联 LC谐振电路相同，为,三、电感三点式LC振荡器,图11.09 为电感三点式LC振荡电路。电感线圈L1和L2是一个线圈，2点是中间抽头。如果设某个瞬间集电极电流减小，线圈上的瞬时极性如图所示。反馈到发射极的极性对地为
10、正，图中三极管是共基极接法，所以使发射结的净输入减小，集电极电流减小，符合正反馈的相位条件。,图11.09 电感三点式LC振荡器（CB）,图11.10电感三点式LC振荡器（CE）,图11.10 为另一种电感三点式LC振荡电路。,分析三点式LC振荡电路常用如下方法，将谐振回路的阻抗折算到三极管的各个电极之间，有Zbe、Zce、Zcb ,如图11.11所示。,图11.11 三点式振荡器,对于图11.09 Zbe是L2、 Zce是L1、 Zcb是C。可以证明若满足相位平衡条件， Zbe和Zce必须同性质，即同为电容或同为电感，且与Zcb性质相反。,四、电容三点式LC振荡电路,与电感三点式LC振荡电路
11、类似的有电容三点式LC振荡电路，见图11.12。,（a）CB组态 （b）CE组态 图11.12 电容三点式LC振荡电路,例11.1：图11.13为一个三点式振荡电路 试判断是否满足相位平衡条件。,(a) (b) 图11.13 例题11.1的电路图,五、石英晶体LC振荡电路,利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路，如图11.14所示。,(a)串联型 f0 =fs （b）并联型 fs f0fp 图11.14 石英晶体振荡电路,石英晶体的 阻抗频率特性曲 线见图11.15,图11.15 石英晶体的电抗曲线,它有一个串联谐振频率fs,一个并联谐振频率 fp，二者十分接近。,对于图11.15(
12、a)的电路与电感三点式振荡电路相似。要使反馈信号能传递到发射极，为此石英晶体应处于串联谐振点，此时晶体的阻抗接近为零。,对于图11.14(b)的电路，满足正反馈的条件，为此，石英晶体必须呈电感性才能形成LC并联谐振回路，产生振荡。由于石英晶体的Q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。,9.2 非正弦波发生电路,9.2.1 比较器 9.2.2 非正弦波发生电路,9.2.1 比较器,一、固定幅度比较器 二、滞回比较器 三、窗口比较器 四、比较器的应用,比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。 常用的幅度比较电路有电压幅度比较器、窗口比较器和具有滞回特性的比较器
13、。这些比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。,一、固定幅度比较器,(1) 过零比较器和电压幅度比较器,过零电压比较器是典型的幅度比较电路，它的电路图和传输特性曲线如图14.01所示。,将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到一个电压值VREF 上 , 就得到电压幅度比较器，它的电路图和传输特性曲线如图14.02所示。,(2)比较器的基本特点,工作在开环或正反馈状态。 开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。 非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。,二、 滞回比较器,从输出引一个电阻分压支路到同相输入端，电路如图14.03(a)所示。当输
14、入电压vI从零逐渐增大，且,时， ， 称为 上限阈值(触发)电平。,当输入电压 时， ， 此时触发电平变为 ， 称为下限阈值(触发)电平。,图14.03(a)滞回比较 器电路图,当 逐渐减小，且 以前， 始终等于 ，因此出现如图14.03(b)所示的滞回特性曲线。,回差电压 ：,图14.03滞回比较电路 的传输特性,三、窗口比较器,窗口比较器的电路如图14.04所示。电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成。,设R1 =R2，则有：,图14.04 窗口比较器,窗口比较器的电压传 输特性如下页 图 14.05所示。,当vIVH时，vO1为高电平，D3导通；vO2为低电平, D4截止，vO= v
15、O1。,当vI VL时，vO2为高 电平，D4导通；vO1为低 电平，D3截止，vO= vO2。,当VH vI VL时， vO1为低电平，vO2为低电 平，D3、D4截止，vO为 低电平。,图14.05 窗口比较器的传输特性,信号的电位水平高于 某规定值VH的情况，相当 比较电路正饱和输出。,信号的电位水平低于 某规定值VL的情况，相当 比较电路负饱和输出。,该比较器有两个阈值，传输特性曲线呈窗口状， 故称为窗口比较器。,四、比较器的应用,比较器主要用来对输入波形进行整形，可以将不规则的输入波形整形为方波输出,其原理图如图14.06所示。,(a) 正弦波变换为矩形波 (b) 有干扰正弦波变换为
16、方波 图14.06 用比较器实现波形变换,一、方波发生电路 二、三角波发生电路 三、锯齿波发生电路,9.2.2 非正弦波发生电路,一、方波发生电路,方波发生电路是由滞回比较电路和RC定时电路构成的，电路如图14.07所示。,(1)工作原理,电源刚接通时, 设,电容C充电， 升高。参阅图14.08。,图14.07 方波发生器,当 时， ，所以 电容C放电， 下降。,当 ， 时，返回初态。,方波周期用过渡过程公式可以方便地求出,图14.08 方波发生器波形图,(2)占空比可调的矩形波电路,显然为了改变输出方波的占空比，应改变电容器C的充电和放电时 间常数。占空比可调 的矩形波电路见图14.09。,
17、C充电时，充电电流经电位器的上半部、二极管D1、Rf； C放电时，放电电流经Rf、二极管D2、电位器的下半部。,图14.09 占空比可调方波发生电路,占空比为：,图14.08 方波发生器波形图,二、 三角波发生器,三角波发生器的电路如图14.10所示。它是由滞回比较器和积分器闭环组合而成的。积分器的输出反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的 。,1.当vO1=+VZ时,则电容C 充电, 同时vO按线性逐 渐下降，当使A1的VP 略低于VN 时，vO1 从 +VZ跳变为-VZ。波形 图参阅图14.11。,图14.10 三角波发生器,2. 在vO1=-VZ后，电容C开 始放电，vO按线性上升， 当使A
18、1的VP略大于零时， vO1从-VZ跳变为+ VZ ， 如此周而复始，产生振 荡。vO的上升时间和下降 时间相等，斜率绝对值 也相等，故vO为三角波。,图14.11 三角波发生器的波形,三、锯齿波发生器,锯齿波发生器的电路如图14.12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。,图14.12 锯齿波发生器电路图,锯齿波电路的输出波形图如图14.13所示。,图14.13 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,