第五章 波形发生电路PPT学习教案

VO
RF R1 RF
VREF
当输入电压从大向小变化时，得到下限门限电压：
V2
R1
R1 RF
VO
RF R1 RF
VREF
回差电压： VH V1 V2 第2R1页1 R/共1R34F页(VO VO )
滞回比较器又称施密特触发器。 两个应用实例：
甄别超过指定电平的脉冲个数
整形（把前、后沿很差的脉冲变换为 矩形波 ）
问题3： 起振条件 A(ω) F(ω) 1 是否意味着输出电压将 越来越大，趋于无穷 ？
振荡电路中的稳幅环节，将限制输出信号幅度无限增长 ，当输出信号达到一定值后，将使其稳定。一是可以另加稳 幅电路；二是直接依靠放大电路中晶体管的非线性作用实现 。
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3、正弦波振荡电路的组成：
❖ 放大电路：能量控制，保证输出信号的幅度； ❖ 反馈网络：引入正反馈； ❖ 选频网络：确定输出信号为单一频率的正弦信号； ❖ 稳幅环节：使输出信号幅值稳定。
的初始值可为+VZ或-VZ。这里假设
vO=+VZ，则vO通过R向C充电，vC↑。当
vC=v-=v+=FVZ时，vO跳变到-FVZ，则C开
始放电，vC↓，直到vC=v-=v+=-FVZ时，vO
跳变到FVZ。如此循环，自激振荡便建立
波形图
起来，得到连续的方波输出。
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3、振荡频率
由RC暂态过程计算公式，可得充电时间T1和放电时间T2 相等，有，
Qω0L ω0L
I Q I
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二、 变压器反馈式LC正弦波振荡电路
1、 相位平衡条件：正反馈
+
2、 幅值平衡条件
-
+ +
通过选择高hfe值的BJT和 调整变压器的匝数比，可以
满足 A F 1 ，电路可以起振。
3、 稳 幅 BJT进入非线性区，波形
变压器反馈式LC振荡器
出现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目的。
矩形波发生器矩形波发生器三角波发生器三角波发生器锯齿波发生器锯齿波发生器第32页共34页正弦波发生器正弦波发生器振荡平衡条件和起振条件振荡平衡条件和起振条件电路组成电路组成三种振荡电路三种振荡电路电压比较器电压比较器单门限比较器单门限比较器滞回比较器滞回比较器窗口比较器窗口比较器非正弦波发生器非正弦波发生器矩形波发生器矩形波发生器三角和锯齿波发生器三角和锯齿波发生器本章小结第33页共34页
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5.1正弦波振荡电 路
正弦波振荡器的基本原理
1、振荡的平衡条件
X d A
X o
X d X i X f
若环路增益 A F 1
则 X d X f ，
去掉 X i ，X o 仍有稳定的输出。 所以振荡条件为： A F 1
X f F
A( ) F( ) 1 振幅平衡条件 即
a ( ) f ( ) 2n 相位平衡条件
t
一个时间常数远大于另一个时，便可
vo
在滞回比较器输出矩形波，在积分电 +VT
路得到锯齿波。
O
-VT
t
D1
-
R3 vo1 R
Rw
C
A1
+
-
A2
vo
D2
+
R1
Vz
R
R2
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本节主要内容： 矩形波发生器 三角波发生器 锯齿波发生器
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本章小结
正弦波发生器
振荡平衡条件和起振条件 电路组成 三种振荡电路
双限比较器（窗口比较器）
电路
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传输特性
本节内容： 单限比较器：
基本比较器 过零比较器
滞回比较器
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5.3非正弦波发生器
矩形波发生器
矩形波发生器又称多谐振荡器。矩形波中高低电平持续 时间相同的特例称为方波。 占空比的定义：
一、方波发生器
1、电路组成：
滞回比较器：开关
第五章 波形发生电章主要讲述正弦波振荡电路、比较器电路和 非正弦波发生电路等。重点掌握正弦波振荡的平衡 条件，并能够依据相位平衡条件正确判断电路是否 可能产生振荡；掌握单限、滞回比较器的工作原理 和传输特性；正确理解由集成运放构成的矩形波、 三角波和锯齿波发生电路的工作原理、波形。
门限电压，阈值电压，触发电平：使比较器的输出电压从一 个电平跳转到另一个电平时输入电压值。
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理想集成运放工作于非线性区
电路中没有引入负反馈或引入
i+
的是正反馈，理想运放工作于非线 v+
+
vo
性区。因其放大倍数趋于无穷大，
所以输出电压只有两种可能：
v-
A
-
i-
vo VVOOHL
v v v v
波信号，在积分电路输出三角波信号 。
uo1
+UZ
-UT O
+UT uO
-UZ
vO1 +VZ
O
-VZ
t
vo
O
t
输出幅度：
比较器A1输出跳变的临界条件：v+=v-=0
v
R1 R1 R2
vO
R2 R1 R2
vO1
0
vO1 VZ
vO VOM
VOM
R2 R1
VZ
（输出幅度）
振荡周期：
积分电路的输出电压由零上升到VOM所需时间为振荡周期的 1/4。由积分电路输出和输入的关系，有：
T1
T2
RC
ln(1
2R1 ) RF
则方波周期为： T 2RC
ln(1
2R1
)
RF
振荡频率为：
f
1
2RC ln(1 2R1 )
RF
方波的幅度由稳压管的稳压值决定。
为了得到较好的前后沿的方波，应选用转换速率较高的
运放。
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二、占空比可调的矩形波发生器
T1
R3C
ln(1
2R1 RF
)
T2
R4C
ln(1
2R1 RF
)
f
1
( R3
R4
)C
ln(1
2R1 RF
)
T1 T1 R3 T T1 T2 R3 R4
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三角波和锯齿波发生器 一、三角波发生器
R3
vC
-
R4
A1
+
C1
R1 R2
vo1 Vz
R
C
-
vo
A2
+
R
积分电路可将方波变 为三角波，所以三角波电 路 = 方波电路 + 积分电路 。
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正弦波振荡器
类型：变压器反馈式 、 电感三点式、 电容三点式
变压器反馈式 LC 振荡电路
一、 LC 并联回路的特性
Z
1
L / RC
j(L
1
)
R RC
1. 谐振频率 f0
ω0
1， LC
f0
2π
1 LC
L 的等效 损耗电阻
2. 谐振阻抗 Z0 3. 回路品质因数 Q
Z0 L RC
90°； ω→ ∞ ，1/ωC2 →0，电路呈电阻性，
V2滞后V1约90°。在某一中间频率， V2与V1同相。
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2、定量分析
Z1 R1
1 jC1
Z2
R2 //
1 jC2
1
R2 jR2C2
R2
F
V2 V1
Z2 Z1 Z2
R1
1 jR2C2
1
R2
jC1 1 jR2C2
1
(1
其中选频网络往往与反 馈网络合二为一；振荡电路
X d 放大电路
X o
中的稳幅环节，在分立元件
放大电路中常依靠放大电路 中晶体管的非线性作用实现 ，而不另加稳幅电路。
X f 反馈与 选频网络
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串并式正弦波振荡器
一、RC串、并联网络的频率特性
1、定性分析
幅频特性：
信号频率较低时：
RC串并联选频网络
1
RC
T
0 4 (VZ )dt VOM
VZ 4RC
T
VOM
T 4RC VOM 4RC R2
VZ
R1
f R1 4RCR2
振荡周期 振荡频率
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二、 锯齿波发生器
在三角波发生电路中，改变积分电
vO1 +VZ
路RC 充、放电时间常数，即可改变 O
输出电压上升和下降的斜率，当其中 -VZ
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本节小结：
正弦波振荡器的基本原理
平衡条件 起振条件
正弦波振荡器的电路组成
放大电路 反馈网络 选频网络 稳幅环节
RC串并联振第1荡5页/共器34页
5.2电压比较器
功能：比较电压信号(被测试信号与标准信号)大小。
类型
基本比较器
简单比较器(单门限) 窗口比较器(双门限)
滞回比较器(施密特触发器)
反馈网络（选频网络）：正反馈
放大器：电压串联负反馈
三、幅值条件和振荡频率
幅值条件：
F 1 3
A 3
RC串并式正弦波振荡器
RF R1 2
RF 2R1
RF 不能太大，否则正弦波将变成方波。
振荡频率：f0
1 2RC
四、稳幅措施
采用热敏电阻稳幅，反馈电阻RF具有负稳定系数。 输出电压幅度小时，电流小，温度低，RF阻值大，放大倍数高，反 之，输出电压幅度大时，RF阻值小，放大倍数变小。
4、 选频 虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的Q值很高，
选频特性好，所以仍能选出0的正弦波信号。
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晶体振荡器
石英晶体是一种各向异性的结晶体。
石英晶体振荡器的结构
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一、石英晶体的基本特性与等效电路
极板间加电场 极板间加机械力
晶体机械变形 晶体产生电场
压电效应
交变电压
R1 R2
C2 C1
)
j(R1C2
1) R2C1
取：R1 R2 R, C1 C2 C
令
0
1 RC
F
V2 V1
3
1 j(
0 )
0
F
1
32 ( 0 )2
0
F
3
j(
1 f
f0 )
f0 f
0 arctan 0
3
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选频网络等效电路
RC串并联网络 的频率特性
二、电路组成
vO1 +VZ
O
-VZ
t
vo
O
t
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实用电路中，一般采用三角波-方波发生电路，可以同时 获得三角波和方波信号。
-
R3 vo1 R
C
A1
+
-
A2
vo
+
R1
Vz
R2
工作原理： 滞回比较器的RC 充、放电回路用积分 电路取代，积分电路和滞回比较器的 输
出互为另一个电路的输入，当电路极 性
配合适当时，可以在滞回比第2较9页器/共输34页出 方
二、过零比较器 VREF＝0
双向稳
电
压管限 传输特性
路
幅
过零比较器应用波形
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滞回比较器
单限比较器：输入电压到达门限电压，输出电压状态改变。 滞回比较器：输出电压的变化滞后输入电压的变化。
单限比较器的传输特性
滞回比较器的阈值电压与过去 的输出状态有关。
滞回比较器的传输特性
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机械振动 交变电压
机械振动的固有频 率与晶片尺寸有关，稳 定性高。
石英晶体振荡器 符号和等效电路
当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大 。 压电谐振
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电抗频率特性
串联谐振频率：
fs
2
1 LC
并联谐振频率：
fp 2
1 L CC0
fs
1 C C0
C C0
fs ( C C0 )
RC反馈网络：反馈和延时
方波发生器电路
方波的周期由RC的大小决定。
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2、工作原理
滞回比较器输出电压发生跳变的条件
：
vv － ＝R1 vR＋1RF
vO
FvO
FVZ FVZ
vO为高电平 vO为低电平
电路振荡过程：初始时，电容电压不能 方波发生器电路
突变，v-=vC=0,而由于正反馈的作用，vO
1/ωC1>>R1，1/ωC2>>R2 ω→0， 1/ωC1 →∞，V2近似为零 信号频率较高时：
1/ωC1<<R1，1/ωC2<<R2 ω→∞， 1/ωC2 →0，V2近似为零 可知：在频率为某一中间值时，V2为最大。
相频特性：
低频等效电路
ω→0，1/ωC1 →∞，电路呈电容性，V2超前V1约
高频等效电路
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问题1：振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振， 起振的信号源来自何处电？路器件内部噪声。
2、振荡的起振条件
A(ω) F(ω) 1
问题2：电路器件的内部噪声不是单一频率噪声，而电路 输出的是单一频率的正弦波，如何实现？
振荡电路中的选频网络，只使噪声中某一频率0 满足相 位平衡条件，形成正反馈，成为振荡电路的输出信号；而其 它频率的信号，则不满足相位平衡条件，逐渐被抑制掉。
电压比较器
单门限比较器 滞回比较器 窗口比较器
非正弦波发生器
矩形波发生器 三角和锯齿波发生器
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因为 fs 和 fp 越接近，石英晶体呈感性的区域（ fs < f < fp ）就越窄，其选择性就越好。
石英晶体的品质因数很高，Q =104 106 ；振荡频率取 决于石英晶体的固有频率，具有很高的频率稳定度。
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二、 石英晶体正弦波振荡电路 并联型：当工作频率在fs和fp之间的极窄的范围内，晶体 等效为一个高Q值的电感参与组成的等效电路。
i-
v-
-
vo
vo VOH
i+ v+
A
+
O
v+- v-
VOL
反馈网络
因为rid ,所以，i i 0
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特点:
1)工作在非线性区 2)不存在虚短 (除了vI = VREF 时) 3)存在虚断
单限比较器 一、基本单限比较器
门限 电压 VT
电路
门限电压＝VREF
传输特性
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Z0
Qω0L
Q ω0C
Q ω0L 1 1 R ω0RC R
L C
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4. 频率特性
幅频特性 相频特性
5. 并联谐振的本质— 电流谐振
i i
+ ur L
L –
iC
C I•C
U•
I•
I•L
1) Z = Z0呈纯阻
2)形成环流，大小是总电流的 Q 倍
IL IC