波形的产生与变换电路

第八章 波形的产生与变换电路
8.1 正弦波振荡的基本原理 8.2 RC正弦波振荡电路 8.3 LC正弦波振荡电路 8.4 石英晶体振荡电路 8.5 比较器 8.6 方波发生器 8.7 三角波及锯齿波发生器
8.1 正弦波振荡器的基本原理
一. 产生自激振荡的条件
Xi +
X d 基本放大器 A
Xo
–
Xf
当ω=ω0时，│F│最大，且 j=0F°
ω0=？ │F│max=？
|F|
|F|
0 φF 90°
0
φF
0
0
-90°
2. 定量分析
R1C1 串联阻抗：
+
Z 1=R 1+(1/jC 1)
+
R1
R2C2 并联阻抗：
Z2 = R2 //(1/ jC2 )
=
R2
1 + jR2C2
u
C1
o
+
+
-
R2
+
C
2
u f
起振时D1、D2不导通， Rf1+Rf2略大于2R1。随着 uo的增加， D1、D2逐渐 导通，Rf2被短接，A自动 下降，起到稳幅作用。
振荡频率的调节：
K：双联波段开关，
R2
切换R，用于
R1
R3
Rf
粗调振荡频率。
振荡频率：
f0
=
1
2pRC
K
R
_
uo
C
R2
+ +
R1
R3 C
R1
K
C：双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。
当uo幅度自激 增长时， Rt减 小，A减小。
当uo幅度达某 一值时， A→3。
当uo进一步增 大时， RT再减 小 ,使A<3。
因此uo幅度自 动稳定于某一 幅值。
能自动稳幅的振荡电路
R
C
.
R f1
R f2 1
D1
2
D2
－∞
A +
+
将Rf分为Rf1 和Rf2 ，
Rf2并联二极管 uo
RC
R1
EWB演示——RC振荡器
o
+
+
-
R2
+
C
2
uf -
+
选频特性：
F =Uf = Z2 Uo Z1 +Z2
1.定性分析：
（1）当信号的频率很低时。
1
C 1 >>R1
1
C 2 >>R2
其低频等效电路为：
|F|
0 φF
90°
0
+
+
C1
u o
+
+
-
R2
uf
-
+
+
其频率特性为：
当ω=0时， uf=0，│F│=0
j F =+90°
=
1 RC
0
可见：当
=0
=
1 RC
时， │F│最大，且
j
F=0°
│F│max=1/3
RC串并联网络完整的频率特性曲线：
0
=
1 RC
|F|
1/3
1
f0 = 2pRC
o
当
=0
=
1 时， RC
│F│= │F│max=1/3
jF = 0
φF +90°
o
二.RC桥式振荡器的工作原理：
因为： jA =0
R
Rf
在 f0 处 jF =0,
C
－∞
A +
+
R
Biblioteka Baidu
C uf R 1
uo 满足相位条件：
jA+jF =0
振幅条件：
AF=1 F = 1 只需：A=3 3
输出正弦波频率： 引入负反馈： A = 1+ Rf
f0
=
1
2pRC
R1
选： Rf = 2R1
例题:R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf为多大时才 能起振？振荡频率f0=？
常用的选频网络有RC选频和LC选频 4.稳幅环节——使电路易于起振又能稳定振 荡，波形失真小。
8 . 2 RC正弦波振荡电路
一. RC 串并联网络的选频特性
R1C1 串联阻抗：
Z 1=R 1+(1/jC 1)
R2C2 并联阻抗：
Z2 = R2 //(1/ jC2)
=
R2
1+ jR2C2
+
+
R1
u
C1
改成正反馈
反馈网络
F
+
Xd = Xi - X f
只有正反馈电路才能产生自激振荡。
Xi +
Xd
+
Xf
基本放大器
Xo
A
反馈网络
F
如果：X f = X i ,
则去掉 X i , 仍有信号输出。
Xd 基本放大器
A
Xf
反馈网络 F
Xo
反馈信号代替了放大 电路的输入信号。
Xd 基本放大器
Xo
A
动画演示
Xf
反馈网络
Xd=Xf
F
..
自激振荡的条件：A F = 1
因为：
.
A=| A|jA
.
F=|F|jF
FA=1
所以，自激振荡条件也可以写成：
（1）振幅条件： | AF|=1
（2）相位条件： j A + j F = 2np n是整数
二.起振条件和稳幅原理
起振条件：
| A F |1 （略大于）
结果：产生增幅振荡
起振条件：
AF=1， F = 1
A=3
3
A = 1+ Rf
R1
R
Rf
C
－∞
A +
+
uo
R
C uf R 1
Rf=2R1=210=20k
f0
=
1
2pRC
=1592
Hz
能自动稳幅的振荡电路
半导体热敏电阻 (负温度系数）
10k
10k
Rt
0.1u 100k uf
－A +
∞
+
uo
10k 0.1u 39k
起振时Rt较大 使A>3,易起振。
满足相位条件： jA+jF =0
R2
C CC
R1
+
－∞
A +
+
uo
R
R
R 0 uf
－
R/
1
R = R 0// R 1
f0 = 2 6pRC
8.3 LC正弦波振荡器
1. LC并联谐振回路的选频特性
i
+
iC
u
C
当 =0 1 时，
iL
LC 并联谐振。
L
-
R
R为电感和回路中的损耗电阻
谐振时，电路呈阻性：
Z0
=
L RC
(阻性)
LC并联谐振特点：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 路呈阻性。
-
+
频率特性： F =Uf = Z2 Uo Z1 +Z2
R 2
•
F=
1+jR 2C2
=
1
R 1+j1C1+1+j R 2 R 2C2 (1+C C1 2+R R 1 2)+j (R 1C2-R 1 2C1)
通常，取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，则有：
•
1
F = 3+ j( - 0 )
式中： 0
稳幅过程：
起振过程
起振时， | A F |1 稳定振荡时， | A F |=1
稳幅措施：
Xd 基本放大器
Xo
A
Xf
反馈网络 F
1、被动：器件非线性
2、主动：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
三.正弦波振荡器的一般组成
1.放大电路 2.正反馈网络 3.选频网络——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。
当ω↑时，
ujf=F↓↑，│F│↑
（2）当信号的频率很高时。
1 C1
＜＜R1
1 C2
＜＜R2
其高频等效电路为：
|F|
0 φF
0 -90°
+
+
R1
u
+
o
+
-
C2
uf -
+
+
其频率特性为：
当ω=∞时，
uf=0，│F│=0
j F =-90°
当ω↓时，
uf=↑，│F│↑
j F↓
由以上分析知：一定有一个频率ω0存在，
三. RC移相式振荡电路 1. RC移相电路
（1 ）RC超前移相电路
C
C
C
+
+
uo R
R
－
φA
R uf －
+270°
+180°
+90°
0°
o
（2）RC滞后移相电路
R
RR
+
+
uo
C
C
C uf
－
－
φA
o0°
-90°
-180°
-270°
2. RC移相式振荡电路
jA =180 在 f0 处 jF =180,