模擬電子技術(shù) 信號(hào)產(chǎn)生電路教學(xué)課件

第七章信號(hào)產(chǎn)生電路波形發(fā)生電路包含正弦振蕩電路和非正弦振蕩電路，它們不需要輸入信號(hào)便能產(chǎn)生各種周期性的波形；波形變換電路是將輸入信號(hào)的波形變換為另一種形狀的波形。這一章主要學(xué)習(xí)運(yùn)用分立元件和運(yùn)算放大器組成的正弦波和非正弦波產(chǎn)生電路。7、1 正弦波產(chǎn)生電路一、教學(xué)內(nèi)容及目標(biāo)：了解信號(hào)產(chǎn)生的原理了解振蕩產(chǎn)生的條件，振蕩平衡的條件。 掌握 RC振蕩電路， LC 振蕩電路的工作原理，振蕩條件，振蕩頻率二、教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)：振蕩產(chǎn)生的條件，振蕩平衡的條件。RC振蕩電路， LC 振蕩電路的工作原理，振蕩條件，振蕩頻率三、教學(xué)時(shí)數(shù)：4四、作業(yè)7.17.27.67.7這一節(jié)我們來學(xué)習(xí)有關(guān)正弦波產(chǎn)生電路的知識(shí)。正弦波產(chǎn)生電路又稱為正弦波振蕩器。一：產(chǎn)生正弦振蕩的條件正弦波產(chǎn)生電路的目的就是使電路產(chǎn)生一定頻率和幅度的正弦波，我們一般是在放大電路中引入正反饋，并創(chuàng)造條件，使其產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的振蕩。正弦波產(chǎn)生電路的基本結(jié)構(gòu)是：引入正反饋的反饋網(wǎng)絡(luò)和放大電路。其中：接入正反饋是產(chǎn)生振蕩的首要條件，它又被稱為相位條件 ；產(chǎn)生振蕩必須滿足 幅度條件 ；要保證輸出波形為單一頻率的正弦波，必須具有 選頻特性 ；同時(shí)它還應(yīng)具有 穩(wěn)幅特性 。因此，正弦波產(chǎn)生電路一般包括：放大電路；反饋網(wǎng)絡(luò)；選頻網(wǎng)絡(luò)；穩(wěn)幅電路四個(gè)部分。我們?cè)诜治稣艺袷庪娐窌r(shí)，先要判斷電路是否振蕩。方法是：（重點(diǎn)）是否滿足相位條件，即電路是否是正反饋，只有滿足相位條件才可能產(chǎn)生振蕩；放大電路的結(jié)構(gòu)是否合理，有無放大能力，靜態(tài)工作是否合適；是否滿足幅度條件，檢驗(yàn)，若：(1)則不可能振蕩；(2)振蕩，但輸出波形明顯失真；(3)產(chǎn)生振蕩。振蕩穩(wěn)定后。此種情況起振容易，振蕩穩(wěn)定，輸出波形的失真小按選頻網(wǎng)絡(luò)的元件類型，把正先振蕩電路分為：RC正弦波振蕩電路； LC正弦波振蕩電路；石英晶體正弦波振蕩電路。二： RC正弦波振蕩電路1 ）文氏電橋正弦波振蕩電路。常見的 RC正弦波振蕩電路是RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路， 它又被稱為文氏橋正弦波振蕩電路。串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在此作為選頻和反饋網(wǎng)絡(luò)。它的電路圖如圖（1）所示：它的起振條件為：。它的振蕩頻率為：2） RC 移相式振蕩器Rb1RR +ECCCRb2Re實(shí)際電路為了得到一定的輸出電壓幅度，每一小節(jié)的相移只能小于或等于 60o，為了得到 180o的相移，至少應(yīng)選用三節(jié)RC移相網(wǎng)絡(luò)。振蕩頻率f0126RC它主要用于低頻振蕩。要想產(chǎn)生更高頻率的正弦信號(hào)，一般采用LC正弦波振蕩電路。它的振蕩頻率為：。石英振蕩器的特點(diǎn)是其振蕩頻率特別穩(wěn)定，它常用于振蕩頻率高度穩(wěn)定的的場(chǎng)合。三、 LC正弦波振蕩電路1、電感三點(diǎn)式振蕩電路+ELCLR1）相位條件由瞬時(shí)極性法：電路滿足相位條件。2）振蕩頻率和起振條件f0112(L1 L2 2M)C2LCL1MhieL 2MRL3）特點(diǎn)（ 1）由于 L 1和 L 2耦合很緊，因此很容易起振；（ 2）調(diào)節(jié)頻率方便，通常采用可變電容；（ 3）一般用于產(chǎn)生幾十 MHz 以下的頻率；（ 4）由于 Uf取自 L 2（電感），輸出波形中有高次諧波，故波形較差。2、電容三點(diǎn)式振蕩電路+ECCLRC1）相位條件由瞬時(shí)極性法：電路滿足相位條件。2）振蕩頻率和起振條件11C 2hief02 L C1C22 LCC 1R LC1 C23）特點(diǎn)（ 1）晶體管的極間電容對(duì)振蕩頻率有一定的影響；（ 2）調(diào)節(jié)頻率不方便，適用于產(chǎn)生固定頻率；（ 3）一般用于產(chǎn)生幾百 MHz 以上的頻率，很高；（ 4）由于 Uf 取自 C2（電容），故波形較好。若為三點(diǎn)式振蕩器，可用 “射同基反 ”的原則，判斷相位條件：“射同 ”振蕩電路與 T 的發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗性質(zhì)相同；“基反 ”振蕩電路與 T 的基極相連的兩個(gè)電抗性質(zhì)相反3石英晶體振蕩電路對(duì)于振蕩器的振蕩頻率，要求具有較高的穩(wěn)定性。影響振蕩頻率不穩(wěn)定的因素溫度的變化、電源電壓的波動(dòng)、元件參數(shù)的變化等1）、石英晶體的物理特性極其等效電路石英晶體是 SiO2的一種結(jié)晶體，具有各向異性的物理特性。在石英晶體上按一定方位切下的薄片 晶片。基本特性（ 1）石英振蕩器在電路中之所以能夠代替 LC 諧振回路是具有壓電效應(yīng)。石英振蕩器中，正負(fù)壓電效應(yīng)同時(shí)存在、互為因果。當(dāng)晶體上有外加電場(chǎng)時(shí)，晶片發(fā)生形變，形變又引起電荷和電場(chǎng)的產(chǎn)生，由于晶體的機(jī)械限制，最后達(dá)到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。2）、等效電路LCC3 ）一個(gè)晶體有兩個(gè)諧振頻率。f P>fS，但由于 C<<C 0， f P、f S非常接近晶體振蕩器是將晶片作為一個(gè)電感元件來使用的4）石英晶體振蕩器并聯(lián)型晶體振蕩器：晶體工作在諧振頻率f P和 fS之間，石英晶體呈電感性，作為振蕩器回路的一個(gè)電感與電路的其他元件組成三點(diǎn)式振蕩器。CC串聯(lián)型晶體振蕩器：+E+ECuo1.54.5 7、2 非正弦波信號(hào)產(chǎn)生電路一、教學(xué)內(nèi)容及目標(biāo)：了解非正弦信號(hào)掌握電壓比較器的工作原理，傳輸特性掌握幾種非正弦信號(hào)：方波，三角波，鋸齒波的產(chǎn)生電路和原理二、教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)：電壓比較器的工作原理，傳輸特性曲線方波，三角波，鋸齒波的產(chǎn)生電路和原理三、教學(xué)時(shí)數(shù)：4四、作業(yè)7.107.11一、電壓比較器集成運(yùn)放非線性應(yīng)用條件1. 集成運(yùn)放的兩種工作狀態(tài)及適用場(chǎng)合集成運(yùn)放應(yīng)用工作運(yùn)放的電路應(yīng)用場(chǎng)合狀態(tài)組態(tài)線性負(fù)反饋放大、運(yùn)算等線性應(yīng)用電路非線開環(huán)、正反信號(hào)比較、信號(hào)轉(zhuǎn)換、 產(chǎn)生、自性饋動(dòng)與測(cè)試系統(tǒng)2. 運(yùn)放開環(huán)特性集 成 運(yùn)放開 環(huán) 工 作狀 態(tài)電 路 如圖7.4.1所 示。(1) 當(dāng)uid =u+- u- >0即u+>u-時(shí)，u o=+Uom，其值比正電源電壓低12V；(2)當(dāng) uid =u+- u-< 0，即u+<u-時(shí)，u o=- Uom，其值比負(fù)電源電壓高12V；(3) 當(dāng) uid =0，即 u+=u- 時(shí)，輸出電壓 uo 發(fā)生跳變。運(yùn)放在非線性應(yīng)用時(shí)，仍有“虛斷”的特性。圖 7.4.1集成運(yùn)放開環(huán)工作狀態(tài)電路電壓比較器是用來對(duì)輸入電壓信號(hào)（被測(cè)信號(hào)）與另一個(gè)電壓信號(hào)（或基準(zhǔn)電壓信號(hào)）進(jìn)行比較，并根據(jù)結(jié)果輸出高電平或低電平的一種電子電路，是模擬電路與數(shù)字電路之間聯(lián)系的橋梁，主要用于自動(dòng)控制、測(cè)量、波形產(chǎn)生和波形變換方面。1、單值電壓比較器1）、單值電壓比較器工作原理開環(huán)工作的運(yùn)算放大器是最基本的單值比較器，電路如圖7.4.2a 所示。7.4.2單值電壓比較器及傳輸特性a) 電路圖b)傳輸特性（1）當(dāng)ui <UREF時(shí)， Uo=+Uom；（2）ui >UREF 時(shí)， Uo=- Uom；當(dāng)ui =UREF時(shí)， uo 發(fā)生跳變。該電路理想傳輸特性如圖4.5.2 b 所示。若 UREF=0，組成過零比較器(Zero crossing comparator)，即每當(dāng)輸入信號(hào)過零點(diǎn)時(shí)，輸出信號(hào)就發(fā)生跳變。過零比較器可將正弦波轉(zhuǎn)換成方波，波形圖如圖7.4.3b 所示。圖7.4.3過零比較器a) 電路圖b)正弦波轉(zhuǎn)換成方波波形圖2）、電壓比較器的閾值電壓(Threshold voltage)比較器輸出電壓發(fā)生跳變( 即 u+=u- ) 時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值稱為閾值電壓或門限電壓Uth 。圖 7.4.2 所示電路的 Uth =UREF, 過零比較器的 Uth =0。 因?yàn)閮H一個(gè)閾值電壓，故稱為單值電壓比較器。2、遲滯比較器 (Regenerative comparator)1）. 電路組成單限比較器有一缺點(diǎn)就是抗干擾能力弱。為了提高比較器的抗干擾能力，人們研制了如圖7.4.4a所示電路的具有遲滯比較器。輸出電壓uo 通過 R2 接到同相輸入端，構(gòu)成正反饋。圖 7.4.4遲滯比較器a) 電路b)傳輸特性2）工作原理（1）當(dāng) u =+U 時(shí)，u/R1U omR2U REFoomR1R2R1 R2（ 2 ） 當(dāng) u- u 時(shí) ， uo將 由 +Uom 跳 變 到 - Uom ， 。u/R1( U om )R2U REF 。R1R2R1 R2（ 3）當(dāng) ui 減少，使 u- u / 時(shí)， uo 將再次由 - Uom跳變到 +Uom。其傳輸特性曲線如圖 7.4.4 b 所示。由以上分析可知，遲滯比較器有兩個(gè)不同的門限電壓，u 稱為上限門限電壓，用 U/稱為下限門限電壓，用U 表示，表示；把 uth1th2它們的差值稱為門限寬度又稱回差電壓或遲滯寬度（Hystersisvoltage ），用 Uth 表示，即 Uth = Uth2 - Uth1 。3）遲滯比較器的特點(diǎn)及應(yīng)用遲滯比較器的特點(diǎn)：有兩個(gè)不同的門限電壓；只要門限寬度大于干擾電壓的變化幅度，就能有效的抑制干擾信號(hào)；Uth 越大，比較器抗干擾能力越強(qiáng)，但分辯率越差。遲滯比較器常用來組成整形、波形產(chǎn)生等電路。單限比較器、遲滯比較器，UREF和 ui 的電壓可由任意端輸入，其工作過程和輸入輸出特性與上述比較器類似。 例 7.4.1 圖示 7.4.5 a 所示電壓比較器，雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為 6V，請(qǐng)畫出它的傳輸特性。當(dāng)輸入一個(gè)幅度為4V 的正弦信號(hào)時(shí)，畫出輸出電壓波形。圖7.4.5例7.4.1圖a) 電壓比較器b) 電路傳輸特性c) 輸出波形圖解：這是一個(gè)遲滯比較器，遲滯比較器有兩個(gè)門限電壓，應(yīng)先根據(jù)反饋電阻與輸出電壓的狀態(tài)求上、下限門限電壓。輸入電壓信號(hào)從反相輸入端輸入，假設(shè)初始狀態(tài)時(shí)輸出正電壓。即當(dāng) uo=Uom=6V時(shí)，求得U th1R1U om2VR1R2當(dāng) uo=- Uom=-6V 時(shí)求得R1U th2( U om )2VR1R2所以，此電路傳輸特性如圖7.4.5 b 所示，當(dāng)輸入正弦信號(hào)時(shí)，輸出波形如圖7.4.5 c 所示。3、 集成電壓比較器用通用集成運(yùn)放可組成比較器電路，但普通運(yùn)放的響應(yīng)速度、傳輸延遲時(shí)間等指標(biāo)有時(shí)難以達(dá)到要求，因此高精度的比較電路通常采用集成電壓比較器。集成電壓比較器按電壓比較器的個(gè)數(shù)分為：?jiǎn)巍㈦p和四電壓比較器；按功能不同分為：通用型、高速型、低功耗型、低電壓型和高精度型。按輸出方式分為：普通、集電極（或漏極）開路輸出和互補(bǔ)輸出三種。集電極（或漏極）開路輸出的比較器，使用時(shí)應(yīng)在輸出端與電源之間接一電阻。此外，有的集成電壓比較器帶有選通端，用來控制比較器是處于工作狀態(tài)還是禁止?fàn)顟B(tài)。所謂工作狀態(tài)是電路按比較器的電壓傳輸特性工作；所謂禁止?fàn)顟B(tài)是指比較器不再按電壓傳輸性工作，而處于高阻狀態(tài)，即從輸出端看進(jìn)去相當(dāng)于開路。通用型集成電壓比較器有AD790（單）、LM114（雙）、MC1414（雙），它們響應(yīng)時(shí)間分別為 45ns、80ns 和 40ns；高速型的有 MXA900（四）、AD9696（單）、和 TA8504，它們的響應(yīng)時(shí)間分別為 15ns、7ns 和 2.6ns ；低功耗型 TCL344（四）采用單電源供電，工作電壓為 218V，電源電流僅為 0.75mA。二、 方波發(fā)生器方波（ Square wave）發(fā)生器是非正弦發(fā)生器中應(yīng)用最廣的電路，數(shù)字電路和微機(jī)電路中時(shí)鐘信號(hào)就由方波發(fā)生器提供。1. 電路組成方波發(fā)生器電路如圖7.4.6a 所示。它由滯回比較器和具有延時(shí)作用的 RC 反饋網(wǎng)絡(luò)組成。圖 7.4.6方波發(fā)生器a) 電路圖b)波形圖2. 工作原理我們從 7.4.2 節(jié)滯回比較器原理可知，圖7.4.6 所示滯回比較器的輸出電壓不是uo1=Uom=UZ+UD ，就是 uo2=-Uom=(UZ+UD )，UD 為二極管導(dǎo)通電壓，為討論方便，UD 忽略不計(jì)。當(dāng)電源接通，在t=0 時(shí)刻，電容兩端電壓uc=0，設(shè) uo1=+UZ，此時(shí)同相輸入端電壓（即閾值電壓）為U th2u R1uo1R1U ZR1R2R1R2輸出電壓 uo=UZ 經(jīng) R3 向 C 充電, uc 按指數(shù)規(guī)律上升 , 如圖 7.4.7 b曲線 . 當(dāng)電容上電壓升至uc= Uth1 時(shí), 電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn) , 輸出電壓由 uo1 突變?yōu)?uo2=UZ。此時(shí) , 同相端輸入電壓突變?yōu)閁 th1u"R1u02R1U ZR1R2R1R2此時(shí)，電容 C 上電壓因放電而開始下降，如圖7.4.6 b 曲線，放電完畢后電容反向充電，當(dāng)uc= u=Uth2，電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)， uo=+UZ。電容反向放電，當(dāng)放電完畢進(jìn)行正向充電，當(dāng)uc=Uth1 時(shí)，電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出由 +UZ 突變?yōu)?UZ 。如此反復(fù)，在輸出端即產(chǎn)生方波波形。波形如圖7.4.6b 所示。3. 振蕩頻率估算從以上分析可知，方波的頻率與充放電時(shí)間常數(shù)有關(guān)， RC 的乘積越大，充放電時(shí)間越長(zhǎng)，方波的頻率就越低。方波的周期和頻率可由下式估算T 2RC ln( 12R1)R21fR1 )2RC ln(1R2由上式不難看出，適當(dāng)選取R1、R2 值，使 ln(1 2 R1)1則R2T2RCf12RC三、 占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器1. 電路組成和工作原理在脈沖電路中，將矩形波中高電平的時(shí)間TH 與周期 T 之比稱為占空比 D（ DTH ），方波發(fā)生器高電平與低電平所占時(shí)間相等，占T空比為THD50%T將圖 7.4.7 電路稍加改造，就可組成占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器，電路如圖 7.4.7a所示。圖 7.4.7 占空比可調(diào)矩形波發(fā)生器a）電路圖 b ）波形圖圖中利用鍺二極管VD 1、VD 2 把電容的充電、放電電路隔開。當(dāng)輸出正電平uo1=UZ+UD 時(shí)， VD 1 導(dǎo)通， VD 2 截止，電容 C 正向充電，（與圖 4.5.7b 中曲線相對(duì)應(yīng)），充電時(shí)間常數(shù)由電阻 R4、二極管 VD 1 導(dǎo)通動(dòng)態(tài)電阻 rd1、電位器 RP 上半部分電阻 RP及電容 C 決定。當(dāng)輸出為負(fù)電平uo2=( UZ+UD ) 時(shí)，VD 1 截止， VD 2 導(dǎo)通，電容放電及反向充電時(shí)，（與圖 4.5.7 b 中曲線相對(duì)應(yīng)），放電及反向充電常數(shù)由 R4、VD 2 導(dǎo)通動(dòng)態(tài)電阻 rd2、電位器 RP 下半部分電阻RP“ 及電容 C 決定。調(diào)節(jié)電位器 RP，即可調(diào)節(jié)占空比。當(dāng) RP 的動(dòng)觸點(diǎn)向上移動(dòng)，充電時(shí)間常數(shù)減小，放電時(shí)間常數(shù)增大，占空比減小。反之， RP 動(dòng)觸點(diǎn)向下移動(dòng)，占空比增大。2. 振蕩周期估算在 RP 調(diào)節(jié)過程中，電路振蕩周期不變，可由下式估算T (RP rd1rd 22R4 ) ? C ? ln(1 2R1 )R2（ 7.4.9 ）四、三角波發(fā)生器1.電路組成和工作原理三角波發(fā)生器電路如圖、7.4.8 所示。電路由同相輸入滯回比較器（ A1）和積分器（ A2）組成。圖7.4.8三角波發(fā)生器a）電路圖b）比較器傳輸特性c ） 波形圖由電路可見，A1的同相輸入端電壓由uo1、uo2迭加而成。設(shè)穩(wěn)壓二極管正向?qū)妷篣D 0，則 uo1= UZ 。應(yīng)用迭加定理，集成運(yùn)放 A1 同相輸入端的電位R1R2uo2R2uo 2R1U Zu p1R2uo1R1 R2R1 R2R1R1R2uo2 經(jīng) R1反饋至 A1同相輸入端控制滯回比較器翻轉(zhuǎn)。A1 反相輸入端經(jīng) R4 接地， up1 = uN1 =0 則閾值電壓u o2U thR1U ZR2式（）表明， u o2 U thR1U Z 時(shí)滯回比較器翻轉(zhuǎn)，可畫出傳輸R2特性如圖 7.4.9 b 所示。比較器的輸出電壓uo1 經(jīng) R5 接至 A2 的反相輸入端，而 uo1U Z ，所以積分電路輸出電壓uo 2(t1 t 2 ) uo1 uc(0 )(t1 t2 ) U Z uc( 0)R5CR5 C式中， uc(o) 為電容上的初始電壓。假設(shè)接通電源瞬間， uo1=UZ ，電容 C 上 uc(0)=0，A 2 的輸出為零， A1 的同相輸入端電壓up1 為負(fù)值。此時(shí)，電容C 開始充電，積分器的輸出電壓uo2 由零值開始線性上升。這樣A1 同相輸入端電壓up1 由負(fù)值逐漸上升。當(dāng) uo2 達(dá)到R1U Z ，而 up1=0,滯回比較器翻轉(zhuǎn)，R2使 uo1 由 UZ 迅速跳變到 +UZ。當(dāng) uo1 跳變成 +UZ 后，積分器的輸出電壓uo2 開始線性下降，此時(shí)，A 1 的 up1 也逐漸下降。當(dāng) uo2 下降到R1U Z而p1時(shí)，滯回比R2,u =0較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，uo2 由+UZ 迅速跳變到UZ。根據(jù)以上分析，可畫出電路的工作波形圖如圖7.4.8c所示。圖中 uo1 為方波，其幅值為UZ，uo2 為三角波，其幅值為R1R2U Z。2.頻率估算從圖 7.4.8 可見，方波和三角波的周期相等， 是 uo2 從零變至 R1 U ZR2所需時(shí)間 4 倍。所以，三角波周期為T 4R1 R5 C R2fR24R1 R5C由式可知，該電路產(chǎn)生的方波和三角波的頻率與R1、R2、R5 及C 有關(guān)。電路調(diào)試時(shí)一般先調(diào)節(jié)R2 或 R1，使三角波幅值滿足要求后，再調(diào)節(jié) R5 或 C，用以調(diào)節(jié)頻率值。 為使頻率可調(diào)， 可在 uo1 輸出端接一電位器，另一端接地，R5 左端接電位器滑動(dòng)臂，即組成了頻率可調(diào)三角波電路。五、鋸齒波發(fā)生器如果三角波波形不對(duì)稱，即上升時(shí)間與下降時(shí)間不相等，則成為鋸齒波。鋸齒波電路如圖7.4.9a 所示。它與圖7。4.8 三角波電路的區(qū)別在于R5 換成由電位器RP 和 VD 1、VD 2 組成的網(wǎng)絡(luò)。這樣積分器 A2 設(shè)有二條積分支路： VD 1RP 上部電阻 RP C；VD 2RP下部電阻 RP C。當(dāng) uo1 為+UZ 時(shí), VD 1 導(dǎo)通, VD 2 截止 , uo1 通過二極管 VD 1 及 RP/ 向 C 電; 當(dāng) uo1 為 UZ 時(shí), VD 2 導(dǎo)通 , VD 1 截止 , 電容通過 VD 2 及 RP放電和反向充電 . 產(chǎn)生鋸齒波波形如圖 7.4.9b 所示。該電路的鋸齒波幅值為 R1 U Z ，振蕩頻率為R2f11? R2T 2(RP rd1rd 2 )C R1式中， r d1、rd2 為二極管導(dǎo)通動(dòng)態(tài)電阻，通?？珊雎圆挥?jì)。圖 7.4.9鋸齒波發(fā)生器a）電路圖b）波形圖鋸齒波發(fā)生器在顯示器、電視機(jī)、示波器中得到廣泛應(yīng)用，用它組成掃描電路。圖b 中， TL 稱為正程掃描時(shí)間TL21( RPrd 2)CR2TH 稱為逆程掃描時(shí)間（回掃時(shí)間）TH 2R1(RP" rd 1 )CR2