《波形發(fā)生電路》PPT課件.ppt

第九章 波形發(fā)生電路,9.1 正弦波振蕩電路的分析方法,9.1.1 產(chǎn)生正弦波振蕩的條件,如果：,則去掉 ，仍有信號(hào)輸出。,反饋信號(hào)代替了放大電路的輸入信號(hào)。,放大電路產(chǎn)生自激振蕩的條件,產(chǎn)生自激振蕩的條件是,相位條件意味著振蕩電路必須是正反饋； 振幅條件可以通過調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達(dá)到。,對(duì)照第五章中所討論的負(fù)反饋放大電路產(chǎn)生自激振蕩的條件：,與本節(jié)得到的自激振蕩條件 相比，兩者相,差一個(gè)負(fù)號(hào)，這是由于兩者反饋極性不同所致。,反饋放大電路輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的符號(hào)關(guān)系：,問題1：如何起振？,Uo 是振蕩器的電壓輸出幅度，B是要求輸出的幅度。起振時(shí)Uo=0，達(dá)到穩(wěn)定振蕩時(shí)Uo=B。,放大電路中存在噪聲即瞬態(tài)擾動(dòng)，這些擾動(dòng)可分解為各種頻率的分量，其中也包括有 fo 分量。,選頻網(wǎng)絡(luò)：把 fo 分量選出，把其他頻率的分量衰減 掉。這時(shí)，只要：,，且A+ F =2n，即可起振。,問題2：如何穩(wěn)幅？,起振后，輸出將逐漸增大，若不采取穩(wěn)幅措施，這時(shí)若 仍大于 1 ，則輸出將會(huì)飽和失真。,達(dá)到需要的幅值后，將參數(shù)調(diào)整為 ，即可穩(wěn)幅。,起振并能穩(wěn)定振蕩的條件：,穩(wěn)幅由電路中的非線性元件實(shí)現(xiàn),9.1.2 正弦波振蕩的組成和分析步驟,組成：放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)幅環(huán)節(jié),分析步驟：,一、判斷能否產(chǎn)生正弦波振蕩,1. 是否具備正弦波振蕩的組成部分； 2. 靜態(tài)工作點(diǎn)是否能保證放大 電路正常工作； 3. 是否滿足自激振蕩條件（相位條件 和幅度條件）。,二、估算振蕩頻率和起振條件,振蕩頻率由相位平衡條件決定，起振條件由幅度條件 決定。,9.2 RC 正弦波振蕩電路,9.2.1 RC 串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路,R1、C1 ，R2、C2 ，RF ，R 組成電橋的四個(gè)臂文氏電橋電路。,一、RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性,低頻時(shí)，1/C1R1，1/C2R2 ，此時(shí)可將R1和1/C2忽略。低頻等效電路為：,高頻時(shí)，1/C1R1，1/C2R2 ，此時(shí)可將1/C1和R2忽略。高頻等效電路為：,越低，1/C1越大， 的幅度越小，且其相位超前 越多。,當(dāng) 0 時(shí)， 0，F(xiàn) +90。,越高，1/C2越小， 的幅度越小，且其相位滯后 越多。,當(dāng) 時(shí)， 0，F(xiàn) - 90。,只有當(dāng)為某一中間值時(shí)，才有可能得到 的值較大，且 與 同相。,頻率特性,取 R1=R2=R， C1=C2=C,則,令,則,當(dāng) 時(shí)， ，,即當(dāng) 時(shí)， ，且 與 同相,(a) 幅頻特性,二、振蕩頻率與起振條件,相位平衡條件要求：,時(shí),可見電路的振蕩頻率為,1 . 振蕩頻率,2 . 起振條件,時(shí),起振條件要求,而同相比例運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)為,為使電路起振，振蕩電路中負(fù)反饋支路的參數(shù)必須滿足,三、振蕩電路中的負(fù)反饋,電路中電壓串聯(lián)負(fù)反饋的作用：,(1) 提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性; (2) 改善振蕩電路的輸出波形; (3) 進(jìn)一步提高放大電路的輸 入電阻，降低輸出電阻;,(4) 減小放大電路對(duì)RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)選頻特性的影響 (5) 提高振蕩電路的帶負(fù)載能力。,負(fù)反饋系數(shù)：,改變RF 或R的阻值大小可以調(diào)節(jié)負(fù)反饋的深度，使振蕩電路產(chǎn)生比較穩(wěn)定而失真又較小的正弦波信號(hào)。,能自行啟動(dòng)的電路（1）,負(fù)反饋系數(shù)：,起振時(shí)，RT 略大于2R，使|AF|1，以便起振；,起振后，uo 逐漸增大，則RT 逐漸減小，使得輸出uo為某值時(shí)，|AF|=1，從而穩(wěn)幅。,能自行啟動(dòng)的電路（2）,負(fù)反饋系數(shù)：,R22 為一小電阻，使(R21+R22 )略大于2R1，| AF |1，以便起振；,隨著uo 的增加，R22 逐漸被短接，A自動(dòng)下降到使| AF |=1，使得輸出uo 穩(wěn)定在某值。,四、振蕩頻率的調(diào)節(jié),通過調(diào)整 R 或 C 來調(diào)整頻率。,K：雙聯(lián)波段開關(guān)， 切換R，用于粗 調(diào)振蕩頻率。,C：雙聯(lián)可調(diào)電容， 改變C，用于細(xì) 調(diào)振蕩頻率。,電子琴的振蕩電路：,例：一臺(tái)由文氏電橋振蕩電路組成的正弦波信號(hào)發(fā)生器，采用如圖方法調(diào)節(jié)輸出頻率。切換不同的電容作為頻率粗調(diào)，調(diào)節(jié)同軸電位器作為細(xì)調(diào)。已知C1、C2、C3、分別為0.25F、0.025F 、0.0025F ，固定電阻R=3k，電位器RW =30k。試估算該儀器三擋頻率的調(diào)節(jié)范圍。,解：(1) 在低頻擋，C=0.25F， 當(dāng)電位器調(diào)至最大時(shí)， R+RW =(3+30)k=33k,當(dāng)電位器調(diào)至零時(shí)，R+RW =3k,(2) 在中頻擋，C=0.025F。當(dāng)電位器調(diào)至最大時(shí)，,當(dāng)電位器調(diào)至零時(shí)，,(3) 在高頻擋，C=0.0025F。當(dāng)電位器調(diào)至最大時(shí)，,當(dāng)電位器調(diào)至零時(shí)，,該儀器三擋頻率的調(diào)節(jié)范圍是：19Hz212Hz， 190Hz2.12kHz， 1.9kHz21.2kHz，,三擋頻率均在音頻范圍內(nèi)，且三擋之間互相有一部分覆蓋，故能在19Hz21.2kHz的全部范頻率圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，是一臺(tái)頻率可調(diào)的音頻信號(hào)發(fā)生器。,五*、用分立元件組成的RC振蕩器,ube,RC網(wǎng)絡(luò)正反饋，RF、RE1組成負(fù)反饋，調(diào)整到合適的參數(shù)則可產(chǎn)生振蕩。,9.2.2* 其他形式的RC 振蕩電路,一、移相式振蕩電路,放大電路，采用反相輸入方式，A=180。,正反饋網(wǎng)絡(luò)，采用三節(jié)RC 移相電路，每節(jié)RC 移相范圍為090，三節(jié)總相移0270，故必存在一頻率，使移相電路的相移為180。,即此時(shí) AF = A + F = 360，滿足振蕩相位平衡條件。,通常選C1 = C2 = C3 = C，R1 = R2 = R，此時(shí)，電路的振蕩頻率為：,起振條件為：,二、雙 T 選頻網(wǎng)絡(luò)振蕩電路,+,-,A,R,RF,R3,C,2C,C,R,R,R3 略小于R/2，此時(shí)電路的振蕩頻率為：,當(dāng) f = f0 時(shí)，雙 T 網(wǎng)絡(luò)的相位移F = 180，而反相輸入比例電路的相位移F = 180，AF = A + F = 360，滿足振蕩相位平衡條件。,放大電路的放大倍數(shù)必須足夠大，以滿足,三種RC振蕩電路的比較（課本表8 - 1）,LC 振蕩電路的選頻電路由電感和電容構(gòu)成，可以產(chǎn)生高頻振蕩。由于高頻運(yùn)放價(jià)格較高，所以一般用分立元件組成放大電路。本節(jié)只對(duì) LC振蕩電路做一簡單介紹，重點(diǎn)掌握相位條件的判別。,9.3* LC 正弦波振蕩電路,首先介紹 LC 選頻網(wǎng)絡(luò)的特性。,9.3.1 LC 并聯(lián)電路的特征,電路的復(fù)數(shù)導(dǎo)納為：,當(dāng)回路導(dǎo)納的虛部等于0時(shí)，回路呈現(xiàn)純電阻，回路電流與電壓同相，電路發(fā)生并聯(lián)諧振。諧振角頻率為 0 ，則：,令,諧振回路的品質(zhì)因數(shù),則,當(dāng)Q1 時(shí)，,當(dāng)LC回路發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，,LC并聯(lián)回路阻抗的一般表達(dá)式,在諧振頻率附近，即當(dāng) 0 時(shí)，,不同Q值時(shí)LC并聯(lián)回路的幅頻特性和相頻特性（Q1Q2） ：,感性,容性,純阻,LC并聯(lián)回路具有選頻特性； 諧振頻率 f0 的數(shù)值與電路參數(shù)有關(guān)； Q值越大，選頻特性越好，諧振時(shí)的阻抗值Z0也越大。,諧振時(shí)回路中的電流,諧振時(shí)電容中電流的幅值：,LC并聯(lián)回路的輸入電流為：,即,當(dāng)Q1時(shí),諧振時(shí)回路電流比總電流大的多，外界對(duì)諧振回路的影響可以忽略！,例1：LC并聯(lián)諧振電路中, L=1mH, C=0.1F, R=10， U=1V。求諧振時(shí)的 f0、I0、IC、IL。,=15924 Hz,=1000 ,I0=U/Z0 =1/1000=1 mA,IC =U/ ZC =10 mA,IL =U/ ZLR =9.95 mA,結(jié)論:并聯(lián)諧振電路中 IC IL I0,諧振信號(hào)通過互感線圈引出,互感線圈的極性判別,磁棒,初級(jí)線圈,次級(jí)線圈,同極性端,+,+,+,例1：,正反饋,頻率由LC諧振網(wǎng)絡(luò)決定。,9.3.2 LC正弦波振蕩器舉例,振蕩頻率:,判斷是否是正反饋:用瞬時(shí)極性法判斷,利用晶體管共射極放大器集電極電位變化與基極反相，發(fā)射極與基極同相； 利用互感線圈的同極性端電位變化相位相同。,例2：,正反饋,設(shè)uB ,uC ,uD ,uB ,uL2 ,ube ,uL1 ,D,瞬時(shí)極性法判斷：,+,+,+,反相,+,正反饋,振蕩頻率由C 、 L1 、 L2諧振網(wǎng)絡(luò)決定。,M為兩線圈的互感,例3：,正反饋,設(shè)uB ,uC ,uC1 ,uC2 ,uB ,頻率由 L 、 C1 、 C2 組成的諧振網(wǎng)絡(luò)決定。,uC1 ,uC1減小時(shí)， uC2如何變化？,設(shè)L 、 C1 、 C2 組成的諧振網(wǎng)絡(luò)中的電流為i ，則,+,+,例3：瞬時(shí)極性法判斷：,正反饋,振蕩頻率:,其中：,例4：,正反饋,設(shè)uB ,uC ,uE ,ube ,uA ,ube ,uC1 ,用瞬時(shí)極性法判斷：,+,+,+,ube增加,正反饋,頻率由 L 、 C1 、 C2 組成的諧振網(wǎng)絡(luò)決定。,9.4* 石英晶體振蕩器,Q 越大， LC 振蕩電路的幅頻特性曲線越尖銳，選頻特性越好；相頻特性在 f0 附近也越陡，頻率的穩(wěn)定度越高。,石英晶體的 Q 值高，選頻特性好，頻率穩(wěn)定高,9.4.1 石英晶體的基本特性和等效電路,一、基本特性,壓電效應(yīng)、壓電諧振，固有頻率（諧振頻率）,二、等效電路,靜電電容C0 等效電感L：表示機(jī)械振動(dòng)的慣性 等效電容C：表示晶片的彈性,串聯(lián)諧振頻率：,并聯(lián)諧振頻率：,石英晶體的電抗-頻率特性：,容性,感性,容性,9.4.1 石英晶體振蕩電路,一、并聯(lián)型,振蕩頻率：,此時(shí)晶體呈感性,二、串聯(lián)型,一、電路結(jié)構(gòu),上下門限電平：,下行的遲滯比較器，輸出經(jīng)積分電路再輸入到此比較器的反相輸入端。,9.5 非正弦波形發(fā)生電路 9.5.1 矩形波發(fā)生電路,二、工作原理,1. 設(shè) uo = + UOM,此時(shí)，輸出給C 充電!,則：u+=UH,一旦 uC UH , 就有 u- u+ ,在 uC UH 時(shí)，,u- u+ ,uo 保持 + UOM 不變；,uo 立即由UOM 變成UOM,此時(shí)，C 經(jīng)輸出端放電。,2. 當(dāng)uo = -UOM 時(shí)，,u+=UL,uC降到UL時(shí)，uo上翻。,當(dāng)uo 重新回到UOM 以后，電路又進(jìn)入另一個(gè) 周期性的變化。,0,輸出波形：,RC電路：起反饋和延遲作用，獲得一定的頻率。,下行遲滯比較器：起開關(guān)作用，實(shí)現(xiàn)高低電平的轉(zhuǎn)換。,矩形波發(fā)生器各部分的作用：,三、周期與頻率的計(jì)算,f=1/T,uC上升階段表示式:,uC下降階段表示式:,矩形波發(fā)生器電路的改進(jìn)：,思考題：點(diǎn) b 是電位器 RW 的中點(diǎn)，點(diǎn) a 和點(diǎn) c 是 b 的上方和下方的某點(diǎn) 。試定性畫出點(diǎn)電位器可動(dòng)端分別處于 a、b、c 三點(diǎn)時(shí)的 uo - uC 相對(duì)應(yīng)的波形圖。,占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路,電路一：方波發(fā)生器 矩形波積分電路三角波,9.5.2 三角波發(fā)生器,此電路要求前后電路的時(shí)間常數(shù)配合好，不能讓積分器飽和。,uo,三角波的周期由方波發(fā)生器確定，其幅值也由周期T和參數(shù)R、C決定。,電路二：電路一的改型,反向積分電路,上行遲滯比較器,特點(diǎn)：由上行的遲滯比較器和反相積分器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，遲滯比較器的輸出作為反相積分器的輸入，反相積分器的輸出又作為遲滯比較器的輸入。,上行的遲滯比較器,回顧:,上下門限電平：,回顧:,反相積分器,周期和頻率的計(jì)算：,電路三：是電路二的改型電路,調(diào)整電位器 RW 可以使三角波上下移動(dòng)。即給純交流的三角波疊加了一個(gè)直流分量。,T1 時(shí)間段，電容 C 通過 R 放電,T2 時(shí)間段，電容 C 通過 R 充電,充放電的 時(shí)間T1、T2可通過 R、R調(diào)整。 當(dāng)R=0時(shí)，則為鋸齒波發(fā)生器。,電路四：是電路二的改進(jìn)電路,uo1被嵌位 于Uz,9.5.3 鋸齒波發(fā)生電路,改變?nèi)遣òl(fā)生器中積分電路的充放電時(shí)間常數(shù)，使放電的時(shí)間常數(shù)為0，即把三角波發(fā)生器轉(zhuǎn)換成了鋸齒波發(fā)生器。,壓頻轉(zhuǎn)換,|ui | UZ,把鋸齒波發(fā)生器積分電路的充電電壓由uo1變?yōu)閡i ，則鋸齒波發(fā)生器轉(zhuǎn)變?yōu)閴侯l轉(zhuǎn)換電路。即輸