第8章+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8.2RC正弦波振荡电路8.3LC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fidXXX-=只有正反馈电路才能产生自激振荡。+Xi–f基本放大器A反馈网络FX+doXX改成正反馈+如果：,dfXX=则去掉,iX仍有信号输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号。Xi+f基本放大器A反馈网络FX+doXXfidXXX+=FA=1Xd=Xf所以，自激振荡条件也可以写成：自激振荡的条件：（1）振幅条件：1||=AF（2）相位条件：pjjnFA2=+n是整数1..=FAAAAj=||因为：FFFj=||..动画演示Xdof基本放大器A反馈网络FXX二.起振条件和稳幅原理起振条件：结果：产生增幅振荡1||FA（略大于）1、被动：利用放大器的限幅特性2、主动：在电路中加入稳幅环节，用以调节放大电路的增益稳幅过程：稳幅措施：Xdof基本放大器A反馈网络FXX干扰、噪声中选择所需的频率成分起振时，1||FA稳定振荡时，1||=FA1.基本放大电路A三.正弦波振荡器的组成2.正反馈网络F3.选频网络4.稳幅环节RC，LC，晶体A与F首尾相连正弦波振荡器命名RCLC低频高频晶体稳频6.2RC正弦波振荡电路RC桥式振荡器基本放大器A正反馈网络F选频网络运放的限幅特性uRf1RRRCCuf－A++∞o一.RC串并联网络的选频特性R1C1串联阻抗：)j/1(111CRZ+=222222j1)j/1//(CRRCRZ+==R2C2并联阻抗：选频特性：++++Ru+-o-fu+12RC12C212ofZZZUUF+==...1.定性分析：（1）当信号的频率很低时。R111CR221C其低频等效电路为：其频率特性为：当ω=0时，uf=0，│F│=0=+90°Fj当ω↑时，uf=↑，│F│↑↓Fj++++fo-+R21u-uC+0|F|0φF90°（2）当信号的频率很高时。＜＜R111C＜＜R221C其高频等效电路为：其频率特性为：当ω=∞时，uf=0，│F│=0=-90°Fj当ω↓时，uf=↑，│F│↑↓Fj++++ou-f-u+2C+1R0|F|0φF-90°ω0=？│F│max=？由以上分析知：一定有一个频率ω0存在，当ω=ω0时，│F│最大，且=0°Fj0|F|0φF90°0|F|0φF-90°2.定量分析)j/1(111CRZ+=222222j1)j/1//(CRRCRZ+==R1C1串联阻抗：R2C2并联阻抗：频率特性：++++Ru+-o-fu+12RC12C212ofZZZUUF+==...)1j()1(1j1j1j11221211222211222CRCRRRCCCRRCRCRRF-+++=++++=通常，取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，则有：)j(3100-+=F式中：RC10=可见：当时，│F│最大，且=0°RC10==Fj│F│max=1/3RC串并联网络完整的频率特性曲线：RC10=当时，│F│=│F│max=1/30F=jRC10==RCfp210=φFo+90°o|F|1/3二.RC桥式振荡器的工作原理：0=Aj在f0处,0=Fj满足相位条件：因为：AF=131=F11f+=RRA1f2RR=只需：A=3输出正弦波频率：RCfp210=0=+FAjj振幅条件：uRf1RRRCCuf－A++∞o引入负反馈：选：例题:R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf为多大时才能起振？振荡频率f0=？AF=1，31=F11f+=RRAA=3Rf=2R1=210=20kRCfp210==1592Hz起振条件：uRf1RRRCCuf－A++∞o能自动稳幅的振荡电路半导体热敏电阻(负温度系数）起振时Rt较大使A3,易起振。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A3。因此uo幅度自动稳定于某一幅值。u0.1u10k0.1u－++A∞fu10k10k39k100kotR能自动稳幅的振荡电路起振时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。将Rf分为Rf1和Rf2，Rf2并联二极管u12ARCo1RR+∞C.+－D1D2Rf1f2REWB演示——RC振荡器K：双联波段开关，切换R，用于粗调振荡频率。C：双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。振荡频率的调节：_++RfuoRCCR1KKR1R1R2R2R3R3振荡频率：RCfp210=三.RC移相式振荡电路基本放大器A正反馈网络F移相式选频网络1+－－+uofuRRRCCCRC超前移相电路+－uouf+－RRRCCCRC滞后移相电路φFo+90°+180°+270°0°φFo-90°-180°-270°0°移相网络的选频特性：RCf6210p=RC610=基本放大器A正反馈网络FRC移相式振荡电路的工作原理相位条件：o180=Aj在f0处o180=Fjo360=+FAjj满足相位条件：幅值条件:很易满足RCf6210p=振荡频率：u++A∞－+－/=//oR2R1R0RRCCCufRRR01R16.3LC正弦波振荡器1.LC并联谐振回路的选频特性R为电感线圈中的损耗电阻等效阻抗：CL001=并联谐振：CLRQ1=品质因数LCω10=谐振频率RCLZ=0谐振阻抗)1(j12200-+=QZLCω10=RCLZZ==0(阻值最大且为纯阻))1j(jj1)j(j1CLRCLLRCLRCIUZ-+=+++=＝-+LCRiCiLiuZLC10=RCLZZ==0||(阻性)幅频特性相频特性Q值越高，则幅频特性越尖锐，选频特性越好。LC并联谐振回路的特性曲线)21(0LCfp=0=（最大值)2.LC选频放大器宽带放大器选频放大器f0beurZA-=选频放大器各级之间采用变压器耦合VccC1234初级线圈次级线圈同名端1234+–+–在LC振荡器中，反馈信号通过互感线圈引出-+uiLCfu变压器的同名端：互感线圈的极性判别二.变压器反馈式LC振荡电路工作原理：三极管共射选频放大器。利用互感线圈的同名端：180=Aj180=Fj360=+AAjj满足相位条件。振荡频率:LCfp210+－－ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU判断是否是满足相位条件——相位平衡法：+－－ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU断开反馈到放大器的输入端点，假设在输入端加入一正极性的信号，用瞬时极性法判定反馈信号的极性。若反馈信号与输入信号同相，则满足相位条件；否则不满足。(+)(-)(+)(+)(+)(+)(+)LC正弦波振荡器举例满足相位平衡条件Vb221eLCeccCbb1RRRLC（+）（+）（–）（+）LC正弦波振荡器举例振荡频率:（–）LCfp210满足相位平衡条件VRReb1ccLCCeC2RcC1Rb2仍然由LC并联谐振电路构成选频网络三.三点式LC振荡电路原理：uf与uo反相uuCLL12fouuo1LC2Lfuf与uo同相电感三点式：电容三点式：uuf2o1CCLuf与uo反相uuLCoC12fuf与uo同相振荡频率：CMLLLCf)2(2121210++==ppVRccCbcRb1Rb2eLe2CRC1L（+）（+）（-）VCbRLb2b1ccL1eR2CeCR（+）（+）（+）1.电感三点式LC振荡电路2.电容三点式LC振荡电路振荡频率：212102121CCCCLLCf+==ppV2eRRRb1CCcceb2c1RbCCL（+）（+）（-）VRRReb21eCcc2CLbb1CC（+）（+）（+）例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。V21CCL+－A∞+RRuo1Rf（+）（+）（-）6.4石英晶体振荡电路一.频率稳定问题频率稳定度一般由来衡量0ff——频率偏移量。f0f——振荡频率。影响频率稳定的主要因素：温度变化时，LC参数变化、三极管参数变化。负载对谐振回路的影响。稳频措施：选择温度稳定性好的LC及三极管负载与振荡器之间加缓冲器（射随）提高LC谐振回路的品质因数QQ值越高，选频特性越好，频率越稳定。LC谐振回路Q——数百石英晶体谐振回路Q——1000050000f90o-90of0LC谐振回路的相频特性Q值增大f0’△f0△f0’CLRQ1=品质因数△二.石英晶体2.基本特性1.结构：极板间加电场压电效应：加交变电压当交变电压频率与晶体固有频率一致压电谐振：SiO2VV晶片敷银层符号VV晶体机械变形晶体产生电场机械振动产生交变电场交变电场幅度加大机械振动幅度突然加大3.石英晶体的等效电路与频率特性等效电路：LCfp21s=串联谐振频率特性：晶体等效纯阻且阻值≈00p121CCLCf+=p并联谐振0s1CCf+=uu石英晶体uuLCCoR等效电抗）－＋（－02021LCCCCLCX=晶体等效阻抗为纯阻且最大fX感性0fsfp容性典型值：L=100mHC=0.015pfR=100Ω258191==CLRQ通常0CC所以很接近与psff实际使用时外接一小电容Cs串联谐振:s0s121CCCLCf++=ps0s1CCCf++=；时，0pssffC=sssffC=时，调整之间变化和在可使psssfffC并联谐振：0p121CCLCf+=pfX感性0fsPf容性'Sf等效电抗）－＋（＋－＋020S0S02S)()(1LCCCCCCCCCLCCX+=二.石英晶体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。1.并联型石英晶体振荡器石英晶体工作在fs与fp之间，相当一个大电感，与C1、C2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，所以电路可以获得很高的振荡频率稳定性。+－A∞+CC12Cs石英晶体fX感性0fsfp容性+－A∞+CC12LCs2.串联型石英晶体振荡器石英晶体工作在fs处，呈电阻性，而且阻抗最小，正反馈最强，相移为零,满足振荡的相位平衡条件。对于fs以外的频率，石英晶体阻抗增大,且相移不为零，不满足振荡条件，电路不振荡。U+VRRRRebbe122C(+)(+)石英晶体.oCC1(+)RRb1c(+)fX感性0fsfp容性例1：分析下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振荡,石英晶体处于何种状态？VbecRccReb1Rb2CCRCC石英晶体12(＋)(－)(＋)111RG2R12G1Cov反相器组成的串联式石英晶体振荡器例2：R1、R2是偏置电阻，使反相器G1、G2工作在转折区，构成线性放大器。uoui111RGuiuoCMOS反相器uo=ui反相放大串联式振荡器满足相位振荡条件。且幅值条件最易满足。振荡频率f0=fS由于石英晶体Q值极高，所以这种电路振荡频率的稳定度很高。111RG2R12G1CovfX感性0fsfp容性基本放大器A正反馈网络F选频网络(＋)(-)(＋)(＋)输出正弦波，若加反相器整形，得脉冲波。石英晶体工作在串联谐振频率fS时，呈阻性，且阻抗最小。并联式石英晶体振荡器晶体工作频率处于fS与fP之间，等效一电感，与C1、C2共同构成电容三点式振荡电路。CR1C112G21GF10MΩ20pF5～50pFov例3：反相器G1工作在转折区，构成反相放大器。fX感性0fsfp容性(＋)反相器G2起整形缓冲作用，同时G2还可以隔离负载对振荡电路工作的影响。电路的振荡频率为LC并联谐振回路的谐振频率(－)(＋)8.5比较器将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一定的高低电平。功能：构成：运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。uuu-+－ui+OA∞+uoui0+UOM-UOM1.运放工作在非线