1、模擬電子技術基礎Fundamentals of Analog Electronic,第九章 波形的發(fā)生和變換電路,第九章 波形的發(fā)生和變換電路,9.1 正弦波振蕩電路,9.2 非正弦波發(fā)生電路,9.3 波形變換電路,9.1 正弦波振蕩電路,一、正弦波振蕩的條件和電路的組成,二、RC正弦波振蕩電路,三、LC正弦波振蕩電路,四、石英晶體正弦波振蕩電路,一、正弦波振蕩的條件和電路的組成,1. 正弦波振蕩的條件 無外加信號，輸出一定頻率一定幅值的信號。 與負反饋放大電路振蕩的不同之處：在正弦波振蕩電路中引入的是正反饋，且振蕩頻率可控。,在電擾動下，對于某一特定頻率f0的信號形成正反饋：,由于半導體器件

2、的非線性特性及供電電源的限制，最終達到動態(tài)平衡，穩(wěn)定在一定的幅值。,1. 正弦波振蕩的條件,一旦產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩，則電路的輸出量自維持，即,起振條件：,要產(chǎn)生正弦波振蕩，必須有滿足相位條件的f0，且在合閘通電時對于f= f0信號有從小到大直至穩(wěn)幅的過程，即滿足起振條件。,2. 起振與穩(wěn)幅：輸出電壓從幅值很小、含有豐富頻率，到僅有一種頻率且幅值由小逐漸增大直至穩(wěn)幅。,幅值很小 頻率豐富,頻率趨于單一幅值逐漸增大,逐漸變?yōu)?單一頻率的穩(wěn)幅振蕩,3. 基本組成部分,1) 放大電路：放大作用 2) 正反饋網(wǎng)絡：滿足相位條件 3) 選頻網(wǎng)絡：確定f0，保證電路產(chǎn)生正弦波振蕩 4) 非線性環(huán)節(jié)（穩(wěn)幅環(huán)節(jié)）：

3、穩(wěn)幅,1) 是否存在主要組成部分； 2) 放大電路能否正常工作，即是否有合適的Q點，信號是否可能正常傳遞，沒有被短路或斷路； 3) 是否滿足相位條件，即是否存在 f0，是否可能振蕩 ； 4) 是否滿足幅值條件，即是否一定振蕩。,常合二為一,4、分析方法,相位條件的判斷方法：瞬時極性法,斷開反饋，在斷開處給放大電路加 ff0的信號Ui，且規(guī)定其極性，然后根據(jù) Ui的極性 Uo的極性 Uf的極性 若Uf與Ui極性相同，則電路可能產(chǎn)生自激振蕩；否則電路不可能產(chǎn)生自激振蕩。,在多數(shù)正弦波振蕩電路中，輸出量、凈輸入量和反饋量均為電壓量。,極性？,5. 分類,常用選頻網(wǎng)絡所用元件分類。 1) RC正弦波振

4、蕩電路：1兆赫以下 2) LC正弦波振蕩電路：幾百千赫幾百兆赫 3) 石英晶體正弦波振蕩電路：振蕩頻率穩(wěn)定,二、RC 正弦波振蕩電路,1. RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡,低頻段,高頻段,在頻率從0中必有一個頻率f0，F(xiàn)0。,RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡的頻率響應,當 f=f0時，不但=0，且 最大，為1/3。,1)是否可用共射放大電路？ 2)是否可用共集放大電路？ 3)是否可用共基放大電路？ 4)是否可用兩級共射放大電路？,2. 電路組成,應為RC 串并聯(lián)網(wǎng)路配一個電壓放大倍數(shù)略大于3、輸入電阻趨于無窮大、輸出電阻趨于0的放大電路。,不符合相位條件,不符合幅值條件,輸入電阻小、輸出電阻大，影響f0,可引入電壓串聯(lián)

5、負反饋，使電壓放大倍數(shù)大于3，且Ri大、Ro小，對f0影響小,3. RC 橋式正弦波振蕩電路（文氏橋振蕩器）,用同相比例運算電路作放大電路。,因同相比例運算電路有非常好的線性度，故 R 或 Rf 用熱敏電阻，或加二極管作為非線性環(huán)節(jié)。,文氏橋振蕩器的特點？,以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡為選頻網(wǎng)絡和正反饋網(wǎng)絡、并引入電壓串聯(lián)負反饋，兩個網(wǎng)絡構(gòu)成橋路，一對頂點作為輸出電壓，一對頂點作為放大電路的凈輸入電壓，就構(gòu)成文氏橋振蕩器。,頻率可調(diào)的文氏橋振蕩器,改變電容以粗調(diào)，改變電位器滑動端以微調(diào)。,加穩(wěn)壓管可以限制輸出電壓的峰-峰值。,同軸 電位器,討論一：合理連接電路，組成文氏橋振蕩電路,討論二：判斷圖示電路有可

6、能產(chǎn)生正弦波振蕩嗎？,RC 移項式電路,RC 雙T選頻網(wǎng)絡,選頻網(wǎng)絡和正反饋網(wǎng)絡是兩個網(wǎng)絡。,1) RC 移相電路有幾級才可能產(chǎn)生正弦波振蕩？ 2) 若R 和C 互換呢？,三、LC 正弦波振蕩電路 1. LC并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特性,理想LC并聯(lián)網(wǎng)絡在諧振時呈純阻性，且阻抗無窮大。,諧振頻率為,在損耗較小時，品質(zhì)因數(shù)及諧振頻率,損耗,在ff0時，電容和電感中電流各約為多少？網(wǎng)絡的電阻為多少？,構(gòu)成正弦波振蕩電路最簡單的做法是通過變壓器引入反饋。,附加相移,LC選頻放大電路正弦波振蕩電路,當 f=f0時，電壓放大倍數(shù)的數(shù)值最大，且附加相移為0。,共射電路A=-,2. 變壓器反饋式電路,C1是必要的嗎？

7、,特點： 易振，波形較好；耦合不緊密，損耗大，頻率穩(wěn)定性不高。,分析電路是否可能產(chǎn)生正弦波振蕩的步驟： 1) 是否存在四個組成部分 2) 放大電路是否能正常工作 3) 是否滿足相位條件 4) 是否可能滿足幅值條件,為使N1、N2耦合緊密，將它們合二為一，組成電感反饋式電路。,必須有合適的同銘端！,為什么用分立元件放大電路,如何組成？,3. 電感反饋式電路,反饋電壓取自哪個線圈？ 反饋電壓的極性？,必要嗎？,電感的三個抽頭分別接晶體管的三個極，故稱之為電感三點式電路。,特點：耦合緊密，易振，振幅大，C 用可調(diào)電容可獲得較寬范圍的振蕩頻率。波形較差，常含有高次諧波。,為使振蕩波形好，采用電容反饋式

8、電路,4. 電容反饋式（電容三點式）電路,若要振蕩頻率高，則L、C1、C2的取值就要小。當電容減小到一定程度時，晶體管的極間電容將并聯(lián)在C1和C2上，影響振蕩頻率。,特點：波形好，振蕩頻率調(diào)整范圍小，適于頻率固定的場合。,與放大電路參數(shù)無關,作用？,四、石英晶體正弦波振蕩電路,SiO2結(jié)晶體按一定方向切割的晶片。,壓電效應和壓電振蕩：機械變形和電場的關系,固有頻率只決定于其幾何尺寸，故非常穩(wěn)定。,感性,一般LC選頻網(wǎng)絡的Q為幾百，石英晶體的Q可達104106；前者f/f為105，后者可達10101011。,1. 石英晶體的特點,2. 電路, 石英晶體工作在哪個區(qū)？ 是哪種典型的正弦波振蕩電路？

9、, 石英晶體工作在哪個區(qū)？ 兩級放大電路分別為哪種基本接法？ C1的作用？,（1）并聯(lián)型電路,（2）串聯(lián)型電路,討論三：改錯，使電路有可能產(chǎn)生正弦波振蕩,同名端對嗎？ 放大電路能放大嗎？各電容的作用？,討論四,同銘端？,“判振”時的注意事項： 1. 放大電路必須能夠正常工作，放大電路的基本接法； 2. 斷開反饋，在斷開處加 f=f0的輸入電壓； 3. 找出在哪個元件上獲得反饋電壓，是否能取代輸入電壓。,三個電路有什么相同之處？這樣的電路形式有什么好處？,9.3 非正弦波發(fā)生電路,一、常見的非正弦波,二、矩形波發(fā)生電路,三、三角波發(fā)生電路,四、鋸齒波發(fā)生電路,五、壓控振蕩器,一、常見的非正弦波,

10、矩形波,三角波,鋸齒波,尖頂波,階梯波,矩形波是基礎波形，可通過波形變換得到其它波形。 通過什么電路可將矩形波變?yōu)槠渌鼛追N波形？,二、矩形波發(fā)生電路,輸出無穩(wěn)態(tài)，有兩個暫態(tài)；若輸出為高電平時定義為第一暫態(tài)，則輸出為低電平為第二暫態(tài)。,1. 基本組成部分 （1）開關電路：因為輸出只有高電平和低電平兩種情況，即兩個暫態(tài)；故采用電壓比較器。 （2）反饋網(wǎng)絡：因需自控，在輸出為某一暫態(tài)時孕育翻轉(zhuǎn)成另一暫態(tài)的條件，故應引入反饋。 （3）延遲環(huán)節(jié)：要使兩個暫態(tài)均維持一定的時間，故采用RC環(huán)節(jié)實現(xiàn)，從而決定振蕩頻率 。,2. 電路組成,正向充電： uO（+UZ）RC地,反向充電： 地C R uO（UZ）,R

11、C 回路,滯回比較器,3. 工作原理：分析方法,方法一： 設電路已振蕩，且在某一暫態(tài)，看是否能自動翻轉(zhuǎn)為另一暫態(tài)，并能再回到原暫態(tài)。 方法二： 電路合閘通電，分析電路是否有兩個暫態(tài)，而無穩(wěn)態(tài)。,設合閘通電時電容上電壓為0，uO上升，則產(chǎn)生正反饋過程： uO uP uO ，直至 uOUZ， uP+UT，為第一暫態(tài)。,3. 工作原理,電容正向充電，t uN，t ， uN UZ；但當uN +UT時，再增大， uO從+ UZ躍變?yōu)閁Z， uPUT，電路進入第二暫態(tài)。,電容反向充電，t uN，t ， uN UZ；但當uN UT時，再減小， uO從 UZ躍變?yōu)?UZ， uP+UT，電路返回第一暫態(tài)。,第一

12、暫態(tài)：uOUZ， uP+UT。,脈沖寬度,4. 波形分析,5. 占空比可調(diào)電路,為了占空比調(diào)節(jié)范圍大，R3應如何取值？,正向充電和反向充電時間常數(shù)可調(diào)，占空比就可調(diào)。,三、三角波發(fā)生電路,1. 電路組成 用積分運算電路可將方波變?yōu)槿遣ā?實際電路將兩個RC 環(huán)節(jié)合二為一,為什么采用同相輸入的滯回比較器？,uO要取代uC，必須改變輸入端。,集成運放應用電路的分析方法： 化整為零（分塊），分析功能（每塊），統(tǒng)觀整體，性能估算。,2. 工作原理,滯回比較器,積分運算電路,求滯回比較器的電壓傳輸特性：三要素 UOH =UOL =UZ ，uI作用于集成運放的同相輸入端，求 UT：,合閘通電，通常C 上

13、電壓為0。設uO1 uP1 uO1，直至uO1 UZ（第一暫態(tài)）；積分電路反向積分，t uO，一旦uO過 UT ，uO1從 UZ躍變?yōu)?UZ （第二暫態(tài)） 。 積分電路正向積分，t uO， 一旦uO過 UT ， uO1從 UZ躍變?yōu)?UZ ，返回第一暫態(tài)。重復上述過程，產(chǎn)生周期性的變化，即振蕩。,電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時，uP1=?,三角波發(fā)生電路的振蕩原理,3. 波形分析,如何調(diào)整三角波的幅值和頻率？,怎樣修改可獲得鋸齒波？,“理性地調(diào)試”：哪些參數(shù)與幅值有關？哪些參數(shù)與頻率有關？先調(diào)哪個參數(shù)？,四、鋸齒波發(fā)生電路,1. R3應大些？小些？ 2. RW的滑動端在最上端和最下端時的波形？,T,3. R3

14、短路時的波形？,若由輸入電壓確定，則將電壓轉(zhuǎn)換為頻率,五、壓控振蕩器（uf 轉(zhuǎn)換電路）,若uI0，則如何改動？,單位時間內(nèi)脈沖個數(shù)表示電壓的數(shù)值，故實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換,討論一,已知uO1和uO2的峰-峰值均為10V，二極管為理想二極管。1. 求出穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ和R4的阻值；2. 定性畫出uO1、uO2的波形圖；3. 求解q的表達式。,1. 晶體管什么情況下導通？什么情況下截止？ 2. 晶體管飽和導通和截止uO1和uI的運算關系？ 3. uI的極性？ 4. uO1、 uO2的波形？ 5. uI與振蕩頻率的關系？,討論二：已知三極管飽和壓降為0。,9.3 波形變換電路,一、利用基本電路實現(xiàn)波形變換,二、三角波變鋸齒波電路,三、三角波變正弦波電路,四、精密整流電路,一、利用基本電路實現(xiàn)波形變換,正弦波變方波、變矩形波、變二倍頻，方波變?nèi)遣ǎ?三角波變方波，固定頻率的三角波變正弦波,如何得到？,利用電子開關改變比例系數(shù),二. 三角波變鋸齒波：二倍頻,三角波用傅立葉級數(shù)展開，除基波外，還含有3次、5次諧波。,三、 三角波變正弦波,若輸入信號的頻率變化不大，則可用濾波法實現(xiàn)。,范圍是什么？,若輸入信號的頻率變化較大，則可用折線法實現(xiàn)。,為什么一般的整流電路不能作為精密的信號處理電路？,四、精密整流電路,若uImaxUon ，則uO僅在大于Uon時近似為uI，失真。,精密整流電路是信號處理