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1、 第七章 信號產(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的波形變換為另一種形狀 的波形。 這一章主要學習運用分立元件和運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、教學內(nèi)容及目標： ① 了解信號產(chǎn)生的原理 ② 了解振蕩產(chǎn)生的條件，振蕩平衡的條件。 ③ 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、教學重點及難點： 振蕩產(chǎn)生的條件

2、，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、教學時數(shù)： 4 四、作業(yè) 7.1 7.2 7.6 7.7 這一節(jié)我們來學習有關(guān)正弦波產(chǎn)生電路的知識。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

3、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 路四個部分。 我們在分析正弦振蕩電路時，先要判斷電路是否振蕩。方法是： （重點） 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 ，若：

4、 (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

5、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 Rb1 R R +EC C C Rb2 Re 實際電路 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 f0  1 2 6RC 它主要用于低頻振蕩。要想產(chǎn)生更高頻率的正弦信號，一般采用 LC正弦波振 蕩電路。它的振蕩頻率為： 。石英振蕩器

6、的特點是其振蕩頻率特 別穩(wěn)定，它常用于振蕩頻率高度穩(wěn)定的的場合。 三、 LC正弦波振蕩電路 1、電感三點式振蕩電路 +E L C L R 1）相位條件 由瞬時極性法： 電路滿足相位條件。 2）振蕩頻率和起振條件 f0  1 1 2 (L1 L2 2M)C 2 LC L1 M hie L 2 M RL 3）特點 （ 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

7、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、電容三點式振蕩電路 +EC C L R C 1）相位條件 由瞬時極性法： 電路滿足相位條件。 2）振蕩頻率和起振條件 1 1 C 2 hie f0 2 L C1C2 2 LC C 1 R L C1 C2 3）特點 （

8、 1）晶體管的極間電容對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)射極相連的兩個電抗性質(zhì)相同； “基反 ”—振蕩電路與 T 的基極相連的兩個電抗性質(zhì)相反 3．石英晶體振蕩電路 對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

9、 溫度的變化、電源電壓的波動、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?；咎? 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，正負壓電效應(yīng)同時存在、互為因果。當晶體上有 外加電場時，晶片發(fā)生形變，形變又引起電荷和電場的產(chǎn)生，由 于晶體的機械限制，最后達到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。 2）、等效電路 L

10、 C C 3 ）一個晶體有兩個諧振頻率。 f P>fS，但由于 C<

11、4.5 7、2 非正弦波信號產(chǎn)生電路 一、教學內(nèi)容及目標： 了解非正弦信號 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：方波，三角波，鋸齒波的產(chǎn)生電路和原理二、教學重點及難點： 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、教學時數(shù)： 4 四、作業(yè) 7.10 7.11 一、電壓比較器 集成運放非線性應(yīng)用條件 1. 集成運放的兩種工作狀態(tài)及適用場合集成運放應(yīng)用 工作 運放的電路 應(yīng)用場合 狀態(tài) 組態(tài)

12、 線性 負反饋 放大、運算等線性應(yīng)用電路 非線 開環(huán)、正反 信號比較、信號轉(zhuǎn)換、 產(chǎn)生、自 性 饋 動與測試系統(tǒng) 2. 運放開環(huán)特性 集 成 運放開 環(huán) 工 作狀 態(tài)電 路 如圖 7.4.1 所 示。  (1) 當 uid =u+- u- >0  即  u+>u-  時，  u o=+Uom，其值比正電源電壓低  1~2V；(2) 當 uid =u+- u-  < 0  ，即  u+

13、 Uom，其值比負電源電壓高  1~2V； (3) 當 uid =0，即 u+=u- 時，輸出電壓 uo 發(fā)生跳變。運放在非線性應(yīng)用時，仍有“虛斷”的特性。 圖 7.4.1 集成運放開環(huán)工作狀態(tài)電路 電壓比較器是用來對輸入電壓信號（被測信號）與另一個電壓信號（或基準電壓信號）進行比較，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，主要用于自動控制、測量、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

14、工作原理 開環(huán)工作的運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  ui <  UREF時， Uo=+Uom；（2）ui >UREF 時， Uo=- Uom；當  ui =  UREF 時， 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

15、成過零比較器  (Zero crossing comparator)  ，即每 當輸入信號過零點時，輸出信號就發(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

16、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，所對應(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。 因為僅一個閾值電壓，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就是抗干擾能力弱。 為了提高比較器的

17、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 u =+U 時， u / R1 U om R2 U REF o om R1 R2 R1 R2

18、 （ 2 ） 當 u- ≥ u 時 ， uo 將 由 +Uom 跳 變 到 - Uom ， 。 u// R1 ( U om ) R2 U REF 。 R1 R2 R1 R2 （ 3）當 ui 減少，使 u- ≤ u // 時， 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，

19、 表示；把 u th1 th2 它們的差值稱為門限寬度又稱回差電壓或遲滯寬度（ Hystersis voltage ），用△ Uth 表示，即△ Uth = Uth2 - Uth1 。 3）遲滯比較器的特點及應(yīng)用 遲滯比較器的特點：①有兩個不同的門限電壓；②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；③△ Uth 越 大，比較器抗干擾能力越強，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

20、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，請畫出它的傳輸特性。當輸入一個幅度為  4V 的正弦信號 時，畫出輸出電壓波形。 圖 

21、 7.4.5  例  7.4.1 

22、 圖 a) 電壓比較器  b) 電路傳輸特性  c) 輸出波形圖 解：這是一個遲滯比較器，遲滯比較器有兩個門限電壓，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 號從反相輸入端輸入，假設(shè)初始狀態(tài)時輸出正電壓。即 當 uo=Uom=6V時，求得 U th1 R1 U om 2V R1 R2 當 uo=- Uom=-6V 時求得 R1 U th2 ( U om

23、 ) 2V R1 R2 所以，此電路傳輸特性如圖 7.4.5 b 所示，當輸入正弦信號時， 輸出波形如圖 7.4.5 c 所示。 3、 集成電壓比較器 用通用集成運放可組成比較器電路，但普通運放的響應(yīng)速度、傳輸延遲時間等指標有時難以達到要求，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數(shù)分為：單、雙和四電壓比較器；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）開路輸出和互補輸出三種。集電極（或漏極）開路輸出的比較器，使用時應(yīng)在輸出端與電源之間接一電阻。此外，

24、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)還是禁止狀態(tài)。所謂工作狀態(tài)是電路按比較器的電壓傳輸特性工作；所謂禁止狀態(tài)是指比較器不再按電壓傳輸性工作，而處于高阻狀態(tài)，即從輸出端看進去相當于開路。 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 2~18V，電源電流

25、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)字電路和微機電路中時鐘信號就由方波發(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 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

26、 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。 當電源接通，在 t=0 時刻，電容兩端電壓 uc=0，設(shè) uo1=+UZ，此 時同相輸入端電壓（即閾值電壓）為 U th2 u R1 uo1 R1 U Z R1 R2 R1 R2 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

27、 曲線① . 當電容上電壓升至 uc= Uth1 時, 電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn) , 輸出電壓 由 uo1 突變?yōu)?uo2=－UZ。此時 , 同相端輸入電壓突變?yōu)? U th1 u" R1 u02 R1 U Z R1 R2 R1 R2 此時，電容 C 上電壓因放電而開始下降，如圖 7.4.6 b 曲線②， 放電完畢后電容反向充電，當 uc= u－=Uth2，電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)， uo=+UZ。 電容反向放電，當放電完畢進行正向充電，當 uc=Uth1 時，電路又發(fā) 生翻轉(zhuǎn)，輸出由 +UZ 突變?yōu)椋?UZ 。如此反復(fù)，在輸出端即產(chǎn)生方波

28、 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間常數(shù)有關(guān)， RC 的乘 積越大，充放電時間越長，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( 1 2 R1 ) R2 1 f R1 ) 2RC ln(1 R2 由上式不難看出，適當選取 R1、R2 值，使 ln(1 2 R1 ) 1則 R2 T 2RC f  1 2RC

29、 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間 TH 與周期 T 之比稱為 占空比 D（ D TH ），方波發(fā)生器高電平與低電平所占時間相等，占 T 空比為 TH D 50% 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

30、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。 當輸出正電平 uo1=UZ+UD 時， VD 1 導(dǎo)通， VD 2 截止，電容 C 正向充 電，（與圖 4.5.7b 中曲線①相對應(yīng)），充電時間常數(shù)由電阻 R4、二極管 VD 1 導(dǎo)通動態(tài)電阻 rd1、電位器 RP 上半部分電阻 RP‘及電容 C 決 定。當輸出為負電平 uo2=－( UZ+UD ) 時，VD 1 截止， VD 2 導(dǎo)通，電容 放電及反向充電時，（與圖 4.5.7 b 中曲線②相對應(yīng)），放電及反向充 電

31、常數(shù)由 R4、VD 2 導(dǎo)通動態(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 RP 的動觸點向上移動，充電時間常數(shù)減小，放電時間常數(shù)增大，占空比減小。反之， RP 動觸點向下移動，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 rd1 rd 2 2R4 ) ? C ? ln(1 2 R1 ) R2  （ 7.4.9 ） 四、三角波發(fā)生器 1.電路組成和工作原理

32、 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 

33、 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?UD ≈0，則 uo1= UZ 。應(yīng)用迭加定理，集成 運放 A1 同相輸入端的電位 R1 R2 u

34、o2 R2 uo 2 R1 U Z u p1 R2 uo1 R1 R2 R1 R2 R1 R1 R2 uo2 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 th R1 U Z R2 式（）表明， u o2 U th R1 U Z 時滯回比較器翻轉(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 u

35、o1 經(jīng) R5 接至 A2 的反相輸入端，而 uo1 U 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) R5C R5 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 為負值。此時，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 由負值逐漸上升。當

36、 uo2 達到 R1 U Z ，而 up1=0,滯回比較器翻轉(zhuǎn)， R2 使 uo1 由－ UZ 迅速跳變到 +UZ。 當 uo1 跳變成 +UZ 后，積分器的輸出電壓 uo2 開始線性下降，此 時，A 1 的 up1 也逐漸下降。當 uo2 下降到 R1 U Z 而 p1時，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

37、 中 uo1 為方波，其幅值為  UZ  ，uo2 為三角波，其幅值為  R1 R2  U 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 Z R2 所需時間 4 倍。所以，三角波周期為 T 4R1 R5 C R2 f R2 4R1 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)試時一般先調(diào)節(jié) R2 或 R1，使三角波

38、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稱，即上升時間與下降時間不相等，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 1→RP 上部電阻 RP′→ C；VD 2→RP 下部電阻 R

39、P″→ C。當 uo1 為+UZ 時, VD 1 導(dǎo)通, VD 2 截止 , uo1 通過二極管 VD 1 及 RP/ 向 C 電; 當 uo1 為－ UZ 時, 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 R2 f 1 1 ? R2 T 2(RP rd1 rd 2 )C R1 式中， r d1、rd2 為二極管導(dǎo)通動態(tài)電阻，通?？珊雎圆挥?。

40、 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、示波器中得到廣泛應(yīng)用，用 它組成掃描電路。圖 b 中， TL 稱為正程掃描時間 TL  2  1  ( RP  rd 2  )C R2 TH 稱為逆程掃描時間（回掃時間） TH 2 R1 (RP" rd 1 )C R2