波形产生和变换.pptx
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1、电工电子学电工电子学西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院下页下页上页上页1第第 6章章波形产生和变换波形产生和变换6.1 6.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路6.2 6.2 多谐振荡电路多谐振荡电路6.3 6.3 单稳态触发器和施密特触发器单稳态触发器和施密特触发器主要内容主要内容电工电子学电工电子学西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院下页下页上页上页2概概 述述(名词)(名词)(名词)(名词)l波形产生电路:波形产生电路:无需外加输入信号无需外加输入信号便能自动产生各种便能自动产生各种周期性周期性的波的波形的电路(也称为形的电路(也称为
2、振荡电路振荡电路)。如正弦波、矩形波、三角波等。如正弦波、矩形波、三角波等。l波形产生电路分类:波形产生电路分类:正弦波正弦波产生电路、产生电路、非正弦波非正弦波产生电路两种。产生电路两种。l波形变换电路:波形变换电路:将某种波形将某种波形变换成变换成另一种波形的电路,或对某种波另一种波形的电路,或对某种波形进行形进行整形的电路整形的电路。l正弦波振荡电路:正弦波振荡电路:将直流电能转换成频率和幅值一定的将直流电能转换成频率和幅值一定的正弦交流正弦交流信号的电路信号的电路。它是一种正反馈电路。它是一种正反馈电路。l振荡电路组成:振荡电路组成:由由放大、反馈、选频、稳幅放大、反馈、选频、稳幅环节
3、组成。环节组成。波形产生和变换波形产生和变换电工电子学电工电子学西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院下页下页上页上页36.1 6.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路主要内容主要内容6.1.16.1.1 正弦波振荡电路的基本原理正弦波振荡电路的基本原理6.1.26.1.2 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路6.1.3 LC6.1.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路振荡电路分析的主要内容是:振荡电路分析的主要内容是:l建立振荡的建立振荡的起振条件起振条件l保持振荡的保持振荡的平衡条件平衡条件l振荡电路的振荡电路的振荡频率振荡频率电工电子学电工电子学西北大学化工学院西北
4、大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院下页下页上页上页41.1.自激振荡条件自激振荡条件:正反馈放大电路原理图正反馈放大电路原理图放大环节放大环节6.1.1 正弦波振荡电路的基本原理正弦波振荡电路的基本原理可见,净输入为可见,净输入为+正反馈正反馈环节环节如果逐渐增大如果逐渐增大 ,减小,减小 ,当,当时变成自激振荡电路,如图所示时变成自激振荡电路,如图所示可见,自激振荡必须做到可见,自激振荡必须做到自激振荡的平衡条件为自激振荡的平衡条件为振荡的平衡条件为:振荡的平衡条件为:(1 1)相位平衡条件)相位平衡条件(2 2)幅频平衡条件)幅频平衡条件因为因为所以所以其中其中放大环节放大环节正
5、反馈正反馈环节环节自激振荡电路自激振荡电路 该条件是该条件是必要条件必要条件,但不是,但不是充分条件充分条件,在电源,在电源接通时接通时起振的幅值条件起振的幅值条件应为:应为:注意:注意:振荡电路要产生振荡电路要产生一种频率一种频率的正弦信号,必须有的正弦信号,必须有选频电路选频电路即即 电工电子学电工电子学西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院下页下页上页上页52.2.振荡的建立和振荡的建立和稳定:稳定:6.1.1 正弦波振荡电路的基本原理正弦波振荡电路的基本原理l自激振荡电路的起振过程自激振荡电路的起振过程放大环节放大环节正反馈正反馈环节环节自激振荡电路自激振荡电
6、路接通电源接通电源噪声(扰动)噪声(扰动)放大放大正反馈正反馈再放再放大大振幅不断增大振幅不断增大进入非线性区进入非线性区使使|AF|=1|AF|=1电路维持稳定的等幅振荡电路维持稳定的等幅振荡。l选频电路的选频过程选频电路的选频过程噪声(扰动)中含有丰富的频谱成分噪声(扰动)中含有丰富的频谱成分选频电路选频电路将某一频率的正将某一频率的正弦信号挑选出来弦信号挑选出来使其满足振荡条件,而其它频率成分不满足振荡使其满足振荡条件,而其它频率成分不满足振荡条件条件振荡电路产生单一频率的正弦波振荡电路产生单一频率的正弦波l振荡电路振荡电路按选频按选频电路的不同分为:电路的不同分为:RCRC振荡电路、振
7、荡电路、LCLC振荡电路、振荡电路、晶体振荡电路等晶体振荡电路等电工电子学电工电子学西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院下页下页上页上页61.1.电路结构电路结构6.1.2 RC RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路可以证明:当可以证明:当 时,时,且且u uf f与与u uo o同相同相 R R、C C构成串、并联构成串、并联选频电路选频电路;Z Z1 1、Z Z2 2构成构成正反馈正反馈;R Rf f、R R1 1构成构成负反馈负反馈。可见:可见:R R1 1R Rf fA Ao o+-R RR RC CC CZ Z1 1Z Z2 2+-R R1 1R Rf fA
8、Ao o+-Z Z1 1Z Z2 2+-Z Z1 1、Z Z2 2、R Rf f、R R1 1构成文氏电桥,故称构成文氏电桥,故称文氏电桥正弦文氏电桥正弦波振荡电路波振荡电路。当反馈系数当反馈系数 时时满足幅值平衡条件满足幅值平衡条件该电路满足该电路满足相位平衡条件相位平衡条件同相输入比例运算同相输入比例运算电压放大倍数电压放大倍数为为即即,当当A=3,A=3,即即R Rf f=2R=2R1 1时就能满足自激振荡条件时就能满足自激振荡条件考虑到起振条件考虑到起振条件|AF|1|AF|1,一般选取,一般选取R Rf f略大于略大于2R2R1 1该电路振荡频率为该电路振荡频率为:电工电子学电工电子
9、学西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院下页下页上页上页72.2.实用电路实用电路6.1.2 RC RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路(1)R(1)Rf f采用负温度系数的热敏电阻采用负温度系数的热敏电阻R R1 1R Rf fA Ao o+-R RR RC CC CZ Z1 1Z Z2 2+-l接通电源时接通电源时R Rf f2R2R1 1,|AF|1,|AF|1,负反馈较弱负反馈较弱(A A较大较大););l随振幅不断加强,随振幅不断加强,U Uo o增大,增大,R Rf f的电流增加,温度升高的电流增加,温度升高R Rf f电阻值下降;电阻值下降;lR Rf f减
10、小,负反馈加强,减小,负反馈加强,使使A A下降下降,最后稳定于最后稳定于|AF|=1,U|AF|=1,Uo o不再增大。不再增大。t t工作原理工作原理:(负温度系数(负温度系数:温度升高,阻值减小)温度升高,阻值减小)电工电子学电工电子学西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院下页下页上页上页82.2.实用电路实用电路6.1.2 RC RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路(2)(2)采用二极管实现稳幅的电路采用二极管实现稳幅的电路R R1 1R Rf1f1A Ao o+-R RR RC CC CZ Z1 1Z Z2 2D D1 1D D2 2R Rf2f2l图中图中R
11、Rf f=R=Rf1f1+R+Rf2f2略大于略大于2R2R1 1,A3A3;l起振时二极管呈现较大电阻,随起振时二极管呈现较大电阻,随U U0 0的增加,二极的增加,二极管逐渐导通,管逐渐导通,D D1 1、D D2 2、R Rf1f1并联等效电阻减小,并联等效电阻减小,A A自自动下降;动下降;l直到满足维持等幅振荡的幅值条件直到满足维持等幅振荡的幅值条件,实现实现自动稳自动稳幅的目的幅的目的。D D1 1、D D2 2并联目的:使正弦波正负半周波形对称。并联目的:使正弦波正负半周波形对称。RCRC构成的振荡电路振荡频率通常在构成的振荡电路振荡频率通常在200KH200KHZ Z以下;以下
12、;如需高频正弦信号,常用如需高频正弦信号,常用LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路。工作原理工作原理:电工电子学电工电子学西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院下页下页上页上页91.1.电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路6.1.3 LC LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路振荡频率为:振荡频率为:交流通路交流通路C CE E1 1u uo oR RB2B2原理原理:电容电容C C1 1、C C2 2、电感、电感L L组成组成谐振回路谐振回路,三个端点,三个端点1 1、2 2、3 3分别接三极管分别接三极管C C、E E、B B极,故称为三点式振极,故称为三点式振荡电路;
13、荡电路;C C2 2两端电压经两端电压经C CB B引入基极构成引入基极构成正反馈正反馈;lL L、C C1 1、C C2 2构成并联谐振电路构成并联谐振电路,总电流很小;总电流很小;lu uo o与与u ui i反相、反相、u uf f与与u uo o反相、反相、u uf f与与u ui i同相同相,满足满足自振的自振的平衡条件平衡条件;l适当选择适当选择A A、F,F,使起振时使起振时|AF|1,|AF|1,起振后起振后|AF|=1|AF|=1。该电路用电容该电路用电容C C1 1、C C2 2调节谐振频率时不方便,所以,此电路常用调节谐振频率时不方便,所以,此电路常用于于固定谐振频率固定
14、谐振频率的振荡电路;该电路振荡频率可达的振荡电路;该电路振荡频率可达100MH100MHZ ZR RB1B1R RE ER RC CC C1 1C C2 2C CC C+U+UCCCC2 23 31 12 23 3R RB1B1/R/RB2B2R RC CL LL L+-u ui iu uf fu uo oC C1 1C C2 2C CB B特点:特点:电工电子学电工电子学西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院下页下页上页上页10改进型电容三点式振荡电路改进型电容三点式振荡电路6.1.3 LC LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路改进型改进型C C3 31 1u uo o
15、R RB2B2原理原理:在电感支路串一容量在电感支路串一容量较小的电容较小的电容C C3 3,电容电容C C1 1、C C2 2起分压和正反馈作用,振荡频率由起分压和正反馈作用,振荡频率由L L和和C C3 3决定,决定,即即l调节调节C C3 3可以改变输出信号频率;可以改变输出信号频率;l原电路是原电路是共发射极接法共发射极接法,改进电路是改进电路是共基极接共基极接法法;l由于晶体管共基极接法时的由于晶体管共基极接法时的截止频率截止频率是共射是共射极的极的(+1)+1)倍倍,所以所以,改进型电容三点式振荡电改进型电容三点式振荡电路的振荡频率很高路的振荡频率很高,可达可达1000MH1000
16、MHZ Z。R RB1B1R RE ER RC CC C1 1C C2 2C CC C+U+UCCCC2 23 3L LC CB BC CE E1 1u uo oR RB2B2R RB1B1R RE ER RC CC C1 1C C2 2C CC C+U+UCCCC2 23 3L LC CB B-+-特点:特点:电工电子学电工电子学西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院下页下页上页上页112.2.电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路6.1.3 LC LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路振荡频率为:振荡频率为:交流通路交流通路C CE E1 1u uo oR RB2B2电路
17、结构电路结构:若两线圈的自感分别为若两线圈的自感分别为L L1 1和和L L2 2,两个线圈两个线圈的互感为的互感为M M,则两线圈的总电感为,则两线圈的总电感为:R RE EC CC CC C+U+UCCCC2 23 31 12 23 3R RB1B1/R/RB2B2L L1 1C C+-u ui iu uo oC CB Bl调节调节C C可以改变振荡频率;可以改变振荡频率;l由于反馈电压取自电感由于反馈电压取自电感L L2 2上上,它对高次谐波阻抗大它对高次谐波阻抗大,反反馈电压中高次谐波成分大馈电压中高次谐波成分大,易产生高次谐波自激振荡易产生高次谐波自激振荡,使毛剌叠加在波形上使毛剌叠
18、加在波形上,易使输出波形失真易使输出波形失真。L L2 2L L2 2L L1 1u uf f特点:特点:T TT T因此因此,电感三点式振荡电路工作频率不宜太高电感三点式振荡电路工作频率不宜太高,常在几十兆赫以下。常在几十兆赫以下。电工电子学电工电子学西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院下页下页上页上页12三点式三点式LCLC正弦振荡电路总结正弦振荡电路总结6.1.3 LC LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 幅值平衡条件幅值平衡条件是通过提供合适的是通过提供合适的直流通路直流通路和和选取恰当的选取恰当的电抗参数电抗参数来加以满足。来加以满足。(1 1)发射极两侧支
19、路的电抗应为同一性质()发射极两侧支路的电抗应为同一性质(均为电均为电感感或或均为电容均为电容)(2 2)基极与集电极之间支路的电抗与发射极两侧电)基极与集电极之间支路的电抗与发射极两侧电抗性质不同。抗性质不同。相位平衡条件相位平衡条件的满足必须遵循以下原则:的满足必须遵循以下原则:另外另外,振荡频率不仅与振荡频率不仅与C C和和L L有关有关,也与晶体管参数有关。由于晶体管参数也与晶体管参数有关。由于晶体管参数受温度的影响而变化受温度的影响而变化,所发所发LCLC三点式振荡电路频率不稳定。如果要求频率稳三点式振荡电路频率不稳定。如果要求频率稳定定,常用常用石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路。1
20、 12 23 3R RB1B1/R/RB2B2C C+-u ui iu uo oL L2 2L L1 1u uf fT T1 12 23 3R RB1B1/R/RB2B2R RC CL L+-u ui iu uf fu uo oC C1 1C C2 2电工电子学电工电子学西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院下页下页上页上页136.2 6.2 多谐振荡器多谐振荡器主要内容主要内容6.2.16.2.1 用集成运放构成的多谐振荡器用集成运放构成的多谐振荡器6.2.26.2.2 用石英晶体构成的多谐振荡器用石英晶体构成的多谐振荡器6.2.3 6.2.3 用用555555集成
21、定时器构成的多谐振荡器集成定时器构成的多谐振荡器多谐振荡器:多谐振荡器:一种能直接产生一种能直接产生方波方波或或矩形波矩形波的自激振荡器的自激振荡器电工电子学电工电子学西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院下页下页上页上页146.2.1 用集成运放构成的多谐振荡器用集成运放构成的多谐振荡器 在在滞回比较器滞回比较器上引入了具有上引入了具有延迟特性的延迟特性的RCRC负反馈支路负反馈支路构成。电路及波形如图构成。电路及波形如图A A0 0+-+u uC Cu uo oC CR R0 0UUZ Z+-u u-D DZ ZR R1 1R R2 2R Ru u+设设:电源接通
22、瞬间电源接通瞬间u uC C=0,=0,运放处于运放处于正饱和正饱和 此时此时C C充电充电,u uC C=u=u-,按指数曲线上升按指数曲线上升,当当u u-升到略大升到略大于于u u+H+H时时,运放输出变为运放输出变为负饱和负饱和,则则 此时此时C C放电放电,u uC C=u=u-,按指数曲线降低按指数曲线降低,当当u u-降降到略小于到略小于u u+L+L时时,运放输出变为运放输出变为正饱和正饱和。以后重。以后重复形成振荡复形成振荡,输出矩形波。输出矩形波。图中,图中,T T1 1是是u uC C从从u u+L+L上升到上升到u u+H+H的时间,的时间,T T2 2是是u uC C
23、从从u u+H+H下降到下降到u u+L+L的时间。的时间。t tu uo o0 0u u+H+Hu u+L+LT T1 1T T2 2T T工作原理工作原理u uC C则同向输入端电压为:则同向输入端电压为:t t0 0t t1 1t t2 2 矩形波周期为:矩形波周期为:U UZ Z-U-UZ Z电工电子学电工电子学西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院下页下页上页上页156.2.1 用集成运放构成的多谐振荡器用集成运放构成的多谐振荡器A A0 0+-+u uC Cu uo oC CR R0 0UUZ Z+-u u-D DZ ZR R1 1R R2 2R Ru u
24、+在在t t0 0tttt1 1时电容电压为时电容电压为(用三要素法)(用三要素法)当取当取R R2 21.16R1.16R1 1时时,矩形波频率近似为矩形波频率近似为t tu uo o0 0u u+H+Hu u+L+LT T1 1T T2 2T T振荡频率分析振荡频率分析u uC C当当t=tt=t1 1时,有:时,有:t t0 0t t1 1t t2 2解得:解得:在在t t1 1tttt2 2时时当当t=tt=t2 2时:时:解得:解得:U UZ Z-U-UZ Z矩形波频率:矩形波频率:故故电工电子学电工电子学西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院西北大学化工学院下页下页上页上
25、页166.2.1 用集成运放构成的多谐振荡器用集成运放构成的多谐振荡器占空比可调的多谐振荡器占空比可调的多谐振荡器A A0 0+-+R Ru uo oC CR R0 0UUZ Zu u-D DZ ZR R1 1R R2 2D D1 1u u+占空比:占空比:矩形波矩形波高电平的时间高电平的时间T T1 1与与周期周期T T之之比的百分数,称为矩形波的比的百分数,称为矩形波的占空比占空比。即。即 图示电路中图示电路中,通过调节通过调节R RP P,利用二极管的单向利用二极管的单向导电性导电性,使使充放电时间常数不相等充放电时间常数不相等,实现输出波形实现输出波形占空比可调。调节占空比可调。调节R
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