[信息与通信]第8章 波形产生电流.ppt

,第8章 波形产生电路,目 录,8.1 正弦波发生器的基本原理,8.1.1 振荡器的方框图,8.1.2 振荡条件,8.1.3 起振和稳定,8.2 RC桥式正弦波振荡电路,8.1.4 正弦波振荡电路的分类,8.2.1 RC串并联选频网络,8.2.2 RC桥式振荡电路的振荡频率和起振条件,8.3 LC正弦波振荡电路,8.3.1 LC并联回路的频率特性,8.3.2 LC正弦振荡器的基本形式,第8章 波形产生电路,8.4 石英晶体振荡器,8.4.1 石英晶体的基本特性,8.4.2 石英晶体振荡电路的基本形式,8.5 非正弦波信号发生器,8.5.1 矩形波发生器,8.5.2 三角波发生器,8.5.3 锯齿波发生器,8.5.4 555时基电路,8.5.5 压控振荡器,8.5.6 集成函数发生器8038,第8章 波形产生电路,本章重点:,1. 正弦波发生器的组成、振荡条件和工作原理,2. 正弦波发生器的类型,3. 非正弦波发生器的组成、工作原理和类型,4. 集成型波形发生器的工作原理和应用,本章难点:,1. 理想运放非线性特性的应用,本章重点介绍两类波形产生电路，一类是输出正弦波形的正弦波发生器，另一类是输出非正弦波形的非正弦波发生器。,在正弦波发生器电路中，主要介绍发生器的组成、振荡条件和各种类型振荡器；在非正弦波发生器电路中，主要介绍非正弦波发生器的组成和工作原理。,第8章 波形产生电路,8.1 正弦波发生器的基本原理,正弦波发生器是无需输入信号，能自动输出一定幅度、一定频率正弦信号的电路，从能量的角度来看，它是把直流能量转变为交流能量的电路。它在通信、无线电等诸多领域得到广泛应用。,8.1.1 振荡器的方框图,8.1 正弦波发生器的基本原理,从结构上分析，正弦波振荡器是由正反馈网络和放大器组成的，其结构框图如图8-1所示。,为正弦交流电压源，当开关S处在位置1时， 正弦信号作为放大器的输入信号，经放大器放大后产生输出信号 。 作为反馈网络的输入信号，在反馈网络输出端产生一个反馈信号 此时，假设开关S拨向位置2，如果 即大小相等，极性相同，那么该电路就能维持稳定的输出电压,第8章 波形产生电路,8.1.2 振荡条件,8.1 正弦波发生器的基本原理,由方框图可知，只要满足以下条件，电路一定能产生自激振荡，获得稳定的输出电压。,由于,(8-1),是放大器的电压放大倍数， 是反馈网络的反馈系数。,这是振荡器振荡的平衡条件，如果该条件满足，电路的振荡电压不再发生变化，电路处于平衡状态。,8.1.2 振荡条件,8.1 正弦波发生器的基本原理,因 都是复数，式8-2可写成,(8-3),分别为电压放大倍数和反馈系数的模， 分别为电压放大倍数和反馈系数的相角，式8-3实际上包含了振幅平衡条件和相位平衡条件两个方面。,式8-4说明放大器和反馈网络的电压总的传输系数为1，即反馈电压和输入电压大小相等。,式8-5说明放大器和反馈网络的电压总相移等于 的整数倍，即反馈电压与输入电压的相位相同。,第8章 波形产生电路,8.1.3 起振和稳定,8.1 正弦波发生器的基本原理,在图8-1中，正弦波振荡电路用反馈信号来代替输入信号，以维持一定输出电压的电路。它需要外加一个激励信号 才能获得输出信号。但在实际应用的振荡器中，外加激励信号可不用。当电路接通电源时，会在电路中产生微小的扰动信号，这个信号幅度很小，但频谱很宽，它包含十分丰富的频率分量，经选频回路选频后，只有某一特定频率信号能满足相位平衡条件正反馈到输入端，其他频率信号被抑制，经过环路不断的反馈放大，该特定频率信号从小到大，幅度逐渐增强，最后使放大器进入非线性工作区域或其他稳幅环节，使输出信号不再增加，振荡幅度也不再增大，从而进入振荡平衡状态。,8.1.3 起振和稳定,8.1 正弦波发生器的基本原理,要使电路起振，必须满足以下起振条件。,(8-6),即,振幅条件,(8-7),相位条件,第8章 波形产生电路,8.1.4 正弦波振荡电路的分类,8.1 正弦波发生器的基本原理,根据选频网络元件的不同，正弦波振荡器可分为RC振荡器、LC振荡器、石英晶体振荡器三种。RC振荡器一般输出数百千赫以下的低频信号，LC振荡器主要输出数百千赫的高频信号，石英晶体振荡器主要产生高稳定度高频率信号。,8.2 RC桥式正弦波振荡电路,RC桥式正弦波振荡电路原理如图8-2所示，图中集成运放A作为放大器，RC串并联网络组成选频网络，同时也作为振荡器的正反馈网络，R1、Rf组成电压负反馈以起到稳定和改善输出波形的作用。,从图中可以看出，RC串联支路，RC并联支路，R1支路，Rf支路，刚好构成一个文氏电桥的四个臂，如图8-3所示，因此把该振荡器称为RC桥式正弦波振荡器。,第8章 波形产生电路,8.2 RC桥式正弦波振荡电路,8.2.1 RC串并联选频网络,在RC桥式正弦波振荡电路中，RC串并联电路既作为选频网络，又作为正反馈网络，该电路的频率特性十分重要。,(8-8),8.2 RC桥式正弦波振荡电路,8.2.1 RC串并联选频网络,根据式(8-10)可得到反馈系数的幅频特性和相频特性分别为,(8-11),(8-12),8.2 RC桥式正弦波振荡电路,8.2.1 RC串并联选频网络,根据式8-11和式8-12作出幅频特性曲线和相频特性曲线如图8-5所示。,当 时,反馈系数的幅值 最大等于1/3，相位移,当 时， 明显减小而且,因此RC串并联网络有很好的选频作用。,8.2 RC桥式正弦波振荡电路,8.2.2 RC桥式振荡电路的振荡频率和起振条件,振荡频率为,(8-13),振荡角频率,只有 时， RC振荡器才能自激振荡,8.3 LC正弦波振荡电路,8.3.1 LC并联回路选频特性,图8-6所示为一个LC并联回路，R表示回路中等效电阻，为正弦电流源。,由图8-6可得，并联回路的总阻抗,(8-14),一般情况下， 式(8-14)可写成,(8-15),8.3 LC正弦波振荡电路,8.3.1 LC并联回路选频特性,当 时，Z为实数，电路呈阻性，电路发生谐振。,谐振时的角频率,(8-16),谐振时的阻抗,(8-17),式(8-15)可写成,(8-18),Q为并联谐振回路的品质因数，它表示LC回路谐振时的能量耗损，Q值越大，表示耗损越小。,8.3 LC正弦波振荡电路,8.3.1 LC并联回路选频特性,由式(8-18)可得到并联谐振回路的幅频特性和相频特性为,(8-19),(8-20),幅频特性曲线如图8-7(a)所示，相频曲线如图8-7(b)所示，从图中可以看出，当信号源频率 时，|Z|=Zo， |Z|值最大，且呈电阻性；当 时，|Z|值减小，,8.3 LC正弦波振荡电路,8.3.2 LC正弦波振荡器的基本形式,1. 变压器反馈式振荡电路,图8-8所示电路中，反馈是由变压器N3来实现的，所以称为变压器反馈振荡电路。LC并联回路作为放大器的负载，该放大器对不同频率有不同的放大倍数(信号频率不同LC回路的阻抗也不同)，因此该放大器也叫选频放大器，当输入信号频率f等于LC并联回路固有频率f0时，回路阻抗|Z|最大且呈阻性，放大器的放大倍数最大，且集电极电压与基极电压反相。,从相位平衡条件可以看出，只有在振荡频率等于LC并联回路谐振频率时，电路才能满足振荡条件，因此变压器反馈式振荡电路的振荡频率等于LC回路的振荡频率，即,(8-21),8.3 LC正弦波振荡电路,8.3.2 LC正弦波振荡器的基本形式,2. 电感三点式振荡电路,电感三点式振荡电路如图8-9(a)所示，图中LC回路中的电感的三个端子分别与振荡三极管的三个极相连，如图8-9(b)交流通路所示，所以称之为电感三点式振荡电路。图中，放大器为共发放大器，Cb为交流耦合电容，Ce为旁路电容，R1、R2、Re为偏置电阻，C、L1、L2组成LC选频网络，反馈信号得自L2上的电压。,由于LC回路的Q值都比较高，所以电感三点式振荡电路的振荡频率基本上等于LC回路谐振频率，即,(8-22),式中M为L1、L2之间的互感。,8.3 LC正弦波振荡电路,8.3.2 LC正弦波振荡器的基本形式,电感三点式电路，由于线圈L1与L2之间耦合紧密，因此容易起振，如果采用可变电容，它的调节范围较宽，由于反馈电压取自电感L2，电感对高次谐波阻抗较大，因此输出电压中含有较大的高次谐波成分，输出波形较差。,8.3 LC正弦波振荡电路,8.3.2 LC正弦波振荡器的基本形式,电容三点式振荡电路如图8-10(a)所示，图中LC回路的电容的三个端子分别与振荡管的三个电极相连，如图8-10(b)所示，所以称之为电容三点式振荡电路。图中R1、R2、Rc、Re为偏置电阻，Cb为耦合电容，Ce为旁路电容，C1、C2、L组成LC选频回路，反馈电压取自C2上的电压。,3. 电容三点式振荡电路,与电感三点式振荡电路一样，电容三点式振荡电路的振荡频率基本上等于回路谐振频率，即,(8-23),点容三点式振荡电路，因为电容值较小，它的振荡频率较高。由于反馈电压取自C2上的电压，电容对高次谐波阻抗较小，所以输出波形中高次谐波分量较少，输出波形较好。,8.3 LC正弦波振荡电路,8.3.2 LC正弦波振荡器的基本形式,8.4 石英晶体振荡器,8.4.1 石英晶体的基本特性,1. 压电效应,石英晶体是一种各向异性的结晶体，其化学成分是二氧化硅。石英晶体是一块晶体，按一定方位角切下的薄片。在晶体的两个面上镀上银层，引出电极，再进行外壳封装，就构成石英晶体谐振器，简称石英晶体，其电路符号如图8-13所示。,当石英晶体的两个电极间加上一个电场时，晶体会产生机械变形，当在晶体两侧施加机械压力时，在相应的方向上将产生电场，这种现象称为压电效应。,当在晶体的两个电极施加交变电压时，晶体会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会在两个电极上产生交变电荷，产生交变电场。当外加交变电压的频率等于晶体固有机械振动频率时，晶体机械振动最大。晶体两面的电荷量也最大，这与LC回路的谐振现象很相似，这种现象称为压电谐振。晶体因有机械振荡频率称为谐振频率，它与晶体的切片方向及其尺寸和几何形状有关。,8.4 石英晶体振荡器,8.4.1 石英晶体的基本特性,2. 等效电路,如图8-14所示为石英晶体等效电路。其中Co表示不振动时的静态电容，约几个皮法到几十个皮法，L、C表示晶体振动时的动态电感和电容，R表示振动摩擦引起的耗损。一般L的值为10-3102H，C的值为10-210-1pF，R的值约为100，由于L值很大，C和R的值很小。因此，回路品质因数Q很大，可达104106，而一般的LC回路Q值只有几百。,8.4 石英晶体振荡器,8.4.1 石英晶体的基本特性,3. 石英晶体的电抗频率特性,图8-15为石英晶体的电抗频率特性曲线(设R=0)，fS、fP为两个谐振频率，除在fS至fP一段窄的频段内石英晶体呈感性外，其他时间都呈容性。,Co和LC两个支路，在低频段由于Co较大，Co对总电抗X的影响较小，在高频段Co对电抗X的影响才逐渐呈现；而LC支路对总电抗X的影响正好相反。当信号频率f很低时，LC支路起主要作用，晶体呈容性；随着信号频率的增大，C的容抗逐渐减小，L的感抗逐渐增大，在f=fS时，LC发生串联谐振；当信号频率f继续增大时，LC支路呈感性；随着信号f的增加，LC支路感性愈强，而Co的影响逐渐增大，当f=fP时，晶体发生并联谐振；当ffP时，Co起主要作用，电路呈容性。,串联谐振频率为,8.4 石英晶体振荡器,8.4.1 石英晶体的基本特性,(8-24),并联谐振频率为,(8-25),图8-15 石英晶体的电抗频率特性曲线,8.4 石英晶体振荡器,8.4.2 石英晶体振荡电路的基本形式,石英晶体振荡电路的基本电路主要有两类：并联型晶体振荡器(如图8-16所示)和串联型晶体振荡器(如图8-17所示)，现分别介绍如下。,并联型晶体振荡器与电容三点式振荡电路在结构上极其相似，电路中晶体作为高Q值的电感元件代替LC选频回路中的电感，这时振荡器的振荡频率应在fsfp之间。,8.4 石英晶体振荡器,8.4.2 石英晶体振荡电路的基本形式,1. 并联型晶体振荡器,(8-26),L、C、Co为晶体等效电感、电容。在实际电路中，C远大于Co+C3，因此式(8-26)可写成,(8-27),也就是说，并联型晶体振荡器的振荡频率基本上由晶体固有频率决定，所以其频率稳定度较高。,8.4 石英晶体振荡器,8.4.2 石英晶体振荡电路的基本形式,1. 串联型晶体振荡器,当信号频率f=fS时，晶体呈阻性，阻抗最小，正反馈最强， F=0，能满足自激振荡条件。,当信号频率ffS时，晶体不呈阻性，阻抗增大，相位移F0，不能满足自激振荡条件。,因此，串联型石英晶体振荡器的谐振频率f0=fS,图中RP用于调节正反馈强度的大小，以改善输出波形。,石英晶体振荡器由于Q值很高，因此，其选频特性好，振荡器的频率稳定度很高，它一般应用在要求高频率稳定度(高于10-6)的电子设备中。,8.5 非正弦波信号发生器,8.5.1 矩形波发生器,矩形波发生器由滞回比较器和RC充放电回路组成，如图8-18所示。图中R1、C为充放电元件，电容C上的电压作为滞回比较器的输入电压，稳压管DZ和R2构成钳位电路使输出电压稳定在正负UZ，滞回比较器的两个门限电压为,矩形波的振荡周期和频率为,(8-28),图8-18 矩形波发生器,8.5 非正弦波信号发生器,8.5.2 三角波发生器,三角波发生器由滞回比较器和积分电路组成，如图8-20所示，图中A1和外围电路组成滞回比较器，A2和外围电路组成积分电路。,图8-20中，A1的两个输入端电压：U=0,可以证明，三角波的周期为,三角波的幅度为,(8-29),(8-30),图8-20 三角波发生器,8.5 非正弦波信号发生器,8.5.3 锯齿波发生器,锯齿波发生器的电路结构与三角波发生器基本一致，因为三角波本来就是一种特殊的锯齿波，在锯齿波发生器中积分电容的充放电回路是分开的，如图8-22所示。图中D1、RP1、C组成充电回路，D2、RP2、C组成放电回路，RP为可调电位器，调节RP使RP1 RP2，则充电时间常数比放电时间常数小得多，因此电容充电快，放电慢，相对应的输出电压uo线性上升段比下降段长，其波形图如图8-23所示。,锯齿波的周期和频率为,锯齿波的幅度为,(8-31),(8-32),8.5 非正弦波信号发生器,8.5.3 锯齿波发生器,图8-22 锯齿波发生器,图8-22 锯齿波发生器波形图,8.5 非正弦波信号发生器,8.5.4 555时基电路,1. 电路框图,如图8-24所示，555时基电路由分压器、两个比较器、触发器、缓冲器、复位电路、放电管等组成。其中分压器由三个高精度的阻值为5k的电阻组成。,图8-24 555时基电路框图,8.5 非正弦波信号发生器,8.5.4 555时基电路,2. 工作原理,由图8-24可知，两个比较器分别被电阻R1、R2和R3构成的分压器设定的 VCC和 VCC参考电压所限定。三个5k电阻组成的分压器，使两个比较器构成一个电平触发器，上触发电平为 VCC，下触发电平为 VCC。在 5脚控制端外接一个参考电源V，可以改变上、下触发电平值。比较器A的输出和比较器B的输出端接到触发器的输入端。加到比较器A同相端6脚的触发信号，只有当电位高于反相端5脚的电位时，触发器才翻转；而加到比较器B反相端2脚的触发信号，只有当电位低于B同相端的电位 VCC时，触发器才翻转。,8.5 非正弦波信号发生器,8.5.5 压控振荡器,1. 电路结构,压控振荡器如图8-27所示，U为直流控制电压，A1组成积分电路，A2组成滞回比较器，场效应管T工作在开关状态，控制积分电容C的充放电，二极管D为隔离二极管。,2. 工作原理,滞回比较器A2的两个门限电压为,(8-33),(8-34),8.5 非正弦波信号发生器,8.5.5 压控振荡器,设开始时uC=0V，uo1=0V，uo2=-UZ，D导通，使T截止，这时I1=I2=U/4，由于U为直流电压，则电容C被恒流充电，uC随时间线性上升，uo1则直线下降，当uo1=UTH2时，比较器A2发生翻转，uo2=+UZ，D截止，T饱和导通，这时I2=I1-I3=-U/4R，电容恒流放电，uo1上升，当uo1上升至UTH1时，比较器A2再次翻转， uo2=-UZ，这时又重复刚开始的过程，周而复始产生振荡。振荡波形如图8-28所示。 可以证明振荡器的振荡频率和周期为,(8-36),(8-35),8.5 非正弦波信号发生器,8.5.5 压控振荡器,由式8-36可知，压控振荡器的频率f与外加控制电压U成正比，也就是说，通过改变外加电压，可达到改变振荡频率的目的。,图8-27 压控振荡器,图8-28 振荡波形图,8.5 非正弦波信号发生器,8.5.6 集成函授发生器8038,1. 8038的内部框图,8038的内部结构框图如图8-29所示，它由电压比较器、触发器、电子开关、波形变换电路、缓冲器、电流源等组成。,集成函数发生器80