模拟电子技术,第5章 波形发生电路与变换电路,第5章 波形发生电路与变换电路,5.1 本章任务的导入 5.2 相关的理论知识 5.3 相关的基本技能 本 章 小 结,5.1 本章任务的导入,在科学研究、工业生产、医学、通信、自控和广播技术等领域中，常常需要某一频率的正弦波作为信号源。例如，在实验室，人们常用正弦波作为信号源，测量放大器的放大倍数，观察波形的失真情况；在工业生产和医疗仪器中，利用超声波可以探测金属内的缺陷、人体内部器官的病变，只是在不同的应用场合，对正弦波的频率、功率等的要求不同而已。正弦波产生电路又称为正弦波振荡器。 电路需要满足什么条件才能产生正弦波，如何判断电路能否振荡，这是本章首先要研究的内容。产生正弦波的电路有哪些，每个电路又有什么特点，分别适用于什么场合，这也是本章要着重讨论的问题。,5.2 相关的理论知识,5.2.1 正弦波振荡器 5.2.1.1 自激振荡 1.自激振荡的条件,图5-1 正反馈放大器框图,一个放大器的输入端不接外界输入信号，而在输出端却能获得幅度较大的正弦或非正弦的振荡信号。这种现象称为放大器的自激振荡。正常情况下，放大电路放大输入信号，要消除自激振荡，而波形产生电路则是利用自激振荡产生输出信号。,用图5-1所示的正反馈放大器框图来讨论正弦波振荡器的振荡条件,放大电路的电压放大倍数,,闭环反馈系数,,5.2 相关的理论知识,1)幅度平衡条件： 2)相位平衡条件： 2.自激振荡的建立过程,,,按图5-1框图分析，振荡器的输入应先由外来信号激励，经放大、正反馈后替代外来信号。实际的正弦波振荡器当其合上电源瞬间，在其输入端接收了含有各种频率分量的电冲击。当其中某一频率,分量满足振荡条件，于是,分量的信号经放大、正反馈，再放大、正反馈…不断地增幅，这就是振荡器的自激起振过程。如果振荡器的,因此振荡器必须在起振过程中满足,的条件。,始终为１，输出信号就不可能逐步增大，,由于振荡电路中电子元件进入饱和或截止区，振荡器输出信号的幅度最终不会无限制地增大，但波形却严重失真，因此，振荡器中需有稳幅环节，以便振荡器起振后，能自动地逐步由 过渡到 ，使振荡器的输出波形既稳定又基本上不失真。,,,5.2 相关的理论知识,3.振荡电路的组成 1)放大电路：具有放大信号的作用，并将电源的直流电能转换成振荡信号的交流电能。 2)反馈网络：形成正反馈，满足振荡器的相位平衡条件。 3)选频网络：选择某一频率，使之满足振荡条件，形成单一频率的振荡。 4)稳幅电路：用于稳定振荡器输出信号的振幅，改善波形。 4.振荡电路的判断,判断能否产生振荡的步骤如下：,1)检查电路的基本组成，一般应包含放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅电路等。 2)检查放大电路是否工作在放大状态。 3)检查电路是否满足振荡产生的条件。,5.2 相关的理论知识,判断电路是否满足相位条件采用瞬时极性法，沿着放大和反馈环路判断反馈的性质。如是正反馈，则满足相位条件，否则不满足相位条件。具体步骤如下： ① 断开反馈支路与放大电路输入端的连接点。 ② 在断点处的放大电路输入端加瞬时信号，并设其极性为正，然后按先放大支路，后反馈支路的顺序，逐次推断电路有关各点的电位极性，从而确定输入信号与反馈信号的相位关系。 ③ 如果输入信号与反馈信号相位在某一频率下同相，电路满足相位平衡条件。否则不满足相位平衡条件。 5.2.1.2 LC正弦波振荡电路 1.变压器耦合式LC振荡电路,5.2 相关的理论知识,图5-2 变压器耦合式LC振荡电路,如图5-2所示就是变压器反馈式振荡电路，它是由放大电路、变压器反馈电路和LC选频电路三部分组成。电路中线圈L1与电容Ｃ组成选频电路，L2是反馈线圈，L3线圈与负载并联为振荡信号的输出端。,谐振频率为,,当将振荡电路与电源接通时，在集电极选频电路中激起一个很小的电流变化信号，只有与谐振频率f0相同的那部分电流变化信号能通过，其它分量都被阻止，通过的信号经反馈、放大再通过选频电路，就可产生振荡。当改变ＬＣ电路的参数Ｌ或Ｃ时，振荡频率也相应地改变。,5.2 相关的理论知识,图5-3 电感三点式振荡电路,2.电感三点式振荡电路,电感三点式振荡电路如图5-3（a）所示，通常C1和CE的电容量较大，对交流信号可看作短路。根据交流通路的画法，可画出交流通路，如图5-3（b）所示。,电感三点式振荡电路的振荡频率基本上等于LC并联回路的谐振频率，即,,5.2 相关的理论知识,电感三点式振荡电路的优缺点： 优点：线圈L1和L2之间耦合很紧，所以比较容易起振，改变电感抽头的位置，可以获得满意的正弦波输出，且振荡幅度较大；调节频率方便，采用可变电容，可获得较宽的频率调节范围。 缺点：电感反馈支路对高次谐波呈现较大的阻抗，所以输出波形中含有高次谐波的成分较多，波形较差，且频率稳定度也不高。,5.2 相关的理论知识,图5-5 电容三点式振荡电路,3.电容三点式振荡电路,电容三点式振荡电路如图5-5（a）所示，交流通路如图5-5（b）所示。,反馈信号取自于电容两端的电压，输入到三极管的基极。,如果将反馈端K点断开，用瞬时极性法判断可知 与 同相，满足正弦波振荡的相位平衡条件。适当选择C1和C2的数值，使AF1，满足振幅条件，电路就能振荡。,,,电路的振荡频率为,,5.2 相关的理论知识,图5-6 仿真验证电容三点式振荡电路,电容三点式振荡电路的缺点： 优点：电容对于高次谐波阻抗很小，反馈电压中的谐波分量很少，所以输出波形较好；振荡频率较高。 缺点：管子的极间电容随温度因素变化，影响了振荡频率的稳定度。,仿真验证电容三点式振荡电路 图5-6所示,5.2 相关的理论知识,5.2.1.3 RC振荡器 1. RC串并联网络的选频特性,图5-7 RC串并联网络,RC串并联网络的电路如图5-7所示，设输入信号为幅值恒定、频率可调的正弦波电压 ，分析 与 输出信号之间相位差的变化。,,,,串并联网络的反馈系数为,,5.2 相关的理论知识,图5-8 RC串并联网络频率特性曲线,由上式可得其幅频特性和相频特性分别为,,,它们的幅频特性和相频特性曲线如图5-8所示。,由频率特性可见， 时，幅频特性显示 ，即反馈系数 ；相频特性显示 ，表示 与 同相。而其它频率时，输出电压衰减很快，且存在相位差。所以RC串、并联网络具有选频作用。,,,,,,,5.2 相关的理论知识,图5-9 RC桥式正弦波振荡电路,2. RC桥式振荡电路,如图5-9所示为由运放组成的,桥式正弦波振荡电路。,(1)电路构成及特点 Ａ为同相比例放大器，RC串并联网络既是选频电路又是反馈电路，它将输出电压在RC并联电路上的分压Uf反馈到放大器的同相输入端而起正反馈作用。,趋近等于１，保证振荡器的输出稳定。,,,(2)选频特性,RC正弦波振荡电路中的选频网络就是RC串并联网络，所以，该电路的振荡频率为,,放大电路中的反馈电阻 是一稳幅环节，能自动地改变同相比例系数，而使 由大于１自动,与 同相， 处，幅频特性显示 ，即反馈数 ，,所以 时就满足了振荡的幅值条件。,,,,,,,5.2 相关的理论知识,5.2.1.4 石英晶体振荡器简介 1.石英晶体的特性、符号及等效电路 (1)石英晶体的特性 石英晶体是二氧化硅结晶体，具有各向异性的物理特性。 (2)石英晶体的符号和等效电路 石英晶体的符号如图5-10a所示，等效电路如图所示，图5-10c为石英晶体谐振器忽略R以后的电抗频率特性。,图5-10 石英晶体谐振器,由等效电路可见，石英谐振器有两个谐振频率。当R、L、C串联支路发生谐振时，它的等效阻抗最小，串联谐振频率为,,当频率高于 时，R、L、C支路呈感性，可与电容C0发生并联谐振，并联谐振频率为,,,5.2 相关的理论知识,2.石英晶体振荡器,(１)并联型石英晶体振荡电路 如图5-11a所示电路中，石英晶体作为电容三点式振荡电路的感性元件，其交流通路如图5-11b所示。,图5-11 并联型石英晶体振荡电路,5.2 相关的理论知识,电路的振荡频率为,,,（２）串联型石英晶体振荡电路,如图5-12所示电路是串联型晶体振荡电路，当频率等于石英晶体的串联谐振频率 时，晶体阻抗最小，且为纯电阻性?？膳卸铣稣馐钡缏仿阆辔黄胶馓跫?，而且在 时，由于晶体为纯电阻性阻抗最小，正反馈最强，电路产生正弦波振荡。,,,5.2 相关的理论知识,图5-12 串联型石英晶体振荡电路,思 考 题 1.自激振荡的平衡条件是什么？ 2.正弦波振荡器的起振条件是什么？ 3.一般正弦波振荡电路由哪几个功能?？樽槌?？,5.2 相关的理论知识,5.2.2 非正弦波振荡器 5.2.2.1 电压比较器 电压比较器（简称比较器）的功能是比较两个电压的大小。比较器中的运放都在开环或正反馈情况下工作。电压比较器可作为波形变换、波形产生、自动控制系统、模数转换器中的基本单元电路。,电压比较器有两个输入电压，其中一个是参考电压用 表示，另一个就是被比较的输入信号电压 。当 与 进行比较时，比较器的输出有两个稳定状态：,,,,当 与 比较结果导致 时，比较器的输出为正向饱和值，称为高电平，用 表示（或用 ）。 当 与 比较结果导致 时，比较器的输出为负向饱和值，称为低电平，用 表示（或用 ）。,,,,,,,,,,,5.2 相关的理论知识,图5-13 简单的单限比较器,1.单限比较器,如图5-13（a）所示是一个简单的单限比较器电路。图中运放的同相输入端接参考电位 。被比较信号由反相端输入。集成运放处于开环状态。由图中可见，当时， ，所以门限电压 。此时比较器的输出电压发生跃变。,,,,,,,,,,,根据以上分析，可做出其传输特性如图5-13（b）所示。,作为特殊情况，若 Ｖ，即参考电压为零，门限电压也为零，这时的比较器称为过零比较器。,,5.2 相关的理论知识,图5-14 迟滞电压比较器,2.迟滞电压比较器,如图5-14（a）所示为迟滞电压比较器，输入电压 加在反相输入端，参考电压 加在同相输入端，图中 是一对反向串联的稳压管，其在两个方向的稳压值 相等，都等于一个稳压管的稳压值加上另一个稳压管的导通电压，这样，便把比较器的输出电压钳位在 值。,,,,,,当输出电压为正最大值 时，同相输入端电压为,,,，电路输出在此瞬间翻转，因此门限电压为,,当输出电压为负最大值 时，同相输入端电压为,,,,5.2 相关的理论知识,,，电路输出在此瞬间翻转，因此门限电压为,当 时， ，输出电压保持 不变。一旦 从大逐渐减小到刚刚小于 ，则输出电压迅速从 跃变到 。,,,,,,,,可见，此电路有两个门限值，其中 是输出电压从正最大到负最大跃变时的门限电压，而 是输出电压从负最大到正最大跃变时的门限电压。这时比较器具有迟滞回线的形状，如图5-14（b）所示。我们把两个门限电压之差称为回差。显然，改变 的值可以改变回差电压的大小。,,,,5.2 相关的理论知识,图5-15 矩形波发生器,5.2.2.2 矩形波发生器 1.电路的结构,如图5-15（a）所示电路为矩形波发生器，它是在迟滞比较器的基础上增加一条RC负反馈支路，就构成一个矩形波发生器。其中Rf和Ｃ组成负反馈支路，R1和R2组成正反馈支路，R3为限流电阻。电容Ｃ的端电压uc为运放的反相输入端电压，,而同相输入端电压（即比较器的参考电压UR）为电阻R2的端电压UR2。输出电压u0的极性如何变化则由uc与UR比较的结果来决定。,5.2 相关的理论知识,2.工作原理,设通电之后，运放输出电压为正值 ，则门限电压为,,,此时,，,经,向Ｃ充电，充电电流方向如图5-15（a）中实线所示，,按指数规律上升。充电期间，只要,，输出电压就保持,不变。当,时，输出电压便开始翻转，由,跃变为,使翻转过程非常迅速且翻转后得以保持。与此相应，,也变为负值,，即,，由于正反馈的存在，,,由于输出为负值，电容Ｃ通过,,放电，放电电流方向如图5-15（a）中所示，,,按指数规律下降。,放电期间，只要,,，输出电压就保持,,不变。当,,时，输出电压又开始翻转，由,,跃变为,,。此后电容又充电，到,,时，输出再一次翻转。这样，电容反复充电、放电，其端电压,,在,5.2 相关的理论知识,,与,之间来回渐变，形成三角波电压；而比较器的输出电压,,在,,与,,两值间来回翻转，形成矩形波电压，如图5-15（b）所示。,3.矩形波的周期和频率,矩形波的周期为,,矩形波的频率为,,可见，矩形波的频率和周期只与,及,有关，而与输出电压的幅度,的方法来调节频率和周期。,无关。通常用调节,5.2 相关的理论知识,5.2.2.3 三角波发生器 1.电路的构成,图5-16 三角波发生器,2.工作原理,如图5-16（a）所示电路为方波---三角波发生器，其中A1构成过零比较器，产生方波输出；运放A2构成反相积分器，产生三角波。,设A1输出电压为,,它也是A2的输入电压。受双向稳压管的钳制，,,只能取,,与,,两个值。由图5-16可以看出，A1的同相端电压,,由,,和,,共同决定，即,,5.2 相关的理论知识,当,,时，A1输出为正饱和值，即,,；当,,时，A1输出为负饱和值，即,,?？杉?，,,为方波。,当,,时，积分器A2输入正电压，其输出电压,,将向负向变化，由式（5-23）,可知，,,的这个变化同时引起,,也向负向变化。当,,时，,,零，比较器A1翻转，输出电压,由正值降为,,变为,,然后，由于积分器A2输入负电压，其输出电压,,便向正向变化，同时使,,也向正向变化。当,,时，,,由负值升为零，比较器A1再一次翻转，输出电压,,变为,,此后，又重复前述过程，如此周而复始，便得到方波,,和三角波,,。方波幅值为,,，三角波幅值为,,。如图5-6（b）所示。,输出波形的频率为,,5.2 相关的理论知识,思 考 题 1.比较器工作在哪一种反馈状态？ 2.为什么迟滞比较器抗干扰能力强？ 3. RC串并联选频网络在什么条件下具有选频作用？,5.3 相关的基本技能,5.3.1 印制电路图识图方法 印制电路图与修理密切相关，对修理的重要性仅次于整机电路原理图。 1.印制电路图种类 (1)图样表示方式 此时用一张图样(称之为印制电路图)画出各元器件的分布和它们之间的连接情况，这是传统的表示方式，在过去大量使用。 (2)直标方式 此种方式没有一张专门的印制电路图样，而是采取在电路板上直接标注元器件编号的方式，如在电路板某晶体管附近标有1VT2，这1VT2是该晶体管在电路原理图中的编号，用同样方法将各种元器件的电路编号直接标注在电路板上。,5.3 相关的基本技能,2.印制电路图功能 1)印制电路图起到电路原理图和实际电路板之间的沟通作用，是修理时不可缺少的图样资料之一，没有印制电路图将影响修理速度，甚至妨碍正常检修思路的顺利展开。 2)印制电路图是一种十分重要的修理资料，它将电路板上的情况一比一地画在印制电路图上。 3)印制电路图表示了电路原理图中各元器件在电路板上的分布状况和具体的位置，给出了各元器件引脚之间连线(铜箔线路)的走向。 4)通过印制电路图可以方便地在实际电路板上找到电路原理图中某个元器件的具体位置，没有印制电路图时，查找就很不方便。,5.3 相关的基本技能,3.印制电路图特点 1)印制电路图表示元器件时用电路符号，表示各元器件之间连接关系时不用线条而用铜箔线路，有些铜箔线路之间还用跨接导线连接，此时跨接导线又用线条连接，所以印制电路图看起来很“乱”，这些都影响识图。 2)从印制电路设计的效果出发，电路板上的元器件排列、分布不像电路原理图那么有规律，这给印制电路图的识图带来了诸多不便。 3)铜箔线路排布、走向比较“乱”，而且经常遇到几条铜箔线路并行排列，给观察铜箔线路的走向造成不便。 4)印制电路图上画有各种引线，而这些引线的画法没有固定的规律，给识图造成不便。,5.3 相关的基本技能,4.印制电路图识图方法和技巧 1)尽管元器件的分布、排列没有什么规律而言，但同一个单元电路中的元器件相对而言是集中在一起的。 2)根据一些元器件的外形特征可以找到这些元器件，例如集成电路、功率放大管、开关件、变压器等。 3)一些单元电路是比较有特征的，根据这些特征可以方便地找到它们。 4)找某个电阻器或电容器时，不要直接去找它们，因为电路中的电阻器、电容器很多，找起来很不方便，可以间接地找到它们，方法是先找到与它们相连的晶体管或集成电路，再找到它们。 5)找地线时，电路板上大面积铜箔线路是地线，一块电路板上的地线是相连的。,5.3 相关的基本技能,6)观察电路板上元器件与铜箔线路连接情况、观察铜箔线路走向时，可以用灯照着，将灯放置在有铜箔线路的一面，在装有元器件的一面可以清晰、方便地观察到铜箔线路与各元器件的连接情况，这样可以省去电路板的翻转。 7)印制电路图与实际电路板对照过程中，在印制电路图和电路板上分别画一致的识图方向，以便拿起印制电路图就能与电路板有同一个识图方向，省去每次都要对照识图的方向。 5.3.2 Multisim仿真软件应用训练 5.3.2.1 波形变换电路的仿真实验 1.实验目的 1)熟悉波形变换电路的工作原理及特性。 2)掌握波形变换电路的参数选择和调试方法。,5.3 相关的基本技能,2.实验内容 (1)三角波方波振荡器 三角波方波振荡器仿真实验电路如图5-17所示。,图5-17 三角波方波振荡器仿真实验电路,5.3 相关的基本技能,1)按图连接仿真电路，用示波器观察并记录两个运放的输出波形。,图5-18 三角波与方波的振荡波形与频率,2)改变电容的容量为0.01μF、0.1μF、2μF再观察波形有何变化？并分别测出输出频率的值(这里不做详细分析)。,5.3 相关的基本技能,(2)正弦波变方波电路 正弦波变方波电路的仿真电路如图5-19所示。 1)按图连接电路，信号源输入正弦波的幅值为10V，频率为1kHz，用示波器观察输入、输出波形的变化，如图5-20所示。,图5-19 正弦波变方波电路的仿真电路,5.3 相关的基本技能,图5-20 仿真波形,5.3 相关的基本技能,2)如要改变方波的幅值应改变那些参数？请读者思考，这里不做解答。 5.3.2.2 RC振荡器的仿真实验 1.实验目的 1)学习用集成运算放大器电路接成文氏电桥正弦波振荡器。 2)测量正弦波形的幅度、频率，并与理论值比较。 2.电路原理图,图5-21 实验电路原理图,5.3 相关的基本技能,3.实验方法 1)观察振荡器的起振过程和稳幅电路的作用：闭合开关S接通电路，然后打开电源，用示波器观察输出信号，并适当调节电位器RP，使示波器中有振荡波形出现。 2)起振条件分析：如果将电位器RP上半部分称为R3，下半部分称为R4。 解答： ① 相位条件基本满足。 ② 理论值振幅条件：A=1+≥3 ③ 实测值振幅条件：A=1+=1+67/33=3.03 ④ 可见理论和实测基本一致。,5.3 相关的基本技能,3)稳幅电路的作用：在上述的电位器RP的调节过程中，很难获得一个不失真的正弦波，即振荡器不是波形失真(放大倍数过大)，就是出现停振现象。 4)振荡波形的测量和设计。 ① 测量振荡波形的幅度和频率，将结果填入表5-1，并与理论值比较。,表 5-1,② 观察R1、C1、R2和C2对振荡波形的影响，将结果填入表5-2。,表 5-2,本 章 小 结,1)正弦波振荡器按选频网络不同，可分为RC振荡器、LC振荡器、晶体振荡器。 2)电路产生自激振荡必须同时满足相位条件和振幅条件。 3)RC振荡器的选频网络是由R、C元件组成。 4)LC正弦波振荡器主要依靠L、C并联回路作为选频网络。 5)单限电压比较器中的运放通常工作在开环状态，只有一个门限电压；而迟滞比较器中的运放通常加有正反馈电路，有上下两个门限电压值。 6)非正弦波振荡器介绍了矩形波、三角波发生器。,