第六章 波形发生电路(May23 2016)
第六章波形发生与变换电路
第六章波形发生与变换电路第六章波形发生与变换电路〖本章主要内容〗1、在模拟电子电路中测试信号和控制信号；2、自激振荡的概念；3、正弦波振荡电路所产生的自激振荡和负反馈放大电路中所产生的自激振荡的区别；正弦波振荡电路中选频网络的组成；4、正弦波振荡的条件，正弦波振荡电路的组成；5、矩形波发生电路原理及组成；6、矩形波、三角波和锯齿波发生电路的原理及组成；7、电压-电流转换电路、精密整流电路和电压-频率转换电路的组成和工作原理；〖本章学时分配〗本章分为3讲，每讲2学时。
第二十二讲非正弦波发生器一、主要内容1、方波发生器 1）电路结构方波发生器是由滞回比较器和RC 定时电路构成的，电路见教材P375图8.39(a)所示。
2）工作原理及波形分析电源刚接通时，设Uc=0，Uo=+Uz21Z2P ,R R U R U +=所以,电容C 充电，Uc 升高。
当N C U U =≥P U 时，Z o U U -=，所以21Z2P R R UR U +-=，电容C 放电，Uc 下降。
当N O U U =≤P U 时，Z O U U +=，返回初态。
如此周而复始产生振荡。
电路输出波形见教材P375图8.39(b)所示。
由于充电和放电时间常数相同，故输出Uo 的高低电平宽度相等，故为方波发生器。
3）振荡周期方波的周期Ｔ用过渡过程公式可以方便地求出)21ln(2123R R C R T +=4）电路特点改变R 3、C 及R 2/R 1的比值，可改变周期T 。
2、占空比可调的矩形波电路 1）电路结构显然，为了改变输出方波的占空比，应改变电容器C 的充电和放电时间常数。
占空比可调的矩形波电路见教材P374图8.38（a ）所示。
2）工作原理及波形分析C 充电时，充电电流经电位器的上半部、二极管D 1、R 3；C 放电时，放电电流经R 3、二极管D 2、电位器的下半部。
由于充、放电时间常数不同，这样就得到了矩形波电路。
其输出波形见教材P374图8.38（b ）所示。
篇章正弦波发生电路新
判断一种电路能否产生正弦波振荡 应先从反馈信号引入旳端点入手，采用瞬时极性法判断电路 在通带内是否满足相位条件。然后检验放大电路旳直流通路 和交流通路是否合理，是否具有一定旳放大能力， 在 f f0 时是否满足正弦波振荡旳幅值条件。
判断图a电路能否产生正弦波振荡
+VCC
+VCC
Rc
Rc
Rc
Rb
Rb R
（-） R
Rb
（+）
R
b
⊕
C
b
C（-）
⊕
C e（+）
Cb
Re
R Cb C
Re
R C
Cb Re
R C
a
b
c
先看交流通路，判断电路在通带内是否满足相位条件。交流通路 时耦合电容Cb短接。先找到反馈信号引入点b，切断反馈信号引 入端，外加一种瞬时极性为⊕旳输入信号，因为是共射极接法， 所以集电极输出旳相位为（-），
当分析相位平衡条件时，因为振荡器无外加输入信号，所以 应将与反馈信号相连旳输入端视作外加信号注入端，然后再 依次分析输出信号、反馈信号旳相位。为满足自激振荡条件 ，反馈信号旳瞬时极性必须与注入端信号一致，为此，需调 整变压器同名端位置或反馈信号注入点旳位置。
（2） 晶体管旳直流偏置处于放大态是振荡器工作旳基础。 为分析直流工作条件，宜将电路画成直流通路分析，此时， 全部电容可视作开路，电感视作短路。
2.6.2 RC正弦波振荡器
正反馈
选频网络
放大环节
A v
Vo Vi
1
R2' R1'
RC正弦波振荡器
A 0
放大环节为同相输入旳百分比运算负反馈放大电路
波形产生电路课程设计分析方案
信号发生器的设计与实现电气0504班牛朋亮012005017717一设计题目信号发生器的设计与实现二设计要求自已设计电路系统，构成信号发生器，要求能产生三种以上的信号。
<可以一种电路产生多种信号，也可以由不同电路产生不同信号）。
利用Matlab或PSPICE或PROTEL或其他软件仿真。
三设计方案本次设计采用文氏桥式RC振荡器来实现正弦波形的产生；采用迟滞比较器和积分器来组成方波—三角波产生器来实现方波与三角波形的产生。
四设计原理Ⅰ、正弦波振荡电路1、正弦波振荡器的定义：它是不需外接输入信号就能将直流能源转化成具有一定振幅和一定频率的正弦波电路。
正弦波振荡电路的方框图2、正弦波振荡电路的振荡条件由上图可知，如在放大电路的输入端<1端）外接一定频率，一定幅度的正弦波信号，经过基本放大电路和反馈网络的所构成的环路传输后，在反馈网络的输出端<2端），得到反馈信号，如果与在大小和相位上都一致，那么就可以除去外接信号，而将1、2两端连接在一起<如图b虚线所示）而形成闭环系统，其输出端可能继续维持与开环时一样的输出信号。
这样，由于=，便有或,在上式中，设=A,，则可得到即：这是正弦波振荡电路产生持续振荡的两个条件。
振荡电路的振荡频率f0是由相位平衡条件来决定的，一个正弦波振荡电路只在一个频率下满足相位平衡条件，这个频率就是f0，这就要求在环路中包含一个具有选频特性的网络，简称选频网络。
振幅平衡条件是指振荡电路已进入稳态振荡而言的。
相位平衡条件振幅平衡条件3、起振和稳幅起振条件振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，其信号来源于电路电器中的噪声，在噪声中，满足相位平衡条件的某一频率 0的噪声信号被RC串并联选频网络选择放大，成为振荡电路的输出信号。
当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加，否则波形将出现失真。
稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从A(ω>F(ω>>1回到 A(ω>F(ω>=1.4、RC串并联选频网络的选频特性反馈系数又令s=jω,=则幅频响应相频响应当时，幅频响应有最大值相频响应5、文氏电桥RC 振荡器 当电路满足相位平衡条件此时若放大电路的电压增益为即=2则振荡电路满足振幅平衡条件电路可以输出频率为的正弦波稳幅措施：为了进一步改善输出电压幅度的稳定问题，可以在放大电路的负反馈回路里采用非线性元件来自动调整反馈的强弱以维持输出电压的稳定。
波形发生电路
波形发⽣电路实验⼗波形发⽣电路⼀、实验⽬的：1、掌握波形发⽣电路的结构特点和分析、计算、测试⽅法。
2、熟悉波形发⽣器的设计⽅法。
⼆、实验仪器：1、双踪⽰波器2、信号发⽣器3、数字万⽤表4、交流毫伏表5、直流电源三、实验原理及测量⽅法：⾮正弦波产⽣电路，⼀般由电⼦开关（电压⽐较强），外加反馈⽹络构成闭环电路形成。
常⽤的波形发⽣电路有⽅波、三⾓波、锯齿波发⽣器等。
1、⽅波发⽣器电路如图1所⽰，集成运放和电阻R 2、R 3、R 4构成滞回电压⽐较器，作为电⼦开关使⽤，R 1、C 相串联作为具有延迟作⽤的反馈⽹络，整个电路是⼀个闭环电路。
设电路刚加电时，Uc =0，且滞回⽐较器的输出电压为Uz ，则集成运放同相输⼊端此时的电位为223()Z R U U R R +=+⽽同时Uz 通过R 1向C 充电，Uc 由零逐渐上升，当Uc>U +时，Uo 从Uz 跳变为-Uz ，则223()Z R U U R R +=-+同时，电容C 通过R 1放电，使Uc 逐渐下降，⼩于U +时，Uo ⼜跳变为Uz ，回到初始状态，如此周⽽复始，产⽣振荡，输出⽅波。
图1 ⽅波发⽣器该⽅波发⽣器输出的⽅波振荡周期21322ln(1)R T R C R =+2、占空⽐可调的矩形波发⽣电路通常将矩形波⾼电平的时间与周期时间之⽐称为占空⽐。
⽅波的占空⽐为50%。
如果需要产⽣占空⽐⼩于或⼤于50%的矩形波，则应设法使⽅波发⽣电路中电容的充电时间常数与放电时间常数不相等。
图2电路中利⽤⼆极管的单向导电性可以构成占空⽐可调的矩形波发⽣电路。
C1100nF图2 占空⽐可调的矩形波发⽣电路该电路发⽣的矩形波振荡周期2132(2)ln(1)w R T R R C R =++占空⽐'1112w w R R T T R R +=+ 调节电位器Rw 可使输出矩形波的占空⽐变化。
3、三⾓波发⽣电路上述⽅波发⽣器中Uc 的波形近似三⾓形，但其线性度⽐较差。
波形发生电路课件
始的突然增大, 电路受到扰动, 在放大器的输入端产生
一个微弱的扰动电压ui, 经放大器放大、 正反馈, 再放 大、 再反馈……, 如此反复循环, 输出信号的幅度很快增
加。 这个扰动电压包括从低频到甚高频的各种频率的
谐波成分。 为了能得到我们所需要频率的正弦波信号, 必须增加选频网络, 只有在选频网络中心频率上的信号 能通过, 其他频率的信号被抑制, 在输出端就会得到如 图7.3的ab段所示的起振波形。
7.1 正弦波振荡电路
7.1.1 正弦波振荡电路的基础知识 1. 自激振荡现象 扩音系统在使用中有时会发出刺耳的啸叫声, 其形
成的过程如图7.1所示。
扩音机 扬声器 话筒
图 7.1 自激振荡现象
2. 自激振荡形成的条件 可以借助图７.２所示的方框图来分析正弦波振荡
形成的条件。
2 . Ui S 1 . ＋ Uf － ＋ . Uid －
电压作为放大器的输入电压, 当f=f0时, RC串并联网络的相位
移为零, 放大器是同相放大器, 电路的总相位移是零, 满足相 位平衡条件, 而对于其他频率的信号, RC串并联网络的相位
移不为零, 不满足相位平衡条件。 由于RC串并联网络在 f=f0
时的传输系数F＝1/3, 因此要求放大器的总电压增益Au应大 于3, 这对于集成运放组成的同相放大器来说是很容易满足
1 R1 C2 1 (1 ) j (R1C2 ) R2 C1 R2C1
在实际电路中取C1=C2=C, R1=R2=R, 则上式可简化为
其模值
相角
1 3 j (RC ) RC 1 F F 1 2 2 3 (RC ) RC 1 RC RC F arctan 3
波形产生电路
VR：门限电压
当VR=0时，即输入端电压和 零电平比较，称为过零比较器
过零比较器的波形变换作用：
-
为了使电压比较器的输出与后面电路的电平配合， 可在比较器的输出回路接一个由限流电阻R3 与双向稳压 管DZ 组成的限幅电路---限幅比较器。
同相输入有限幅的过零比较器
反相输入有限幅的过零比较器
2．迟滞比较器 迟滞比较器：单限比 较器的输出端通过电阻R4 引回到同相输入端构成
其门限电平VT由VR和vo共同决定
当输出为高电平时，vo=+ VZ,此时同相输入端的电压 称为上限门限电平VT+，当输出为低电平时，vo=- VZ,此 时同相输入端的电压称为下限门限电平VT－，
VT VT
R4 R2 VR VZ R2 R4 R2 R4 R4 R2 VR (VZ ) R2 R4 R2 R4
1 令： 0 f 2RC
F
1 f0 f 3 j( ) f0 f
当 f = f0
1 F 3
即：当 f = f0 时，RC串并联电路为正反馈选频网络。
Z1 当 f = f0
1 F 3
Z2
根据起振条件， AF 1
须
A 3
Rf R1
根据同相比例放大电路的增益 A 1 得电感L的作Fra bibliotek：为增大频率范围
变容二极管结电容-电压变化关系曲线
第五章小结： 1. 正弦波振荡器由放大电路、 正反馈网络和选频电路、稳 幅环节组成 2.振荡平衡条件：振幅平衡条件和相位平衡条件 ＿振幅平衡条件 AF 1
A F 2n（n为整数） ＿相位平衡条件（正反馈）
2．迟滞比较器
波形产生电路与变换电路.ppt
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模拟电子技术基础 第6章 波形的产生与变换电路PPT课件
由 Uf Ud
得
Uf Ud
Uo Ud
Uf Uo
1
AF 1
——正弦波振荡电路产生振荡的条件
幅度平衡条件：AF AF1
相位平衡条件： A F 2 n(n 0 , 1 , 2 , )
注意：负反馈放大器的自激条件为
AF 1
与上式差一负号，这是由于输入端规定的反馈信号 正方向不同所造成的。
7
2、振荡的建立和稳定
波形变换电路：能把外加输入信号的波形变换成指 定的适合于系统应用和处理的波形。
波形产生电路
正弦波产生电路：广泛应用于通 讯、广播、电视等系统。
非正弦波产生电路：如矩形波、 三角波、锯齿波。广泛应用于测 量设备、数字系统和自控系统。
3
波形的产生与变换
正弦波振荡电路 电压比较器
非正弦波振荡电路
4
正弦波振荡电路
Chapter 6 波形的产生与变换
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2
总体概述
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波形产生与变换是电子技术中广泛使用的电路。
波形产生电路：在无外加输入信号的情况下，能自 动产生一定波形、一定频率和幅值的交流信号。
F
1
1
3 jRCR1C
3
j
o
o
R1R2R C1 C2 C
o
1 RC
12
幅频特性：
F
1
2
32性： f arctano 3
当ω=ωo时，电路达到谐振，
电路呈“电阻性”，此时
F 1 3
幅值最大
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讨论一 如何改变滞回比较器的电压传输特性
向左右移多少？
1. 若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？
2. 若要电压传输特性曲线上下移动，则应如何修改电路？
3. 若要改变输入电压过 阈值电压时输出电压的
改变输出 限幅电路
跃变方向，则应如何修
改电路？
四、双限比较器
uI U RH uI URL
令uN uP 0，得
UT
R2 R1
U REF
（1）若要UT< 0，则应如何修改电路？ （2）若要改变曲线跃变方向，则应如何修改电路？ （3）若要改变UOL、UOH呢？
U REF＜0
三、滞回比较器
1.阈值电压
uN uI
uP
R1 R1 R2
uO ,令uN
uP，得
UOL U Z UOH U Z
U OM U OM U OM U OM
当uI>URH时，uO1=－ uO2= UOM，D1导通，D2截止； uO= UZ。 当uI<URL时，uO2=－ uO1= UOM，D2导通，D1截止； uO= UZ 。 当URL<uI< URH时， uO1= uO2= －UOM，D1、D2均截 止； uO= 0。
输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压 单调变化使输出电压只跃变一次。
回差电压： U UT1 UT2
（3）双限比较器： 有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。
4、集成运放的非线性工作区
电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈
无源网络
理想运放工作在非线性区的特点： 1) 净输入电流为0 2) uP> uN时， uO＝＋UOM uP< uN时， uO＝－UOM
5、教学基本要求 1)电路的识别及选用；2)电压传输特性的分析。
二、单限比较器
1.过零比较器
（1）UT＝0 （2）UOH＝＋ UOM， UOL＝－ UOM （3）uI > 0 时 uO ＝－UOM; uI < 0 时 uO ＝＋ UOM
集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运 放的输入级，需加输入端限幅电路。
五、集成比较器
某型号集成比较器的等效电路
⑧
③
VCC
⑦③
③
⑦
② VEE
④
①
②
①⑦
② ①
特点：
1. 无需限幅电路，根据所需输出高、低电平确定电源电压；
2. 可直接驱动集成数字电路；
3. 应用灵活，可具有选通端；
4. 响应速度快；
5. 电源电压升高，工作电流增大，工作速度加快。
§6.2 非正弦波发生电路
UT
R1 R1 R2
U Z
2.工作原理及电压传输特性
UT
R1 R1 R2
U Z
UO U Z
设uI＜－UT，则 uN＜ uP， uO＝+UZ。此时uP＝ +UT，增大 uI，直 至+UT，再增大， uO才从+UZ跃变为－ UZ。
设 uI＞+UT，则 uN＞ uP， uO＝－UZ。此时uP＝ －UT，减小 uI，直 至－UT，再减小， uO才从－UZ跃变为+UZ。
1. 基本组成部分
（1）开关电路：因为输出只有高电平和低电平 两种情况，即两个暂态，故采用电压比较器。
（2）反馈网络：因需自控，在输出为某一暂态 时孕育翻转成另一暂态的条件，故应引入反馈。
（3）延迟环节：要使两个暂态均维持一定的时 间，故采用RC环节实现，从而决定振荡频率 。
2.电路组成
UZ
UZ
滞回比较器
一、常见的非正弦波 二、矩形波发生电路 三、三角波发生电路 四、锯齿波发生电路
一、常见的非正弦波
矩形波
三角波
锯齿波
尖顶波
阶梯波
矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。 通过什么电路可将矩形波变为其它几种波形？
二、矩形波发生电路
输出无稳态，有两个暂态；若输出为高电平时定 义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。
必要吗？
二极管限幅电路使净输 入电压最大值为±UD
输出限幅电路
为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。
不可缺少！
UOH＝＋ UZ1＋ UD2 UOL＝－( UZ2 ＋ UD1)
UOH＝ － UOL＝ UZ
输出限幅电路
uO＝± UZ
（1）保护输入端 （2）加速集成运放状态的转换
电压比较器的分析方法：
第六章 波形的发生和信号的转换
第六章 波形的发生和信号的转换
§6.1 电压比较器 §6.2 非正弦波发生电路 §6.3 正弦波振荡电路
§6.1 电压比较器
一、概述 二、单限比较器 三、滞回比较器 四、双限比较器 五、集成电压比较器
一、概述
1.电压比较器的功能：比较电压的大小
输入电压是模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高 电平和低电平两种情况，为二值信号。使输出产生跃变的输 入电压称为阈值电压
广泛用于各种报警电路
2.电压比较器的描述方法：电压传输特性 Uo=f(Ui)
电压传输特性的三个要素： （1）输出高电平UOH和输出低电平UOL （2）阈值电压UT （3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向
3.几种常用的电压比较器
（1）单限比较器：只有一个阈值电压 （2）滞回比较器：具有滞回特性
（1）写出 uP、uN的表达式，令uP＝ uN，求解出的 uI即为UT。 （2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平。 （3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出
电压的跃变方向。
2.一般单限比较器
U O U Z
作用于反相输入端
uN
R2 R1 R2
U REF
R1 R1 R2
uI
RC 回路
UT
R1 R1 R2
U Z
正向充电：uO（+UZ）→R→C→地 反向充电：地→C→ R → uO（－UZ）
3.工作原理：分析方法
方法一： 设电路已振荡，且在某一暂态，看是否能自动翻转为另 一暂态，并能再回到原暂态。
方法二： 电路合闸通电，分析电路是否有两过程：
uO↑→ uP↑→ uO↑↑ ，直至 uO＝ UZ， uP＝+UT，为第一暂态。
3.工作原理：
第一暂态：uO＝UZ， uP＝+UT。
电容正向充电，t↑→ uN↑，t→∞ ， uN → UZ；但当uN ＝+UT时， 再增大， uO从+ UZ跃变为－UZ， uP＝－UT，电路进入第二暂态。
电容反向充电，t↑→ uN↓，t→∞ ， uN →－ UZ；但当uN ＝－UT时， 再减小， uO从－ UZ跃变为+UZ， uP＝+UT，电路返回第一暂态。