集成运放组成的波形发生器.pptx

1 正弦波振荡器正弦波振荡器1.1 1.1 正弦波振荡器的组成正弦波振荡器的组成1.2 1.2 产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件1.3 1.3 起振条件和稳幅环节起振条件和稳幅环节1.4 RC1.4 RC文氏桥正弦波振荡器文氏桥正弦波振荡器其中选频网络由其中选频网络由R、C和和L、C或石英或石英晶体晶体等电抗性元件组成。振荡器也常因此等电抗性元件组成。振荡器也常因此而命名。而命名。1.1.放大电路放大电路 2.2.正反馈网络正反馈网络3.3.选频网络选频网络 4.4.稳幅电路稳幅电路1.1 1.1 正弦波发生电路的组成正弦波发生电路的组成AF=A+F=2n图11.01 振荡器的方框图1.2 1.2 产生正弦波的条件产生正弦波的条件右图所示电路若满足：右图所示电路若满足：振荡条件：振荡条件：幅度平衡条件：幅度平衡条件：相位平衡条件：相位平衡条件：则电路产生振荡则电路产生振荡起振条件起振条件：1.31.3 起振条件和稳幅环节起振条件和稳幅环节 稳幅环节：稳幅环节：由于由于 ,起振后就要产生增幅振荡，需要起振后就要产生增幅振荡，需要靠三极管大信号运用时的非线性特性去限制幅度的靠三极管大信号运用时的非线性特性去限制幅度的增加，这样电路必然产生失真。这就要靠选频网络增加，这样电路必然产生失真。这就要靠选频网络的作用，选出失真波形的基波分量作为输出信号，的作用，选出失真波形的基波分量作为输出信号，以获得正弦波输出。以获得正弦波输出。也可以在反馈网络中加入非线也可以在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益，从而达到性稳幅环节，用以调节放大电路的增益，从而达到稳幅的目的。稳幅的目的。1.4 RC1.4 RC文氏桥振荡电路文氏桥振荡电路 (1)RC文氏桥振荡电路的构成文氏桥振荡电路的构成 RC文氏桥振荡电路如图文氏桥振荡电路如图1 所示，所示，RC 串并串并联网络是正反馈网络，另外还增加了联网络是正反馈网络，另外还增加了R3和和R4负负反馈网络。反馈网络。C1、R1和C2、R2正反馈支路与R3、R4负反馈支路正好构成一个桥路，称为文氏桥。图1 RC文氏桥振荡电路当C1=C2、R1=R2时:为满足振荡的幅度条件，所以Af3。加入R3、R4支路，构成串联电压负反馈。F=0(2)(2)RCRC文氏桥振荡电路的稳幅过程文氏桥振荡电路的稳幅过程 RC文氏桥振 荡电路的稳幅作用 是靠热敏电阻R4实 现的。R4是正温度 系数热敏电阻，当 输出电压升高，R4上所加的电压升高，即温度升高，R4的阻值增加，负反馈增强，输出幅度下降。反之输出幅度增加。若热敏电阻是负温度系数，应放置在R3的位置。见图1。(a)稳幅电路 (b)稳幅原理图 图11.04 反并联二极管的稳幅电路 采用反并联二极管的稳幅电路如图11.04所示。电路的电压增益为 式中 Rp是电位器上半部的电阻值，Rp是电位器下半部的电阻值。R3=R3/RD，RD是并联二极管的等效平均电阻值。当Vo大时，二极管支路的交流电流较大，RD较小，Avf较小，于是Vo下降。由图(b)可看出二极管工作在C、D点所对应的等效电阻，小于工作在A、B点所对应的等效电阻，所以输出幅度小。二极管工作在A、B点，电路的增益较大，引起增幅过程。当输出幅度大到一定程度，增益下降，最后达到稳定幅度的目的。1 1 方波发生电路方波发生电路2 2 三角波发生电路三角波发生电路3 3 锯齿波发生电路锯齿波发生电路 2 2 非正弦波发生电路非正弦波发生电路 方波发生电路是由滞回比较电路和RC定时电路构成的，电路如图2.1所示。(1)工作原理电源刚接通时,设电容C充电，升高。参阅图2.2。图2.1 方波发生器2.1 2.1 方波发生电路方波发生电路 当 时，所以 电容C放电，下降。当 ，时，返回初态。方波周期用过渡过程公式可以方便地求出 图2.2 方波发生器波形图图2.1 方波发生器过渡时间t: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图2.3。C充电时，充电电流经电位器的上半部、二极管D1、Rf；C放电时，放电电流经Rf、二极管D2、电位器的下半部。图图2.3 占空比可调方波发生电路占空比可调方波发生电路(2)占空比可调的矩形波电路占空比可调的矩形波电路占空比为：其中，是电位器中点到上端电阻，是二极管D1的导通电阻。其中，是二极管D2的导通电阻。即改变 的中点位置，占空比就可改变。图14.08 方波发生器波形图 图2.4 三角波发生器 三角波发生器的电路如图2.4所示。它是由滞回比较器和积分器闭环组合而成的。积分器的输出反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的 。1.当vO1=+VZ时,则电容C 充电,同时vO按线性逐 渐下降，当使A1的VP 略低于VN 时，vO1 从 +VZ跳变为-VZ。波形 图参阅图2.5。2.2 2.2 三角波发生器三角波发生器2.在vO1=-VZ后，电容C开 始放电，vO按线性上升，当使A1的VP略大于零时，vO1从-VZ跳变为+VZ，如此周而复始，产生振 荡。vO的上升时间和下降 时间相等，斜率绝对值 也相等，故vO为三角波。图2.5 三角波发生器的波形输出峰值振荡周期：锯齿波发生器的电路如图2.6所示。显然,为了获得锯齿波，应改变积分器的充放电时间常数。图中的二极管D和R将使充电时间常数减 为(RR)C，而放电时间常数仍为RC。图2.6 锯齿波发生器电路图 锯齿波电路的输出波形图如图2.7所示。2.3 2.3 锯齿波发生器锯齿波发生器 图2.7 锯齿波发生器的波形 锯齿波周期可以根据时间常数和锯齿波的幅值求得。锯齿波的幅值为：vo1m=|Vz|=vomR2/R1 vom=|Vz|R1/R2于是有附附 电压比较器电压比较器 电电压压比比较较器器是是一一种种能能将将输输入入的的模模拟拟电电压压信信号号与与预预设设的的某某个个参参考考电电压压相相比比较较并并给给出出比比较较结结果（高电平或低电平）的电路。果（高电平或低电平）的电路。由由于于其其输输入入信信号号是是连连续续变变化化的的信信号号，而而输输出出却却只只有有高高电电平平或或低低电电平平两两种种状状态态，所所以以其其中中的的集集成成运运放放往往往往工工作作在在非非线线形形区区，为为此此，从从电电路路结结构构来来看看，运运放放往往往往处处于于开开环环状状态态，有有时时甚甚至至为为了了使使输输入入输输出出的的状状态态转转换换更更快快，提提高高比比较较精度，精度，常常在电路中引入在电路中引入正反馈正反馈。*固定幅度比较器固定幅度比较器*滞回比较器滞回比较器 常常用用的的电电压压比比较较器器有有固固定定幅幅度度比比较较器器、具具有有滞滞回回特特性性的的滞滞回回比比较较器器和和窗窗口口比比较较器器。这这些些比比较较器器的的阈阈值值是是固固定定的的，有有的的只只有有一一个个阈阈值值，有有的的具具有有两个阈值。两个阈值。这里我们回顾以下两种比较器这里我们回顾以下两种比较器:(1)(1)过零比较器和电压幅度比较器过零比较器和电压幅度比较器 过零电过零电压比较器是压比较器是典型的幅度典型的幅度比较电路，比较电路，它的电路图它的电路图和传输特性和传输特性曲线如图曲线如图1所示。所示。(a)(b)图图1 过零电压比较器过零电压比较器(a)电路图电路图(b)传输特性曲线传输特性曲线1.1.固定幅度比较器固定幅度比较器 将过零电压比较器的一个输入端从接地改将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到一个电压值接到一个电压值VREF 上上,就得到电压幅度比较就得到电压幅度比较器，它的电路图和传输特性曲线如图器，它的电路图和传输特性曲线如图2 所示。所示。图图2 固定电压比较器固定电压比较器(a)电路图电路图(b)传输特性曲线传输特性曲线(2)(2)比较器的基本特点比较器的基本特点 常工作在常工作在开环开环或或正反馈正反馈状态。状态。开开关关特特性性，因因开开环环增增益益很很大大，比比较较器器的的输输出只有高电平和低电平两个稳定状态。出只有高电平和低电平两个稳定状态。非非线线性性，因因大大幅幅度度工工作作，输输出出和和输输入入不不成成线性关系。线性关系。从输出引一个电阻分压支路到同相输入端，电路从输出引一个电阻分压支路到同相输入端，电路如图如图3(a)所示。当所示。当 vo=V+om时，若输入电压时，若输入电压 vI 由低于由低于V+增大至高于增大至高于V+，vo将翻转，此时将翻转，此时V+记为记为 VT+，称为，称为上限阈值上限阈值(触发触发)电平电平。当当vo=V-om时时,若输入电压若输入电压vI由由高于高于V+减小至低于减小至低于V+，vo将将翻转，此时翻转，此时V+记为记为 VT-,称为称为下限阈值下限阈值(触发触发)电平电平。图图3(a)滞回比较器电路图滞回比较器电路图2.2.滞回比较器滞回比较器图图3(b)滞回比较电路的传输特性滞回比较电路的传输特性 因因此此，当当vi由由小小而而大大，增增至至VT+后后vo出出现现跳跳变变，而而vi由由大大变变小小，则则须须减减小小至至VT-后后vo才才出出现现跳跳变变，vi与与vo的的关关系系表表现现出出具具有有如如图图3(b)所所示示的滞回特性。的滞回特性。回差电压回差电压VT：积积分分运运算算电电路路的的分分析析方方法法与与求求和和电电路差不多，反相积分运算电路如图路差不多，反相积分运算电路如图1 1所示。所示。图1 积分运算电路附附 积分运算电路积分运算电路当输入信号是阶跃直流电压当输入信号是阶跃直流电压VI时，即时，即图 积分运算放大电路若积分前电容已存在初始电压若积分前电容已存在初始电压vo(0)则则:附附3 3：由555构成的矩形波信号产生电路 图2.4.1 由555构成的矩形波信号产生电路输出矩形波的振荡周期为：输出频率为：输出矩形波的占空比为：输出高电平的持续时间：输出低电平的持续时间：附附4 4：由石英晶体构成的矩形波信号产生电路由石英晶体构成的矩形波信号产生电路 石英晶体的选频特性非常好，只有在其谐振频率 附近的信号能通过电路，其他频率的信号全部被石英晶体衰减。故而只有频率为 的信号 通过不断放大最后获得稳定的输出。R1、R2使反相器工作在线性放大区，若反相器为TTL门电路，则R1、R2常选取0.72K，若反相器为CMOS门电路，则R1、R2常取10100M，C1和C2用作反相器间的信号耦合，反相器C用作 提高输出驱动能力。附附5 5：由单片机构成的信号产生电路 编程时只需把要产生的信号波形各点的幅值转换为二进制数，把整个周期的数据制成一张表，单片机查表依次输出到DAC0832 进行D/A转换，经运放后可得相应的电压信号，如此周而复始可获得相应的周期信号波形。设计任务一：函数信号发生器的设计1、设计任务：利用LM324构成正弦波、方波、三角波函数信号发生器给定条件:（1）给定VCC=+9V、VEE=-9V;（2）用万能板搭接电路。要求性能指标：在2k负载条件下，输出信号（1）正弦波：VPP10V;方波：VPP14V；三角波：VPP8V（2）频率范围：200Hz5KHz范围内连续可调（3）波形无明显失真结果提交：（1）完成电路原理设计、实物焊接调试；（2）完成实物性能指标测试：测试数据、波形具体参数；（3）按专题一报告要求完成相应的设计报告。2、函数信号发生器电路设计参考方案：