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〖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。

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。

波形发生电路分析（完整电子教案）5.1 变压器反馈式LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路是用来产生一定频率和幅度的正弦交流信号的电子电路。

它的频率范围可以从几赫兹到几百兆赫兹，输出功率可能从几毫瓦到几十千瓦。

广泛用于各种电子电路中。

在通信、广播系统中，用它来作高频信号源；电子测量仪器中的正弦小信号源，数字系统中的时钟信号源。

另外，作为高频加热设备以及医用电疗仪器中的正弦交流能源。

【项目任务】下图5.1为一LC 正弦波振荡电路，测试电路，观察电路波形图变化情况，并测量电路振荡频率。

R115kΩ2%R25.1kΩ2%Q1C310µFVCC5VC510µFR4510Ω2%C110µFT2R31kΩ2%U O启振过程(a)测试电路 (b)输出波形图5.1 LC 正弦波振荡电路(multisim)【信息单】一、振荡电路概述在放大电路中，输入端接有信号源后，输出端才有信号输出。

如果一个放大电路当输入信号为零时，输出端有一定频率和幅值的信号输出，这种现象称为放大电路的自激振荡。

1.振荡电路框图图5.2为正反馈放大器的方框图，在放大器的输入端存在下列关系：X i =X s +X f其中X i 为净输入信号，且f oX F X =及 oiX A X =正反馈放大器的闭环增益o i if s i f i iX AX AX A X X X X AFX ===-- 最后得到1f AA AF=-如果满足条件|1-AF|=0，或AF=1 则A ，这就表明，在图5.2中如果有很小的信号X s 输入，便可以有很大的信号X o =A f X s 输出。

如果使反馈信号与净输入信号相等，即X f =X i基本放大器正反馈网络X sX iX fX oX f X iX fA FX o图5.2正反馈放大电路的方框图 图5.3自激振荡方框图那么可以不外加信号X s 而用反馈信号X f 取代输入信号X z 。

仍能确保信号的输出，这时整个电路就成为一个自激振荡电路，自激荡器的方框图就可以绘成如图5.3所示的形式。

波形发生电路一：主要技术指标用集成运放设计正弦波—方波—三角波发生电路。

其中正弦波振荡频率为160HZ，幅度为10V；方波频率与正弦波相同，输出电压幅度为6V；三角波频率与正弦波相同，幅度为4V。

二：方案论证及选泽经过仔细的讨论验证，最后决定采用使用以下方案。

用正弦波振荡电路产生正弦波，然后把运放的同相端接地，把输出的正弦波接到运放的反相端，再在运放的输出端接上稳压值即可得到方波。

最后由积分电路产生三角波。

这就是我们组最终决定的电路方案。

三：组成框图四、总体电路图五、单元电路的设计及说明1、如图１所示正弦波振荡电路，在放大电路的输入端外接一定频率、一定幅度的正弦波信号，经过基本放大电路和反馈网络所构成的环路传输后，在反馈网络的输出端得到反馈信号，如果与在大小和相位上都一致，那么，就可以除去外接信号，而将反馈输出端与输入端连接在一起形成闭环系统，输出可以维持一样的输出信号。

由于，不难得到正弦波振荡电路的振荡条件：上两式分别称之为振幅平衡条件和相位平衡条件。

正弦波振荡电路在实际工作中是没有外部输入的，要能够在上电后自身建立振荡，就是要使电路自激，从而产生持续的振荡。

那么自激的因素从何而来？由于电路中存在噪声，它的频普分布很广泛，如果正弦波振荡电路中存在有选频网络，就可以从中选择与选频网络谐振频率相同的频率成份，经过正反馈放大，使输出幅度越来越大；当幅度达到一定要求时，再等幅输出。

因此，实际正弦波振荡电路是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路，起始振荡时，；当幅度达到一定值时，进行等幅振荡输出。

正弦波振荡电路中的选频网络可以设置在中，也可以设置在中；可以由元件组成，也可以由元件组成。

用元件组成的振荡电路一般用来产生范围内的低频信号，用元件组成的振荡电路一般用来产生以上的高频信号。

图XX_01是RC桥式振荡电路的原理电路，这个电路由两部分组成，即放大电路和选频网络。

选频网络（即反馈网络）的选频特性已知，在处，RC串并联反馈网络的，，根据振荡平衡条件和，可知放大电路的输出与输入之间的相位关系应是同相，放大电路的电压增益不能小于3，即用增益为3（起振时，为使振荡电路能自行建立振荡，应大于3）的同相比例放大电路即可。

波形产生电路实验报告时间：2021.03.05 创作：欧阳理一、实验目的1. 通过实验掌握由集成运放构成的正弦波振荡电路的原理与设计方法；2. 通过实验掌握由集成运放构成的方波（矩形波）和三角波（锯齿波）振荡电路的原理与设计方法。

二、实验内容1. 正弦振荡电路实验电路图如下图所示，电源电压为。

（1）缓慢调节电位器，观察电路输出波形的变化，解释所观察到的现象。

（2）仔细调节电位器，使电路输出较好的正弦波形，测出振荡频率和幅度以及相对应的之值，分析电路的振荡条件。

（3）将两个二极管断开，观察输出波形有什么变化。

2. 多谐振荡电路（1）按图2 安装实验电路（电源电压为±12V）。

观测、波形的幅度、周期（频率）以及的上升时间和下降时间等参数。

（2）对电路略加修改，使之变成矩形波和锯齿波振荡电路，即为矩形波，为锯齿波。

要求锯齿波的逆程（电压下降段）时间大约是正程（电压上升段）时间的 20％ 左右。

观测、的波形，记录它们的幅度、周期（频率）等参数。

3. 设计电路测量滞回比较器的电压传输特性。

三、预习计算与仿真 1. 预习计算（1）正弦振荡电路由正反馈的反馈系数为：由此可得RC 串并联选频网络的幅频特性与相频特性分别为易知当RC10==ωω时，•fV 和•o V 同相，满足自激振荡的相位条件。

若此时f3v A >，则可以满足f 1v A F >，电路起振，振荡频率为000111994.7Hz 1.005ms 2216k 10nF f T RC f ππ=====⨯Ω⨯，。

若要满足自激振荡，需要满足f v A F 在起振前略大于1，而max 13F =，令f 3v A =，即满足条件的Rw 应略大于10kΩ。

（2）多谐振荡电路对电路的滞回部分，输出电压，当时，可以得到。

由，所以得到：。

2. 仿真分析（1）正弦振荡电路仿真电路图：仿真得到的测量数据总结如下（具体见仿真报告）：（1）为0时，无波形产生（2）调节恰好起振时频率峰值/V 仿真值10.15 987.17 1.555 （3）调节使输出电压幅值最大频率峰值/V 仿真值17.81 987.17 10.388 （2）多谐振荡电路仿真电路图：得到的数据整理如下：幅度/V周期/us上升时间/us下降时间/us幅度/V周期/us仿真值6.535 409.09 208.33 204.55 2.907 420.46 （3）矩形波和锯齿波发生电路仿真电路图：仿真结果整理如下：幅度/V周期/ms上升时间/ms下降时间/ms幅度/V周期/ms 仿真值6.539 1.600 1.335 0.265 2.804 1.600 （4）滞回比较器电压传输特性的测量仿真电路图：仿真结果整理如下：仿真值-2.197 2.197 -6.540 6.540四、实验数据记录与处理1. 正弦振荡电路（1）为0时，无波形产生（2）调节恰好起振时频率峰值/V 理论值10.0 994.7 ———仿真值10.15 987.17 1.555实验值10.33 1024.1 0.905 相对误差/％ 3.3 2.96 -41.8此时的波形：（3）调节使输出电压幅值最大频率峰值/V 理论值———994.7 ———仿真值17.81 987.17 10.388实验值18.52 932.63 10.250 相对误差/％ 3.99 -6.24 -1.33此时的波形：（4）将两个二极管断开观察从小打大变化时的波形是如何变化的调节电阻使得恰好起振时的波形和继续调大电阻后的输出电压波形依次为：由波形变化可以看出，当调节电阻使得电路刚好出现振荡时输出电压幅值就已经到达最大值，并且有一点的失真现象，当继续调大电阻时，输出电压波形失真更加严重。