模拟电路网络课件 第四十六节:非正弦波信号产生电路
拟电路网络课件 第四十六节:非正弦波信号产生电路
9.3 非正弦波信号产生电路
一、单门限电压比较器
1．电路组成
电压比较器是用来比较两个输 入电压的大小，据此决定其输出是高电平还是低电平。以图1所示的同相电压比较器电路为例，参考电压vref加于运放的反相端，vref可以是正值或负值。而输入信号vi加于运放的同相端。
a) 电路图 （b) 传输特性
图1 单门限电压比较器
2、工作原理
由于比较器的开环电压增益很大，当输入信号vi小于参考电压vref，即 时，运放处于负饱和状态；vo为低电平vol；反之，当vi升高到略大于vref，即 时，vo转入正饱和状态，vo为高电平voh。
3、传输特性
以图1所示的同相电压比较器电路为例分析可知，比较器输出vo的临界转换条件是集成运放的差动输入电压 ，即 。由此可求出图1a电路的电压传输特性，如图1b所示。当vi由低变高经过vref时，vo由vol变为voh；反之，当vi由高变低经过vref时，vo由voh变为vol。我们把比较器输出电压vo从一个电平跳变到另一个电平时相应的输入电压vi值称为门限电压或阈值电压vth，对于图1a所示电路， 。由于vi从同相输入且只有一个门限电压，故称为同相输入单门限电压比较器。反之当vi从反相端输入，vref改接到同相端，则称为反相输入单门限电压比较器。其相应传输特性如图1b中的虚线所示。
4．过零比较器和限幅措施
对于图1a所示电路，当 ，则输出电压 每次过零时，输出电压就产生跳变。这种比较器称为过零比较器。
如果希望减小比较器的输出电压幅值，可外加双向稳压管dz，如图2所示。这时，输出电压的幅值受dz的稳压值vz限制，电路的正向输出幅度与负向输出幅度基本相等。 或 。电阻r起限流作用，保护稳压管。
二、迟滞比较器
单门限电压比较器虽然有电路简单、灵敏度高等特点，但其抗干扰能力差。例如，在单门限电压比较器输入vi中含有噪声或干扰电压时，其输入和输出电压波形如图1所示，由于在vi=vth=vref附近出现干扰，vo将时而为voh，时而为vol，导致比较器输出不稳定。如果用这个输出电压vo去控制电机，将出现频繁的起停现象，这种情况是不允许的。提高抗干扰能力的一种方案是采用迟滞比较器。
1．电路组成
图 2
迟滞比较器是一个具有迟滞回环特性的比较器。以图2a所示为反相输入迟滞比较器原理电路，它是在反相输入单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络，其传输特性如图2b所示。如将vi与vref位置互换，就可组成同相输入迟滞比较器。
2、门限电压的估算
以反相输入迟滞比较器原理电路为例，由于比较器中的运放处于开环状态或正反馈状态，因此一般情况下，输出电压vo与输入电压vi不成线性关系，只有在输出电压发生跳变瞬间，集成运放两个输入端之间的电压才可近似认为等于零，即
或 （1）
设运放是理想的并利用叠加原理，则有
（2）
根据输出电压vo的不同值（voh或vol），可求出上门限电压vt+和下门限电压vt–分别为
（3）
（4） 门限宽度或回差电压为
（5）
设电路参数如图2a所示，且 ，则由式(3)~(5)可求得 ， 和 。
3、传输特性
设从 ， 和 开始讨论。
当vi由零向正方向增加到接近 前，vo一直保持 不变。当vi增加到略大于 ，则vo由voh下跳到vol，同时使vp下跳到 。vi再增加，vo保持 不变。
若减小vi，只要 ，则vo将始终保持 不变，只有当 时， vo 才由 图2 跳到voh。其传输特性如图2b所示。
由以上分析可以看出，迟滞比较器的门限电压是随输出电压vo的变化而改变的。它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高了。
三、方波产生电路
方波产生电路是一种能够直接产生方波或矩形波的非正弦信号发生电路。由于方波波包含极丰富的谐波，因此，这种电路又称为多谐振荡器。
1．电路组成
方波波产生电路如图1所示，它是在迟滞比较器的基础上，把输出电压经rf、c反馈集成运放的反相端。在运放的输出端引入限流电阻r和两个稳压管而组成的双向限幅电路。
2、工作原理
在接通电源的瞬间，电路的输出电压究竟偏于正向饱和还是负向饱和，纯属偶然。设输出电压偏于负饱和值，即 时，则集成运放同相端的电压为
（1）
而 时电容反向充电，vc由零变负。在vc高于vp之前， 不变。当vc下降到略低于vp时，vo从–vz跳变到+ vz。与此同时，vp由 变为
（2）
而 是电容充电，在vc低于vp以前， 不变。当vc上升到略高于vp时，vo从+vz跳到–vz。如此循环不已，产生振荡，输出矩形波。
图1 方波产生电路及工作原理
3．振荡周期
图2画出了在时的一个方波的典型周期内输出端及电容c上的电压波形。当 时， ，则在的时间内电容c上的电压vc将以指数规律由 向+vz方向变化，根据一阶rc电路的三要素法：
（1）时间常数 （2）在t1时刻vc的初始值
（3）若 ，vc的终了值是+ vz
则得（3）
其中 ，且t1≤t≤t2。
当 时， ，将这些条件代入式（3），
得出 （4）
4、矩形波电路
通常将矩形波为高电平的持续时间与振荡周期的比称为占空比。对称方波的占空比为50%。如需产生占空比小于或大于50%的矩形波，只需适当改变电容c的正、反向充电时间常数即可。实现此目标的一个方案是，将图3所示网络接入图1中节点o、n间，代替电阻rf。这样，当vo为正时，d1导通而d2截止，反向充电时间常数为rf1c；当vo为负时，d1截止而d2导通，正向充电时间常数为rf2c。选取rf1/ rf2的比值不同，就改变了占空比。设忽略了二极管的正向电阻，此时的振荡周期为。
四、锯齿波产生电路
锯齿波和正弦波、矩形波、三角波是常用的基本测试信号。此外，如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。例如，要在示波器荧光屏上不失真地观察到被测信号波形，要求在水平偏转板加上随时间作线性变化的电压——锯齿波电压，使电子束沿水平方向匀速搜索荧光屏。而电视机中显像管荧光屏上的光点，是靠磁场变化进行偏转的，所以需要要用锯齿波电流来控制。锯齿波产生电路的种类很多，这里仅以图1所示的锯齿波电压产生电路为例，讨论其组成及工作原理。
图 1 锯齿波产生电路
1．电路组成
由图1可见，它包括同相输入迟滞比较器（a1）和充放电时间常数不等的积分器（a2）两部分，共同组成锯齿波电压产生器电路。
2、门限电压的估算
图2 同相输入迟滞比较器
为便于讨论，单独画出图1中由a1组成的同相输入迟滞比较器，如图2所示。图2中的vi就是图1中的vo。由图2有
（1）
考虑到电路翻转时，有 ，即得
（2）
由于 ，由式（2），可分别求出上、下门限电压和门限宽度为
（3）
（4）
和回差电压 （5）
3．工作原理
设 时接通电源，有 ，则–vz经r6向c充电，使输出电压按线性规律增长。当vo上升到门限电压 使 时，比较器输出vo1由–vz上跳到+ vz，同时门限电压下跳到vt–值。以后 经r6和d、r5两支路向c反向充电，
由于时间常数减小，vo迅速下降到负值。当vo下降到下门限电压vt–使 时，比较器输出vo1又由+vz下跳到–vz。如此周而复始，产生振荡。由于电容c的正向与反向充电时间常数不相等，输出波形vo为锯齿波电压，vo1为矩形波电压，如图3所示。
可以证明，设忽略二极管的正向电阻，其振荡周期为
（6）
显然，图1所示电路，当r5、d支路开路，电容c的正、反向充电时间常数相等时，此时，锯齿波就变成三角波，图1所示电路就变成方波（vo1）-三角波（vo）产生电路，其振荡周期为 。
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9.3 非正弦波信号产生电路
一、单门限电压比较器
1．电路组成
电压比较器是用来比较两个输 入电压的大小，据此决定其输出是高电平还是低电平。以图1所示的同相电压比较器电路为例，参考电压vref加于运放的反相端，vref可以是正值或负值。而输入信号vi加于运放的同相端。
a) 电路图 （b) 传输特性
图1 单门限电压比较器
2、工作原理
由于比较器的开环电压增益很大，当输入信号vi小于参考电压vref，即 时，运放处于负饱和状态；vo为低电平vol；反之，当vi升高到略大于vref，即 时，vo转入正饱和状态，vo为高电平voh。
3、传输特性
以图1所示的同相电压比较器电路为例分析可知，比较器输出vo的临界转换条件是集成运放的差动输入电压 ，即 。由此可求出图1a电路的电压传输特性，如图1b所示。当vi由低变高经过vref时，vo由vol变为voh；反之，当vi由高变低经过vref时，vo由voh变为vol。我们把比较器输出电压vo从一个电平跳变到另一个电平时相应的输入电压vi值称为门限电压或阈值电压vth，对于图1a所示电路， 。由于vi从同相输入且只有一个门限电压，故称为同相输入单门限电压比较器。反之当vi从反相端输入，vref改接到同相端，则称为反相输入单门限电压比较器。其相应传输特性如图1b中的虚线所示。
4．过零比较器和限幅措施
对于图1a所示电路，当 ，则输出电压 每次过零时，输出电压就产生跳变。这种比较器称为过零比较器。
如果希望减小比较器的输出电压幅值，可外加双向稳压管dz，如图2所示。这时，输出电压的幅值受dz的稳压值vz限制，电路的正向输出幅度与负向输出幅度基本相等。 或 。电阻r起限流作用，保护稳压管。
二、迟滞比较器
单门限电压比较器虽然有电路简单、灵敏度高等特点，但其抗干扰能力差。例如，在单门限电压比较器输入vi中含有噪声或干扰电压时，其输入和输出电压波形如图1所示，由于在vi=vth=vref附近出现干扰，vo将时而为voh，时而为vol，导致比较器输出不稳定。如果用这个输出电压vo去控制电机，将出现频繁的起停现象，这种情况是不允许的。提高抗干扰能力的一种方案是采用迟滞比较器。
1．电路组成
图 2
迟滞比较器是一个具有迟滞回环特性的比较器。以图2a所示为反相输入迟滞比较器原理电路，它是在反相输入单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络，其传输特性如图2b所示。如将vi与vref位置互换，就可组成同相输入迟滞比较器。
2、门限电压的估算
以反相输入迟滞比较器原理电路为例，由于比较器中的运放处于开环状态或正反馈状态，因此一般情况下，输出电压vo与输入电压vi不成线性关系，只有在输出电压发生跳变瞬间，集成运放两个输入端之间的电压才可近似认为等于零，即
或 （1）
设运放是理想的并利用叠加原理，则有
（2）
根据输出电压vo的不同值（voh或vol），可求出上门限电压vt+和下门限电压vt–分别为
（3）
（4） 门限宽度或回差电压为
（5）
设电路参数如图2a所示，且 ，则由式(3)~(5)可求得 ， 和 。
3、传输特性
设从 ， 和 开始讨论。
当vi由零向正方向增加到接近 前，vo一直保持 不变。当vi增加到略大于 ，则vo由voh下跳到vol，同时使vp下跳到 。vi再增加，vo保持 不变。
若减小vi，只要 ，则vo将始终保持 不变，只有当 时， vo 才由 图2 跳到voh。其传输特性如图2b所示。
由以上分析可以看出，迟滞比较器的门限电压是随输出电压vo的变化而改变的。它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高了。
三、方波产生电路
方波产生电路是一种能够直接产生方波或矩形波的非正弦信号发生电路。由于方波波包含极丰富的谐波，因此，这种电路又称为多谐振荡器。
1．电路组成
方波波产生电路如图1所示，它是在迟滞比较器的基础上，把输出电压经rf、c反馈集成运放的反相端。在运放的输出端引入限流电阻r和两个稳压管而组成的双向限幅电路。
2、工作原理
在接通电源的瞬间，电路的输出电压究竟偏于正向饱和还是负向饱和，纯属偶然。设输出电压偏于负饱和值，即 时，则集成运放同相端的电压为
（1）
而 时电容反向充电，vc由零变负。在vc高于vp之前， 不变。当vc下降到略低于vp时，vo从–vz跳变到+ vz。与此同时，vp由 变为
（2）
而 是电容充电，在vc低于vp以前， 不变。当vc上升到略高于vp时，vo从+vz跳到–vz。如此循环不已，产生振荡，输出矩形波。
图1 方波产生电路及工作原理
3．振荡周期
图2画出了在时的一个方波的典型周期内输出端及电容c上的电压波形。当 时， ，则在的时间内电容c上的电压vc将以指数规律由 向+vz方向变化，根据一阶rc电路的三要素法：
（1）时间常数 （2）在t1时刻vc的初始值
（3）若 ，vc的终了值是+ vz
则得（3）
其中 ，且t1≤t≤t2。
当 时， ，将这些条件代入式（3），
得出 （4）
4、矩形波电路
通常将矩形波为高电平的持续时间与振荡周期的比称为占空比。对称方波的占空比为50%。如需产生占空比小于或大于50%的矩形波，只需适当改变电容c的正、反向充电时间常数即可。实现此目标的一个方案是，将图3所示网络接入图1中节点o、n间，代替电阻rf。这样，当vo为正时，d1导通而d2截止，反向充电时间常数为rf1c；当vo为负时，d1截止而d2导通，正向充电时间常数为rf2c。选取rf1/ rf2的比值不同，就改变了占空比。设忽略了二极管的正向电阻，此时的振荡周期为。
四、锯齿波产生电路
锯齿波和正弦波、矩形波、三角波是常用的基本测试信号。此外，如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。例如，要在示波器荧光屏上不失真地观察到被测信号波形，要求在水平偏转板加上随时间作线性变化的电压——锯齿波电压，使电子束沿水平方向匀速搜索荧光屏。而电视机中显像管荧光屏上的光点，是靠磁场变化进行偏转的，所以需要要用锯齿波电流来控制。锯齿波产生电路的种类很多，这里仅以图1所示的锯齿波电压产生电路为例，讨论其组成及工作原理。
图 1 锯齿波产生电路
1．电路组成
由图1可见，它包括同相输入迟滞比较器（a1）和充放电时间常数不等的积分器（a2）两部分，共同组成锯齿波电压产生器电路。
2、门限电压的估算
图2 同相输入迟滞比较器
为便于讨论，单独画出图1中由a1组成的同相输入迟滞比较器，如图2所示。图2中的vi就是图1中的vo。由图2有
（1）
考虑到电路翻转时，有 ，即得
（2）
由于 ，由式（2），可分别求出上、下门限电压和门限宽度为
（3）
（4）
和回差电压 （5）
3．工作原理
设 时接通电源，有 ，则–vz经r6向c充电，使输出电压按线性规律增长。当vo上升到门限电压 使 时，比较器输出vo1由–vz上跳到+ vz，同时门限电压下跳到vt–值。以后 经r6和d、r5两支路向c反向充电，
由于时间常数减小，vo迅速下降到负值。当vo下降到下门限电压vt–使 时，比较器输出vo1又由+vz下跳到–vz。如此周而复始，产生振荡。由于电容c的正向与反向充电时间常数不相等，输出波形vo为锯齿波电压，vo1为矩形波电压，如图3所示。
可以证明，设忽略二极管的正向电阻，其振荡周期为
（6）
显然，图1所示电路，当r5、d支路开路，电容c的正、反向充电时间常数相等时，此时，锯齿波就变成三角波，图1所示电路就变成方波（vo1）-三角波（vo）产生电路，其振荡周期为 。
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