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非正弦波信號產(chǎn)生電路

作者: 時間:2011-07-12 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

擬電路網(wǎng)絡(luò)課件 第四十六節(jié):非正弦波信號產(chǎn)生電路

9.3 非正弦波信號產(chǎn)生電路

一、單門限電壓比較器

1.電路組成

電壓比較器是用來比較兩個輸 入電壓的大小,據(jù)此決定其輸出是高電平還是低電平。以圖1所示的同相電壓比較器電路為例,參考電壓VREF加于運放的反相端,VREF可以是正值或負值。而輸入信號vI加于運放的同相端。

a) 電路圖(b) 傳輸特性
圖1 單門限電壓比較器

2、工作原理

由于比較器的開環(huán)電壓增益很大,當輸入信號vI小于參考電壓VREF,即 時,運放處于負飽和狀態(tài);vo為低電平VOL;反之,當vI升高到略大于VREF,即 時,vo轉(zhuǎn)入正飽和狀態(tài),vo為高電平VOH。

3、傳輸特性

以圖1所示的同相電壓比較器電路為例分析可知,比較器輸出vo的臨界轉(zhuǎn)換條件是集成運放的差動輸入電壓 ,即 。由此可求出圖1a電路的電壓傳輸特性,如圖1b所示。當vI由低變高經(jīng)過VREF時,vo由VOL變?yōu)閂OH;反之,當vI由高變低經(jīng)過VREF時,vo由VOH變?yōu)閂OL。我們把比較器輸出電壓vo從一個電平跳變到另一個電平時相應(yīng)的輸入電壓vI值稱為門限電壓或閾值電壓Vth,對于圖1a所示電路, 。由于vI從同相輸入且只有一個門限電壓,故稱為同相輸入單門限電壓比較器。反之當vI從反相端輸入,VREF改接到同相端,則稱為反相輸入單門限電壓比較器。其相應(yīng)傳輸特性如圖1b中的虛線所示。

4.過零比較器和限幅措施

對于圖1a所示電路,當 ,則輸出電壓 每次過零時,輸出電壓就產(chǎn)生跳變。這種比較器稱為過零比較器。

如果希望減小比較器的輸出電壓幅值,可外加雙向穩(wěn)壓管Dz,如圖2所示。這時,輸出電壓的幅值受Dz的穩(wěn)壓值VZ限制,電路的正向輸出幅度與負向輸出幅度基本相等。 。電阻R起限流作用,保護穩(wěn)壓管。

二、遲滯比較器

單門限電壓比較器雖然有電路簡單、靈敏度高等特點,但其抗干擾能力差。例如,在單門限電壓比較器輸入vI中含有噪聲或干擾電壓時,其輸入和輸出電壓波形如圖1所示,由于在vI=Vth=VREF附近出現(xiàn)干擾,vO將時而為VOH,時而為VOL,導致比較器輸出不穩(wěn)定。如果用這個輸出電壓vO去控制電機,將出現(xiàn)頻繁的起?,F(xiàn)象,這種情況是不允許的。提高抗干擾能力的一種方案是采用遲滯比較器。

1.電路組成

圖 2

遲滯比較器是一個具有遲滯回環(huán)特性的比較器。以圖2a所示為反相輸入遲滯比較器原理電路,它是在反相輸入單門限電壓比較器的基礎(chǔ)上引入了正反饋網(wǎng)絡(luò),其傳輸特性如圖2b所示。如將vI與VREF位置互換,就可組成同相輸入遲滯比較器。

 

2、門限電壓的估算

以反相輸入遲滯比較器原理電路為例,由于比較器中的運放處于開環(huán)狀態(tài)或正反饋狀態(tài),因此一般情況下,輸出電壓vO與輸入電壓vI不成線性關(guān)系,只有在輸出電壓發(fā)生跳變瞬間,集成運放兩個輸入端之間的電壓才可近似認為等于零,即

 

(1)

設(shè)運放是理想的并利用疊加原理,則有

(2)

根據(jù)輸出電壓vO的不同值(VOH或VOL),可求出上門限電壓VT+和下門限電壓VT–分別為

(3)

(4)

門限寬度或回差電壓為

(5)

設(shè)電路參數(shù)如圖2a所示,且 ,則由式(3)~(5)可求得 , 。

3、傳輸特性

設(shè)從 開始討論。

當vI由零向正方向增加到接近 前,vO一直保持 不變。當vI增加到略大于 ,則vO由VOH下跳到VOL,同時使vP下跳到 。vI再增加,vO保持 不變。

若減小vI,只要 ,則vo將始終保持 不變,只有當 時, vo 才由 圖2 跳到VOH。其傳輸特性如圖2b所示。

由以上分析可以看出,遲滯比較器的門限電壓是隨輸出電壓vo的變化而改變的。它的靈敏度低一些,但抗干擾能力卻大大提高了。

三、方波產(chǎn)生電路

方波產(chǎn)生電路是一種能夠直接產(chǎn)生方波或矩形波的非正弦信號發(fā)生電路。由于方波波包含極豐富的諧波,因此,這種電路又稱為多諧振蕩器。

1.電路組成

方波波產(chǎn)生電路如圖1所示,它是在遲滯比較器的基礎(chǔ)上,把輸出電壓經(jīng)Rf、C反饋集成運放的反相端。在運放的輸出端引入限流電阻R和兩個穩(wěn)壓管而組成的雙向限幅電路。

2、工作原理

在接通電源的瞬間,電路的輸出電壓究竟偏于正向飽和還是負向飽和,純屬偶然。設(shè)輸出電壓偏于負飽和值,即 時,則集成運放同相端的電壓為

(1)

時電容反向充電,vc由零變負。在vc高于vp之前, 不變。當vc下降到略低于vp時,vo從–VZ跳變到+ VZ。與此同時,vp由 變?yōu)?/P>

(2)

是電容充電,在vc低于vp以前, 不變。當vc上升到略高于vp時,vo從+VZ跳到–VZ。如此循環(huán)不已,產(chǎn)生振蕩,輸出矩形波。

圖1 方波產(chǎn)生電路及工作原理

3.振蕩周期

圖2畫出了在時的一個方波的典型周期內(nèi)輸出端及電容C上的電壓波形。當 時, ,則在的時間內(nèi)電容C上的電壓vc將以指數(shù)規(guī)律由 向+Vz方向變化,根據(jù)一階RC電路的三要素法:

(1)時間常數(shù)

(2)在t1時刻vC的初始值

(3)若 ,vC的終了值是+ VZ

則得(3)

其中 ,且t1≤t≤t2。

時, ,將這些條件代入式(3),

得出 (4)

4、矩形波電路

通常將矩形波為高電平的持續(xù)時間與振蕩周期的比稱為占空比。對稱方波的占空比為50%。如需產(chǎn)生占空比小于或大于50%的矩形波,只需適當改變電容C的正、反向充電時間常數(shù)即可。實現(xiàn)此目標的一個方案是,將圖3所示網(wǎng)絡(luò)接入圖1中節(jié)點O、N間,代替電阻Rf。這樣,當vO為正時,D1導通而D2截止,反向充電時間常數(shù)為Rf1C;當vO為負時,D1截止而D2導通,正向充電時間常數(shù)為Rf2C。選取Rf1/ Rf2的比值不同,就改變了占空比。設(shè)忽略了二極管的正向電阻,此時的振蕩周期為

四、鋸齒波產(chǎn)生電路

鋸齒波和正弦波、矩形波、三角波是常用的基本測試信號。此外,如在示波器、電視機等儀器中,為了使電子按照一定規(guī)律運動,以利用熒光屏顯示圖像,常用到鋸齒波產(chǎn)生器作為時基電路。例如,要在示波器熒光屏上不失真地觀察到被測信號波形,要求在水平偏轉(zhuǎn)板加上隨時間作線性變化的電壓——鋸齒波電壓,使電子束沿水平方向勻速搜索熒光屏。而電視機中顯像管熒光屏上的光點,是靠磁場變化進行偏轉(zhuǎn)的,所以需要要用鋸齒波電流來控制。鋸齒波產(chǎn)生電路的種類很多,這里僅以圖1所示的鋸齒波電壓產(chǎn)生電路為例,討論其組成及工作原理。

圖 1 鋸齒波產(chǎn)生電路

 

1.電路組成

由圖1可見,它包括同相輸入遲滯比較器(A1)和充放電時間常數(shù)不等的積分器(A2)兩部分,共同組成鋸齒波電壓產(chǎn)生器電路。

2、門限電壓的估算

圖2 同相輸入遲滯比較器

為便于討論,單獨畫出圖1中由A1組成的同相輸入遲滯比較器,如圖2所示。圖2中的vI就是圖1中的vO。由圖2有

(1)

考慮到電路翻轉(zhuǎn)時,有 ,即得

(2)

由于 ,由式(2),可分別求出上、下門限電壓和門限寬度為

(3)

(4)

和回差電壓 (5)

 

3.工作原理

設(shè) 時接通電源,有 ,則–VZ經(jīng)R6向C充電,使輸出電壓按線性規(guī)律增長。當vO上升到門限電壓 使 時,比較器輸出vO1由–VZ上跳到+ VZ,同時門限電壓下跳到VT–值。以后 經(jīng)R6和D、R5兩支路向C反向充電,

由于時間常數(shù)減小,vO迅速下降到負值。當vO下降到下門限電壓VT–使 時,比較器輸出vO1又由+VZ下跳到–VZ。如此周而復(fù)始,產(chǎn)生振蕩。由于電容C的正向與反向充電時間常數(shù)不相等,輸出波形vO為鋸齒波電壓,vO1為矩形波電壓,如圖3所示。

可以證明,設(shè)忽略二極管的正向電阻,其振蕩周期為

(6)

顯然,圖1所示電路,當R5、D支路開路,電容C的正、反向充電時間常數(shù)相等時,此時,鋸齒波就變成三角波,圖1所示電路就變成方波(vO1)-三角波(vO)產(chǎn)生電路,其振蕩周期為 。

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