非正弦波信號產生電路

擬電路網(wǎng)絡課件 第四十六節(jié):非正弦波信號產生電路

9.3 非正弦波信號產生電路

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。

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。 或 。電阻R起限流作用，保護穩(wěn)壓管。

二、遲滯比較器

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上引入了正反饋網(wǎng)絡，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

或 （1）

設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）

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

3、傳輸特性

設從 ， 和 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、方波產生電路

方波產生電路是一種能夠直接產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

方波波產生電路如圖1所示，它是在遲滯比較器的基礎上，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）

而 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）

而 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，產生振蕩，輸出矩形波。

3．振蕩周期

圖2畫出了在時的一個方波的典型周期內輸出端及電容C上的電壓波形。當 時， ，則在的時間內電容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。

當 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。設忽略了二極管的正向電阻，此時的振蕩周期為。

四、鋸齒波產生電路

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的，所以需要要用鋸齒波電流來控制。鋸齒波產生電路的種類很多，這里僅以圖1所示的鋸齒波電壓產生電路為例，討論其組成及工作原理。

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 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。如此周而復始，產生振蕩。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）產生電路，其振蕩周期為 。