非正弦波信號產生電路

擬電路網絡課件 第四十六節: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；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，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由低變高經過VREF時，vo由VOL變為VOH；反之，當vI由高變低經過VREF時，vo由VOH變為VOL。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，可外加雙向穩壓管Dz，如圖2所示。這時，輸出電壓的幅值受Dz的穩壓值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，保護穩壓管。

二、遲滯比較器

遲滯比較器是一個具有遲滯回環特性的比較器。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狀態或正反饋狀態，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 變為

（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將以指數規律由 向+Vz方向變化，根據一階RC電路的三要素法：

（1）時間常數

（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、反向充電時間常數即可。實現此目標的一個方案是，將圖3所示網絡接入圖1中節點O、N間，代替電阻Rf。這樣，當vO為正時，D1導通而D2截止，反向充電時間常數為Rf1C；當vO為負時，D1截止而D2導通，正向充電時間常數為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R6向C充電，使輸出電壓按線性規律增長。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R6和D、R5兩支路向C反向充電，

由于時間常數減小，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 。