【導讀】equalunity.closedloop.phaseshiftiszero.

　　

【正文】 that condition the R^R? divider feeds a positive reference voltage about 80 mV to the noninverting input* Consequently, the output remains in that state until the input voltage rises to a value equal to 80 mV, The opamp39。s output will then switch regenerative to a negative saturation level of 8 volts, thereby feeding a reference voltage of 80 mV39。s to the noninverting input The output remains in that state until the input falls to 80 mV。 at that point, (the input voltage falls to a value equal to 80 mV) the output regenerative switches back to the positive saturation level. The switching levels can be altered by changing the R1 value Fig 224 Schmitt trigger prevents output oscillations caused by triggering off a slow sinewave. 波形發(fā)生器 1. 正弦振蕩器基本原理 許多不同組態(tài)的電路，即使在沒有輸人信號激勵的情況下，也能輸出一個基本上是正弦形的輸出波形。我們將在下文討論所有這些振蕩器的基本原理，除了確定產(chǎn)生振蕩所需的條件之外，還研究振蕩頻率和振幅的穩(wěn)定問題 。 圖 11表示了放大器、反饋網(wǎng)絡(luò)和輸入混合電路尚未連成閉環(huán)的情況。當信號 Xi直接加到放大器的輸入端時，放大器提供一個輸出信號 X0。反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出為 Xf =FX0=AFXi,混合電路（現(xiàn)在就是一個反相器）的輸出為 Xf’＝ Xf =AFXi 由圖 1，環(huán)路增益為 環(huán)路增益 =Xf’/Xi=Xf/Xi=FA 圖 11 尚未連成閉環(huán)的增益為 A的放大器和反饋網(wǎng)絡(luò) F 假定恰好將信號 Xf’ ，調(diào)整到完全等于外加的輸入信號 Xi。由于放大器無法辨別加給它的輸入信號的來源，于是就會出現(xiàn)如下情況 ， 如果除去外加信號源，而將 2端同 1端接在一起，則放大器將如以前一樣，繼續(xù)提供一個同樣的輸出信號 X0。當然要注意， Xf’=Xi這種說法意味著 X’f,和Xi的瞬時值在所有時刻都完全相等。條件 Xf’ =Xi等價于 AF=1,即環(huán)路增益必須等于 1。 巴克豪森判據(jù) :在以下關(guān)于振蕩器的討論中我們假定 ，整個電路工作在線性 狀 態(tài)，并且放大器或反饋網(wǎng)絡(luò)或它們兩者是含有電抗元件的 。 在這些條件下 ， 能保持波形形狀的唯一周期性波形是正弦波 。 對正弦波而言，條件 Xf’ =Xi等同于 Xi和 Xf’，的幅度、相位和頻率都完全一樣的條件。因為信號在通過電抗網(wǎng)絡(luò)時引入的相移總是頻率的函數(shù)，所以我們有如下重要原則 ： 正弦振蕩器的工作頻率是這樣一個頻率，在該頻率下，信號從輸入端開始，經(jīng)過放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)后，又回到輸 入 端時，引入的總相移正好是零（當然，或者是 2π 的整數(shù)倍）。更簡單地說，正弦振蕩器的頻率取決于環(huán)路增益的相移為零這一條件 。 雖然還可以總結(jié)出其他可用來確定頻率的原則，但可以證明，它們同上述原則是一致的 。 附帶說明一下，滿足上述條件的頻率可能不止一個，這并不是不可理解的在這種偶然情況下，有可能在幾個頻率處同時振蕩，或在所允許的幾個頻率中某一頻率處出現(xiàn)振蕩 。 只要電路能振蕩，其頻率就由上述原則來確定。顯然還必須滿足另一個條件，即 Xi和 Xf’的幅度必須相等。該條件概括為下述原則： 在振蕩頻率處，如果放大器的轉(zhuǎn)移增益和反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)的乘積（環(huán)路增益的幅值）小于 1，則振蕩不能維持下去。 環(huán)路增益為 1,即 FA=1這個條件叫做巴克豪森判據(jù) 。當然，這個條件意味著不僅要求 |AF|=1，而且要求 AF的相位是零。上述原則與反饋公式 Af=A/(1+FA)是一致的。因為如果 FA=1,則 Af → ∞ ,這可以解釋為，即使沒有外加信號電壓，也仍然有輸出電壓 。 若干實際的考慮參看圖 12可以看出，如果 |FA|在振蕩頗率處正好為 1，那么將反饋信號接到輸入 端，再除去外部信號源將不會造成任何影響 。 如果 |FA|小于 1，那么除去外部信號源將會導致停振?，F(xiàn)在假定 |FA|大于 1，那么，最初出現(xiàn)在輸 入 端的信號，例如是 1V，在繞回路一周又回到輸入端時，其幅值將大于 1V,然后 這個較大的電壓又會以更大的電壓再出現(xiàn)于輸入端，如此循環(huán)往復。于是，似乎 |FA|大于 1時，振蕩器的振幅會無限制地增大。其實，只是在不受放大器中有源器件的非線性的限制時，振幅的增大才能繼續(xù)下去。隨著振幅的增大，有源器件的非線性變得更加明顯 。這種非線性的出現(xiàn)，就限制了振蕩的幅度，這是所有實際振蕩器工作的基本特征，正如以下討論所表明的那樣：條件 |FA|=1并不是給出 |FA|的可取值范圍而是給出一個單一的精確值。現(xiàn)假設(shè)即使最初能滿足這個條件，由于電路元件特性，特別是晶體管特性受老化、溫度和電壓等影響發(fā)生變化（漂移）， 于是很顯然，如果整個振蕩器聽其自然，則在很短的時間內(nèi)， |FA|就會變得不是小于 1,就是大于 1．在前一種情況下，只是振蕩停止而已，而在后一種情況下，我們就又需要用非線性來限制振幅。環(huán)路增益正好為 1的振蕩器，實際上是一個根本不能實現(xiàn)的理想裝置 。 所以，在實際振蕩器的調(diào)試中，總是要調(diào)整 |FA|多少比 1大一些 (比方說大 5%),以保證在晶體管和電路參數(shù)發(fā)生偶然變化時 ， |FA|不致下降到 1以下。上述兩條原則是在純理論的基礎(chǔ)上必須要滿足的，同時，我們根據(jù)實際的考慮，再添上第三條一般原則，即： 在每個實際的振蕩器中，環(huán)路增益 都略大于 1，并且振蕩幅度由非線性特性來限制。 圖 12 三極點傳遞函數(shù)在 S平面上的根軌跡 2. 運放振蕩器 正弦振蕩器 圖 21是一個通過選頻網(wǎng)絡(luò)將輸出的一部分，反送到輸入，來控制整個電壓增益的運放振蕩器 。 為了獲得最佳正弦波，當網(wǎng)絡(luò)增益在振蕩頻率處提供單位增益時，頻率選擇網(wǎng)絡(luò)整個相位移為零。因為頻率選擇網(wǎng)絡(luò)通常有負增益 ， 為了保持全部增益為 1， 必須用增益網(wǎng)絡(luò)中的附加增益來補償。如果整個增益小于 1，則電路不能振蕩。如果增益大于 1，則輸出波形將失真 。 圖 21 要求輸入輸出間的相移為 0，全部增 益為 1的穩(wěn)定的正弦波振蕩器框圖 圖 22表示了文氏橋式正弦波振蕩器的實際構(gòu)成方法。選頻文氏橋由 R1C1，和 R2C2網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成 。通常，文氏橋是平衡的，所以 R1 =R2=R,C1=C2=C。當上述條件滿足時，輸出和輸入間的相位關(guān)系在 90176。到＋ 90176。間變化，在中心頻率 f0處恰好是零。 f0可以通過下面的公式來計算： f0=1/2πRC 由于文氏網(wǎng)絡(luò)接在放大器輸出端和同相輸入端之間，當整個增益為 ，在 f0處總相移為 0?,因此運放必須通過 R3R4反饋網(wǎng)絡(luò)提供增益 3，這樣才滿足正弦波振蕩器的基本條件 。 實際中 ， R3和 R4之比必須仔細調(diào)整以使總增益為 1，這是產(chǎn)生 低失真正弦波所必須的。 圖 22基本文氏橋式正弦波振蕩器 運放對溫度變化輸入電壓波動以及其它情況很敏感，這些電壓波動通過 R3R4將引起輸出電壓變化，以至引起電壓增益變化。如果利用增益穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)來代替被動（無源）的 R3和 R4增益限定網(wǎng)絡(luò)，即將反饋網(wǎng)絡(luò)變?yōu)榫哂凶詣釉鲆婵刂乒δ艿木W(wǎng)絡(luò)，則可增加放大器的穩(wěn)定性。圖 23至圖 27列出了幾種實際使用的，具有自動穩(wěn)幅功能的文氏橋式振蕩器 。 圖 23為 1kH：固定頻率振蕩器。輸出振幅被具有負溫度 系數(shù) (NTC)的熱敏電阻 RT和 R3所組成的增益限定反饋網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。熱敏電阻由運放輸出的平均功率來加熱。該電阻的阻值需為 R3的 3倍，以使得反饋增益為 3,將反饋增益和頻率網(wǎng)絡(luò)的 0. 33增益相乘，總增益為 1。當振蕩器輸出幅度上升時， RT被加熱 ， 阻值降低，自動減小電路增益，從而穩(wěn)定輸出信號的幅度 。 圖 23 用熱敏電阻穩(wěn)幅的 1kHz文氏橋式振蕩器 熱敏電阻穩(wěn)幅的另一種方法如圖 24所示．在這種情況下，低電流的燈被用作具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻，放在增益限定網(wǎng)絡(luò)的低電位（接地）端。如果輸出電壓幅度上升，則燈被加熱而 電阻增加，反饋增益減小，從而實現(xiàn)自動振幅穩(wěn)定。這個電路還示出了用雙聯(lián)可變電位器來改變文氏橋式網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)成一個頻率可以在 150Hz1. 5kHz之間變化的振蕩器。輸出正弦波的振幅可以利用 R5來改變 。 圖 24 用燈泡穩(wěn)幅的文氏橋式振蕩器 熱敏電阻穩(wěn)幅電路的缺點是，應 用于頻率可變情況下，當調(diào)節(jié)控制頻率電位器時，輸出幅度將抖動不穩(wěn)。 二極管穩(wěn)幅 頻率調(diào)節(jié)時，電路的輸出抖動問 題可以被最大限度地減小。如圖 25或 26所示，利 用二極管或齊納二極管（即穩(wěn)壓二極管）的導電性來進行自動增益控制。 實質(zhì)上， 當輸出接近零時， R3可使電路增益稍大于 1，從而使電路振蕩。當每個半波接近峰值時，其中之一的二極管開始導通，減小電路增益，自動穩(wěn)定輸出信號的幅度。這種限制技術(shù)常引起輸出正弦波有 1%2%的失真。每個電路的最大峰 峰值 輸出約為穩(wěn)壓二級管擊穿電壓的兩倍。 在圖 25中，二極管在電壓為 500mV時就開始導通，故輸出峰 峰值大約為 1V。 在圖 26中齊納二極管采用雙向聯(lián)接，導通電壓可達 56V，所以輸出峰 峰值大約為 12V。 在整個頻帶中，每個電路均通過 R3調(diào)節(jié)到最大電壓輸出。 圖 25 用二極管穩(wěn)幅的文氏橋式 振蕩器 圖 26 用齊納二極管穩(wěn)幅的文氏橋式振蕩器 文氏橋式振蕩器的頻率范圍也可以通過改變 C1和 C2的值來調(diào)節(jié)。增加 C1C2十個數(shù)量級，可以減小輸出頻率十個數(shù)量級（即 10倍）。圖 27為一個具有三個 10倍開關(guān)檔的，頻率范圍在 15H15kHz內(nèi)可調(diào)的文氏振蕩器。利用齊納二極管穩(wěn)幅，電路的輸出幅度用開關(guān)和可變衰耗器來調(diào)節(jié)。注意，有效工作頻率受運放的壓擺率限制，上限頻率，當用 LM741時大約為 25kHz。 利用 CA3140時大約為 70kHz。 圖 27 15Hz— 15kHz三檔量程十進位文氏橋 式振蕩器 T振蕩器 另一種設(shè)計正弦波振蕩器的方法是在一反相運放的輸入輸出之間接入一個雙 T網(wǎng)絡(luò)。如圖 28所示 。 雙 T網(wǎng)絡(luò)由 R1R2R3R4和 C1C2C3構(gòu)成 。 在平衡電路中， R1=R2=2(R3＋ R4),C1=C2=C3/2,當網(wǎng)絡(luò)平衡完美時，為陷波濾波器在中心頻率 f0處輸出為 0，而在其他頻率處有確定輸出，輸出相移 180?可變 。 當網(wǎng)絡(luò)稍不平衡時，改變 R4網(wǎng)絡(luò)在 f0處有最小輸出。 通過慢慢改變 R4使網(wǎng)絡(luò)趨向不平衡，網(wǎng)絡(luò)將產(chǎn)生 180?相移和 f0小信號輸出 。 因為反相運放在輸入輸出之間有 180?相移， 所以在運放輸人端總相移為 0?。電路將振蕩在中心頻率為 1kHz處。實際上調(diào)節(jié) R4在臨界狀態(tài)時，正弦波具有小于 1％ 的失真。 圖 28 1kHz 雙 T振蕩器 圖 29 二極管穩(wěn)幅的 1kHz 雙 T振蕩器 圖 29示出了可以使失真更小的幅度控制方法 。 這里 D1通過 R5電位器提供一反饋信號。當二極管正向電壓超過 500mV時，將減小增益。要使電路起振，首先調(diào)節(jié) R5使之對地阻值最大，再調(diào)節(jié) R4使振蕩僅能維持 。 在這些條件下，輸出信號將有峰值約為 500mV的振幅，進一步改變 R5可使輸出信號的有效值在 170300mV間變化。 雙 T網(wǎng)絡(luò)能構(gòu)成一個很好的固定頻率的振蕩器。但不適宜可以變化頻率的網(wǎng)絡(luò)，因為調(diào)節(jié) 3或 4個網(wǎng)絡(luò)中的元件，使之同步是很困難的 。 2. 5方波發(fā)生器 運放組成由圖 210所示的張弛振蕩形式時，就能產(chǎn)生方波。電路使用雙電源供電。運放輸出可在正負飽和壓降之間選擇。當輸出為高電平時， C1通過 R1充電，直到 C1上存儲的電壓比在同相輸入端由 R2R3分壓建立的正值更正時，輸出再次轉(zhuǎn)為負向飽和電壓，使 C1又通過 R1放電，直到C1上的電壓降到由 R2R3分壓建立的負值更負時，輸出再次轉(zhuǎn)換為正向飽和電壓，如此循環(huán)下去 。 圖 210方波振蕩器 在輸出端可得到對稱的方波， Cl兩端可得到非線性三角波。這些波形在原點兩側(cè)均勻分布，工作頻率可以通過改變 R1或 C1或改變 R2R3比率來調(diào)整 。 圖 211示出了如何設(shè)計一個實用的 500Hz5kHz的方波發(fā)生器。該發(fā)生器的頻率調(diào)整可通過改變衰耗器 R2R3R4來實現(xiàn) 。 圖 212示出了如何改進圖 211。用 R2微調(diào)頻率，同 R4轉(zhuǎn)換頻段，用 R6來控制輸出幅度。 圖 211 500Hz5kHz方波振蕩器 圖 212 改進型 500Hz5kHz方波振蕩器 圖 2