3信号分析.docx

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3信号分析

第二讲信号分析

Ø常见波形

三种最常见的波形是正弦波、三角波和方波（见图51）。

这些波形在任何函数发生器上都可以找到，并且在实际工作中也常常遇到。

图51　最常见的信号类型

正弦波包含单一的频率分量；而方波和三角波则由很多不同的相关正弦谐波组成。

方波由基波的奇次谐波构成，三角波由基波的偶次谐波构成。

这些波形在时间上和幅度上都是对称的。

这些波形还有其变形形式，这通常是波形发生对称变化的结果。

这样一来，三角波变成了锯齿波（从其开头而得名），而方波变成了矩形波。

波形的一个完整的周波叫作一个周期。

一个周期就是从一个周波的某一点到下一个周波相应点所需要的时间（见图52）。

图52　正弦波及其频率和幅度的表示

       频率是在一秒钟之内所发生的波形的周波数。

       所以如果我们用1秒除以一个周期所需的时间就得到了用Hz表示的频率。

　　例如，周期=1ms则

　　频率=1/10×10-3

　　　　=1000Hz

　　　　=1KHz

       重复发生的波形称为重复性波形或周期性波形。

这是最容易测量的波形。

       对重复性波形或周期性波形最常测量的另一个参数是波形的幅度。

幅度是一个波形上从最高点到最低之间的电压。

这又称之为峰

（一）峰值幅度或Vp-p（见图52）。

ØCC4093组成的自激多谐振荡器电路图

由施密特触发器组成多谐振荡器时，仅需要外接一个电阻和一个电容。

本电路主要用于对精度要求不高的低频振荡源，其振荡与否是可控的。

如图所示电路是由四2输入端施密特触发器CC4093构成的自激多谐振荡器

Ø非门组成的自激多谐振荡器

图中为与非门组成的自激多谐振荡器实验电路，它由2输入端与非门IC-1、IC-2，定时电路元件R1、C组成。

由于与非门只使用了一个输入端，另一个输入端闲置悬空，当作非门使用，因此振荡电路与简易非门自激多谐振荡器形式相同，各测试点波形在图中已标明，振荡频率约0.9Hz。

另外，用四2输入端与非门也可以组成对称方波自激多谐振荡器、带RC延时电路的环形自激多谐振荡器。

Ø超声波撵狗器

许多动物在听觉方面特别发达，能够听到人类所不能听到的较高频率的声音。

许多商业化的害虫驱赶器就是根据这个原理制造的，通常它们的频率范围在30KHz到50kHz之间。

我们这里设计的频率是11KHz到22KHz，可以通过4.7K的电位器来调节这个频率。

它使用我们常见的555电路组成了一个振荡器通过电容耦合驱动蜂鸣片，蜂鸣片产生了一个狗敏感的声音信号。

10nF（0.01uF）的电容非常关键,它决定了频率，大多数的瓷片电容工作起来很不稳定，误差大都在20%左右，很不好用，所以最好采用性能稳定的聚丙希电容。

较大的电容值意味着较低的频率。

蜂鸣片是一个把电压信号转换成声音信号的元件，它发射出去的声音的频率和幅值与输入的电压信号保持一致。

555的3脚出来的是一个矩形波信号，右边图示的就是一个高电平占总周期为T1/T的矩形波，我们称T1/T为这个矩形波的占空比，这里X表示时间，Y表示幅值，分析幅值随时间变化特性的分析方法我们称之为时域分析法。

这个矩形波通过这个10uF的电容后会怎样呢，我们来看看等效图：

扫频式驱赶器：

已555为核心，采用交流降压整流对其供电。

利用市电交变电压通过R3对C1充电，产生了变化的电压源，此电压作为555的参考电压，从而改变了输出的频率。

频率范围可达32KHz-62KHz，输出的功率可达0.8W，作用面积到16

，可以驱赶老鼠、蟑螂、跳蚤等

Ø7404发生方波

图中为非门对称方波自激多谐振荡器实验电路，由于电路对称，输出振荡波形占空比为1：

1，为方波，故称对称方波振荡器。

在振荡电路中，非门IC1输出端经过定时电容器C2耦合到非门IC2输入端，同样IC2输出端经C1耦合到IC1输入端，两个非门通过电容器互相耦合形成正反馈闭环电路，因而能够产生方波振荡。

当R1=R4=R，C1=C2=C时，振荡频率估算公式

f≈1／RC

振荡周期T≈RC。

定时电阻器R1、R4取值为1~2.2kΩ，定时电容器C1、C2取值范围较大，可以从几十皮法至几百微法，振荡频率范围从几赫兹到数兆赫兹。

Ø定时电路

TL431是一种高精度稳压集成电路,其外形与9013型塑封三极管相似。

它仅有3只引出脚,如图13-1（b）所示。

当控制端G的电位小于2.5V时,其内的驱动级不导通,A,K间呈断路;当G的电位高于2.5V时,其内的驱动级导通,A,K极呈导通状态。

利用TL431的阈值开启特性和一个充电回路,就可设计成一个定时电路。

图13-1（a）中的R1,RP1和C1等组成一个RC充电回路:

合上开关S,按压一下SB,则电源通过R1,RP1对C1充电,当C1上的电压充电至（2.5+0.7）V时,TL431开启并导通,IC1得电、发声。

IC1采用音乐集成电路CW9336,它内储有世界名曲“您好”的主旋律乐曲,采用电平、不保持（L/UN）触发方式。

它一旦得电并触发,便迅即播出内存的乐曲,曲终自停。

CW9336的工作电压为1.3～5V

脉宽加宽器

Ø晶体三极管构成三角波发生

利用晶体三极管在负阻区所具有的负阻特性，可以构成弛张振荡器，如右图所示。

接通开关SA后，直流电源GB通过电阻R1向电容器C充电，C上电压Uc逐步上升。

当Uc上升到晶体三极管VT的击穿电压BVceo时，VT击穿导通并进入

负阻状态，这时VT的管压降变得很小，C通过VT和R2迅速放电。

C放电结束后，VT恢复截止状态，直流电源GB又通过R1向C进行新一轮充电。

如此周而复始形成振荡，振荡频率取决于R1和C的大小，R1和C的乘积越小，振荡频率越高。

放电电流在R2上的压降形成窄脉冲uR2，电容器C上的电压Uc则为锯齿波，波形如左图所示。

该电路中，由于VT击穿导通的时间极短，因此不会因过热而导致晶体三极管损坏。

直流电源GB的电压值必须较多地大于晶体三极管VT的击穿电压，弛张振荡器才能正常工作。

一般小功率硅晶体三极管的击穿电压为几十伏。

如果将晶体三极管’VT的集电极与发射极对调后接入电路，仍可以构成弛张振荡器，如图4所

示。

这时晶体三极管VT的击穿电压大幅度降低，一般为几伏。

在阻容元件数值相同的情况下，下图电路的振荡频率比图2电路的要高。

Ø集—基耦合多谐振荡器

集基耦合多谐振荡器如图T1622所示，它是一种典型的分立元件脉冲产生电路。

通常，电路两边是对称的。

接通电源后，两管均应导通。

为便于分析，假定因某种因素影响，ic1有上升趋势，那么就会发生如下的正反馈循环过程：

iC1↑→uRc1↑→uA1↓→ub2↓→ib2↓→ic2↓→uRc2↓→uA2↑┐

↑————————— ———————ib1↑←ub1↑←┘　

致使T1迅速饱和，uA1为低电平；T2迅速截止，uA2为高电平。

此后，一方面C2将通过RC2、T1的be结构成的回路充电（电压极性左负右正）；另一方面，C1将通过T1、R1构成的回路，将本身贮存的电荷（左正右负）逐渐释放。

这样ub2逐渐上升，当ub2高于晶体三极管导通电压后，将发生如下的正反馈循环：

ub2↑→ib2↑→ic2↑→uRc2↑→uA2↓→ub1↓→ib1↓→ic1↓┐

↑——————————— ———uA1↑←uRc1↓←┘

致使T2迅速导通uＡ2为低电平；T１迅速截止，uＡ１为高电平。

此后，一方面C1将通过Rｃ1、T2的be结构成的回路充电（电压极性左正右负），另一方面，C2将通过T2、R2构成的回路放电，ub1相应提高。

当ub1高于三极管导通电压后，又发生使T1导通，T2截止的正反馈过程，于是形成振荡。

从T1、T2集电极输出的输出电压是矩形脉冲。

可以证明，集基耦合多谐振荡电路的振荡周期T＝0.7R1C1＋0.7R2C2＝1.4RC，输出幅度接近电源电压。

Ø锯齿波

在三角波发生电路中，积分电路正向积分的时间常数远大于反向积分的时间常数，或者反向积分的时间常数远大于正向积分的时间常数，那么输出电压uO上升和下降的斜率相差很多，就可以获得锯齿波。

利用二极管的单向导电性使积分电路两个方向的积分通路不同，就可得到锯齿波发生电路，

如图所示。

图中R3的阻值远小于Rw。

设二极导通时的等效电阻可忽略不计，电位器的滑动端移到最上端。

◆当uO1=+UZ时，D1导通，D2截止，输出电压uO随时间线性下降；

◆当uO1=-UZ时，D2导通，D1截止，输出电压uO随时间线性上升。

由于Rw>>R3，uO1和uO的波形如图所示。

调整R1和R2的阻值可以改变锯齿波的幅值；调整R1、R2和Rw的阻值以及C的容量，可以改变振荡频率；调整电位器滑动端的位置，可以改变uO1的占空比，以及锯齿波上升和下降的斜率。

Ø简单的三角波、方波振荡器

该电路同时产生一个三角波和一个方波，它自动启动并且没有锁死的问题。

IC1是一个集成块，其压摆率由Ct和Rt决定。

IC2是一个施密特触发器。

IC1的输出电平在施密特触发器的磁滞电平之间斜升和下降，它的输出驱动另一个集成电路。

通过改变Rt可使工作频率在100～1范围内变化。

只需三个电阻、一个电容和一只双运放，就能做成一个频率从0.1Hz到100kHz的三角波和方波振荡器。

Ø正弦波

项目

内容

1.     原理图分析讲解

认识常见信号波形

2.     关键知识点

幅值、相位、角频率…

3.     学员互动量

活跃课堂、拓展学员思维

4.     案例讲解发挥量

拓展学员思维

5.     授课方法总结

[授课老师填写]

在电路中，我们常常通过分析正弦波在电路中的传输来测试电路的性能，所以只需使用的是非常多的。

下面将使用一个简单的电路来产生一个正弦波。

所示为文氏电桥正弦波发生电路。

该电路为用稳压管实现稳幅的文氏电桥振荡器实用电路，其振荡频率为1kHz。

若用同轴双联电位器代替电桥中的l.5kΩ电阻，或用波段开关改变电容的数值，可以调节输出频率。

电路的最高频率由运算放大器的频率特性决定，而低频端要求取较大的电阻值，所以要求运算放大器的输入阻抗尽可能高。

稳压管支路中串接了30kΩ电阻，该支路接在680Ω与3.9kΩ电阻之间，主要是为了使放大器的增益变化不致太快。

若使用击穿特性较软的稳压管。

则可以减小失真。

失真度可达0.5％。

Ø酷正弦波发生电路

Ø巧用386发生正弦波

Ø稳压管高频信号发生电路

Ø门电路构成的晶体并联谐振振荡器

石英晶体在外加电压的作用下，它会产生一个压电效应，石英晶体产生机械振动，当外加电压的频率与晶体固有振荡频率相同时，晶体的机械振幅最大，产生的交变电场也就最大，形成压电谐振。

从石英晶体的电抗频率特性可知，它有两个相当接近的谐振额率，一个串联谐振频率，一个并联谐振频率，当石英晶体处于串联谐振时电抗最小，当处于并联谐振时电抗最大，当处于这两个频率范围之间时，石英晶体呈电感性，当游离这两个频率之外时，石英晶体呈容性。

图A是工作于串联谐振状态的TTL门电路振荡器（摘Protel99SE附带例），当电路频率为串联谐振频率时，晶体的等效电抗接近零（发生串联谐振），串联谐振频率信号最容易通过N1、N2闭环回路，这个频率信号通过两级反相后形成反馈振荡，晶体同时也担任着选频作用。

也就是说在工作于串联谐振状态的振荡电路，它的频率取决于晶体本身具有的频率参数。

图B是工作于并联谐振状态的CMOS门电路振荡器，晶体等效一个电感（晶体工作于串联谐振频率与并联谐振频率之间时，晶体呈电感性）与外接的电容构成三点式LC振荡器，通过外接的电容可对频率进行微调。

电阻R接在反相器N3的输入与输出端，其目的是将N3偏置在线性放大区，构成放大器。

从晶体X的两端看C1、C2（图B），它们是通过GND串联成一个电容（这个串联电容（Cx）可以由公式《Cx＝C1C2/C1+C2》求出），X与串联电容构成一个并联共振电路（为了方便，我这里只简单的将晶体等效为电感性），从电容一分为二的电路形态上看，晶体和电容C1、C2也是构成一个π型选频网络反馈通道（也称π型谐振电路，见图B2、3）。

N3放大器的输出端信号通过X、C1、C2构成的π型谐振电路返回N3放大器的输入端，形成反馈振荡，由此可见它的振荡频率是由π型谐振电路所决定的（当然，主要还是晶体所决定）。

也是由于N3的输出端连接着X、C1、C2π型谐振电路，而且输出信号近似于正弦波，为防止负载电路对振荡电路的干扰和提高带载能力，N3输出信号需再通过N4的缓冲、放大整形接到负载。

在晶体X与串联电容Cx构成的并联共振电路里，Cx的损耗电阻大时，电路的Q值必然下降，同时会使晶体的特性恶化，引起Cx这个损耗电阻增大的因素是来自多方面的，但电阻R起到较大的作用，通常在提供足够激励的情况下，尽可能增大R的电阻值或在N3输出端与选频网络间（即BC间）串入一个电阻，从C2看阻抗也加大，一般电阻R的取值为1M～30M。

另，在C1、C2之间的连接也要引起注意，连接线粗而短，不单可以减少产生损耗，而且还能防止混入干扰源而干扰了振荡器的正常工作。

晶体外壳所标注的频率，既不是串联谐振频率也不是并联谐振频率，而是在外接负载电容时测定的频率，数值界乎于串联谐振频率与并联谐振频率之间。

这也就是说，我们在应用晶体时，负载电容（Cx）的值是直接由厂家所提供的，我们无需再去计算。

在要求不高的实际应用中，我们为了设计方便，一般可以将负载电容Cx分拆为1：

1，即C1＝C2（公式见上），在要求较高的情况下，这样的方便显然是不合理的，首先，C1应减去门电路的输入平均电容和各项因素产生的离散电容（估算），同理，C2也应减去各项因素产生的离散电容（估算），然而，由于元件的离散性和估算存在着偏差，频率依然不是很准确，我们可适当减小C1或C2的值再并个微调电容加以调整。

要得到较精确的频率，电容除了需选用损耗小、特性好的产品外，PCB布板和各元件的温度系数也很重要。