振荡电路的设计与应用
第1节 振荡电路的波形
更新于2008-08-28 11:15:02

设计振荡电路时,其输出波形是需要考虑的非常重要的因素,原因是电路方式由振荡波形决定。在学习振荡电路之前,首先需要很好理解振荡波形的本身。振荡电路输出的基本波形是正弦波和方波。


1.1.1正弦波(sin波)

电子设备中使用的振荡波形有很多是正弦波,照片1.1是频率为10kHz的正弦波实例,一个周期的时间等于1/10 kHz=100μs。另外,电压的变化形式为
E·sinωt
式中,ω=2πf。
由于变化是正弦(sin)函数的形式,因此,称为正弦波。另外,也有采用余弦(cos)函数的变化波形,它与正弦波相位差90°。在正弦波振荡电路中,也有输出正弦波和余弦波的二相振荡器电路。
正弦波的重要特性是波形失真,纯正弦波应是无失真的波形,但实际上必定存在失真。有失真就意味着波形中含有多种高次谐波。
照片1.2是照片1.1的失真成分的频谱分析实例。观察到的虽是非常好的正弦波,也可以理解为除10kHz的基波外,波形中还含有2次(20kHz)、3次(30kHz)、4次(40kHz)等多种谐波成分。
这些高次谐波成分越小越接近正弦波。其优良程度常用百分数(%)或分贝(dB)来表示。


照片1.1正弦波(f=10kHz)
(这是观察到的正弦波。用示波器观察到的波形几乎无失真)

照片1.2正弦波的高次谐波分析实例
(这是照片1中正弦波的频谱分析实例。纯正弦波可看作只有基波,但实际上还含有2次、3次、4次等谐波。照片中箭头所指的数字表示谐波的次数)


1.1.2方波与脉冲波

照片1.3是零交叉的方波波形,也称为矩形波,本书称为方波。如照片中所示,波形变化-3~+3V,而6Vpp称为振幅,振幅变化需要的时间越短,波形越好。


照片1.3方波(f=1MHz)
(方波的振幅是-3V/+3V,频率为1MHz。若是纯正方波,波形的上升与下降时间为零,速度非常快,但实际上需要一定时间。数字电路中经常采用0V/5V的方波作为数字信号)


照片1.3的实例中,振幅变化时间为数十纳秒,而理想的方波其变化时间为零。图11示出理想的方波,波形振幅的变化时间为零,用示波器和眼睛都观察不到这种变化时间。


图1.1理想的方波

图1.2各种脉冲波形


方波是这种急剧变化的波形,因此,波形中含有多种谐波成分,为此,可作为宽带放大器等的测试信号。另外,数字电路中使用的时钟信号大都是方波。
照片1.3中的波形几乎是不常见的,但理想的是无过冲及无振铃的波形。
另外,脉冲波是一种类似方波的波形,如图1.2所示,它包含正弦脉冲波与梯形脉冲波等,都称为脉冲波。照片1.4是观察到的脉冲发生器的输出波形,脉冲幅度与重复周期非常重要。对于高速脉冲发生器波形的上升时间尤其重要,若最大振幅为100%,则波形从10%振幅变化到90%振幅需要的时间称为上升时间(照片1.4中该时间为3.56ns)。良好的脉冲波形其上升时间非常快,即是无过冲、下冲及无振铃的波形。


照片1.4脉冲波实例
(这与频率本身相比,更关注的是波形的脉冲宽度以及重复周期等,这种波形称为脉冲波。对于脉冲信号发生器上升/下降时间等也可以单独设定)


1.1.3三角波与斜波

三角波如照片1.5所示,它是电压与时间成比例的线性变化的重复波形,若关注正或负的周期,恰好为三角形,因此,称为三角波。
三角波不大单独使用,可用作模拟电路中的测试信号,或者在为测量仪器等提供时间函数的扫描用信号源等中使用。另外,也有利用三角波本身性质的脉宽调制电路(模拟调制方式中一种)。
斜波是三角波的特例,它是从零电压开始上升(或下降),到达一定电压后迅速返回到零。照片1.6示出振幅为5V、周期为25μs的斜波实例,用作扫描振荡器的信号源等。测量时间就可知道电压振幅的变化情况。
与斜波同样的波形中有称为锯齿波的波形,它的下降时间不为零,而以一定时间下降。
良好的斜波波形也包括三角波,即为线性非常好的电压变化波形。


照片1.5三角波(f=10kHz)
(上升/下降都是线性变化的波形称为三角波。若上升/下降的时间按一定比例变化,就可构成脉宽调制电路。上升/下降的时间各自变化就变成锯齿波)

照片1.6斜波(T=25μs)
(这是三角波的一半波形,下降时间为零,在0~25μs时间内,波形从0~5V随时间按比例变化。大多用作模拟的时间信号)


1.1.4脉冲串与扫频波

正弦波或方波等间歇振荡的波形称为脉冲串,burst即为猝发的意思。照片1.7示出其实例,它是3个正弦波、重复周期为500μs(2kHz)的波形,即函数发生器的波形。
对于正弦脉冲串其振荡启动与停止的相位角非常重要,一般设计为0°启动、360°停止。
这里为了与振荡波形相区别引入一种时间与振荡周期同时变化的波形,称为扫描波形。使振荡频率变化的是频率调制(FM:Frequency Modulation)波,但扫描波是在非常宽范围内使频率变化。
照片1.8示出用斜波对正弦波振荡器进行扫频的实例,为了拍摄方便有意将扫频范围变窄,但对于这个正弦波振荡器的实例,扫频范围有可能到1000倍。例如,测量音响设备的频率特性时,一气扫完数十赫到数十千赫时使用这种方式。


照片1.7正弦脉冲串
(这是正弦波构成的脉冲串实例,除此例之外,还有很多将间歇振荡的波形也称为脉冲串)

照片1.8扫频波
(这是将照片1.6所示的斜波加到带有扫频功能的正弦波振荡器的扫频输入端时,振荡器的输出波形。由此可见,这是用控制信号使输出频率发生变化)


扫频方式有线性扫频与对数扫频(宽范围的扫频),对于直接观察频率特性的装置多采用对数扫频方式。

 

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