波形发生和交换电路.pptVIP

第9章 波形发生和交换电路,9.2 非正弦信号发生电路,9.1 正弦波振荡电路,波形发生电路和波形变换电路在测量、自动控制、通讯、无线电广播和遥测、遥感等许多技术领域中有着广泛的应用。 收音机、电视机和电子钟表等日常生活用品也离不开它。 波形发生电路包括正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路，它们不需要外加输入信号就能产生各种同期性的连续波形，例如正弦波、方波、三角波和锯齿波等。,信号产生电路,(振荡器),分类：,正弦波振荡:,非正弦波振荡：,RC 振荡器(1 kHz 数百 kHz),LC 振荡器(几百 kHz 以上),石英晶体振荡器(频率稳定度高),方波、,三角波、,锯齿波等,主要性 能要求：,输出信号的幅度准确稳定,输出信号的频率准确稳定,1. 正弦波振荡的条件 无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。 与负反馈放大电路的振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。,在电扰动下，对于某一特定频率f0的信号形成正反馈：,由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。,9.1.1 正弦波振荡电路的基本概念,9.1 正弦波振荡电路,一旦产生稳定的振荡，则电路的输出量自维持，即,起振条件：,要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的f0，且在合闸通电时对于f= f0信号有从小到大直至稳幅的过程，即满足起振条件。,振荡电路的组成 根据振荡电路对起振、稳幅和振荡频率的要求，一般振荡电路由以下部分组成： (1) 放大电路：具有放大信号作用，并将直流电源转换 成振荡的能量。 (2) 反馈网络：它形成正反馈，能满足相位平衡条件。 (3) 选频网络：在正弦波振荡电路中，它的作用是选择某一频率fo，使之满足振荡条件，形成单一频率的振荡。 (4) 稳幅电路：用于稳定振幅，改善波形。,2.正弦波振荡电路的组成,为了保证振荡电路产生单一频率的正弦波，电路必须有选频电路（又称选频网络）。根据选频网络组成的元件，通常可分为： (1) RC正弦波振荡电路：其振荡频率较低，一般在几百千赫以下； (2) LC正弦波振荡电路：其振荡频率较高，一般在几百千赫几百兆赫； (3) 石英晶体正弦波振荡电路：其振荡频率等于石英晶体的固有频率，振荡频率稳定。,3.正弦波振荡电路的分类,对于一个振荡电路，首先要判断它能否产生振荡。通常可采用下列步骤来判断： (1）检查振荡器是否存在放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节4个环节，尤其前3个环节； (2）分析基本放大电路能否正常工作，主要检查基本放大电路的静态工作点设置得是否合理； (3）检查电路是否满足振荡条件，首先检查是否满足相位平衡条件，可以用瞬时极性法进行判别，若电路未构成正反馈，则它肯定不能振荡；然后检查幅值条件和起振条件是否满足； (4）估算振荡频率，其数值往往决于选频网络的参数。,4.正弦波振荡电路的分析方法,相位条件的判断方法：瞬时极性法,断开反馈，在断开处给放大电路加 ff0的信号Ui，且规定其极性，然后根据 Ui的极性 Uo的极性 Uf的极性 若Uf与Ui极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不可能产生自激振荡。,在多数正弦波振荡电路中，输出量、净输入量和反馈量均为电压量。,极性？,1. RC串并联选频网络,低频段,高频段,在频率从0中必有一个频率f0，F0。,9.1.2 RC正弦波振荡电路,RC串并联选频网络的频率响应,当 f=f0时，不但=0，且 最大，为1/3。,可引入电压串联负反馈，使电压放大倍数大于3，且Ri大、Ro小，对f0影响小,2. RC桥式正弦波振荡电路,利用二极管稳幅的RC串并联正弦波振荡电路,1. LC并联网络的选频特性,理想LC并联网络在谐振时呈纯阻性，且阻抗无穷大。,谐振频率为,在损耗较小时，品质因数及谐振频率,损耗,在ff0时，电容和电感中电流各约为多少？网络的电阻为多少？,9.1.3 LC正弦波振荡电路,三、 LC 正弦波振荡电路 1. LC并联电路的频率响应,理想LC并联网络在谐振时呈纯阻性，且阻抗无穷大。,谐振频率为,在损耗较小时， 品质因数及谐振频率,损耗,附加相移,品质因数,LC并联回路的频率特性（Q1Q2） a) 幅频特性 b)相频特性,2. 变压器反馈式LC正弦波振荡电路,变压器反馈LC振荡电路容易起振，若用可变电容器代替固定电容C，则调频比较方便，缺点是振荡频率不太高，通常为几兆赫十几兆赫。,3. 电感反馈式振荡电路,电路特点： 电感三点式振荡电路简单，容易起振，调频方便。由于反馈信号取自电感L2，电感对高次谐波感抗大，所以高次谐波的正反馈比基波强，使输出波形含有较多的高次谐波成分，波形较差。常用于对波形要求不高的设备中，其振荡频率通常在几十兆赫以下。,4. 电容反馈式振荡电路,电容反馈式电路特点： 由于反馈电压取自电容两端，电容对高次谐波容抗小，对高次谐波的正反馈比基波弱，使输出波形中的高次谐波成分小，波形较好。振荡频率较高，可达100MHZ以上。常在电感L两端并联可变电容器，调节频率，但调节范围较小。,石英晶体振荡电路简称为“晶振”。和一般LC振荡电路比较，晶振具有极高的频率稳定性，其值用频率的相对变化量表示, f/f可达10-91011。而一般LC振荡电路的频率稳定度无法达到105。所以在要求频率稳定度高的场合，常采用石英晶体振荡电路，例如，它广泛应用于标准频率发生器，频率计、电话、电视、计算机等设备中。,9.1.4 石英晶体振荡电路,1. 石英晶体,石英晶体的压电效应： 如果在石英晶片上加一个交变电压（电场），晶片就会产生与该交变电压频率相似的机械变形振动。 而晶片的机械振动，又会在其两个电极之间产生一个交变电场，这种现象称为压电效应。在一般情况下，这种机械振动和交变电场的幅度是极其微小的，只有在外加交变电压的频率等于石英晶片的固有振动频率时，振幅才会急剧增大，这种现象称为压电谐振。 石英晶片的谐振频率取决于晶片的几何形状和切片方向，体积越小，一般谐振频率越高。,等效电路,A. 串联谐振,特性,晶体等效阻抗为纯阻性,B. 并联谐振,通常,所以,（a）代表符号 （b）电路模型 （c）电抗-频率响应特性,感性,实际使用时外接一小电容Cs,则新的谐振频率为,由于,由此看出,调整,并联型石英晶体振荡电路,2. 石英晶体谐振电路,串联型晶体振荡电路,把正弦波以外的波形统称为非正弦波。 方波、三角波、锯齿波的产生电路电路通常由迟滞电压比较器和RC充放电电路组成，工作过程有一张一弛的变化，所以又将这些电路称为张弛振荡器。,9.2 非正弦信号发生电路,1. 方波发生器,正向充电： uO（+UZ）RC地,反向充电： 地C R uO（UZ）,RC 回路,滞回比较器,该电路从本质上看，它工作于比较器状态；,RC构成负反馈回路，R1，Rf构成正反馈。电路的输出电压由运放的UP与UN比较决定。,2.工作原理：,(1) 设 uO = + UZ ,此时，uO给C 充电, uC ，,则：u+=UT+,一旦 uC UT+ , 就有 u- u+ , uO立即由+UZ变成-UZ 。,在 uC UT+ 时，,u- u+ ,设uC初始值uC(0+)= 0,uO保持+UZ不变,此时，C向uO放电，再反向充电,(2) 当uO = -UZ 时，,u+=UT-,uC达到UT-时，uO上跳。,当uO重新回到+UZ后，电路又进入另一个周期性的变化。,完整的波形：,方波的周期为：,脉冲宽度,波形分析,正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。