山西农业大学模拟电子技术复习资料第8章.ppt

第八章 波形的发生和信号的转换,第八章 波形的发生和信号的转换,8.1 正弦波振荡电路,8.2 电压比较器,8.3 非正弦波发生电路,8.4 信号的转换,8.1 正弦波振荡电路,一、正弦波振荡的条件和电路的组成,二、RC正弦波振荡电路,三、LC正弦波振荡电路,四、石英晶体正弦波振荡电路,一 正弦波振荡的条件和电路的组成,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。正反馈放大电路如图示。（注意与负反馈方框图的差别）,反馈信号代替了放大电路的输入信号。,如果：,一旦产生稳定的振荡，则电路的输出量自维持，即：,1. 正弦波振荡的条件,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。,幅值条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。 相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；,要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的f0，且在通电时对于f= f0信号有从小到大直至稳幅的过程，即满足起振条件。,振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自电路器件内部噪声。,噪声即瞬态扰动，这些扰动可分解为各种频率的分量，其中包括满足相位平衡条件的某一频率f0分量。f0的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。,2. 起振与稳幅,选频网络：把fo分量选出，把其他频率的分量衰减掉。这时，要求：,|AF|1，且A+ B =2n，即可起振。,稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从 回到,起振后，输出信号将逐渐增大，当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加，若不采取稳幅，这时若|AF|仍大于1，则输出将会饱和失真。,达到需要的幅值后，将参数调整为AF=1，即可稳幅。,Uo 是振荡器的电压输出幅度，B是要求输出的幅度。起振时Uo=0，达到稳定振荡时Uo=B。,3.基本组成部分,1) 放大电路：放大作用 2) 正反馈网络：满足相位条件 3) 选频网络：确定f0，保证电路产生正弦波振荡(经常与反馈网络合二为一) 4) 非线性环节（稳幅环节）：使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小。,1) 是否存在主要组成部分； 2) 放大电路能否正常工作，即是否有合适的Q点，信号是否可能正常传递，没有被短路或断路； 3) 是否满足相位条件，即是否存在 f0，是否可能振荡 ； 4) 是否满足幅值条件，即是否一定振荡。,4.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？,5.分类,常用选频网络所用元件分类。 1) RC正弦波振荡电路：1兆赫以下 2) LC正弦波振荡电路：几百千赫几百兆赫 3) 石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定,二 RC 正弦波振荡电路,1. RC串并联选频网络,用RC 电路构成选频网络的振荡电路即所谓的 RC振荡电路，可选用的 RC 选频网络有多种，这里只介绍文氏桥选频电路。,RC 串联阻抗：,RC 并联阻抗：,选频特性：,二 RC 正弦波振荡电路,1. RC串并联选频网络,（1）当信号的频率很低时:,R,其低频等效电路为：,其频率特性为：,二 RC 正弦波振荡电路,1. RC串并联选频网络,（2）当信号的频率很高时:,R,其高频等效电路为：,其频率特性为：,在频率从0中必有一个频率f0，使F0。,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。,2. RC 桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡器）,用同相比例运算电路作放大电路。,以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络、并引入电压串联负反馈，两个网络构成桥路，一对顶点作为输出电压，一对顶点作为放大电路的净输入电压，就构成文氏桥振荡器。,能自行启动的电路（1）,起振时，RT略大于2R1，使|AF|1，以便起振；,起振后，uo逐渐增大，则RT逐渐减小，使得输出uo为某值时，|AF|=1，从而稳幅。,因同相比例运算电路有非常好的线性度，故 R 或 Rf 用热敏电阻，或加二极管作为非线性环节。,R22为一小电阻，使(R21+R22)略大于2R1，|AF|1，以便起振；,随着uo的增加，R22逐渐被短接，A自动下降到使|AF|=1，使得输出uo稳定在某值。,能自行启动的电路（2）,通过调整Ri和C来调整频率。,C：双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。,K：双联波段开关，切换R，用于粗调振荡频率。,频率可调的文氏桥振荡器,三 LC 正弦波振荡电路,LC 振荡电路的选频电路由电感和电容构成，可以产生高频振荡。由于高频运放价格较高，所以一般用分离元件组成放大电路。,1. LC并联网络的选频特性,R为电感和回路中的损耗电阻,等效阻抗：,当 时，,电路发生并联谐振。,(阻性),谐振时，电路呈阻性：,同时有：,即：,谐振时，总路电流很小，支路电流很大，电感与电容的无功功率互相补偿，电路呈阻性。,LC并联谐振特点：,谐振阻抗：,LC并联谐振回路的幅频特性曲线：,品质因数Q值越大，曲线越陡越窄，选频特性越好。,1. LC并联网络的选频特性,初级线圈,次级线圈,同名端,在LC振荡器中，反馈信号通过互感线圈引出。,互感线圈的极性（同名端）判别,三极管共射放大器：,利用互感线圈的异名端：,满足相位条件。,2. 变压器反馈式电路,分析电路是否可能产生正弦波振荡的步骤： 1) 是否存在四个组成部分 2) 放大电路是否能正常工作 3) 是否满足相位条件 4) 是否可能满足幅值条件,2. 变压器反馈式电路,瞬时极性法判断,BJT进入非线性区，波形出现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目的。,虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的Q值很高，选频特性好，所以仍能选出f0的正弦波信号。,2. 变压器反馈式电路,容易振荡，波形较好；耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。,为使N1、N2耦合紧密，将它们合二为一，组成电感反馈式电路。,反馈电压取自哪个线圈？ 反馈电压的极性？,电感的三个抽头分别接晶体管的三个极，故称之为电感三点式电路。,电路特点,3.电感三点式振荡电路,A. 若中间点交流接地，则首端与尾端 相位相反。,电感三点式,中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。,三点的相位关系,B. 若首端或尾端交流接地，则其他两 端相位相同。,特点：耦合紧密，易振，振幅大，C 用可调电容可获得较宽范围的振荡频率。波形较差，常含有高次谐波。,由于电感对高频信号呈现较大的电抗，故波形中含高次谐波，为使振荡波形好，采用电容反馈式电路。,3.电感三点式振荡电路,若要振荡频率高，则L、C1、C2的取值就要小。当电容减小到一定程度时，晶体管的极间电容将并联在C1和C2上，影响振荡频率。,特点：波形好，振荡频率调整范围小，适于频率固定的场合。,4.电容三点式振荡电路,四 石英晶体正弦波振荡电路,晶振：是用石英谐振器控制和稳定振荡频率的电路， 特点：振荡的频率稳定度很高（即f /f0很小）。 频率稳定度一般由f /f0来衡量。,1. 石英晶体的特点,石英晶体品质因数Q（= 0 / L）很高，可达104106数量级，因此利用石英谐振器可以构成频率稳定度很高的晶振电路。,频率偏移量。,振荡频率。,石英谐振器是利用石英晶体（类似玻璃、二氧化硅等材料）的压电效应制成的谐振器件。先将石英晶体按一定的方位切割成薄片后抛光，然后在薄片的两个相对的表面上涂敷银层，作为两个金属极板引线接至管脚。,四 石英晶体正弦波振荡电路,极板间加机械力,晶体机械变形,晶体产生电场,压电效应：,交变电压,极板间加电场,固有频率只决定于其几何尺寸，故非常稳定。,2.石英晶体基本特性,四 石英晶体正弦波振荡电路,3. 石英晶体的等效电路与频率特性,A. 串联谐振,晶体等效阻抗为纯阻性,B. 并联谐振,通常 ，,所以,则新的谐振频率为：,实际使用时外接一小电容Cs：,由于,由此看出：,调整,4. 石英晶体振荡电路,利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。,（1）并联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs与fp之间，相当一个大电感，与C1、C2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，所以电路可以获得很高的振荡频率稳定性。,（2）串联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs处，呈电阻性，而且阻抗最小，正反馈最强，相移为零,满足振荡的相位平衡条件。 对于fs以外的频率，石英晶体阻抗增大,且相移不为零，不满足振荡条件，电路不振荡。,8.2 电压比较器,一、概述,二、单限比较器,三、滞回比较器,四、窗口比较器,五、集成电压比较器,一 概述,输入电压是模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况，为二值信号。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压(门限电压）。 广泛用于各种报警电路。,电压传输特性 uOf(uI),电压传输特性的三个要素： （1）输出高电平UOH和输出低电平UOL （2）阈值电压UT （3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向,1.电压比较器的功能：,将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一定的高低电平。,2.电压比较器的描述方法:,3.集成运放的非线性状态基本分析方法,理想运放工作在非线性区的特点：,1) 净输入电流为0 2) uP uN时， uOUOM uP uN时， uOUOM,无源网络,运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。,注意：此时不能用虚短！,二 单门限比较器,（1）阈值电压UT0 （2）UOH UOM， UOL UOM （3）uI 0 时 uO UOM; uI 0 时 uO UOM,集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运放的输入级，需加输入端限幅电路。,二极管限幅电路使净输入电压最大值为UD,1.过零比较器,必要吗？,输出限幅电路: 为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。,UOH UZ1 UD2 UOL( UZ2 UD1),UOH UOL UZ,UOH UZ UOL UZ,不可缺少！,（用稳压管稳定输出电压）,输出限幅电路：,uO UZ,（1）保护输入端 （2）加速集成运放状态的转换,电压比较器的分析方法： （1）写出 uP、uN的表达式，令uP uN，求解uI即为UT； （2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平； （3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出电压的跃变方向。,（将双向稳压管接在负反馈回路中）,2. 一般单限比较器,（1）若要UT 0，则应如何修改电路？ （2）若要改变曲线跃变方向，则应如何修改电路？ （3）若要改变UOL、UOH呢？,作用于反相输入端,UREF为参考电压,三 滞回比较器,(1) 阈值电压,特点：电路中使用正反馈， 运放处于非线性状态。,1.没加参考电压的滞回比较器,因为有正反馈，所以输出饱和,当uo正饱和时:,当uo负饱和时:,分别称UH和UL上、下门限电压。称 H=(UH - UL)为回差电压。,（2）工作原理及电压传输特性,设uIUL，则 uN uP， uO+UZ。此时uP UH，增大 uI，直至UH，再增大， uO才从+UZ跃变为 UZ。,设 uIUH，则 uN uP， uOUZ。此时uP UL，减小 uI，直至UL，再减小， uO才从UZ跃变为+UZ。,传输特性：,小于回差的干扰不会引起跳转。跳转时，正反馈加速跳转。,2. 加上参考电压后的滞回比较器,加上参考电压后的上下门限电压：,传输特性：,滞回比较器两种电路传输特性的比较:,R1=10k，R2=20k ，UZ=12V， UREF=9V当输入 ui 为如图所示的波形 时，画出输出uo的波形。,例题：,设uIUL，此时uP UH，增大 uI，直至UH，再增大， uO才从+UZ跃变为 UZ。,设 uIUH，此时uP UL，减小 uI，直至UL，再减小， uO才从UZ跃变为+UZ。,分析：,（1）首先计算上下门限电压：,（2）根据传输特性画输出波形图,四 窗口比较器,当uIURH时，uO1= uO2= UOM，D1导通，D2截止； uO= UZ。,当uIURL时，uO2= uO1= UOM，D2导通，D1截止； uO= UZ 。,当URLuI URH时， uO1= uO2= UOM，D1、D2均截止； uO= 0。,8.3 非正弦波发生电路,一、常见的非正弦波,二、矩形波发生电路,三、三角波发生电路,四、锯齿波发生电路,五、波形变换电路,一 常见的非正弦波,矩形波,三角波,锯齿波,尖顶波,阶梯波,矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。 通过什么电路可将矩形波变为其它几种波形？,二 矩形波发生电路,输出无稳态，有两个暂态；若输出为高电平时定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。,（1）开关电路：因为输出只有高电平和低电平两种情况，即两个暂态；故采用电压比较器。 （2）反馈网络：因需自控，在输出为某一暂态时孕育翻转成另一暂态的条件，故应引入反馈。 （3）延迟环节：要使两个暂态均维持一定的时间，故采用RC环节实现，从而决定振荡频率 。,1. 基本组成部分,2. 电路组成,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,（由滞回比较电路和RC定时电路构成）,上下门限电压：,3. 工作原理：,方法一： 设电路已振荡，且在某一暂态，看是否能自动翻转为另一暂态，并能再回到原暂态。 方法二： 电路合闸通电，分析电路是否有两个暂态，而无稳态。,设合闸通电时电容上电压为0，uO上升，则产生正反馈过程： uO uP uO ，直至 uOUZ， uP+UT，为第一暂态。,此时，uO给C 正向 充电, uc ， t uN，t ， uN UZ；但当uN +UT时，再增大， uO从+ UZ跃变为UZ， uPUT，电路进入第二暂态。,电容反向充电，t uN，t ， uN UZ；但当uN UT时，再减小， uO从 UZ跃变为+UZ， uP+UT，电路返回第一暂态。,第一暂态：uOUZ， uP+UT。,3. 工作原理：,第二暂态：uO-UZ， uP-UT。,当uo 重新回到UZ 后，电路又进入另一个周期性的变化。,4. 波形分析,振荡周期T。,5.周期与频率的计算,f=1/T,uc上升阶段表示式:,uc下降阶段表示式:,脉冲宽度,6. 占空比可调电路,为了占空比调节范围大，R3应如何取值？,正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。,三 三角波发生电路,1. 电路组成,迟滞比较器+反相积分器。用积分运算电路可将方波变为三角波。,电路一：方波发生器 矩形波积分电路三角波,此电路要求前后电路的时间常数配合好，不能让积分器饱和。,uo,三角波的周期由方波发生器确定，其幅值也由周期T和参数R、C决定。,电路二：电路一的改型,特点：,由滞回比较器和反相积分器级联构成，滞回比较器的输出作为反相积分器的输入，反相积分器的输出又作为滞回比较器的输入。,2. 工作原理,求滞回比较器的电压传输特性： UOH =UOL =UZ ，uI作用于集成运放的同相输入端，求 UT：,合闸通电，通常C 上电压为0。设uO1 uP1 uO1，直至uO1 UZ（第一暂态）；积分电路反向积分，t uO，一旦uO过 UT ，uO1从 UZ跃变为 UZ （第二暂态） 。 积分电路正向积分，t uO， 一旦uO过 UT ， uO1从 UZ跃变为 UZ ，返回第一暂态。重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。,三角波发生电路的振荡原理,四 锯齿波发生电路,T,3. R3短路时的波形？,若由输入电压确定，则将电压转换为频率,四 锯齿波发生电路,T,改变三角波发生器中积分电路的充放电时间常数，使放电的时间常数为0，即把三角波发生器转换成了锯齿波发生器。,8.3 信号的转换,一、概述,二、u-i 转换电路,三、精密整流电路,四、u-f 转换电路,一 概述,信号的发送：调幅、调频、调相 信号的接收：解调 信号对负载的驱动：i-u，u-i 信号的预处理：AC-DC（整流、检波、滤波） DC-AC（斩波） 信号的接口：A-D（如 u-f ），D-A,二 u-i 转换电路,若信号源不能输出电流，则选电路一；若信号源能够输出一定的电流，则可选电路二。 若负载需接地，则上述两电路均不符合要求。,电路一,电路二,引入了电流串联负反馈,引入了电流并联负反馈,豪兰德电流源电路,电路既引入