模拟电子技术教案8.ppt

模拟电子技术基础,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,作业：7、9、15、16、23 在书上作：自测三、四、11、12、13。,8.1 正弦波振荡电路,1.产生自激振荡的条件,8.1.1 概述,一、产生正弦波振荡的条件,图8.1.2 正弦波振荡电路的方框图 (a)电路引入正反馈 ；, = A+ F = 2n ,相位平衡条件:,幅值平衡条件:,(n=0,1, 2 ),8.1 正弦波振荡电路8.1.1概述,图8.1.2 正弦波振荡电路 的方框图 (b)反馈量作为净输入量,在(a)图中，去掉 ， 即 由于电扰动，产生 ， 经选频及正反馈， 产生振荡。,正弦波振荡电路中， 要有正反馈和选频网络。,2.起振和稳幅 起振条件：, A+ F = 2n ,(n=0,1, ),稳幅： 靠晶体管的非线性。,8.1 正弦波振荡电路8.1.1概述,二、正弦波振荡电路的组成及分类 1、电路的组成,（1）放大电路：保证能起振，实现能量控制； （2）选频网络：确定电路的振荡频率，产生单一频率的正弦波。 （3）正反馈网络：使放大电路的输入信号等于反馈信号。 （4）稳幅环节：使输出信号幅值稳定。,常将选频网络和正反馈网络合二为一。,2、电路的分类,按组成选频网络的元件类型不同，可分为： (1) RC正弦波振荡器（f1MHz) (3)石英晶体振荡器（f稳定度高),8.1 正弦波振荡电路8.1.1概述,三、判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤,（1）观察是否包含了放大电路、选频网络、正反馈网络和稳 幅环节四个组成部分。 （2）判断放大电路是否能正常工作。 （3）判断电路是否有正反馈，满足正弦波振荡的相位条件。 （4）判断电路是否满足幅值条件，AF1，且有稳幅。,图8.1.3 利用瞬时极性法判断相位条件,8.1 正弦波振荡电路8.1.1概述,一、 RC串并联选频网络,当 f 较低时，,U2,C1,R2,当 f 足够高时，,R1,C2,8.1.2 RC正弦波振荡电路,图8.1.4 RC串并联选频网络及其在低频段和高频段的等效电路,1、定性分析,(b)低频段等效电路,(c)高频段等效电路,(a) RC串并联选频网络,+,+,-,-,+,-,+,-,8.1 正弦波振荡电路8.1.2 RC正弦波振荡电路,U1,U2,f,o,f,o,RC高通电路的频率特性,RC低通电路的频率特性,图(b),图(c),8.1 正弦波振荡电路8.1.2 RC正弦波振荡电路,幅频特性,相频特性,U2/U1,0,f,R,R,C,C,由以上分析可知： 当 时， 必有一f0， 使U2与U1相移为0， 且幅值最大。,8.1 正弦波振荡电路8.1.2 RC正弦波振荡电路,2.定量计算,8.1 正弦波振荡电路8.1.2 RC正弦波振荡电路,图8.1.5 RC串并联选频网络的频率特性, = 0o,8.1 正弦波振荡电路8.1.2 RC正弦波振荡电路,二、 RC桥式正弦波振荡电路,1、组成框图及具体电路,图8.1.6 利用RC串并联选频网络构成 正弦波振荡电路的方框图,8.1 正弦波振荡电路8.1.2 RC正弦波振荡电路,其电压放大倍数为,是由集成运放构成的 同相比例运算电路。,由RC串并联电路组成， 它也是正反馈电路。,(3) 选频电路,(1) 放大电路,(2) 正反馈电路,uo,ui,R,C,C,R,uf,uP,图8.1.7 RC桥式正弦波振荡电路(a),8.1 正弦波振荡电路8.1.2 RC正弦波振荡电路,图8.1.7 RC桥式正弦波振荡电路,8.1 正弦波振荡电路8.1.2 RC正弦波振荡电路,R1,RF,R,C,C,R,uf,uo,F = 0,A = 0,A=3,RF=2R1,2. 如何满足自激振荡的条件,8.1 正弦波振荡电路8.1.2 RC正弦波振荡电路,3. 稳幅措施,R1,RF,R,C,C,R,uf,uo,(1) 用热敏电阻稳幅,用具有负温度系数的热敏 电阻RT代替RF。,uf,思考：如果RT具 有正温度系数，应 接在何处？,8.1 正弦波振荡电路8.1.2 RC正弦波振荡电路,(2) 用二极管稳幅,3. RC正弦振荡电路的适用范围 RC振荡器f0=1/2RC， f高，R、C必然小，使放 大电路负载增加，所以一 般适合f1MHz的情况。,图8.1.8 利用二极管作为非线性环节,8.1 正弦波振荡电路8.1.2 RC正弦波振荡电路,三、 振荡频率可调的RC桥式 正弦波振荡电路,改变R或C的数值均 可调节输出电压的 频率f0,图8.1.9 振荡频率连续可调的RC 串并联选频网络,8.1 正弦波振荡电路8.1.2 RC正弦波振荡电路,例8.1.1 在图中，已知电容的取值分别为0.01F、 0.1F、 1F、10F，电阻R=50 ，电位器Rw10k 。求f0的调节范围。,8.1 正弦波振荡电路8.1.2 RC正弦波振荡电路,RC,C,C1,T,R1,+,+,Rb,+,C2,R2,+10V,该电路能否产生振荡？ 该电路为RC移相式振荡器， 放大器，三级RC环节。能 否振荡，看f由低到高变化时 能否找到一个f满足相位平 衡条件A+F=2n。 已知A=180，每级RC 移相90 ，三级共可移相 270 ，中间一定存在一个 频率可使F=180 。满足相位及幅值平衡条件。可以振荡。,2.若取消一级RC环节是否振荡？ 可移相180，但不满足幅值平衡条件，所以不能振荡。,3.若增加一级RC环节能否振荡？ 只要参数合适，仍可产生正弦波振荡。,RC移相式正弦波振荡器,例,8.1 正弦波振荡电路8.1.2 RC正弦波振荡电路,8.1.3 LC正弦波振荡电路,当f0很高时，放大电路多用分立元件（甚至共b）的 LC振荡电路。,一、LC谐振回路的频率特性,图8.1.10 LC并联网络（a）理想情况下的网络,LC正弦波振荡电路中的选频网络 理想电路：无损耗， 谐振频率为,8.1 正弦波振荡电路8.1.3 LC正弦波振荡电路,实际电路的导纳为,图8.1.10 LC并联网络 (b)考虑电路损耗时的网络,8.1 正弦波振荡电路8.1.3 LC正弦波振荡电路,图8.1.11 LC并联网络电抗的频率特性,Z是频率的函数， Q值越大，曲线越陡，选频特性越好。,8.1 正弦波振荡电路8.1.3 LC正弦波振荡电路,图8.1.12 选频放大电路,LC并谐及共 e构成放大电路：,8.1 正弦波振荡电路8.1.3 LC正弦波振荡电路,1 电路组成及工作原理,变压器反馈式LC振荡器由 放大电路、变压器反馈电路、 LC选频电路及晶体管非线性稳幅四部分组成。（判振？不振情况）,振荡频率,二、变压器反馈式振荡电路,图8.1.14 变压器反馈式振荡电路,起振幅值条件,2 优缺点,优点：良好的选频特性；输出电压波形失真不大。 缺点：Uo与Uf 靠磁路耦合，不紧密，损耗大，f0稳定性不高。,解决方法：合成一个线圈。,8.1 正弦波振荡电路8.1.3 LC正弦波振荡电路,三、电感反馈式振荡电路,1. 电路组成及工作原理,图8.1.17 电感反馈式振荡电路,图8.1.18 电感反馈式振荡电路的交流通路,振荡的引入： 射同基反,8.1 正弦波振荡电路8.1.3 LC正弦波振荡电路,谐振频率:,起振条件:,2、优缺点 优点：N1、N2耦合紧密，振幅大， 若C为可变电容，振荡频率范围大，几十兆Hz。 缺点：Uo中含高次谐波，输出波形不好。,8.1 正弦波振荡电路8.1.3 LC正弦波振荡电路,谐振频率:,四、电容反馈式振荡电路,1. 电路组成及工作原理,起振条件:,图8.1.20 电容反馈式振荡电路,2. 优缺点： 优点：波形好； 缺点：利用调节C调f 较困难。,8.1 正弦波振荡电路8.1.3 LC正弦波振荡电路,3. 频率可调的选频网络,图8.1.21 频率可调的选频网络,8.1 正弦波振荡电路8.1.3 LC正弦波振荡电路,4. 稳定振荡频率的措施,电路振荡频率：,f0几乎与C1和C2无关, C1 、C2只起分压作用。,图8.1.22 电容反馈式振荡电路的改进,为克服极间电容及杂散电容的影响，在L支路中串小电容C。,8.1 正弦波振荡电路8.1.3 LC正弦波振荡电路,C2,+VCC,Rb2,T,Rb1,RE,L,C1,+,5. 采用共基放大电路的电容反馈式振荡电路,振荡频率可在100MHz以上。,uf,图8.1.23 采用共基放大电路的电容反馈式振荡电路,Cb,+,8.1 正弦波振荡电路8.1.3 LC正弦波振荡电路,图8.1.24 例8.1.2 电路图,例8.1.2 为使电路可能产生正弦波振荡，标出变压器原副边线圈的同名端。,8.1 正弦波振荡电路8.1.3 LC正弦波振荡电路,图8.1.25 例8.1.3 电路图,图8.1.26 例8.1.25 所示电路的改正电路,例8.1.3 该图8.1.25中的错，使之能产生正弦波振荡。 要求不能改变放大电路的基本接法。,8.1 正弦波振荡电路8.1.3 LC正弦波振荡电路,8.1.4 石英晶体正弦波振荡电路,一、石英晶体的特点 1、结构及符号,图8.1.27 石英晶体谐振器的结构示意图及符号,2、压电效应和压电振荡,具有非常稳定的固有频率,8.1 正弦波振荡电路8.1.4 石英晶体正弦波振荡电路,图8.1.28 石英晶体的等效电路 及频率特性,3、等效电路和振荡频率,8.1 正弦波振荡电路8.1.4 石英晶体正弦波振荡电路,根据品质因数的表达式,由于C、R数值很小，L数值很大， 所以Q值高达104106。 振荡频率仅取决于晶片的尺寸，稳定度f / f0最高可达10101011。,8.1 正弦波振荡电路8.1.4 石英晶体正弦波振荡电路,二、石英晶体正弦波振荡电路,1. 并联型,+VCC,Rb1,RC,T,Rb2,Re,+,Ce,+,C1,C2,C,图8.1.29 并联型石英晶体振荡电路,8.1 正弦波振荡电路8.1.4 石英晶体正弦波振荡电路,2. 串联型,图8.1.30 串联型石英晶体振荡电路,8.1 正弦波振荡电路8.1.4 石英晶体正弦波振荡电路,8.2 电压比较器,8.2.1 概述,一、集成运放的非线性应用,工作在开环或只引入正反馈的状态,图8.2.1 集成运放工作在非线性区的 电路特点及其电压传输特性,8.2 电压比较器8.2.1 概述,二、理想运放在非线性应用下的特点,1、输出电压UO只有两种可能的状态： UOH 、UOL,3、输出电平转换的临界条件是UP UN。,8.2 电压比较器8.2.1 概述,三、电压比较器的分类 按传输特性分类,单限比较器,滞回比较器,窗口比较器,图8.2.2 电压比较器电压传输特性举例,8.2 电压比较器8.2.1 概述,四、画电压传输特性的三要素 (1)输出电压高电平UOH 和低电平的数值UOL； (2)阈值电压的数值UT； (3)当uI变化且UT经过时， uO跃变的方向，即是从UOH跃变为UOL ，还是从UOL跃变为UOH 。,8.2 电压比较器8.2.1 概述,一、过零比较器,8.2.2 单限比较器,1. 过零比较器,改进：1. 输入保护,图8.2.3 过零比较器及其电压传输特性,图8.2.4 电压比较器输入级的保护电路,8.2 电压比较器8.2.2 单限比较器,2. 输出限幅,图8.2.5 电压比较器的输出限幅电路,图8.2.6 将稳压管接在反馈通路中,8.2 电压比较器8.2.2 单限比较器,二、一般单限比较器,设 UREF0,UZ,UT,0,ui,uo,-UZ,R2,R1,R,Dz,URef,uO,uI,UZ,转换条件：uN=up=0,图8.2.7 一般单限比较器及其电压传输特性,8.2 电压比较器8.2.2 单限比较器,UZ=6V,例8.2.1,图8.2.6 将稳压管接在反馈通路中,反相过零比较器 UT0，UO 6V。,uO,图8.2.8,8.2 电压比较器8.2.2 单限比较器,R1=5K,R2 =5K,R,Dz,Uref=2V,uO,uI,UZ=5V,uI,图8.2.7 一般单限比较器及其电压传输特性,例8.2.1续,图8.2.8,8.2 电压比较器8.2.2 单限比较器,R1,R2,R,UZ,-UZ,UT2,UT1,Dz,0,uI,uo,uO,uI,UZ,8.2.3 滞回比较器,一 、反相输入的滞回比较器,图8.2.9 滞回比较器及其电压传输特性,8.2 电压比较器8.2.3 滞回比较器,R1,R2,uO,uI,R,参考电压为零的滞回比较器,t,3,-3,0,Dz,UZ=9V,uo,uI,例8.2.2,50K,100K,图8.2.11,图8.2.9,UT=3V,8.2 电压比较器8.2.3 滞回比较器,R1,uI,R,R2,UREF,UZ,Dz,有UREF,图8.2.10 加了参考电压的滞回比较器,uO,8.2 电压比较器8.2.3 滞回比较器,二、同相输入的滞回比较器,例8.2.3 设计一个电压比较器，使其电压传输特性如图所时， 要求所用电阻阻值在0100K之间。,图8.2.12,8.2 电压比较器8.2.3 滞回比较器,8.2.4 窗口比较器,能检测出输入电压是否在两个给定电压之间。,A1,-,+,A2,-,+,URH,URL,uI,uO,R1,R2,D1,D2,O,uO,URH,URL,uI,UOH,图8.2.13 双限比较器及其电压传输特性,uO1,uO2,UOL,8.2 电压比较器8.2.4 窗口比较器,电压比较器的分析方法小结,1. 输出只有高低电平两种情况,u,N,u =,P,u,N,u ,P,uo,= UOH；,时，,u,N,u ,P,uo,时，,输出端不接 DZ时， uo = UOM,输出端接 DZ限幅时， uo = UZ,2. 用电压传输特性描述输出与输入电压函数关系,3. 电压传输特性的三要素,（1）输出电压的高低电平：取决于限幅电路； （2）阈值电压：令up= uN，求出uI，即UT。 （3）输出电压的跃变方向：取决于同相输入或反相输入。,= UOL。,8.2 电压比较器,8.2.5 集成电压比较器,比一般集成运放传输特性好，响应快，不加限幅可直接驱动 TTL、CMOS数字集成电路，负载能力强。 缺点：开环增益低，失调电压大，KCMR小。,附：LM393的管脚图,8.2 电压比较器8.2.5 集成电压比较器,8.3 非正弦波发生电路,图8.3.1 几种常见的非正弦波,8.3 非正弦波发生电路,8.3.1. 矩形波发生电路,R3,R2,UZ,R4,R1,DZ,C,uC,uO,图8.3.2 矩形波发生电路,一、电路组成及工作原理,由反相输入的滞回比较器和 RC电路组成。,8.3 非正弦波发生电路8.3.1 矩形波发生电路,图8.3.4 方波发生电路的波形图,二、波形分析及主要参数,uo,0,UZ,-UZ,t,uc,0,UT,-UT,t,Tk,T,充、放电时间常数R3C， 且充电总幅值相同，故为方波。 以充电过程为例， 用过渡过程三要素法分析：,8.3 非正弦波发生电路8.3.1 矩形波发生电路,三、占空比可调的矩形波发生器,R2,UZ,R4,R1,DZ,C,uO,Rw,Rw2,图8.3.5 占空比可调的矩形波发生电路,T1,T2,8.3 非正弦波发生电路8.3.1 矩形波发生电路,例8.3.1 在图8.3.5(a)所示电路中，已知R1= R2= 25k， R3= 5k， Rw= 25k，C=0.1F，UZ=8V 。试求： 输出电压的幅值和振荡频率约为多少？ 占空比的调节范围约为多少？,8.3 非正弦波发生电路8.3.1 矩形波发生电路,8.3.2 三角波发生电路,一、 电路的组成,图8.3.6 采用波形变换的方法得到三角波,三角波发生器由,组成,A1 滞回电压比较器,A2 反相积分电路,8.3 非正弦波发生电路8.