波形的发生和信号的变换.ppt

2019/8/9,1,第八章 波形的发生和信号的变换,8.1 正弦波振荡电路 sin-wave oscillator 8.2 电压比较器 comparator 8.3 非正弦波发生电路 8.4 利用集成运放实现的信号变换电路,2019/8/9,2,8.1 正弦波振荡电路,一. 概 述,正弦振荡器：不需要任何输入信号，能产生稳定输出、 有一定幅度和频率正弦波的电路。,1. 振荡条件,只有正反馈电路才能产生自激振荡。,自激振荡时，有：,即：,自激振荡条件,写成模和相角形式：,幅值平衡条件,相位平衡条件,2019/8/9,3,2. 起振与稳幅,起振过程：,f0满足：,电源通断/噪声/干扰,当此时有：,则： f0的信号被重复放大,稳幅过程：,当放大/反馈回路存在适当的非线性元件时， f0信号幅度增大到一定值，非线性元件开始起作用，使：,2019/8/9,4,3. 正弦振荡电路的组成,放大电路：合理的Q点，足够的增益。,反馈网络：正反馈。,选频网络：只有一个频率满足振荡条件。,稳幅环节：幅值稳定，波形良好。,4. 正弦振荡电路的分类,按选频网络的组成分为：RC、LC、石英晶体振荡电路,2019/8/9,5,8.1.2 RC 振荡电路,RC选频网络：RC文氏桥(串并联网络）、RC移相、RC双T网络,一、 RC串并联网络的选频特性,定性分析：,U2比较小,U2比较小,U2比较大,2019/8/9,6,定量分析：,令：,则：,当ff0时：,特性曲线：,2019/8/9,7,二、 文氏桥正弦波振荡电路,反馈、选频网络：,放大电路：,同相放大电路，Au1+Rf /R1略大于3。,电路连接：,稳幅环节：,当Uo较大时，Rf 或R1 ，使Au3。,方法1.,热敏电阻(负温度系数）替换Rf,热敏电阻(正温度系数）替换R1,方法2.,2019/8/9,8,K：双联波段开关， 切换R，用于粗调 振荡频率。,C：双联可调电容，改变C， 用于细调振荡频率。,频率可调振荡电路：,2019/8/9,9,电子琴的振荡电路：,可调,2019/8/9,10,三. LC 振 荡 电 路,一、 LC并联谐振回路的频率特性,LC选频网络：通常是采用LC并联谐振回路。,阻抗：,2019/8/9,11,谐振时，,(阻性，最大)；,有：,品质因数：,反映R的损耗大小 （几十几百）。,此时回路电流很大。,2019/8/9,12,二、 LC正弦波振荡电路,1、变压器反馈,正反馈：,振荡频率：,为：考虑了其它绕组的影响,起振：,改变匝数比可使|AF|1,稳幅：,利用LC的选频特性,取消C1可以吗？,2019/8/9,13,2、电感三点式,正反馈：,振荡频率：,3、电容三点式,正反馈：,振荡频率：,Colpitts Oscillator 考毕茨振荡器,Hartley Oscillator 哈特莱振荡器,2019/8/9,14,下列电路能振荡吗？,2019/8/9,15,8.1.4 石英晶体振荡电路,一、石英晶体,是一种利用SiO2晶体压电效应原理构成的谐振器件。,外形,结构,等效电路,符号,L：模拟晶体机械振动惯性10-310-2H,R：模拟机械振动摩擦损耗，很小,C0：静电电容(平行板电容)约几几十pF,C：晶体弹性电容10-410-1pF,频率特性,：很大， 105,串联谐振：,并联谐振：,2019/8/9,16,二、石英晶体正弦波振荡电路,作为电感用，并接电容CL几十pF，此时 f0 fS。调节CL可以使f0在fSfP之间变化。, 并联式石英晶体正弦振荡器, 串联式石英晶体正弦振荡器,2019/8/9,17,8.2 电压比较器,1.电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较，输出只有两种可能的状态：高电平或低电平。,2.比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于开环状态或引入正反馈。,3.分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。,8.2.1 概述,4.比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元，在测量、控制、D/A和A/D转换电路中应用广泛。,2019/8/9,18,一、 电压比较器的传输特性,1.电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系,2.阈值电压： UT,当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。,3.电压传输特性的三要素,(1)输出电压的高电平UOH和低电平UOL的数值。 (2)阈值电压的数值UT。 (3)当uI变化且经过UT时， uO跃变的方向。,2019/8/9,19,二、理想运放的非线性工作区,+UOM,-UOM,集成运放的电压传输特性,在电压比较器中，集成运放不是工作在开环状态，就是工作在正反馈。,2019/8/9,20,uI与一个参考电压（阈值电压UT）进行比较。,一、 过零比较器,当 时：,当 时：,此时：,电压传输特性,8.2.2 单限比较器,2019/8/9,21,输入保护,此时：,输出限幅,此时：,运放工作在饱和状态,此时：,运放工作在线性区,哪种好？,2019/8/9,22,二、 一般单限比较器,（虚断成立！）,叠加原理,当 时：,（此时虚短成立！）,电压传输特性,2019/8/9,23,存在干扰时单限比较器的 uI、uO 波形,单限比较器的作用：检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。,缺点：抗干扰能力差。,解决办法： 采用具有滞回传输特性的比较器。,2019/8/9,24,电压比较器分析方法小结,（1）由限幅电路确定电压比较器的输出高电平UOH和输出低电平UOL 。,（2）写出up和uN的电位表达式，令up=uN ，解得输入电压就是阈值电压UT。,（3） u0在uI 过UT时的跃变方向决定于作用于集成运放的哪个输入端。 当uI从反向输入端输入时，uIUT ,u0=U0L 。 反之，结论相反。,2019/8/9,25,8.2.3 滞回比较器Shmitt触发器,单限比较器工作在开环状态，当uIUT时，很小的干扰，将会使输出状态改变。因此，希望电路具有滞回特性。,反相滞回比较器,（虚断成立！）,叠加原理,当 时：,存在2个阈值电压！,2019/8/9,26,电压传输特性,当 时：,当 时：,当 时：,当 时：,当 时：,滞回特性是由于正反馈而产生的！,当 时：,2019/8/9,27,画出输出波形,已知：传输特性,输入波形,输出波形,2019/8/9,28,8.2.4 窗口比较器,单限比较器和滞回比较器在输入单向变化时，输出只跳变一次。窗口比较器是一种输入单向变化，输出跳变二次的比较器，即有二个阈值电压：UTL和UTH。,应用：测量某个量是否在一定的范围内，如BJT的。,分析：,当 时：,当 时：,当 时：,传输特性,2019/8/9,29,8.2.5 集成电压比较器,集成电压比较器是专用的电压比较器，具有响应速度快、延迟时间短，无需限幅电路。但放大性能不如运算放大器。,常用集成电压比较器,2019/8/9,30,LM339介绍,2019/8/9,31,8.3 非正弦波振荡电路,矩形波,三角波,锯齿波,尖顶波,阶梯波,非正弦波主要是指三角波和矩形波,2019/8/9,32,8.3.1 矩形波发生电路,电路是一个滞回比较器。,给电路增加一个RC定时电路。,电路分析：,设：初始时，uC0，uOUZ 。,1. R3对C充电。,2. 充到UT+后，R3对C放电。,3. 放到UT-后，R3对C充电。,2019/8/9,33,波形参数计算：,1. 输出电压,脉冲幅度2UZ,2. 脉冲周期,因此：,2019/8/9,34,占空比可调电路：,2019/8/9,35,8.3.2 三角波发生电路,方波经过积分电路就可以得到三角波。所以，三角波发生电路可以用矩形波发生电路积分电路构成。,基本电路与波形：,由于，三角波发生电路中有2个RC定时电路，可以省去滞回比较器的RC定时电路。,2019/8/9,36,改进电路：,A1：同相滞回比较器,A2：反相积分电路,阈值电压的计算：,积分运算关系：,而，uIUT 时，uP0,2019/8/9,37,工作原理：,设：初始时，uC0，uO1UZ 。,1. A2向下积分。,2. 积分到UT-时，开始向上积分。,3. 积分到UT+后，又开始向下积分。,参数计算：,脉冲幅度2UT+2UZR1/R2,脉冲周期,2019/8/9,38,uO1占空比：,如何改变该占空比？,积分电路的充放电回路用二极管隔离，使二个通路的积分常数不同。,2019/8/9,39,8.3.3 锯齿波发生电路,当D1通路的电阻很小时，有如图波形：,2019/8/9,40,8.3.4 波形变换电路（自阅）,一. 三角波 锯齿波变换电路,二. 三角波 正弦波变换电路,1、滤波法,2019/8/9,41,2、折线法,2019/8/9,42,8.3.5 函数发生器,函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路；当调节外部电路参数时，还可获得占空比可调的矩形波和锯齿波。,一、电路结构 （ICL8038）,1.二个电流源,2.二个同相输入 单限比较器,3.RS触发器,4.二个缓冲电路,5.三角波变正弦波电路,2019/8/9,43,当 Q = 0，S 断开，,C 充电 (IS1) 至 2/3VCC,Q = 1,当 Q = 1，S 闭合，,C 放电 (IS2 -IS1) 至 1/3VCC,Q = 0,当 IS2 = 2IS1，引脚 9 输出方波，引脚 3 输出三角波；,当 IS2 2IS1，引脚 9 输出矩形波，引脚 3 输出锯齿波。,二、工作原理,Qn+1=S+RQn,2019/8/9,44,三、性能特点,ICL8038可单电源供电，也可双电源供电。,2019/8/9,45,四、常用接法,2019/8/9,46,调占空比和正弦波失真,图8.3.23失真度减小和频率可调电路,2019/8/9,47,8.4 利用集成运放实现的信号变换电路,8.4.1 电压电流转换电路,所以输出电流与输入电压成比例。,(a)负载不接地,一、电压电流转换电路,2019/8/9,48,(b)负载接地,可解得,对图（b）电路， R1和R2构成电流并联负反馈； R3 、R4和RL构成构成电压串联正反馈。由图可得,2019/8/9,49,讨论： 1. 当分母为零时， iO ，电路自激。 2. 当R2 /R1 =R3 /R4时, 则,说明iO与vS成正比 , 实现了线性变换。,2019/8/9,50,实用的电压电流转换电路,2019/8/9,51,由图可知,可见输出电压与输入电流成比例。,输出端的负载电流,二、电流电压转换电路,2019/8/9,52,8.4.2 精密整流电路,把交流电变为单向脉动电，称为整流。,把微弱的交流电转换成单向脉动电，则称为精密整流。此时二极管(由于其正向压降)无法直接来实现。,2019/8/9,53,精密整流电路,A1、D1、D2： 半波精密整流,A2：反相加法器,半波精密整流原理,uI正半周时： D1截止、D2导通,uI负半周时： D1导通、D2截止,精密整流波形,2019/8/9,54,电压频率转换电路（VFC） 或 电压控制振荡电路（VCO） 输入端：直流电压 输出端：频率值与直流输入电压成正比的一定频率的信号,典型应用：数字式测量仪器,8.4.3 电压频率转换电路,2019/8/9,55,一、由集成运放构成的电压频率转换电路,1、电荷平衡式电路,2019/8/9,56,放电过程,充电过程,2019/8/9,57,放电过程,周期：,积分起始值：,积分终止值：,2019/8/9,58,2、复位式电路,周期：,Uo为高电平S断开 Uo为低电平S闭合,2019/8/9,59,复位式电压频率转换电路,2019/8/9,60,8.5 锁相环(PLL),锁相环,用PLL表示,8.5.1 锁相环电路的基本结构,8.5.2 锁相环的工作原理,使一个振荡器的频率和相位受一个 控制信号锁定的闭环振荡电路。在频率上，振荡频率严格等于控制信号的频率， 在相位上则保持一个固定的差值。,8.5.3 频率合成,2019/8/9,61,8.5.1 锁相环电路的基本结构,锁相环的基本框图如图20.11所示，它的组成： 鉴相器(PD) 环路滤波器(LF) 压控振荡器(VCO),图20.11 锁相环的原理框图,2019/8/9,62,鉴相器的输出vD(t) 与vI和vO的相差成比例， 实现相差/电压的变换。 鉴相器一般采用模拟乘法器实现,(1) 鉴相器PD,原理如下:,是一个相位比较电路， 可实现输入信号vI和 压控振荡器输出vO的相位鉴别,设输入信号为 vi(t)= Vimcosi t +i (t) VCO的输出为 vo(t)= Vomcoso t +o (t) ,将和频分量滤除，且当io时,有 vD(t)= Km vi(t) vo(t),相乘后得到 vD(t)= Km vi(t) vo(t),Kd 称为鉴相灵敏度,(t) =i(t)-o(t) 称为输入与输出 之间的瞬时相差,2019/8/9,63,(2) 环路滤波器LF,一般是一个低通滤波器,功能是：传递相位误差信号 vD(t) ； 滤除高频分量和干扰 。,输出为 VC(t) F(s)vD(s),F(s)为滤波器的传递函数， s为拉氏算子,图20.12 环路滤波器电路图,2019/8/9,64,(3) 压控振荡器VCO,一般的振荡器要调节频率，是通过改变选频网络的参数(如R、L、C )实现的。,VCO的压控特性为 o(t)= o +Kovc(t),称为固有频率，即 vc(t)=0时的VCO输出频率,称为压控灵敏度， 单位Hz/V,VCO是通过改变一个控制电压去改变振荡器的频率，因此VCO是一个电压/频率变换电路。 由于VCO便于控制，它可以组合成许多有用的电路。,2019/8/9,65,8.5.2 锁相环的工作原理,为了说明锁相环的工作原理，设输入频率fi 与VCO的振荡频率fo之间有一个小的频率差。这两个信号经鉴相器PD和环路滤波器LF后，得到,vc(t)作用在VCO上，对VCO调频，此时VCO的振荡频率将在f0的基础上随时间按余弦规律变化，如图20.13所示。,图20.13 鉴相器输出波形的形成,2019/8/9,66,图20.14 环路滤波器的输出波形,图20.13 鉴相器输出波形的形成,vo(t)的频率() (i-o)() vD(t)上宽下窄 有直流分量Vc 控制fo向fi趋近,频率牵引,环路锁定,牵引过程结束后, 锁相环达到 i-o=0 , =const, vc(t)= Vc 的状态,捕捉过程,从环路失锁到 环路锁定的过程,所需要的时间称为捕捉时间， 用tc表示。,环路跟踪,锁相环锁定后，i-o=0 , 而=const0,就有 vc(t)=VC 使锁相环有能力 一旦在输入信号频率发生变化时， 继续锁定输出频率， 使输出频率始终 同步跟踪输入频率的现象。,2019/8/9,67,8.5.3 锁相环用于调制解调电路,调制：携带信息的输入信号来控制另一信号的某一参数，使之按照输入信号的规律而变化的过程，输入信号称为调制信号，被控制的信号称为载波（或载频）信号，能够完成调制功能的电路称为调制器，其输出信号为调制波。载波信号一般为等幅振荡信号，其振荡频率相对输入信号的频率为高频信号。 若调制信号控制载波信号的幅度，则称为幅度调制，简称调幅，用AM表示。调幅波的频率等于载波的频率，幅值随调制信号的幅值变化。 若调制信号控制载波信号的频率，则称为频率调制，简称调频，用FM表示，调频波以载波频率为中心频率，且频率随调制信号幅值成线性关系，但其幅度不变。,2019/8/9,68,若调制信号控制载波信号的相位，则称为相位调制，简称调相，用PM表示。,2019/8/9,69,二、锁相环用于调频电路,2019/8/9,70,三、锁相环用于解调电路,1、调频波的解调电路,低通滤波器的上限频率足够高，能够反映原调制信号