波形的发生和信号产生电路.ppt

8 1 电子技术 第八章波形发生电路和信号转换 模拟电路部分 8 2 8 1正弦波振荡电路的分析方法 8 1 1产生正弦波振荡的条件 在反馈一章我们说过引入负反馈是为了改善电路的性能 但在一定地频率下有可能产生自激振荡 在负反馈电路中是尽量避免的 负反馈电路中当AF 1 电路就要产生自激振荡 先把开关S放在1处 有输出 若此时把开关S放大2上去 且Uf与刚才的输入一样 则此时有跟刚才一样的输出 输出又保证了输入 输入又保证了输出 这样就形成了自激振荡 8 3 如果 反馈信号代替了放大电路的输入信号 8 4 自激振荡条件的推导 8 5 自激振荡的条件 8 6 如果 1 正反馈足够强 输入信号为0时仍有信号输出 这就是产生了自激振荡 2 要获得非正弦自激振荡 反馈回路中必须有RC积分电路 例如 后面介绍的方波发生器 三角波发生器 锯齿波发生器等 3 要获得正弦自激振荡 反馈回路中必须有选频电路 所以将放大倍数和反馈系数写成 8 7 自激振荡的条件 因为 所以 自激振荡条件也可以写成 1 振幅条件 2 相位条件 n是整数 相位条件意味着振荡电路是正反馈 振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到 如果是负反馈 相位条件是奇数倍 8 8 问题1 如何起振 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 放大电路中存在噪声即瞬态扰动 这些扰动可分解为各种频率的分量 其中也包括有fo分量 选频网络 把fo分量选出 把其他频率的分量衰减掉 这时 只要 AF 1 且 A B 2n 即可起振 8 9 问题2 如何稳幅 起振后 输出将逐渐增大 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 具体方法将在后面具体电路中介绍 起振并能稳定振荡的条件 8 10 8 1 2正弦波振荡电路的组成 四个部分 1 放大电路2 反馈网络3 选频网络4 稳幅环节 判断方法 1 首先找出是否有放大电路和反馈网络和选频网络 2 判断它是否是正反馈 3 判断它的放大电路是否可以正常放大 4 判断它是否符合起振条件5 判断电路是否有稳幅环节 8 11 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 这里只介绍文氏电桥选频电路 一 选频电路 8 2RC正弦波振荡电路 8 12 时 相移为0 8 13 如果 R1 R2 R C1 C2 C 则 传递函数 相频特性 幅频特性 8 14 二 用运放组成的RC振荡器 所以 要满足相位条件 只有在fo处 因为 8 15 能自行启动的电路 1 起振时 R2略大于2R1 使 AF 1 以便起振 起振后 uo逐渐增大则R2逐渐减小 使得输出uo为某值时 AF 1 从而稳幅 8 16 能自行启动的电路 2 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的压降在增加 这样可使得两个二极管导通 则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 8 17 输出频率的调整 通过调整R或C来调整频率 RW 双联可调电阻 改变RW 用于细调振荡频率 也即连续调节 K 双联波段开关 切换C 用于粗调振荡频率 也即不连续调节 8 18 三 用分立元件组成的RC振荡器 ube RC网络正反馈 RF RE1组成负反馈 调整到合适的参数则可产生振荡 8 19 例8 1 1 如图所示的正弦波信号发生器 已知C1 C2 C3分别为0 25 F 0 025 F 0 0025 F 固定电阻R 3k 电位器RW 30k 试估算该仪器频率的调节范围 解 8 20 RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于1MHz的正弦波 8 21 8 1 3LC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 所以一般用分立元件组成放大电路 本节只对LC振荡电路做一简单介绍 重点掌握相位条件的判别 首先介绍一下LC选频网络 8 22 1 等效阻抗 LC并联谐振回路选频特性 等效损耗电阻 当时 电路谐振 为谐振频率 谐振时 阻抗最大 且为纯阻性 同时有 即 8 23 2 频率响应 LC并联谐振回路选频特性 8 24 选频放大电路 8 25 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 0的正弦波信号 二 变压器反馈式LC振荡电路 1 电路结构 2 相位平衡条件 3 幅值平衡条件 4 稳幅 5 选频 定性分析 8 26 反馈 满足相位平衡条件 满足相位平衡条件 反馈 8 27 例1 正反馈 频率由LC谐振网络决定 8 28 例2 正反馈 频率由C L1 L2谐振网络决定 设uB uC uD uB uL2 ube uL1 D 8 29 仍然由LC并联谐振电路构成选频网络 A 若中间点交流接地 则首端与尾端相位相反 1 三点式LC并联电路 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 三 电感反馈式LC振荡电路 8 30 电感反馈式振荡电路 8 31 三点式LC振荡电路 2 电感三点式振荡电路 8 32 三点式LC振荡电路 3 电容三点式振荡电路 8 33 Q值越高 选频特性越好 频率越稳定 8 1 4石英晶体振荡电路 1 频率稳定问题 频率稳定度一般由来衡量 频率偏移量 振荡频率 LC振荡电路Q 数百 石英晶体振荡电路Q 10000 500000 8 34 2 石英晶体的基本特性与等效电路 结构 极板间加电场 极板间加机械力 压电效应 交变电压 机械振动的固有频率与晶片尺寸有关 稳定性高 当交变电压频率 固有频率时 振幅最大 压电谐振 8 35 图8 1 27石英晶体谐振器的结构示意图及符号 返回 8 36 图8 1 28石英晶体的等效电路及其频率特性 返回 8 37 2 石英晶体的基本特性与等效电路 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 8 38 2 石英晶体的基本特性与等效电路 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 8 39 3 石英晶体振荡电路 8 40 图8 1 29并联型石英晶体振荡电路 返回 8 41 图8 1 30串联型石英晶体振荡电路 返回 8 42 8 2电压比较器 回顾 1 虚短路不成立 2 输入电阻仍可以认为很大 3 输出电阻仍可以认为是0 处于非线性状态运放的特点 确定运放工作区的方法 判断电路中有无负反馈 若有负反馈 则运放工作在线性区 若无负反馈 或有正反馈 则运放工作在非线性区 8 43 电压比较器分类 1 过零比较器2 单限比较器3 滞回比较器4 双限比较器 电压比较器参数 1 输出的高 低点平2 高低电平转换时所对应的输入电平 即阈值电压 电压比较器的分析方法 用临界法解出阈值电压 且要标出在阈值电压点上 输出电压的变化方向 所谓的临界法是 当输入电压是阈值电压时 U U 8 44 图8 2 2电压比较器电压传输特性举例 返回 8 45 一 过零比较器 参考电压 阈值电压 输出高电平 输出低电平 反相过零比较器 8 46 同相过零比较器 8 47 图8 2 5电压比较器的输出限幅电路 返回 8 48 二 单限比较器 参考电压 阈值电压 可以通过调整UREF 从而来调整uT 8 49 图8 2 8例8 2 1波形图 返回 8 50 三 滞回比较器 为了解决单限比较器抗干扰能力差的问题 8 51 滞回比较器的特性图 调整UREF 可以调整图形在横轴上的位置 而回差电压与UREF无关 只与UZ有关 8 52 图8 2 11例8 2 2波形图 返回 8 53 图8 2 13双限比较器及其电压传输特性 返回 8 54 8 3非正弦波发生电路 几种常见的非正弦波 8 55 一 电路结构 上下门限电压 下行的迟滞比较器 输出经积分电路再输入到此比较器的反相输入端 8 3 1矩形波发生电路 8 56 二 工作原理 1 设uo UZ 此时 电容上无电荷 则对C充电 U 开始上升 则 u UH 一旦uc UH 就有u u 在uc UH时 u u uo保持 UZ不变 uo立即由 UZ变成 UZ 8 57 2 当uo UZ时 u UL uc降到UL时 uo上翻 当uo重新回到 UZ以后 电路又进入另一个周期性的变化 此时 C经R3输出端放电 8 58 0 输出波形 此矩形波为方波 占空比是50 8 59 RC电路 起反馈和延迟作用 获得一定的频率 下行迟滞比较器 起开关作用 实现高低电平的转换 方波发生器各部分的作用 8 60 三 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 8 61 三 占空比可调的矩形波发生电路 8 62 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 8 3 2三角波发生电路 方波发生器 反向积分电路 8 63 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 8 64 电路二 电路一的改型 反向积分电路 上行迟滞比较器 特点 由上行的迟滞比较器和反相积分器级联构成 迟滞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迟滞比较器的输入 8