第八章 波形的发生和信号的转换.ppt

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利用集成运放实现的信号转换电路 8 5锁相环及其在电路中的运用 第四版童诗白 8 1正弦波振荡电路 8 1 1概述 放大电路 反馈网络 如果反馈电压uf与原输入信号ui完全相等 则即使无外输入信号 放大电路输出端也有一个正弦波信号 自激振荡 电路要引入正反馈 图8 1 2正弦波振荡电路的方框图 一 产生正弦波振荡的条件 由此知放大电路产生自激振荡的条件是 即 所以产生正弦波振荡的条件是 幅度平衡条件 相位平衡条件 电路起振的条件 二 正弦波振荡电路的组成及分类 组成 放大电路 集成运放 选频网络 确定电路的振荡频率 反馈网络 引入正反馈 稳幅环节 非线性环节 使输出信号幅值稳定 分类 RC正弦波振荡电路 频率较低 在1MHz以下 LC正弦波振荡电路 频率较高 在1MHz以上 石英晶体振荡电路 频率较高 振荡频率非常稳定 三 判断电路能否产生正弦波振荡的方法和步骤 1 检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分 2 检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正常工作 3 分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件 判断相位平衡条件的方法是 瞬时极性法 5 估算振荡频率和起振条件 4 判断是否满足振幅平衡条件 8 1 2RC正弦波振荡电路 RC串并联网络振荡电路也称RC桥式正弦波振荡电路或称文氏振荡电路 Wien 电路组成 放大电路 集成运放A 选频与正反馈网络 R C串并联电路 稳幅环节 RF与R 组成的负反馈电路 图8 1 4 一 RC串并联选频网络 Z1 Z2 取R1 R2 R C1 C2 C 令 则 得RC串并联电路的幅频特性为 相频特性为 最大 F 0 1 3 90 90 图8 1 5 二 振荡频率与起振条件 1 振荡频率 2 起振条件 f f0时 由振荡条件知 所以起振条件为 同相比例运放的电压放大倍数为 即要求 三 振荡电路中的负反馈 稳幅环节 引入电压串联负反馈 可以提高放大倍数的稳定性 改善振荡电路的输出波形 提高带负载能力 反馈系数 改变RF 可改变反馈深度 增加负反馈深度 并且满足 则电路可以起振 并产生比较稳定而失真较小的正弦波信号 图8 1 7 反馈电阻RF采用负温度系数的热敏电阻 采用正温度系数的热敏电阻 均可实现自动稳幅 稳幅的其它措施 电流增大时 二极管动态电阻减小 电流减小时 动态电阻增大 加大非线性环节 从而使输出电压稳定 在RF回路中串联二个并联的二极管 四 振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路 用双层波段开关接不同电容 作为振荡频率f0的粗调 用同轴电位器实现f0的微调 RC串 并联网络中 如何调节频率 问题 如何提高频率 其他形式的RC振荡电路 一 移相式振荡电路 集成运放产生的相位移 A 180 如果反馈网络再相移180 即可满足产生正弦波振荡的相位平衡条件 振荡频率为 270 180 90 当f f0时 相移180 满足正弦波振荡的相位条件 起振条件 RF 12R 二 双T选频网络振荡电路 振荡频率约为 当f f0时 双T网络的相移为 F 180 反相比例运放的相移 A 180 因此满足产生正弦波振荡的相位平衡条件 如果放大电路的放大倍数足够大 同时满足振幅平衡条件 即可产生正弦波振荡 起振条件 三种RC振荡电路的比较 8 1 3LC正弦波振荡电路 一 LC谐振回路的频率特性 当频率变化时 并联电路阻抗的大小和性质都发生变化 并联电路的导纳 当 电路发生并联谐振 图8 1 10 并联谐振角频率 令 谐振回路的品质因数 当Q 1时 谐振频率 回路等效阻抗 LC并联回路的阻抗 发生并联谐振时 在谐振频率附近 可见 Q值不同 回路的阻抗不同 不同Q值时 LC并联电路的幅频特性 Z01 Z02 Q1 Q2 Q1 Q2 相频特性 Q1 Q2 Q1 Q2 感性 纯阻 容性 结论 1 当f f0时 电路为纯电阻性 等效阻抗最大 当ff0时 电路为容性 所以LC并联电路具有选频特性 2 电路的品质因数Q愈大 选频特性愈好 图8 1 11 谐振时LC回路中的电流 电容支路的电流 并联回路的输入电流 所以 当Q 1时 结论 谐振时 电容支路的电流与电感支路的电流大小近似相等 而谐振回路的输入电流极小 若以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载 当f f0时 电压放大倍数的数值最大 且无附加相移 因而电路称为选频放大电路 若增加正反馈 并用反馈电压取代输入电压 则电路就成为正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路 二 变压器反馈式振荡电路 1 工作原理 用瞬时极性判断为正反馈 所以满足自激振荡的相位平衡条件 2 振荡频率和起振条件 振荡频率 起振条件 图8 1 14变压器反馈式振荡电路 三 电感反馈式振荡电路 1 电路组成 用瞬时极性判断为正反馈 所以满足自激振荡的相位平衡条件 2 振荡频率和起振条件 振荡频率 起振条件 图8 1 17 四 电容反馈式振荡电路 1 电路组成 用瞬时极性判断为正反馈 所以满足自激振荡的相位平衡条件 2 振荡频率和起振条件 振荡频率 起振条件 图8 1 20 电容反馈式改进型振荡电路 振荡频率 选择C C1 C C2 则 减小了三极管极间电容对振荡频率的影响 适用于产生高频振荡 图8 1 22 若要求电容反馈式振荡电路的振荡频率高达100MHz 怎么办 采用共基放大电路 如何分析 各种LC振荡电路的比较 8 1 4石英晶体振荡器 石英晶体谐振器 简称石英晶体 具有非常稳定的固有频率 一 石英晶体的特点 压电效应 在石英晶片的两极加一电场 晶片将产生机械变形 若在晶片上施加机械压力 在晶片相应的方向上会产生一定的电场 压电谐振 晶片上外加交变电压的频率为某一特定频率时 振幅突然增加 1 压电效应和压电振荡 2 等效电路和振荡频率 符号 串联谐振频率 并联谐振频率 电抗频率特性 fs fp 容性 容性 感性 图8 1 27 图8 1 28 二 石英晶体正弦波振荡电路 1 并联型石英晶体正弦波振荡电路 交流等效电路 振荡频率 由于 图8 1 29 2 串联型石英晶体振荡电路 图8 1 30串联型石英晶体振荡电路 当振荡频率等于fS时 晶体阻抗最小 且为纯电阻 此时正反馈最强 相移为零 电路满足自激振荡条件 振荡频率 调节R可改变反馈的强弱 以获得良好的正弦波 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 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 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 8 2 2单限比较器 一 过零比较器 由于理想运放的开环差模增益为无穷大 所以 当uI 0时 uO UOM 当uI 0时 uO UOM 过零比较器的传输特性为 UOM为集成运放的最大输出电压 阈值电压 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 图8 2 3 利用稳压管限幅的过零比较器 设任何一个稳压管被反向击穿时 两个稳压管两端总的的稳定电压为UZ UOM UZ UZ 当uI0时 右边的稳压管被反向击穿 uO UZ 图8 2 6 利用稳压管限幅的过零比较器 二 电路图 传输特性 问题 如将输入信号加在 端 传输特性如何 问题 过零比较器如图所示 输入为正负对称的正弦波时 输出波形是怎样的 传输特性 将正弦波变为矩形波 二 单限比较器 单限比较器有一个门限电平 当输入电压等于此门限电平时 输出端的状态立即发生跳变 当输入电压uI变化 使反相输入端的电位为零时 输出端的状态将发生跳变 门限电平为 UZ UZ 过零比较器是门限电平为零的单限比较器 图8 2 7 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 复习 1 RC正弦波串 并联振荡电路 电路图 振荡频率 起振条件 如何稳幅 如何调频 2 电压比较器 过零比较器 单限比较器 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 例8 2 1 在图8 2 6所示电路中 UZ 6V 在图8 2 7中所示电路中 R1 R2 5k 基准电压UREF 2V 稳压管的稳定电压UZ 5V 它们的输入电压均为图8 2 8 a 所示的三角波 试画出图8 2 6所示电路的输出电压u01和图8 2 7所示电路的输出电压u02 解 图8 2 6为过零比较器 图8 2 7为一般单限比较器 图8 2 8例8 2 1波形图 8 2 3滞回比较器 一 从反相输入端输入的滞回比较器电路 计算阈值电压UT 电压传输特性 uo从 UZ跃变到 UZ的阈值电压为 UTuo从 UZ跃变到 UZ的阈值电压为 UT uI在 UT与 UT之间增加或减小 uO不发生变化 UREF为参考电压 uI为输入电压 输出电压uO为 UZ或 UZ 当uP uN时 输出电压的状态发生跳变 比较器有两个不同的门限电平 故传输特性呈滞回形状 UT UT 图8 2 10滞回比较器 二 加了参考电压的滞回比较器 若uO UZ 当uI逐渐减小时 使uO由 UZ跳变为 UZ所需的门限电平UT 回差 门限宽度 UT 若uO UZ 当uI逐渐增大时 使uO由 UZ跳变为 UZ所需的门限电平UT 例8 2 2 已知输入波形和电压传输特性 分析输出电压的波形 图8 2 11例8 2 2波形图 UZ 9V 8 2 4窗口比较器 参考电压UREF1 UREF2 若uI低于UREF2 运放A1输出低电平 A2输出高电平 二极管VD1截止 VD2导通 输出电压uO为高电平 若uI高于UREF1 运放A1输出高电平 A2输出低电平 二极管VD2截止 VD1导通 输出电压uO为高电平 图8 2 13双限比较器 a 前面的比较器在输入电压单一方向变化时 输出电压只跃变一次 因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间 当uI高于UREF2而低于UREF1时 运放A1 A2均输出低电平 二极管VD1 VD2均截止 输出电压uO为低电平 上门限电平UTH UREF1 下门限电平UTL UREF2 UTH UTL 综上所述 双限比较器在输入信号uIUREF1时 输出为高电平 而当UREF2 uI UREF1时 输出为低电平 图8 2 13 b 8 2 5集成电压比较器 一 集成电压比较器的主要特点和分类 1 具有较高的开环差模增益 2 具有较快的响应速度 3 具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高 4 具有较低的失调电压 失调电流及较低的温漂 分类 单 双和四电压比较 通用型 高速型 低电压型和高精度型 普通 集电极 或漏极 开路输出或互补输出型 二 集成电压比较器的基本接法 1 通用型集成电压比较器AD790 2 集电极开路集成电压比较器LM119 金属封装的管脚图 电路为双限比较器 能实现线与功能 图8 2 16由LM119构成的双限比较器及其电压传输特性 8 3非正弦波发生电路 非正弦波 矩形波 三角波 尖顶波和阶梯波等 图8 3 1几种常见的非正弦波 8 3 1矩形波发生电路 一 电路组成 RC充放电回路 滞回比较器 图8 3 2 滞回比较器 集成运放 R1 R2 充放电回路 R C 延迟环节 反馈网络 钳位电路 VDZ R3 稳幅环节 二 工作原理 设t 0时 uC 0 uO UZ 则 u u 当u uC u 时 t1 t2 则 当u uC u 时 输出又一次跳变 uO UZ 输出跳变 uO UZ 图8 3 4 三 振荡周期 电容的充放电规律 对于放电 解得 结论 改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电阻 即可改变振荡周期 振荡频率f 1 T 四 占空比可调的矩形波发生电路 图8 3 5a 使电容的充 放电时间常数不同且可调 即可使矩形波发生器的占空比可调 充电时间T1 放电时间T2 占空比D 图8 3 5b 8 5 2三角波发生电路 一 电路组成 图8 3 6采用波形变换的方法得到三角波 uO1为方波 电路分析 uO2为三角波 二 工作原理 当u u 0时 滞回比较器的输出发生跳变 图8 3 8 实用电路 左边是同相输入滞回比较器右边为反向积分运算电路 传输特性 二 工作原理 当u u 0时