模电第六章波形产生与变换电路.ppt

1 第六章波形产生与变换电路 波形产生与变换是电子技术中广泛使用的电路 波形产生电路 在无外加输入信号的情况下 能自动产生一定波形 一定频率和幅值的交流信号 波形变换电路 能把外加输入信号的波形变换成指定的适合于系统应用和处理的波形 波形产生电路 正弦波产生电路 广泛应用于通讯 广播 电视等系统 非正弦波产生电路 如矩形波 三角波锯齿波 广泛应用于测量设备 数字系统和自控系统 2 6 1产生正弦振荡的条件 在振荡电路中 是利用正反馈产生自激振荡 但正反馈的引入只是为振荡提供了必要条件 而非充分条件 1 正弦波振荡电路产生振荡的条件 3 由 得 正弦波振荡电路产生振荡的条件 幅度平衡条件 相位平衡条件 注意 负反馈放大器的自激条件为 与上式差一负号 这是由于输入端规定的反馈信号正方向不同所造成的 4 2 振荡的建立和稳定 1 起振实际振荡电路不需外部激励信号 以内部噪声或外部干扰作输入信号 经放大后再反馈 周而复始使电路开始振荡 2 选频为了得到频率为fo的正弦振荡 可用选频网络从噪声和干扰中选出频率为fo的成分 并使整个振荡电路只对fo满足等幅振荡条件 3 稳幅从噪声和干扰中选出的fo分量幅度很小 起振过程应使振荡电路增幅振荡 即当幅度足够大后 再继续增幅 将出现非线性失真 则需振荡器幅度振荡 故在振荡电路中要有稳幅环节 一般由非线性电阻构成 5 4 电路组成正弦波振荡电路应具备下述四个功能的部分组成 放大电路 正反馈网络 选频网络 稳幅电路 按组成选频网络的元件不同 正弦波振荡电路主要有 RC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路 3 正弦波振荡电路的分类 6 6 2RC正弦波振荡电路 1 文氏电桥 RC串并联 振荡器 1 RC串并联网络的选频特性 7 幅频特性 相频特性 当 o时 电路达到谐振 电路呈 电阻性 此时 幅值最大 8 2 文氏电桥振荡器的分析 1 组成 同相比例放大电路 RC选频网络 兼正反馈网络 Z1 Z2 R3与R4形成四个桥臂 9 2 起振条件及振荡频率 RC网络谐振时满足自激振荡的相位平衡条件 振荡频率 由同相放大电路 由幅度起振条件 由选频网络可知 谐振时 或 10 3 稳幅环节 为了改善振荡波形 一般采用外稳幅电路 Uo IR4 PR4 TR4 R4 Uo 也可采用负温度系数的热敏电阻作R3 R4采用正温度系数的热敏电阻 可起稳幅作用 11 结论 RC正弦波振荡器只能用作低频振荡器 振荡频率的范围 1Hz 1MHz 例如 桥式振荡器 选R 1k C 200pF 则fo 796Hz RC正弦波振荡器的振荡频率取决于R C的数值 若提高振荡频率fo 必须选择较小的R和C值 fo R 基本放大电路的负载加重 C 受到管子结电容和分布电容的限制 当振荡频率高于1MHz时 采用LC正弦波振荡器 12 带稳幅环节的电路 2 振荡幅度较小时正向电阻大 振荡幅度较大时正向电阻小 利用二极管的正向伏安特性的非线性自动稳幅 稳幅环节 13 带稳幅环节的电路 2 图示电路中 RF分为两部分 在RF1上正反并联两个二极管 它们在输出电压uO的正负半周内分别导通 在起振之初 由于uo幅值很小 尚不足以使二极管导通 二极管近于开路此时 RF 2R1 而 后 随着振荡幅度的增大 二极管导通 其正向电阻逐渐减小 直到RF 2R1 振荡稳定 14 6 3电压比较器 分析依据 虚短的概念不再成立 虚断的概念仍成立 15 6 3 1单门限电压比较器 电压比较器实现一个模拟信号与另一个模拟信号的比较功能 通常用于越限报警 数模转换和波形变换等 电压比较器的输入信号是连续变化的模拟量 但输出电压只有两种状态 高电平和低电平 16 单门限比较器 uo ui R1 R2 电压传输特性 UR 17 过零比较器 电路 电压传输特性 18 波形变换 19 有限幅作用的电压比较器 使输出电压与负载电平匹配 20 例 图示是一个监控报警装置 如需对某一参数 如温度 压力等 进行监控 可由传感器取得监控信号ui UR是参考电压 当ui超过正常值时 报警灯亮 试分析其工作原理 解 监控信号ui 参考电压UR时 比较器输出低电平 三极管截止 报警灯因无电流通过而不亮 监控信号ui 参考电压UR时 比较器输出高电平 三极管导通 报警灯因有电流通过而亮 21 6 3 2滞回比较器 u 随输出电压uo变化 电路特点 uo Uom uo Uom 22 假设某一瞬间 uo Uom 因此 ui由小逐渐增大 输出电压uo从Uom跳变为 Uom 比较器的同相输入电压也随之改变 ui由大逐渐减小 输出电压uo从 Uom跳变为Uom 23 传输特性 U H U L称为回差 小于回差的干扰不会引起跳转 下门限 上门限 24 例 设输入为正弦波 画出输出的波形 25 加上参考电压后的迟滞比较器 下行 上下限 26 例题 R1 10k R2 20k UOM 12V UR 9V当输入ui为如图所示的波形时 画出输出uo的波形 上下限 10V 2V 27 28 迟滞比较器 下行 两种电路传输特性的比较 29 2 迟滞比较器 上行 u 0时翻转 可以求出上下门限电压 当u u 0时 uo UOM当u u 0时 uo UOM 当uo UOM 当uo UOM ui ui 30 传输特性曲线 迟滞比较器 上行 续 上下门限电压 31 加上参考电压后的迟滞比较器 上行 上下门限电压 32 加上参考电压后的迟滞比较器 上行 传输特性 33 6 3 3窗口比较器 设R1 R2 则有 1 电路结构 用于判断输入电平是否处于两个已知电压之间的电压比较器 常用于自动测试系统 故障检测系统等场合 34 当ui UH时 uo1为高电平 D3导通 uo2为低电平 D4截止 uo uo1 当ui UL时 uo2为高电平 D4导通 uo1为低电平 D3截止 uo uo2 当UH ui UL时 uo1为低电平 uo2为低电平 D3 D4截止 uo为低电平 2 工作原理 窗口电压 U UH UL 2UD 35 6 4非正弦波产生电路 6 4 1矩形波产生电路6 4 2三角波产生电路6 4 3锯齿波产生电路 36 6 4 1矩形产生电路 比较器的输出电压经一定延时 馈送作为比较器的输入电压 使比较器自行翻转 产生矩形波输出 1 电路组成 RC积分电路延时兼反馈 迟滞比较器开关电路 限流电阻 37 2 工作原理 电路的正反馈系数 比较电压 设t 0时 uC 0 uo Uz 则 输出电压uo通过R向C充电 uC呈指数规律增加 当t t1 uC u 时 uo跳变为 Uz 此时 38 uo Uz 此时C通过R放电 uC呈指数规律减小 如此周而复始 产生振荡 输出矩形波 当t t2 uC u 时 uo跳变为 Uz 电容又被充电 39 3 振荡周期 t1 t2 电容放电 放电时间常数 1 RC 当t T1 T 2时 代入上式 得 振荡频率 矩形波产生图 40 4 占空比可调的矩形波产生电路 占空比 矩形波中高电平的持续时间与振荡周期的比值 方波的占空比为50 其中rd是二极管D的导通电阻 改变Rw的中点位置 占空比就可改变 为改变输出方波的占空比 可改变电容C的充 放电时间常数 占空比 41 6 4 2三角波产生电路 三角波发生器是由迟滞比较器A1和积分器A2闭环组合而成的 1 电路组成 2 工作原理 设t 0时 uC 0 uo1 Uz 运放A1同相端的电位 uo uC 0 此时 uo1通过R4向电容C恒流充电 uC线性上升 uo线性下降 iC Uz R4 42 当t t1 u 0时 A1翻转 uo1 Uz C恒流放电 uC线性 uo线性 C恒流充电 uC线性 uo线性 43 当t t2 u 0时 A1翻转 uo1跳变为 Uz 如此周而复始 产生振荡 输出三角波 C恒流放电 uC线性 uo线性 44 3 振荡周期 t2 t1 T 2 三角波产生演示 45 6 4 3锯齿波产生电路 锯齿波发生器的电路如图所示 显然 为了获得锯齿波 应改变积分器的充放电时间常数 图中的二极管D和R 将 使充电时间