第八章波形的发生和信号的转换改

第八章目录 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锁相环及其在信号转换电路中的应用 第八章波形的发生和信号的转换 第八章目录 本章的重点 正弦波振荡电路的组成及振荡条件的判断 桥式RC正弦波振荡电路的组成和工作原理 LC正弦波振荡电路的组成和工作原理 比较器电压传输特性的分析方法 矩形波 三角波 锯齿波振荡电路的波形分析 本章所讲述的电路具有一定的综合性 既含有集成运放工作在线性区的积分运算电路 又含有集成运放工作在非线性区的滞回比较器 因而给学习带来一定的困难 重点与难点 8 1正弦波振荡电路 第8章8 1 8 1 1概述 正弦波振荡电路是在没有外加输入信号的条件下 依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路 第8章8 1 低频段或高频段A和F均存在附加相移 当频率为f0的信号 使附加相移 A F n n为奇数 时使 负反馈放大电路的自激振荡 第8章8 1 自激振荡的平衡条件 第8章8 1 二 产生正弦波振荡的条件 电路产生自激振荡时 其振荡频率决定于电路中的电阻和电容 还决定与电路晶体管极间电容 电路中分布电容等其他因素 分析举例 带通滤波器变换成正弦波振荡电路 如图所示带通滤波器 其同相比例运算电路的比例系数 电路的品质因数 中心频率 通带放大倍数 f f0时 和截止频率分别为 第8章8 1 当R4减小时 比例系数 品质因数 通带放大倍数均增大 通频带变窄 当比例系数接近3时 通带放大倍数趋向无穷大 带通滤波器在参数取值和适时可变为正弦波振荡电路 靠R3反馈回来的信号取代输入信号 产生频率为f0的正弦输出电压 图中A为放大环节 F为反馈环节 反馈极性为正 当输入量为零时 反馈量等于静输入量 有如下过程 XO Xf Xi XO 第8章8 1 正弦波振荡电路的方框图 第8章8 1 在正反馈过程中 输出XO不断增加 由于晶体管的非线性 当输出达到一定的值时 终会达到动态平衡 即产生正弦波振荡的条件为 电路把除了f0以外的输出量均逐渐衰减为零 故输出为f f0的正弦波 第8章8 1 产生正弦波振荡的条件 1 电路必须引入正反馈 反馈信号能够取代输入信号 2 电路必须有外加的选频网络 用以确定振荡频率 与负反馈放大电路中的自激振荡不同 正弦波振荡电路的振荡频率是人为确定的 正弦波振荡电路由四部分组成 放大电路 保证电路从起振到动态平衡的过程 使电路获得一定幅值的输出量 实现能量控制 2 选频网络 使电路产生单一频率的振荡 确定电路的振荡频率 3 正反馈网络 引入正反馈 使放大电路的静输入信号等于反馈信号 4 稳幅环节 使输出信号幅值稳定 三 正弦波振荡电路的组成和分类 第8章8 1 通常将正反馈网络和选频网络 合二为一 在分立元件放大电路 不另加稳幅环节 而依靠晶体管的非线性来稳幅 正弦波振荡电路的分类 第8章8 1 正弦波振荡电路分为 RC振荡电路 LC振荡电路 石英晶体振荡电路 RC振荡器振荡频率一般在1M赫兹以下 LC振荡器振荡频率一般在1M赫兹以上 石英晶体振荡器的特点是振荡频率非常稳定 1 检查电路是否包括正弦波振荡电路的四个组成部分 2 判断放大电路是否可以正常工作 是否有合适的静态工作点 动态信号是否能够输入 输出和放大 3 利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相位条件 4 判断电路能否满足正弦波振荡的幅值条件 是否满足起振条件 四 判断电路能否产生正弦波振荡的方法和步骤 第8章8 1 若电路不满足相位条件 则不可能振荡 其它条件就无须判断了 当f较小时 第8章8 1 一 RC串并联网络的频率特性 8 1 2RC正弦波振荡电路 当f足够大时 第8章8 1 第8章8 1 记住结论 第8章8 1 二 RC桥式正弦波振荡电路 利用RC串并联选频网络构成正弦波振荡电路的方框图 第8章8 1 电路 正反馈网络组成桥路 选频电路 第8章8 1 A 0 F 0 第8章8 1 稳幅措施 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 或用具有正温度系数的热敏电阻RT代替R1 用二极管稳幅利用电流增大时D动态电阻减小 电流减小时D动态电阻增大的特点 在电路中加入非线性环节 改变R或C的数值均可调节输出电压的频率f0 第8章8 1 四 振荡频率可调节的RC桥式正弦波振荡电路 用双层波段开关接电容作频率粗调 用同轴电位器作频率细调 RC正弦波振荡电路适合频率较低的情况 当振荡频率较高时应选用LC振荡电路 第8章8 1 8 1 3LC正弦波振荡电路 一 LC谐振回路的频率特性 LC正弦波振荡电路与RC正弦波振荡电路在电路构成上主要是选频网络不同 第8章8 1 2 LC并联网络电抗的频率特性 Q值越大选频特性越好 第8章8 1 3 LC选频放大电路 只有当f f0时 电路电压放大倍数最大 且无附加相移 电路具有选频特性 若在电路中引入正反馈 用反馈电压取代输入电压 电路就能构成正弦波振荡电路 据引入反馈方式的不同 LC正弦波振荡电路分三种 即 变压器反馈式 电感反馈式 电容反馈式 Cb Cb Ce与选频网络无关 第8章8 1 二变压器反馈式振荡电路 1 在选频放大电路中引入正反馈 用反馈电压取代输入电压 就得到变压器反馈式振荡电路 第8章8 1 2 变压器反馈式振荡电路 2 有利用晶体管的非线性来实现稳幅的环节 注意同名端的画法 第8章8 1 4 用瞬时极性法判断电路满足相位平衡条件 结论 只要参数得当 电路能够产生正弦振荡 首先断开P点 断开反馈 加入瞬时极性为正的信号 晶体管基极瞬时极性为正 晶体管集电极的瞬时极性为负 线圈N1电压为上正下负 根据同名端 N2电压为上正下负 反馈电压为正 符合相位条件 A F 2n Rb1 T Rb2 Re Ce C RL VCC N2 3 具有选频网络 相位平衡条件的具体判别方法 注 用瞬时极性法判断电路是否满足正弦振荡相位条件应重点掌握 第8章8 1 三 电感反馈式振荡电路 电路组成变压器原 副边线圈耦合不够紧密 若将变压器反馈式振荡电路的线圈N1和N2合并 引出中间抽头 如图示 若参数选择合适便形成电感反馈式振荡电路 第8章8 1 交流通路如图所示 原边线圈N1和N2的三个端分别连接在晶体管的三个极上 故又称为电感三点式振荡电路 第8章8 1 用瞬时极性法判断电路是否满足相位平衡条件 首先断开反馈 加入瞬时极性为正的信号 晶体管基极极性为正 晶体管集电极的瞬时极性为负 线圈N1电压为上正下负 N2电压也为上正下负 反馈电压极性为正 与输入电压同相 满足相位条件 2 工作情况分析 第8章8 1 四 电容反馈式振荡电路 将电感反馈式振荡电路的电容换成电感 电感换成电容 电路稍加改动即可构成电容反馈式振荡电路 振荡频率 1 电路组成 第8章8 1 2 工作原理 电路包括放大电路 选频网络 正反馈网络和由晶体管的非线性实现的稳幅环节 放大电路可以设置合适的静态工作点 能正常工作 第8章8 1 交流信号在传输过程中可以正常放大 C1和C2的三个端分别连接在晶体管的三个极上 故又称为电容三点式电路 第8章8 1 通过瞬时极性法判断电路是否满足相位平衡条件 第8章8 1 振荡频率可调的选频网络 适用于频率变化不很大的场合 一般中点接发射极能振荡 第8章8 1 共基放大电路构成的电容反馈式振荡电路 当振荡频率要求很高时 100MHz 应考虑使用共基放大电路 Rb1 T Rb2 Re VCC 用瞬时极性法判断电路是否满足相位平衡条件 断开P点 加入瞬时极性为正的信号 晶体管集电极极性为正 反馈电压为正 符合相位条件 基极交流接地 共基电路UC UE同相 uf 1 中间抽头 交流接地 其余两端极性相反 2 两端 任意一个交流接地 其余两端极性相同 第8章8 1 电感三点式和电容三点式电压极性的判断 第8章8 1 举例 通过瞬时极性法判断电路是否满足相位平衡条件 断开反馈 加入瞬时极性为正的信号 晶体管集电极极性为正 例1 旁路电容Cb 耦合电容C1对交流信号均视为短路 为使电路产生正弦振荡 请标出变压器的同名端 反馈电压为正才满足振荡的相位条件 所以同名端为N1上端和N2下端或者N1下端和N2上端 Rb1 T Rb2 Re VCC N2 C1 第8章8 1 例2 改错 使电路能够产生正弦振荡 1 电感L连接晶体管的基极和集电极 在直流通路中近似短路 造成静态Q点不正常 在选频网络和放大电路之间应加耦合电容 2 对于交流来说 集电极和发射极不能同时接地 应加集电极电阻 C1 第8章8 1 两个电路 完全相同 第8章8 1 8 1 4石英晶体正弦波振荡电路 石英晶体谐振器 简称石英晶体 固有频率非常稳定 适用于对频率稳定度要求高的场合 石英晶体的等效电路及其频率特性 fs 串联谐振频率 fp 并联谐振频率 fp fs 第8章8 1 第8章8 1 串联型石英晶体振荡器电路 振荡频率为石英晶体振荡器的固有频率f0 fs 第8章8 2 8 2电压比较器 电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路 是组成非正弦波发生电路的基本单元 应用十分广泛 画电压传输特性的三要素 1 输出电压高 低电平值UOH和UOL 2 阈值电压UT值 3 当输入电压变化经过UT时 输出电压跃变的方向 是从UOH到UOL 还是从UOL到UOH 当集成运放处于开环工作状态或引入了正反馈时 工作在非线性工作区 第8章8 2 二 集成运放的非线性工作区 特点 1 只要两输入端间有无穷小的压差 输出电压就可达到正最大值或负最大值 当UP UN时 输出 UOM 当UP UN时 输出 UOM 2 理想运放的差摸输入电阻为无穷大 ip iN 03 运放输出电压跳变的临界条件是 uN up 第8章8 2 集成运放工作在非线性区的电路特点及电压传输特性 第8章8 2 三 电压比较器的种类 1 单限比较器电路只有一个阈值电压 输入电压变化通过阈值电压时 输出电压产生跃变 2 窗口比较器电路有两个阈值电压 输入电压从大到小或从小到大输出电压变化两次 3 滞回比较器电路有两个阈值电压 输入电压增加时使输出电压跃变的阈值电压和输入电压减小时使输出电压跃变的阈值电压大小不一致 具有滞回特性 但输入电压朝一个方向变化时 输出电压只变化一次 第8章8 2 第8章8 2 8 2 2单限比较器 为限制集成运放差模输入电压 保护输入极 加二极管限幅电路 第8章8 2 输入限幅电路 DZ是两只特性相同的稳压管反向串联 UO UZ UZ UD 稳压管的UZ 为稳压电压 UD为正向导通电压 第8章8 2 限幅电路的稳压管可直接跨接在输出端和反相输入端之间 DZ构成负反馈通路 运放工作在线性区 二 一般单限比较器 估算阈值电压是分析比较器电路的基础 第8章8 2 输入端外加参考电压UREF 由叠加原理得 令uN up 0 则 第8章8 2 分析电压传输特性三要素的方法 第8章8 2 三 输出电压在uI经过UT时的跃变方向 决定于uI作用于集成运放的哪个输入端 举例 第8章8 2 UZ 解 由叠加原理得 令uN up 0 则 已知UZ 5V R1 R2 5K UREF 2V 求UT值 对应输入电压波形 画出uo波形 5V t 5V 0 uo 第8章8 2 8 2 3滞回比较器 阈值电压 第8章8 2 滞回比较器具有滞回特性 具有惯性 与单限比较器相比抗干扰能力较强 滞回比较器引入了正反馈 加快了输出电压的转换速度 同相输入端电位 令uN up求出的uI即UT 一 电路结构及工作原理 电压传输特性 第8章8 2 电路中uI从反相端输入 二 同相端加参考电压 第8章8 2 由叠加原理 令uN uP 得 电压传输特性 第8章8 2 改变UREF的大小和极性 传输特性将水平移动 改变稳压管的稳压电压 传输特性将在垂直方向变动 第8章8 2 例1 电路传输特性如图所示 已知ui波形画出uo波形 例2 第8章8 2 根据已知电压传输特性设计一个电压比较器 要求所用电阻在20 100K 之间 可选R1 50K R2 100K 8 2 4窗口比较器 第8章8 2 窗口比较器可以比较出输入电压是否在两个给定电压之间 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 4集成电压比较器 第8章8 2 集成电压比较器比集成运放的开环增益低 失调电压大 共摸抑制比小 但响应速度快 传输延迟时间短 一般不需要外加限幅电路就可以驱动TTL CMOS等数字集成电路 第8章8 2 AD790及其基本接法 8 3非正弦波发生电路 第8章8 2 本节重点介绍前两种 8 3 1矩形波发生电路 第8章8 2 矩形波发生电路是其他非正弦波发生电路的基础 在矩形波发生电路的输出端外加积分电路就能获得三角波 如积分电路某一方向积分的时间常数趋于零 就可得到锯齿波 第8章8 3 由滞回比较器和RC电路组成的矩形波发生电路 第8章8 3 二 波形分析和主要参数 因充 放电时间常数均为R3C且总幅值相等 故uo为对称方波 据一阶RC电路三要素法可列出方程 三 占空比可调电路 第8章8 3 改变充放电时间常数 就可实现占空比可调 可利用二极管的单向导电性来改变充放电通路 从而获得不同的充放电时间常数 第8章8 3 若忽略二极管导通电阻 则充电时间常数为 放电时间常数为 改变RW滑动端位置可改变占空比 但周期不变 8 3 2三角波发生电路 第8章8 3 因积分电路为反相端输入 当方波发生电路的输出uo1 UZ时 积分运算电路的输出电压uo将线性下降 当uo1 UZ时 uo将线性上升 第8章8 3 第8章8 3 实际应用中 一般将方波发生器中RC充放电回路由积分电路代替 滞回比较器和积分电路的输出互为另一个电路的输入 二 工作原理 第8章8 3 uo1 UZ 令uP1 uN1 0 则 uo作为滞回比较器的输入信号 第8章8 3 滞回比较器的电压传输特性 第8章8 3 分析积分电路的输入输出表达式 当uo1 UZ时 uo表达式 电容反向积分 输出uo下降 一旦uo UT后 再稍减少 uo1将从 UZ变为 UZ uo表达式为 电容正向积分 输出uo增大 一旦输出uo UT时 再稍增加 uo1将从 UZ跃变为 UZ 之后 电容反向积分 如此循环 产生自激振荡 第8章8 3 三 振荡频率 电容正向积分 起始值为 UT 终了值为 UT 积分时间为二分之一周期 有 第8章8 3 其中 振荡周期 振荡频率 8 3 3锯齿波发生电路 第8章8 3 在三角波发生电路中 使积分电路正向积分常数远大于反向积分常数 或者相反 就可获得锯齿波电压 一 电路构成 RW R3 二 波形分析 第8章8 3 当uo1 UZ时 uo表达式 若忽略二极管导通电阻 电位器滑动端移到最上端 当uo1 UZ时 uo表达式 t1 t2 t0 第8章8 3 第8章8 4 8 3 5集成函数发生器简介 ICL8038的引脚图 ICL8038是可以同时产生方波 三角波和正弦波的专用集成电路 第8章8 4 ICL8038的两种基本接法 输出波形 第8章8 4 8 4利用集成运放实现的信号转换电路 在控制系统中 为驱动执行机构常需要将电压转换为电流 在监测系统中为了数字化显示等需要 又常需将电流转换为电压 负载没有接地点 第8章8 4 实用电压 电流转换电路 第8章8 4 二 电流 电压转换电路 R is Rf Rs 第8章8 4 电压 频率转换电路 VFC 是将输入直流电压转换成频率与其数值成正比的输出电压 通常为矩形波 转换电路