第9章波形产生与信号转换电路

第9章波形产生与变换电路9 1正弦波发生电路9 2电压比较电路9 3非正弦波发生电路 9 1 1产生正弦波的条件9 1 2RC正弦波振荡电路9 1 3LC正弦波振荡电路 9 1正弦波发生电路 1 振荡条件 2 起振和稳幅 3 振荡电路基本组成部分 9 1 1产生正弦波的条件 正反馈放大电路如图示 注意与负反馈方框图的差别 1 振荡条件 若环路增益 则 又 所以振荡条件为 振幅平衡条件 相位平衡条件 起振条件 2 起振和稳幅 振荡电路是单口网络 无须输入信号就能起振 起振的信号源来自何处 电路器件内部噪声 当输出信号幅值增加到一定程度时 就要限制它继续增加 否则波形将出现失真 噪声中 满足相位平衡条件的某一频率 0的噪声信号被放大 成为振荡电路的输出信号 稳幅的作用就是 当输出信号幅值增加到一定程度时 使振幅平衡条件从回到 放大电路 包括负反馈放大电路 3 基本组成部分 反馈网络 构成正反馈的 选频网络 选择满足相位平衡条件的一个频率 经常与反馈网络合二为一 稳幅环节 9 1 2RC正弦波振荡电路 1 电路组成 2 RC串并联选频网络的选频特性 3 振荡电路工作原理 4 稳幅措施 1 电路组成 反馈网络兼做选频网络 反馈系数 2 RC串并联选频网络的选频特性 幅频响应 又 且令 则 相频响应 2 RC串并联选频网络的选频特性 当 幅频响应有最大值 相频响应 3 振荡电路工作原理 此时若放大电路的电压增益为 用瞬时极性法判断可知 电路满足相位平衡条件 则振荡电路满足振幅平衡条件 电路可以输出频率为的正弦波 RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于1MHz的正弦波 采用非线性元件 4 稳幅措施 热敏元件 热敏电阻 起振时 即 热敏电阻的作用 采用非线性元件 4 稳幅措施 场效应管 JFET 稳幅原理 整流滤波 T压控电阻 采用非线性元件 4 稳幅措施 二极管 例题 R 1k C 0 1 F R1 10k Rf为多大时才能起振 振荡频率f0 AF 1 A 3 2 10 20k 1592Hz 起振条件 电子琴的振荡电路 使R2 R1 AF 1 可调 A 2 RF1 RF2 Rf 9 1 3LC正弦波振荡电路 一LC并联谐振回路选频特性 二变压器反馈式LC振荡电路 三三点式LC振荡电路 四石英晶体振荡电路 1 等效阻抗 一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 2 频率响应 互感线圈的极性判别 磁棒 初级线圈 次级线圈 同极性端 C L R u i 反馈信号通过互感线圈引出 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 二变压器反馈式LC振荡电路 反馈 满足相位平衡条件 满足相位平衡条件 反馈 正反馈 LC正弦波振荡器举例 振荡频率 uo 满足相位平衡条件 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 三三点式LC振荡电路 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 2 电感三点式振荡电路 振荡频率 3 电容三点式振荡电路 振荡频率 例 试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件 a b Q值越高 选频特性越好 频率越稳定 四石英晶体振荡电路 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 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 2 石英晶体的基本特性与等效电路 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 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 二 石英晶体振荡电路 利用石英晶体的高品质因数的特点 构成LC振荡电路 1 并联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在fs与fp之间 相当一个大电感 与C1 C2组成电容三点式振荡器 由于石英晶体的Q值很高 可达到几千以上 所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性 2 并联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在fs处 呈电阻性 且阻抗最小 正反馈最强 该电路为电感三点式振荡器 加入石英晶体是利用石英晶体的高Q值 提高振荡频率的稳定性 例 分析下图的振荡电路能否产生振荡 若产生振荡 石英晶体处于何种状态 a b 9 2电压比较电路 9 2 1概述 9 2 2单限比较电路 9 2 3滞回比较电路 9 2 4窗口比较电路 9 2 1概述 将一个模拟电压信号与一参考电压相比较 输出一定的高低电平 功能 特性 运放组成的电路处于非线性状态 输出与输入的关系uo f ui 是非线性函数 1 运放工作在非线性状态的判定 电路开环或引入正反馈 运放工作在非线性状态基本分析方法 2 运放工作在非线性状态的分析方法 若U U 则UO UOM 若U U 则UO UOM 虚断 运放输入端电流 0 注意 此时不能用虚短 1 过零比较器 门限电平 0 9 2 2单门限电压比较器 例题 利用电压比较器将正弦波变为方波 2 单门限比较器 与参考电压比较 UREF UREF为参考电压 当ui UREF时 uo Uom当ui UREF时 uo Uom 运放处于开环状态 UREF 当uiUREF时 uo Uom 若ui从反相端输入 用稳压管稳定输出电压 忽略了UD 3 限幅电路 使输出电压稳定 稳幅电路的另一种形式 将双向稳压管接在负反馈回路上 R R 9 2 3滞回比较电路 1 滞回比较器 特点 电路中使用正反馈 1 因为有正反馈 所以输出饱和 2 当uo正饱和时 uo UOM 3 当uo负饱和时 uo UOM 滞回比较器 设ui 当ui UT uo从 UOM UOM 这时 uo UOM U UT 设初始值 uo UOM U UT 设ui 当ui UT uo从 UOM UOM 传输特性 UT 上门限电压UT 下门限电压UT UT 称为回差 例 设输入为正弦波 画出输出的波形 加上参考电压后的迟滞比较器 上下限 例题 R1 10k R2 10k UZ 6V UREF 10V 当输入ui为如图所示的波形时 画出输出uo的波形 上下限 窗口比较器的电路如图14 04所示 电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成 设R1 R2 则有 图14 04窗口比较器 9 2 4窗口比较电路 当vI VH时 vO1为高电平 D3导通 vO2为低电平 D4截止 vO vO1 当vI VL时 vO2为高电平 D4导通 vO1为低电平 D3截止 vO vO2 当VH vI VL时 vO1为低电平 vO2为低电平 D3 D4截止 vO为低电平 窗口比较器的传输特性 该比较器有两个阈值 传输特性曲线呈窗口状 故称为窗口比较器 9 3非正弦波发生电路 9 3 1矩形波发生电路 9 3 2三角波发生电路 9 3 3锯齿波发生电路 1 电路结构 由滞回比较电路和RC定时电路构成的 上下限 9 3 1矩形波发生电路 2 工作原理 1 设uo UOM 此时 输出给C充电 uc 则 u UT 一旦uc UT 就有u u 在uc UT 时 u u uo立即由 UOM变成 UOM 设uC初始值uC 0 0 方波发生器 uo保持 UOM不变 此时 C经输出端放电 再反向充电 2 当uo UOM时 u UT uc达到UT 时 uo上翻 当uo重新回到 UOM以后 电路又进入另一个周期性的变化 周期与频率的计算 f 1 T 此期间是分析问题时的假设 实际上用示波器观察波形时看不到这段波形 周期与频率的计算 T T1 T2 2T2 因正反向充电条件一样T1 T2 T2阶段uc t 的过渡过程方程为 UC UOM 周期与频率的计算 占空比可调的矩形波电路 显然为了改变输出方波的占空比 应改变电容器C的充电和放电时间常数 占空比可调的矩形波电路见图14 09 C充电时 充电电流经电位器的上半部 二极管D1 Rf C放电时 放电电流经Rf 二极管D2 电位器的下半部 图14 09占空比可调方波发生电路 占空比为 图14 08方波发生器波形图 9 3 2三角波发生电路 1 电路组成用积分运算电路可将方波变为三角波 实际电路将两个RC环节合二而一 uO要取代uC 必须改变输入端 集成运放应用电路的分析方法 化整为零 分块 分析功能 每块 统观整体 性能估算 2 工作原理 滞回比较器 积分运算电路 求滞回比较器的电压传输特性 三要素UOH UOL UT uI过UT时曲线的跃变方向 三角波发生电路的振荡原理 合闸通电 通常C上电压为0 设uO1 uP1 uO1 直至uO1 UZ 第一暂态 积分电路反向积分 t uO 一旦uO过 UT uO1从 UZ跃变为 UZ 第二暂态 积分电路正向积分 t uO 一旦uO过 UT uO1从 UZ跃变为 UZ 返回第一暂态 重复上述过程 产生周期性的变化 即振荡 3 波形分析 为什么为三角波 怎样获得锯齿波 1 R3应大些 小些 2 RW的滑动端在最上端和最下端时的波形 T 3 R3短路时的波形 若T2决定于外加电压 则电路的振荡频率就几乎仅仅受控于外加电压 实现了u f的转换 9 3 3锯齿波发生电路 压控振荡器 u f转换电路 若uI 0 则如何改动 单位时间内脉冲个数表示电压的数值 故实现A D转换 本章小结 1 自激振荡可以使反馈放大器工作不稳定 但我们可以利用产生自激振荡的条件去构成正反馈电路 以产生正弦波振荡 正弦波振荡电路由放大器 反馈网络 选频网络和稳幅环节构成 2 正弦波振荡电路主要有RC振荡电路和LC振荡电路两种 RC振荡电路主要用于中低频场合 LC振荡电路主要用于高频场合 石英晶体振荡电路是一种特殊类型的LC振荡电路 其特点是具有很高的频率稳定性 3 比