波形的发生和信号的转换课件

波形的發生和信號的轉換8.1正弦波振盪電路8.1.1概述~放大電路回饋網路如果回饋電壓uf

與原輸入信號ui

完全相等，則即使無外輸入信號，放大電路輸出端也有一個正弦波信號——自激振盪。(電路要引入正回饋)圖8.1.2正弦波振盪電路的方框圖一、產生正弦波振盪的條件2由此知放大電路產生自激振盪的條件是：即：所以產生正弦波振盪的條件是：——幅度平衡條件——相位平衡條件電路起振的條件：3二、正弦波振盪電路的組成及分類

組成：放大電路：集成運放選頻網路：確定電路的振盪頻率回饋網路：引入正回饋穩幅環節：非線性環節，使輸出信號幅值穩定分類：RC正弦波振盪電路，頻率較低，在1MHz以下。LC正弦波振盪電路，頻率較高，在1MHz以上。石英晶體振盪電路，頻率較高，振盪頻率非常穩定。4三、判斷電路能否產生正弦波振盪的方法和步驟

1.檢查電路是否具備正弦波振盪的組成部分；

2.檢查放大電路的靜態工作點是否能保證放大電路正常工作；

3.分析電路是否滿足自激振盪的相位平衡條件判斷相位平衡條件的方法是：暫態極性法。5.估算振盪頻率和起振條件4.判斷是否滿足振幅平衡條件。58.1.2

RC正弦波振盪電路RC串並聯網路振盪電路也稱RC橋式正弦波振盪電路或稱文氏振盪電路(Wien)電路組成：放大電路

——

集成運放A；選頻與正回饋網路——R、C串並聯電路；穩幅環節——RF與R

組成的負回饋電路。6圖

8.1.4一、RC串並聯選頻網路Z1Z2取R1=R2=R，C1=C2=C，令

則：7得RC串並聯電路的幅頻特性為：相頻特性為：最大，

F=0。0

F01/3+90º-90º圖

8..1.58二、振盪頻率與起振條件1.振盪頻率2.起振條件f=f0時，由振盪條件知：所以起振條件為：同相比例運放的電壓放大倍數為即要求：9三、振盪電路中的負回饋(穩幅環節)引入電壓串聯負回饋，可以提高放大倍數的穩定性，改善振盪電路的輸出波形，提高帶負載能力。回饋係數改變RF，可改變回饋深度。增加負回饋深度，並且滿足則電路可以起振，並產生比較穩定而失真較小的正弦波信號。圖

8.1.7回饋電阻RF採用負溫度係數的熱敏電阻，採用正溫度係數的熱敏電阻，均可實現自動穩幅。10穩幅的其他措施電流增大時，二極體動態電阻減小。電流減小時，動態電阻增大，加大非線性環節，從而使輸出電壓穩定。在RF回路中串聯二個並聯的二極體11四、振盪頻率可調的RC橋式正弦波振盪電路用雙層波段開關接不同電容，作為振盪頻率f0的粗調；用同軸電位器實現f0的微調。RC串、並聯網路中，如何調節頻率？問題：如何提高頻率？12*其他形式的RC振盪電路一、移相式振盪電路集成運放產生的相位移

A=180º，如果回饋網路再相移180º，即可滿足產生正弦波振盪的相位平衡條件。振盪頻率為：0

270º180º90º當f=f0時，相移180º，滿足正弦波振盪的相位條件。起振條件：RF>12R13*二、雙T選頻網路振盪電路振盪頻率約為：當f=f0

時，雙T網路的相移為

F=180º；反相比例運放的相移

A=180º，因此滿足產生正弦波振盪的相位平衡條件。如果放大電路的放大倍數足夠大，同時滿足振幅平衡條件，即可產生正弦波振盪。起振條件14*三種RC振盪電路的比較名稱RC串並聯網路振盪電路移相式振盪電路雙T網路選頻振盪電路電路形式振盪頻率起振條件電路特點及應用場合可方便地連續調節振盪頻率，便於加負回饋穩幅電路，容易得到良好的振盪波形。電路簡單，經濟方便，適用於波形要求不高的輕便測試設備中。選頻特性好，適用於產生單一頻率的振盪波形。158.1.3

LC

正弦波振盪電路

一、LC

諧振回路的頻率特性當頻率變化時，並聯電路阻抗的大小和性質都發生變化。並聯電路的導納：當電路發生並聯諧振。圖

8.1.1016並聯諧振角頻率令：——諧振回路的品質因數當Q>>1時諧振頻率：17回路等效阻抗：LC並聯回路的阻抗：發生並聯諧振時，在諧振頻率附近，可見，Q值不同，回路的阻抗不同。18不同Q

值時，LC並聯電路的幅頻特性：Z01Z02Q1>Q2Q1Q2相頻特性：

F+90º-90ºQ1Q2Q1>Q2感性純阻容性結論：

1.當f=f0

時，電路為純電阻性，等效阻抗最大；當f<f0

時，電路為感性；當f>f0

時，電路為容性。所以LC並聯電路具有選頻特性。

2.電路的品質因數Q愈大，選頻特性愈好。圖

8.1.1119諧振時LC

回路中的電流電容支路的電流：並聯回路的輸入電流：所以：當

Q>>1時，

結論：諧振時，電容支路的電流與電感支路的電流大小近似相等，而諧振回路的輸入電流極小。20若以LC並聯網路作為共射放大電路的集電極負載當f=f0時，電壓放大倍數的數值最大，且無附加相移。因而電路稱為選頻放大電路若增加正回饋，並用回饋電壓取代輸入電壓，則電路就成為正弦波振盪電路LC

正弦波振盪電路變壓器回饋式電感回饋式電容回饋式21二、變壓器回饋式振盪電路1.工作原理用暫態極性判斷為正回饋，所以滿足自激振盪的相位平衡條件。

-

2.振盪頻率和起振條件振盪頻率起振條件圖

8.1.14

變壓器回饋式振盪電路22三、電感回饋式振盪電路1.電路組成用暫態極性判斷為正回饋，所以滿足自激振盪的相位平衡條件。-

--2.振盪頻率和起振條件振盪頻率起振條件圖

8.1.1723四、電容回饋式振盪電路1.電路組成用暫態極性判斷為正回饋，所以滿足自激振盪的相位平衡條件。2.振盪頻率和起振條件振盪頻率起振條件

圖

8.1.20

--

-

-24電容回饋式改進型振盪電路振盪頻率選擇C<<C1，C<<C2，則：減小了三極管極間電容對振盪頻率的影響，適用於產生高頻振盪。圖

8.1.2225若要求電容回饋式振盪電路的振盪頻率高達100MHz，怎麼辦？採用共基放大電路如何分析？26名稱變壓器回饋式電感回饋式電容回饋式電容回饋式改進型電路形式振盪頻率起振條件同左頻率調節方法及範圍頻率可調，範圍較寬。同左頻率可調，範圍較小。同左振盪波形一般較差好好頻率穩定度可達10-4同左可達10-4~10-5可達10-5適用頻率幾千赫~幾十兆赫同左幾兆赫~一百兆赫同左各種LC

振盪電路的比較278.1.4石英晶體振盪器石英晶體諧振器，簡稱石英晶體，具有非常穩定的固有頻率。一、石英晶體的特點

壓電效應：在石英晶片的兩極加一電場，晶片將產生機械變形；若在晶片上施加機械壓力，在晶片相應的方向上會產生一定的電場。

壓電諧振：晶片上外加交變電壓的頻率為某一特定頻率時，振幅突然增加。1.壓電效應和壓電振盪282.等效電路和振盪頻率符號：串聯諧振頻率並聯諧振頻率電抗頻率特性OfXfsfp容性容性感性圖

8.1.27圖

8.1.2829二、石英晶體正弦波振盪電路1.並聯型石英晶體正弦波振盪電路交流等效電路振盪頻率由於圖

8.1.29302.串聯型石英晶體振盪電路圖

8.1.30

串聯型石英晶體振盪電路當振盪頻率等於fS

時，晶體阻抗最小，且為純電阻，此時正回饋最強，相移為零，電路滿足自激振盪條件。振盪頻率調節R

可改變回饋的強弱，以獲得良好的正弦波。318.2電壓比較器

1.電壓比較器將一個模擬量輸入電壓與一個參考電壓進行比較，輸出只有兩種可能的狀態：高電平或低電平。

2.比較器中的集成運放一般工作在非線性區；處於開環狀態或引入正回饋。

3.分類：單限比較器、滯回比較器及窗口比較器。8.2.1概述4.比較器是組成非正弦波發生電路的基本單元，在測量、控制、D/A和A/D轉換電路中應用廣泛。32一、電壓比較器的傳輸特性1.電壓比較器的輸出電壓與輸入端的電壓之間函數關係2.閾值電壓：UT當比較器的輸出電壓由一種狀態跳變為另一種狀態所對應的輸入電壓。3.電壓傳輸特性的三要素(1)輸出電壓的高電平UOH和低電平UOL的數值。(2)閾值電壓的數值UT。(3)當uI變化且經過UT時，uO躍變的方向。33二、理想運放的非線性工作區+UOMuOuP-uNO-UOM集成運放的電壓傳輸特性在電壓比較器中，集成運放不是工作在開環狀態，就是工作在正回饋。348.2.2單限比較器一、過零比較器由於理想運放的開環差模增益為無窮大，所以當uI<0時，uO=+

UOM；當uI>

0時，uO=-

UOM

；過零比較器的傳輸特性為：uIuO+UOM-UOMO

UOM

為集成運放的最大輸出電壓。閾值電壓：當比較器的輸出電壓由一種狀態跳變為另一種狀態所對應的輸入電壓。圖8.2.335利用穩壓管限幅的過零比較器設任何一個穩壓管被反向擊穿時，兩個穩壓管兩端總的的穩定電壓為UZ<UOMuIuO+UOM

-UOMO+UZ-UZ當uI<0時，不接穩壓管時，uO=+

UOM

，接入穩壓管後，左邊的穩壓管被反向擊穿，集成運放的反向輸入端“虛地”，uO=+

UZ

；當uI>0時，右邊的穩壓管被反向擊穿，uO=-

UZ

；圖

8.2.636利用穩壓管限幅的過零比較器(二)電路圖傳輸特性uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ問題：如將輸入信號加在“+”端，傳輸特性如何？37問題：過零比較器如圖所示，輸入為正負對稱的正弦波時，輸出波形是怎樣的？傳輸特性uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ將正弦波變為矩形波38二、單限比較器單限比較器有一個門限電平，當輸入電壓等於此門限電平時，輸出端的狀態立即發生跳變。當輸入電壓uI變化，使反相輸入端的電位為零時，輸出端的狀態將發生跳變，門限電平為：uIuO+UOM-UOMO+UZ-UZ過零比較器是門限電平為零的單限比較器。圖

8.2.7R1R239存在干擾時單限比較器的uI、uO

波形單限比較器的作用：檢測輸入的模擬信號是否達到某一給定電平。

缺點：抗干擾能力差。

解決辦法：採用具有滯回傳輸特性的比較器。40復習：1.RC正弦波串、並聯振盪電路電路圖振盪頻率起振條件如何穩幅如何調頻2.電壓比較器過零比較器uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ單限比較器R1R241電壓比較器分析方法小結（1）由限幅電路確定電壓比較器的輸出高電平UOH

和輸出低電平UOL

。（2）寫出up和uN的電位運算式，令up=uN

，解得輸入電壓就是閾值電壓UT。（3）u0在uI

過UT時的躍變方向決定於作用於集成運放的哪個輸入端。當uI從反向輸入端輸入時，uI<UT,u0=U0H

;uI>UT,u0=U0L

。反之，結論相反。42[例8.2.1]在圖8.2.6所示電路中，UZ=±6V，在圖8.2.7中所示電路中，R1=R2=5kΩ，基準電壓UREF=2V，穩壓管的穩定電壓UZ=±5V

；它們的輸入電壓均為圖8.2.8（a）所示的三角波。試畫出圖8.2.6所示電路的輸出電壓u01和圖8.2.7所示電路的輸出電壓u02

解圖8.2.6為過零比較器圖8.2.7為一般單限比較器。圖8.2.8例8.2.1波形圖R1R2438.2.3滯回比較器一、從反相輸入端輸入的滯回比較器電路計算閾值電壓UT電壓傳輸特性uo從+UZ躍變到-UZ的

閾值電壓為+UTuo從-UZ躍變到+UZ的

閾值電壓為-UTuI在-UT與+UT之間增加或減小,uO不發生變化44

UREF為參考電壓；；uI

為輸入電壓；輸出電壓uO為+UZ或-UZ。當uP

=uN

時，輸出電壓的狀態發生跳變。比較器有兩個不同的門限電平，故傳輸特性呈滯回形狀。

+UZuIuO-UZOUT-UT+圖

8.2.10

滯回比較器二、加了參考電壓的滯回比較器45若uO=

UZ

，當uI

逐漸減小時，使uO由

UZ

跳變為

UZ

所需的門限電平UT-

回差(門限寬度)

UT

：若uO=

UZ

，當uI

逐漸增大時，使uO由+UZ

跳變為-UZ

所需的門限電平UT+46[例8.2.2]已知輸入波形和電壓傳輸特性，分析輸出電壓的波形。圖8.2.11例8.2.2波形圖±UZ

＝±9V圖8.2.9滯回比較器電路uO/Vt0+9-9478.2.4窗口比較器參考電壓UREF1>UREF2若uI

低於UREF2

，運放A1輸出低電平，A2輸出高電平，二極體VD1

截止，VD2導通，輸出電壓uO為高電平；若uI

高於UREF1

，運放A1輸出高電平，A2輸出低電平，二極體VD2

截止，VD1

導通，輸出電壓uO為高電平；圖

8.2.13雙限比較器(a)前面的比較器在輸入電壓單一方向變化時，輸出電壓只躍變一次，因而不能檢測出輸入電壓是否在二個電壓之間。48當uI

高於UREF2而低於UREF1時，運放A1、A2均輸出低電平，二極體VD1

、VD2

均截止，輸出電壓uO為低電平；

上門限電平UTH=UREF1；

下門限電平UTL

=UREF2。uIuOOUTHUTL綜上所述，雙限比較器在輸入信號uI

<UREF2

或uI

>UREF1時，輸出為高電平；而當UREF2<uI<UREF1時，輸出為低電平。圖

8.2.13(b)498.2.5集成電壓比較器一、集成電壓比較器的主要特點和分類：1.具有較高的開環差模增益；2.具有較快的回應速度；3.具有較高的共模抑制比和允許共模輸入電壓較高；4.具有較低的失調電壓、失調電流及較低的溫漂。分類：單、雙和四電壓比較通用型、高速型、低電壓型和高精度型普通、集電極（或漏極）開路輸出或互補輸出型50二、集成電壓比較器的基本接法1.通用型集成電壓比較器AD790引腳圖+12V單電源供電，邏輯電源為5V。±5V雙電源供電，邏輯電源為5V。±15V雙電源供電，邏輯電源為5V。512.集電極開路集成電壓比較器LM119金屬封裝的管腳圖反相輸入2同相輸入2電路為雙限比較器，能實現線與功能圖8.2.16由LM119構成的雙限比較器及其電壓傳輸特性528.3非正弦波發生電路非正弦波：矩形波、三角波、尖頂波和階梯波等圖8.3.1幾種常見的非正弦波538.3.1矩形波發生電路一、電路組成RC

充放電回路滯回比較器圖

8.3.2滯回比較器：集成運放、R1、R2；充放電回路：R、C；（延遲環節、回饋網路）鉗位電路：VDZ、R3。（穩幅環節）54二、工作原理設t=0時，uC

=

0，uO=+UZ則tOuCOuOtu+u-當u-=uC

=u+

時，t1t2則當u-=uC

=u+

時，輸出又一次跳變，uO=+UZ輸出跳變，uO=-UZ圖

8.3.455三、振盪週期電容的充放電規律：對於放電，解得：結論：改變充放電回路的時間常數及滯回比較器的電阻，即可改變振盪週期。t1t2tOuCOuOtt3圖

8.3.4振盪頻率f=1/T56四、占空比可調的矩形波發生電路圖

8.3.5a使電容的充、放電時間常數不同且可調，即可使矩形波發生器的占空比可調。tOuCuOtOT1T2T充電時間T1放電時間T2占空比D圖

8.3.5b578.5.2三角波發生電路一、電路組成圖8.3.6採用波形變換的方法得到三角波uO1為方波電路分析uO2為三角波58二、工作原理當u+=u-

=0時，滯回比較器的輸出發生跳變。圖

8.3.8實用電路左邊是同相輸入滯回比較器右邊為反向積分運算電路圖

8.3.7R3R4傳輸特性+UT-UT+UZ-UZuOuI59二、工作原理OuO1tOuOt當u+=u-

=0時，滯回比較器的輸出發生跳變。圖

8.3.9圖

8.3.7R3R4設t=0時，uO1=+UZ

u0=060三、輸出幅度和振盪週期解得三角波的輸出幅度當u+=u-

=0時，uO1跳變為-UZ，uO

達到最大值Uom

。振盪週期調節電路中的R1、

R2、R3阻值和C