波形发生和信号转换电路课件

波形發生與信號轉換電路信號產生電路(振盪器—Oscillators)分類：正弦波振盪:非正弦波振盪：RC振盪器(1kHz~數百kHz)LC振盪器(幾百kHz以上)石英晶體振盪器(頻率穩定度高)方波、三角波、鋸齒波等主要性要求能：輸出信號的幅度準確穩定輸出信號的頻率準確穩定7.1概述7.2

正弦波發生電路7.2.1正弦波振盪的條件7.2.2RC

正弦波振盪電路7.2.3LC

正弦波振盪電路7.2.4石英晶體正弦波振盪電路7.2.1正弦波振盪的條件一、振盪條件放大器回饋網路Ui•Au•Fu•Uo•Uf•RL微弱的電擾動中，某一頻率成分通過正回饋逐漸放大，則產生正弦振盪。••••••••—振幅平衡條件—相位平衡條件n=0,1,2,

••二、起振條件起振條件放大器Au回饋網路FuUoUfUi

1/FuAu=1/FuOuiuoAuuoAuFu

>1Au

Fu

<1Ui1Uo1Uf1Ui2Uo2Uf2Ui3Uo3Uf2Ui4Uo4ufuf

起振穩幅•

•

三、電路的組成和起振的判斷1.放大電路Au2.正回饋網路Fu3.選頻率網路—實現單一頻率的振盪4.穩幅環節—使振盪穩定、波形好滿足振盪條件

組成:放大器選頻正回饋網路UoUfUi選頻放大器正回饋網路UoUfUi

判斷:1.檢查電路組成2.“Q”是否合適3.是否滿足起振條件7.2.2RC

正弦波發生電路一、RC

橋式振盪電路(文氏橋正弦波振盪電路）選頻網路自激回饋信號二、

RC

串並聯網路的選頻特性R1C1

串聯阻抗：R2C2

並聯阻抗：選頻特性：1.定性分析：（1）當信號的頻率很低時。>>R1>>R2其低頻等效電路為：其頻率特性為：當ω=0時，uf=0，│F│=0=+90°當ω↑時，uf=↑，│F│↑↓0|F|0φF90°（2）當信號的頻率很高時。＜＜R1＜＜R2其高頻等效電路為：其頻率特性為：當ω=∞時，uf=0，│F│=0=-90°當ω↓時，uf=↑，│F│↑↓0|F|0φF-90°ω0=？│F│max=？由以上分析知：一定有一個頻率ω0存在，當ω=ω0時，│F│最大，且=0°0|F|0φF90°0|F|0φF-90°2.定量分析R1C1

串聯阻抗：R2C2

並聯阻抗：頻率特性：通常，取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，則有：式中：可見：當時，│F│最大，且=0°

│F│max=1/3RC串並聯網路完整的頻率特性曲線：當時，│F│=│F│max=1/3φF+90°|F|1)

相位條件2)振盪條件Rf

不能太大，否則正弦波將變成方波應使：•

•••三、RC串並聯網路振盪電路3)振盪頻率在f0處滿足相位條件：因為：4)穩幅措施為使電Au

為非線性，起振時，應使Au>3，穩幅後Au=3。CR1RfRCR正溫度係數負溫度係數熱敏電阻穩幅R1R2V1V2R3Au

1+R2/R1=3為使失真小：R2<2R1R2>2R1-R3Au

1+(R2+R3)/R1>3起振時信號小，二極體電阻大12.4k

>R2>7.1k

f0=1.94kHz二極體穩幅7.2k

6.2k

22k

4.3k

0.01F7.2k

0.01F7.2.3LC

正弦波振盪電路類型：變壓器回饋式、電感三點式、電容三點式一、變壓器回饋式LC

振盪電路LRCIs.(一)

LC

並聯回路的選頻特性Z1.諧振頻率f02.諧振阻抗Z03.回路品質因數Q4.頻率特性

0

Z

Z0

Q大Q

小

0

f90º-90ºQ

增大幅頻特性相頻特性

Q為諧振回路的品質因數，Q值越大，曲線越陡越窄，選頻特性越好。5.阻抗與相位(二)變壓器回饋式振盪電路LC+VCCTRERB1RB2CECB—滿足相位平衡條件×同名端同極性1.電感三點式和電容三點式LC正弦波發生器把並聯LC回路中的C或L分成兩個，則LC回路就有三個端點。把這三個端點分別與三極管的三個極相連，就形成了LC三點式正弦波發生電路。它們又分為電感三點式和電容三點式兩類。LC三點式正弦波發生電路圖a）電感三點式b）電容三點式二、三點式LC振盪電路2.組成LC三點式正弦波發生電路的規律LC三點式正弦波發生電路的一般結構如下圖所示。圖LC三點式正弦波發生電路的一般結構a）反相放大b）同相放大圖a）為中點接地，圖b）為一端接地結論：在LC三點式正弦波發生電路中，為了判斷相位平衡條件，有：3.

電感三點式振盪電路C+VCCTRERB1RB2CECBL1L2C1×M123•••優點：缺點：易起振(L

間耦合緊)；易調節(C

可調)。輸出取自電感，對高次諧波阻抗大，輸出波形差。4.

電容三點式振盪電路考畢茲振盪器(Colpitts)×+VCCTRERB1RB2CECBLC1C2123LC3•••優點：波形較好缺點：2)T極間電容影響f01)

調頻時易停振C3的改進7.2.4石英晶體(Crystal)振盪電路(一)石英晶體諧振器的阻抗特性1.結構和符號化學成分

SiO2結構晶片塗銀層焊點符號2.壓電效應形變形變機械振動外力壓電諧振—外加交變電壓的頻率等於晶體固有頻率時，機械振動幅度急劇加大的現象。3.等效電路rC0CLL

—

晶體的動態電感

(10-3~102H)(大)C

—

晶體的動態電容

(<0.1pF)(小)r

—

等效摩擦損耗電阻(小)Co

—

晶片靜態電容

(幾~幾十pF)大小小大4.頻率特性和諧振頻率fXfPfS容性容性感性

5.使用注意2)要有合適的激勵電平。過大會影響頻率穩定度、振壞晶片；過小會使雜訊影響大，還能停振。1)要接一定的負載電容CL(微調)，

以達標稱頻率。(二)石英晶體諧振電路1.串聯型

f=fs，晶體呈純阻+VCCVRERB1RB2CBLC2.並聯型fs<f

<

fp，晶體呈感性+VCCVRERB1RB2CEC3C1C2RC××7.3

電壓比較器7.3.1簡單比較器7.3.2窗口比較器7.3.3滯回比較器電壓比較器(Comparer)的分類功能：類型基本比較器簡單比較器(單門限)窗口比較器(雙門限)滯回比較器(施密特觸發器)比較電壓信號(被測試信號與標準信號)大小構成：運放組成的電路處於非線性狀態，輸出與輸入的關係uo=f(ui)是非線性函數。1.運放工作在非線性狀態的判定：電路開環或引入正回饋。運放工作在非線性狀態基本分析方法2.運放工作在非線性狀態的分析方法：若U+＞U-

則UO=+UOM；若U+＜U-

則UO=-UOM。虛斷（運放輸入端電流=0）

注意：此時不能用虛短！uoui0+UOM-UOM7.3.1簡單比較器OuIuO1.過零電壓比較器uI

<0uI

>0UOmax-UOmaxUOHUOLuOuI電壓比較器基本特性1）高電平和低電平

UoH=3.4，UoL=0.42）鑒別靈敏度Aud越大，鑒別靈敏度越高3）轉換速率與壓擺率SR有關OuIuO2.同相輸入單門限比較器UZUREFuI

<UREF-UZuI

>UREF門限電壓UT特點:1)工作在非線性區2)不存在虛短

(除了uI=UREF

時)

3)存在虛斷門限電壓UT=UREF7.3.2窗口比較器uOU1U2uID1D2uO1uO2設U1>U2，比較器採用單電源uIuO1uO2D1D2uO<U2

>U1U2<uI

<U1UOmax截止導通UZ0UOmax0導通截止UZ00截止截止0UZOuIuOU1U2應用舉例—

三極管

值分選電路50

100，LED不亮。分析電路是否滿足要求：

<50

或

>100，LED亮，5V2.5VV1V2V+15V10k

20k

20k

430k

1M

5k

1.5k

3CG[解]IB=(15-0.7)/1430=0.01mA當

<50

時，IC<

0.5mA，UC<2.5V,V2

導通，LED亮當

>100

時，IC>

1mA，UC>5VV1

導通，LED亮當50

100時，2.5VUC

<5V，

LED不亮1)電路和門限電壓7.3.3滯回比較器1.反相型滯回比較器正回饋當uI

>uP

時，uO

=-UZ當uI

<uP

時，uO

=+UZ當uI=uP

時，狀態翻轉uIRR1UREFR2R3

UZPuO例：R1=30k

，R2=15k,

UZ=6V,UREF=0,求UT。特點：2)傳輸特性RR1uIUREFR2R3

UZPuOOuIuOUT+UT-UZ-UZ當uI

逐漸增大時

只要uI<UT+，則uO=UZ一旦uI>UT+，則uO=-UZ當uI

逐漸減小時只要uI>UT-，則uO=-UZ一旦uI<UT-，則uO=UZ上門限下門限

U=UT+

-UT-

U回差電壓uI

上升時與上門限比,uI

下降時與下門限比。2.同相型滯回比較器狀態翻轉時，uP=uN=UREF若UREF=0R1RuIUREFR2R3

UZNPuO傳輸特性OuIuOUT+UT-UZ-UZ

U=UT+

-UT-抗幹擾OuIt單門限比較UTuOUOHUOLOt滯回比較OuItUT-UT+UOHUOLOtuO整形OuItUT+UT-OuOtUOHUOLOuItUT+UT-OuOtUOHUOL7.4.1矩形波產生電路(AstableMultivibrator)1.電路組成和輸出波形-UZ

uO

uCtUT+UT-UZR1CR2R3

UZuOR積分電路

滯回比較器7.4非正弦波發生電路2.振盪頻率占空比=50%3.占空比可調的矩形波電路為了改變輸出方波的占空比，應改變電容器C的充電和放電時間常數。占空比可調的矩形波電路如下圖。一、信號產生電路的分類：正弦波振盪:非正弦波振盪：RC

振盪器

(低頻)LC

振盪器

(高頻)石英晶體振盪器(振盪頻率精確)方波、三角波、鋸齒波等。小結二、正弦波振盪條件、電路結構和選頻電路1.振盪條件—振幅平衡條件—

相位平衡條件n=0,1,2,

••判斷電路是否起振採用暫態極性法，即斷開回饋網路，加一信號，如果信號極性逐級變化後，返回後與原信號同極性，則滿足相位平衡條件。2.振盪電路的兩種結構放大器選頻正回饋網路UoUfUi選頻放大器正回饋網路UoUfUi3.選頻電路及其特性1)RC

串並聯式幅頻特性

0

Fu

.相頻特性

0

f90°–90°當

=

0=1/RC時

Fu=1/3.

=0º電路2)LC並聯諧振回路LuCr–

+iiLiC阻抗幅頻特性電路

0

Z

Z0

阻抗相頻特性

0

f90º–90º諧振頻率諧振阻抗回路品質因數三、正弦波振盪電路1.RC

橋氏振盪電路CR1RfRCR•••振盪頻率振盪條件即自動穩幅措施：使電Au成為非線性Rf

串接二極體(圖略)Rf

串接負溫度係數熱敏電阻R1採用正溫度係數熱敏電阻3.LC振盪電路變壓器回饋式LC+VCCVRERB1RB2CECB電感三點式C+VCCVRERB1RB2CECBL1L2C1電容三點式+VCCVRERB1RB2CECBLC1C2123四、石英晶體振盪電路1.等效電路和頻率特性符號等效電路rqC0CqLq頻率特性fXfPfS串