模拟电子技术基础--第8章--波形的产生和信号的转换.ppt

1、第 八 章 信号产生电路,作业,8.1 8.2 8.6 8.8 8.10 8.11 8.12 8.14 8.15 8.20 8.21,在实践中，广泛采用各种类型的信号产生电路，就其波形来说，可能是正弦波或非正弦波。 在通信、广播、电视系统中，都需要射频(高频)发射，这里的射频波就是载波，把音频(低频)、视频信号或脉冲信号运载出去，这就需要能产生高频信号的振荡器。 在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火，超声波焊接，超声诊断，核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。可见，正弦波振荡电路在各个科学技术领域的应用是十分广泛的。 非正弦信号(方波、锯齿波等)发生器

2、在测量设备、数字系统及自动控制系统中的应用也日益广泛。,学习指导,信号发生器,正弦信号发生器 RC LC 石英晶体 非正弦信号发生器 方波 三角波 锯齿波,信号发生器,即自激振荡电路,不用外加输入信号 直流能源 交流能源(具有一定频率、一定幅度、一定波形（正弦波、非正弦波）),第一节 产生正弦波振荡的条件,回忆负反馈放大电路的自激振荡的条件,负反馈放大电路有可能自激振荡，这与本章要讨论的振荡有原则区别 由于在高频区、低频区放大电路中不可避免（必须考虑三极管的结电容、隔直电容、旁路电容的影响）地存在附加相移，使放大电路在中频区人为引入地负反馈，在高频区、低频区转化为正反馈，当满足一定的幅值和相位

3、条件时，便产生了持续的自激振荡。破坏了系统的正常工作，必须加以消除。 对中频信号而言的负反馈,向量之差,就是正反馈,就是负反馈,即,在放大电路中人为引入正反馈（对放大电路的中频区而言），并使之满足一定的幅值和相位条件而产生自激振荡。要创造条件使自激振荡出现。 自激振荡是正反馈的一个特例,二、正弦波电压振荡电路的四个组成部分,基本电压放大电路 正反馈网络 选频网络 稳幅环节,RC 振荡器 低频1MHZ 石英晶体,稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从起振时的AF1 到稳定振荡时的AF=1,由于放大电路的非线性特性，随着uid的增加，A在减小（因为uid的增加使三极管的动

4、态工作范围进入饱和区和截止区，输出波形被削顶、削底，电压放大倍数减小）当AF=1时，输出达到稳定，这时输出波形有失真。,起振与稳幅,电路如何从起振到稳幅？,稳定的振幅,也可以使F降低，这样可以保证输出不失真 还可以在基本放大电路中引入负反馈（由非线性电阻引入），使放大倍数可以根据输出变化而调整，而放大电路中的三极管的动态工作范围一直处在放大区,正弦波信号发生器根据选频网络的分类,常用选频网络所用元件分类： 1) RC正弦波振荡电路：几百千赫以下 2) LC正弦波振荡电路：几百千赫几百兆赫 3) 石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定,1. 电路组成,反馈网络兼做选频网络,反馈系数,2. RC串并

5、联选频网络的选频特性,幅频响应,又,且令,则,相频响应,当,幅频响应有最大值,相频响应,在所有频率范围内，在+90和-90之间,三、判断电路是否满足相位平衡条件的方法,对于 的正弦信号而言， 可以成立,四、RC正弦波电压振荡电路自激振荡的建立过程和振幅的稳定,五、稳幅的其它措施,（一）采用热敏元件稳幅 （二）采用场效应管稳幅 （三）采用二极管稳幅,采用非线性元件,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,场效应管（JFET）,稳幅原理,整流滤波,T 压控电阻,整流滤波 第10章,二极管,当输出幅值很小时，二极管D1、D2接近开路，由D1、D2和R3组成的并联支路的等效电

6、阻近似为2.7千欧，A约3.3，3，有利于起振。,当输出幅值较大时，二极管D1或D2导通，由D1、D2和R3组成的并联支路的等效电阻减小，A随之下降，输出幅值趋于稳定。,频率可调的文氏桥振荡器,改变电容以粗调，改变电位器滑动端以微调。,加稳压管可以限制输出电压的峰-峰值。,同轴 电位器,作业 8.7,讨论一：合理连接电路，组成文氏桥振荡电路,8.1.3 LC正弦波振荡电路,1. 等效阻抗,LC并联谐振回路选频特性,等效损耗电阻,即 时，,电路发生谐振。,为谐振频率,谐振时阻抗最大且为纯阻性,其中,为品质因数，评价回路损耗大小的指标,同时有,即,外界对谐振回路的影响可忽略,VO与IS同相,2.

7、频率响应,LC并联谐振回路选频特性,谐振回路具有选频特性,变压器反馈式LC振荡电路,电感反馈式LC振荡电路，电感三点式,电容反馈式LC振荡电路 ，电容三点式,谐振回路的三个引出端与三极管的三个电极相连(指交流连接),其中两个同性质电抗的公共点与发射极相连,而另一个异性电抗则连在集电极与基极间。,总结：对分立元件放大电路,谐振回路的三个引出端与集成运放的三个端子(同相端、反相端、输出端)相连(指交流连接),其中两个同性质电抗的公共点与同相端相连，而另一个异性电抗则连在反相端与输出端之间。,总结：对运放作为放大电路,一般情况下，不用运放，只用分立元件，因为运放的上限截止频率低,例题,讨论三,同名端

8、？,注意事项： 1. 放大电路必须能够正常工作，放大电路的基本接法； 2. 断开反馈，在断开处加 f=f0的输入电压； 3. 找出在哪个元件上获得反馈电压，是否能取代输入电压。,Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。,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,石英晶体振荡电路,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,石英晶体振荡电

9、路,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,电路, 石英晶体工作在哪个区？ 是哪种典型的正弦波振荡电路？, 石英晶体工作在哪个区？ 两级放大电路分别为哪种基本接法？ C1的作用？,（1）并联型电路,（2）串联型电路,8.2 电压比较器,一、概述,二、单限比较器,三、滞回比较器,四、窗口比较器,五、集成电压比较器,一、概述,1. 电压比较器的功能：比较电压的大小。 广泛用于各种报警电路。 输入电压是连续的模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况。 使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。,2. 电压比

10、较器的描述方法 :电压传输特性 uOf(uI),电压传输特性的三个要素： （1）输出高电平UOH和输出低电平UOL （2）阈值电压UT （3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向,3. 几种常用的电压比较器,（1）单限比较器：只有一个阈值电压,（3）窗口比较器： 有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。,（2）滞回比较器：具有滞回特性 输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。回差电压,4、集成运放的非线性工作区,电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈,集成运放工作在非线性区的特点,1) 净输入电流为0（虚断） 2) uP uN时， uOU

11、OM uP uN时， uOUOM,二、单限比较器 1. 过零比较器,（1）UT0 （2）UOH UOM， UOL UOM （3）uI 0 时 uO UOM; uI 0 时 uO UOM,集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运放的输入端，需加输入端限幅电路。,集成运放的净输入电压最大值为UD,输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。,电压传输特性,（同相过零比较器）,思考,1.若过零比较器如图所示，则它的电压传输特性将是怎样的？ 2.输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？,（同相过零比较器）,反相过零比较器,门限电压不为零的比较器,电压传输特性,输入为正负对称的正弦波时，输出波形如图

12、所示。,门限电压 Vth VREF,VREF可正可负,输出限幅电路 为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。,UOH UZ1 UD2 UOL( UZ2 UD1),UOH UOL UZ,UOH UZ UOL UD,不可缺少！,输出限幅电路,uO UZ,（1）保护输入端 （2）加速集成运放状态的转换,电压比较器的分析方法： （1）写出 uP、uN的表达式，令uP uN，求解出的 uI即为UT； （2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平； （3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出电压的跃变方向。,2. 一般单限比较器,（1）若要UT 0，则应如何修改电路？ （2）若要改变曲

13、线跃变方向，则应如 何修改电路？ （3）若要改变UOL、UOH呢？,作用于反相输入端,三、滞回比较器 1. 阈值电压,三、滞回比较器 2. 工作原理及电压传输特性,设uIUT，则 uN uP， uO+UZ。此时uP +UT，增大 uI，直至+UT，再增大， uO才从+UZ跃变为 UZ。,设 uI+UT，则 uN uP， uOUZ。此时uP UT，减小 uI，直至UT，再减小， uO才从UZ跃变为+UZ。,1. 若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？,讨论一：如何改变滞回比较器的电压传输特性,2. 若要电压传输特性曲线上下移动，则应如何修改电路？,3. 若要改变输入电压过 阈值电压时输

14、出电压的 跃变方向，则应如何修 改电路？,改变输出限幅电路,四、窗口比较器,当uIURH时，uO1= uO2= UOM，D1导通， D2截止； uO= UZ。,当uIURH时，uO2= uO1= UOM，D2导通， D1截止； uO= UZ 。,当URLuI URH时， uO1= uO2= UOM，D1、 D2均截止； uO= 0。,特点： 1. 无需限幅电路，根据电源电压确定所需高、低电平； 2. 可直接驱动集成数字电路； 3. 响应速度快； 4. 可具有选通端； 5. 电源电压升高，工作电流增大，工作速度加快。,五、集成比较器,某型号集成比较器的等效电路,讨论二,已知某型号集成电压比较器内

15、部等效电路如图（a）所示，试求解图（b）（e）各电路的电压传输特性。,讨论三,已知各电压比较器的电压传输特性如图所示，说出它们各为哪种电压比较器；输入电压为5sint (V)，画出各电路输出电压的波形。,你能分别组成具有图示电压传输特性的电压比较器电路吗？,同相输入 单限比较器,反相输入 滞回比较器,窗口 比较器,讨论四：求解图示各电路的电压传输特性。,8.3 非正弦波发生电路,一、常见的非正弦波,二、矩形波发生电路,三、三角波发生电路,四、锯齿波发生电路,五、波形变换电路,一、常见的非正弦波,矩形波,三角波,锯齿波,尖顶波,阶梯波,矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。,二、矩形波发

16、生电路,输出无稳态，有两个暂态；若输出为高电平时定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。,1. 基本组成部分 （1）开关电路：输出只有高电平和低电平两种情况，称为两种状态；因而采用电压比较器。 （2）反馈网络：自控，在输出为某一状态时孕育翻转成另一状态的条件。应引入反馈。 （3）延迟环节：使得两个状态均维持一定的时间，决定振荡频率。利用RC电路实现。,2. 电路组成,正向充电： uO（+UZ）RC地,反向充电： 地C R uO（UZ）,RC 回路,滞回比较器,3. 工作原理：分析方法,方法一： 设电路已振荡，且在某一暂态，看是否能自动翻转为另一暂态，并能再回到原暂态。 方法二： 电路合闸通电

17、，分析电路是否有两个暂态，而无稳态。,设合闸通电时电容上电压为0，uO上升，则产生正反馈过程： uO uN uO ，直至 uOUZ， uP+UT，第一暂态。,3. 工作原理：分析,电容正向充电，t uN，t ， uN UZ；但当uN +UT时，再增大， uO从+ UZ跃变为-UZ， uPUT，电路进入第二暂态。,电容反向充电，t uN，t ， uN - UZ；但当uN UT时，再减小， uO从- UZ跃变为+UZ， uP+UT，电路返回第一暂态。,第一暂态：uOUZ， uP+UT。,脉冲宽度,4. 波形分析,正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。,5. 占空比可调电路,为了占空比调节范

18、围大，R3应如何取值？,三、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 环节合二为一,为什么采用同相输入的滞回比较器？,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。,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。,电路状态翻转时，uP1=?,三角波发生电路的振荡原理,3. 波形分析,如何调整三角波的幅值和频率？,为什么为三角波？怎样获得锯齿波？,“理