第八章 波形發(fā)生和信號(hào)的轉(zhuǎn)換

1、8.1正弦波振蕩電路的振蕩條件8.2 RC正弦波振蕩電路8.3 LC正弦波振蕩電路8.4非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路8.5集成函數(shù)發(fā)生器簡(jiǎn)介 第第8章章 信號(hào)產(chǎn)生電路信號(hào)產(chǎn)生電路一一. 產(chǎn)生自激振蕩的條件產(chǎn)生自激振蕩的條件fidXXX-=改成正反饋改成正反饋只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩?；痉糯蠡痉糯箅娐冯娐稟反饋電路反饋電路FiX+ dXoXfX8.1 正弦波振蕩器的基本原理正弦波振蕩器的基本原理+如果：如果：,ifXX=則去掉則去掉,iX仍有信號(hào)輸出。仍有信號(hào)輸出?；痉糯蠡痉糯箅娐冯娐稟反饋電路反饋電路FdXoXfX反饋信號(hào)代替了放大反饋信號(hào)代替了放大電路的輸

2、入信號(hào)。電路的輸入信號(hào)。基本放大基本放大電路電路A反饋電路反饋電路FiX+ +dXoXfX基本放大基本放大電路電路A反饋電路反饋電路FdXoXfXFA=1Xd=Xf所以，自激振蕩條件也可以寫(xiě)成：所以，自激振蕩條件也可以寫(xiě)成：自激振蕩的條件：自激振蕩的條件：（1）振幅條件：）振幅條件：1|=AF（2）相位條件：）相位條件：pjjnFA2=+n是整數(shù)是整數(shù)1.=FAAAAj=|因?yàn)椋阂驗(yàn)椋篎FFj=|.動(dòng)畫(huà)演示動(dòng)畫(huà)演示起振條件和穩(wěn)幅原理振蕩建立與振蕩建立與穩(wěn)定過(guò)程圖穩(wěn)定過(guò)程圖1|FA起振條件起振條件：結(jié)果：產(chǎn)生增幅振蕩結(jié)果：產(chǎn)生增幅振蕩（略大于）1 1、被動(dòng)：器件非線性、被動(dòng)：器件非線性2 2、主

3、動(dòng)：在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅、主動(dòng)：在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)放大電路的放大電路的增益增益穩(wěn)幅：穩(wěn)幅：8 . 2 RC振蕩電路振蕩電路一一. RC 串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性R1C1R2C2OUfU)j/1 (111CRZ+=222222j1 )j/1/(CRRCRZ+=R1C1 串聯(lián)阻抗：串聯(lián)阻抗：R2C2 并聯(lián)阻抗：并聯(lián)阻抗：選頻特性：選頻特性：)1()1 (112211221CRCRjCCRRUUOf-+=R1C1R2C2OUfU時(shí)，相移為時(shí)，相移為0 0。12211CRCR=當(dāng)當(dāng)22212ofZZZUUF+=如果：如果：R1=R2=R，C1=

4、C2=C，則：，則：RCfp210=12211CRCR=21211CCRR=01CR=0)1()1 (112211221CRCRjCCRRUUof-+=13=選頻特性選頻特性)1(31CRCRj-+=o時(shí)RC橋式振蕩器的工作原理：橋式振蕩器的工作原理：0=Aj在在 f0 處處,0=Fj滿足相位條件：滿足相位條件：因?yàn)椋阂驗(yàn)椋篈F=131=F11f+=RRA1f2RR =uo_+ + RfRCRCR1A=3uouo3A=3同相放大器同相放大器文氏橋選頻電路文氏橋選頻電路輸出正弦波頻率：輸出正弦波頻率：RCfp210=0=+FAjj振幅條件：振幅條件：例題例題: :R=1kR=1k ，C=0.1C

5、=0.1 F F，R R1 1=10k=10k 。R Rf f為多大時(shí)才為多大時(shí)才能起振？振蕩頻率能起振？振蕩頻率f f0 0= =？ uo_+ + RfRCRCR1AF=1，31=F11f+=RRAA=3=2 10=20k k RCfp210=1592 Hz起振條件：起振條件：1f2RR =能自動(dòng)穩(wěn)幅的振蕩電路能自動(dòng)穩(wěn)幅的振蕩電路半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻(負(fù)溫度系數(shù)）負(fù)溫度系數(shù)）起振時(shí)起振時(shí)R RT T2R2R1 1, , 使使A3,A3,易起振。易起振。當(dāng)當(dāng)u uo o幅度自激增長(zhǎng)幅度自激增長(zhǎng)達(dá)某一值時(shí)，達(dá)某一值時(shí)， R RT T=2R=2R1 1，A=3A=3。當(dāng)當(dāng)u uo o進(jìn)一步

6、增大時(shí)，進(jìn)一步增大時(shí)， R RT T2R2R1 1 , ,使使A3AR121F1fF2RRA+=F1R+2AF 1可調(diào)可調(diào)A 2RF1+RF2 RfLC10RCLZ =0LCfp2108.3.1. LC并聯(lián)諧振回路的并聯(lián)諧振回路的選頻特性選頻特性CLRuiLici(阻性阻性)LC并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振特點(diǎn)：特點(diǎn)：諧振時(shí)，總路電流很小，諧振時(shí)，總路電流很小，支路電流很大，電感與電容的無(wú)功功率互相支路電流很大，電感與電容的無(wú)功功率互相補(bǔ)償，電路呈阻性。用于選頻電路。補(bǔ)償，電路呈阻性。用于選頻電路。R為電感線圈中的電阻為電感線圈中的電阻 8.3 LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器 Q Q為諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，為

7、諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，Q Q值越大，曲線越陡越窄，值越大，曲線越陡越窄，選頻特性越好。圖中選頻特性越好。圖中Q Q1 1Q Q2 2。并聯(lián)諧振阻抗為并聯(lián)諧振阻抗為Z Z0 0CLQCQLQRCLZ=000諧振時(shí)諧振時(shí)LC并聯(lián)諧振電路并聯(lián)諧振電路相當(dāng)一個(gè)電阻。相當(dāng)一個(gè)電阻。LC并聯(lián)諧振回路的并聯(lián)諧振回路的幅頻特性曲線幅頻特性曲線互感線圈的極性判別互感線圈的極性判別1234磁棒磁棒初級(jí)線圈初級(jí)線圈次級(jí)線圈次級(jí)線圈同極性端同極性端1234+CLRuiLici反饋信號(hào)反饋信號(hào)通過(guò)通過(guò)互感互感線圈引出線圈引出8.3.2. 變壓器反饋式變壓器反饋式LC振蕩電路振蕩電路 工作原理：工作原理：三極管共射放大器。

8、三極管共射放大器。利用互感線圈的同利用互感線圈的同名端：名端：180=Aj180=Fj360=+AAjj 滿足相位條件。滿足相位條件。振蕩頻率振蕩頻率:LCfp210判斷是否是正反饋判斷是否是正反饋:用用瞬時(shí)極性法瞬時(shí)極性法判斷判斷VCCRb1ReRb2C1CeMLCcbeTvo(+)(-)(+)(+)VCCRb1ReRb2C1MLCcbeT(+)(+)(+)(+)LC正弦波振蕩器舉例正弦波振蕩器舉例反饋反饋滿足相位平衡條件滿足相位平衡條件滿足相位平衡條件滿足相位平衡條件反饋反饋+ 正反饋正反饋 LC正弦波振蕩器舉例正弦波振蕩器舉例振蕩頻率振蕩頻率:+UCCCC1LLCfp210uo滿足相位平

9、衡條件滿足相位平衡條件仍然由仍然由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)A. 若中間點(diǎn)交流接地，則首端與尾端若中間點(diǎn)交流接地，則首端與尾端 相位相反。相位相反。8.3.3. 三點(diǎn)式三點(diǎn)式LC振蕩電路振蕩電路原理：原理：C1C2首端首端尾端尾端中間端中間端L電容三點(diǎn)式電容三點(diǎn)式C首端首端尾端尾端中間端中間端L1L2電感三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式中間端的瞬時(shí)電位一定在首、尾端電中間端的瞬時(shí)電位一定在首、尾端電位之間。位之間。三點(diǎn)的相位關(guān)系三點(diǎn)的相位關(guān)系B. 若首端或尾端交流接地，則其他兩若首端或尾端交流接地，則其他兩 端相位相同。端相位相同。8.3.3. 三點(diǎn)式三點(diǎn)式LC振蕩器振蕩器 1.電感

10、三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式LC振蕩電路振蕩電路振蕩頻率：振蕩頻率：CMLLLCf)2(2121210+=pp2. 電容三點(diǎn)式LC振蕩電路振蕩頻率：振蕩頻率：212102121CCCCLLCf+=ppQ值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。8.3.4 石英晶體石英晶體振蕩電路振蕩電路1. 頻率穩(wěn)定問(wèn)題頻率穩(wěn)定問(wèn)題頻率穩(wěn)定度一般由頻率穩(wěn)定度一般由 來(lái)衡量來(lái)衡量0ff 頻率偏移量。頻率偏移量。f 0f振蕩頻率。振蕩頻率。LC振蕩電路振蕩電路 Q 數(shù)百數(shù)百石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路 Q 10000 500000一一. 石英晶體石英晶體2. 基本特性基本特性1. 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：極

11、板間加電場(chǎng)極板間加電場(chǎng)極板間加機(jī)械力極板間加機(jī)械力晶體機(jī)械變形晶體機(jī)械變形晶體產(chǎn)生電場(chǎng)晶體產(chǎn)生電場(chǎng)壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)交變電壓交變電壓機(jī)械振動(dòng)機(jī)械振動(dòng)交變電壓交變電壓機(jī)械振動(dòng)的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高機(jī)械振動(dòng)的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高當(dāng)交變電壓頻率當(dāng)交變電壓頻率 = 固有頻率時(shí)，振幅最大固有頻率時(shí)，振幅最大 壓電諧振壓電諧振3. 石英晶體的等效電路與頻率特性石英晶體的等效電路與頻率特性等效電路：等效電路：LCfp p21s= =（1）串聯(lián)諧振）串聯(lián)諧振頻率特性：頻率特性： 晶體等效阻抗為純阻性晶體等效阻抗為純阻性0p121CCLCf+ += =p p（2）并聯(lián)諧振）并聯(lián)諧振通常通常

12、0CC 0s1CCf+ += =所以所以很很接接近近與與 psff實(shí)際使用時(shí)外接一小電容實(shí)際使用時(shí)外接一小電容Cs則新的諧振頻率為則新的諧振頻率為s0s121CCCLCf+ + += = p p由于由于s0CCC+ + s0s1CCCf+ + += =由此看出由此看出 + + += = )(21s0ssCCCff；時(shí)時(shí)， 0 pssffC= = sss ffC= = 時(shí)時(shí)，調(diào)整調(diào)整之之間間變變化化和和在在可可使使 psssfffC 二二. 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路利用石英晶體的高品質(zhì)因數(shù)的特點(diǎn)，構(gòu)成利用石英晶體的高品質(zhì)因數(shù)的特點(diǎn)，構(gòu)成LC振蕩電路。振蕩電路。1. 并聯(lián)型石英晶體振蕩器并

13、聯(lián)型石英晶體振蕩器 石英晶體工作在石英晶體工作在fs s與與fp p之間，相當(dāng)一個(gè)大電感，與之間，相當(dāng)一個(gè)大電感，與C C1 1、C C2 2組成電容三點(diǎn)式振蕩器。由于石英晶體的組成電容三點(diǎn)式振蕩器。由于石英晶體的Q值很高，可達(dá)到幾值很高，可達(dá)到幾千以上，所示電路可以獲得很高的振蕩頻率穩(wěn)定性。千以上，所示電路可以獲得很高的振蕩頻率穩(wěn)定性。2. 并聯(lián)型石英晶體振蕩器并聯(lián)型石英晶體振蕩器 石英晶體工作在石英晶體工作在fs s處，呈電阻性，且阻抗最小，正反饋?zhàn)钐?，呈電阻性，且阻抗最小，正反饋?zhàn)顝?qiáng)。該電路為電感三點(diǎn)式振蕩器。強(qiáng)。該電路為電感三點(diǎn)式振蕩器。 加入石英晶體是利用石英晶體的高加入石英晶體是利

14、用石英晶體的高Q值，提高振蕩頻率的值，提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。8.4.1 8.4.1 比較器比較器 將一個(gè)模擬電壓信號(hào)與一將一個(gè)模擬電壓信號(hào)與一參考電壓參考電壓相比較，輸相比較，輸出一定的高低電平。出一定的高低電平。功能：功能：特性：特性：運(yùn)放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入運(yùn)放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關(guān)系的關(guān)系uo=f(ui)是非線性函數(shù)。是非線性函數(shù)。8.4 非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路1. 1. 運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的判定：電路開(kāi)環(huán)或引入正反饋。運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的判定：電路開(kāi)環(huán)或引入正反饋。運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)基本分析方法運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)基本分析方

15、法2. 2. 運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的分析方法：運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的分析方法： 若若U+U- 則則UO=+UOM； 若若U+U- 則則UO=-UOM。 虛斷（運(yùn)放輸入端電流虛斷（運(yùn)放輸入端電流=0） 注意：此時(shí)不能用虛短！注意：此時(shí)不能用虛短！uoui0+UOM-UOM+uoui1. 過(guò)零比較器過(guò)零比較器: （門(mén)限電平（門(mén)限電平=0）+uouiuoui0+UOM-UOM一一. .單門(mén)限電壓比較器單門(mén)限電壓比較器2. 單門(mén)限比較器（與參考電壓比較）單門(mén)限比較器（與參考電壓比較）+uouiUREFuoui0+Uom-UomUREFUREF為參考電壓為參考電壓當(dāng)當(dāng)ui UREF時(shí)時(shí) , uo = +

16、Uom當(dāng)當(dāng)ui UREF時(shí)時(shí) , uo = -Uom 運(yùn)放處于運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)開(kāi)環(huán)狀態(tài)+uouiUREFuoui0+Uom-UomUREF當(dāng)當(dāng)ui UREF時(shí)時(shí) , uo = -Uom 若若ui從反相端輸入從反相端輸入+uiuoui0+UZ-UZ用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓uo UZuoui0+UOM-UOM+uoui忽略了忽略了UD3. 限幅電路限幅電路使輸出電壓穩(wěn)定使輸出電壓穩(wěn)定限幅電路的另一種形式：限幅電路的另一種形式：將雙向穩(wěn)壓管接在負(fù)反饋回路上將雙向穩(wěn)壓管接在負(fù)反饋回路上+uiuo UZR R_uoui0+UZ-UZR =R二二. 遲滯比較器遲滯比較器1.遲滯比較器遲滯比

17、較器特點(diǎn)特點(diǎn):電路中使用正反饋。電路中使用正反饋。1、因?yàn)橛姓答?，所以輸、因?yàn)橛姓答?，所以輸出飽和。出飽和?、當(dāng)、當(dāng)uo正飽和時(shí)正飽和時(shí)(uo =+UOM) ：+om211+UURRRUT T= =+ += =3、當(dāng)、當(dāng)uo負(fù)飽和時(shí)負(fù)飽和時(shí)(uo =-UOM) ：-om211+UURRRUT T= =+ +- -= =+uoRR2R1uiU+uoRR2R1uiU+遲滯比較器遲滯比較器uoui0+Uom-UomUT+UT-設(shè)設(shè)ui , 當(dāng)當(dāng)ui = UT+, uo從從+UOM -UOM傳輸特性傳輸特性u(píng)oui0+Uom-UomUT+UT-UT+上門(mén)限電壓上門(mén)限電壓UT-下門(mén)限電壓下門(mén)限電壓

18、UT+- UT-稱為回差稱為回差om211URRR+ += =+UT Tom211URRR+ += -= -UT TtuiUT+UT-tuoUom-Uom例例:設(shè)輸入為正弦波設(shè)輸入為正弦波, 畫(huà)出輸出的波形。畫(huà)出輸出的波形。+uoRR2R1uiU+REFZURRRURRRU212211T+=+REFZURRRURRRU212211T+-=-加上參考電壓后的遲滯比較器：加上參考電壓后的遲滯比較器：上下限：上下限：uoui0UT-UT+傳輸特性傳輸特性+UZ-UZ例題：例題：R1=10k ，R2=10k ，UZ=6V， UR=10V。當(dāng)。當(dāng)輸入輸入ui為如圖所示的波形時(shí)，畫(huà)為如圖所示的波形時(shí)，畫(huà)

19、出輸出出輸出uo的波形。的波形。上下限：上下限：V8212211T=+=+RZURRRURRRUV3212211T=+-=-RZURRRURRRU3V8Vuiuo+UZ-UZ三、三、 窗口比較器窗口比較器 1、電路、電路設(shè)R1 =R2，則兩門(mén)限兩門(mén)限：)2(21)2(=DCC212DCCLVVRRRVVV-=+- 2、傳輸特性、傳輸特性DLH2=VVV+1.電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)由滯回比較電路和由滯回比較電路和RC定時(shí)電路構(gòu)成的定時(shí)電路構(gòu)成的omURRRU211T+=+omURRRU211T+-=-上下限上下限:+RR1R2Cucuo9.4.2 方波發(fā)生器方波發(fā)生器2.工作原理：工作原理：(1) 設(shè)

20、設(shè) uo = + UOM , 此時(shí)，輸出給此時(shí)，輸出給C 充電充電, uc 則：則：u+=UT+RR1R2C+ucuo0tuoUOM-UOMucUT+0t一旦一旦 uc UT+ , 就有就有 u- u+ ,在在 uc UT+ 時(shí)，時(shí)，u- u+ , uo 立即由立即由UOM 變成變成UOM , 設(shè)設(shè)uC初始值初始值uC(0+)= 0方波發(fā)生器方波發(fā)生器uo保持保持+UOM不變不變UOM此時(shí)，此時(shí)，C 經(jīng)輸出端放電經(jīng)輸出端放電, ,再反向充電再反向充電(2) 當(dāng)當(dāng)uo = -UOM 時(shí)，時(shí)，u+=UT-uc達(dá)到達(dá)到UT-時(shí)，時(shí)，uo上翻上翻+RR1R2C+ucuoUT+uctUT-當(dāng)當(dāng)uo 重新

21、回到重新回到UOM 以后，電路又進(jìn)入另一個(gè)以后，電路又進(jìn)入另一個(gè)周期性的變化。周期性的變化。-UOM動(dòng)畫(huà)演示動(dòng)畫(huà)演示0UT+uctUT-UOMuo0t- UOMT周期與頻率的計(jì)算：周期與頻率的計(jì)算：+RR1R2C+ucuo)21ln(221RRRCT+=f = 1/T此期間是分析問(wèn)題時(shí)的假設(shè)此期間是分析問(wèn)題時(shí)的假設(shè),實(shí)際上用實(shí)際上用示波器觀察波形時(shí)看不到這段波形示波器觀察波形時(shí)看不到這段波形.周期與頻率的計(jì)算：周期與頻率的計(jì)算：+RR1R2C+ucuo0UT+uctUT-+UOM-UOMT1T2TT= T1 + T2 =2 T2， 因正反向充電條件一樣因正反向充電條件一樣T1 = T2。 uc

22、(t)=UC ( )+ UC (0+) -UC ( ) e , =RC-t T2階段階段uc(t)的過(guò)渡過(guò)程方程為的過(guò)渡過(guò)程方程為:0UT+uctUT-+UOM-UOMT1T2Tuc(t)=UC ( )+ UC (0+) -UC ( ) e , =RC-t UC (0+)=omURRRU211T+-=-UC ( )=+UOMom211HURRRU+ += =+ +t=T2時(shí)時(shí),uc(t =T2)=周期與頻率的計(jì)算：周期與頻率的計(jì)算：)21ln(21RRRCT2+=)21ln(221RRRCT+=iRRR-+vOiC圖 5.8.4NvIC+-vOvIVREFvODZ1DZ2R1R2R3R4vNv

23、PvO1vP1vIA1A2R3R4R2R1R5VZ8.4.3 三角波發(fā)生器與鋸齒波發(fā)生器三角波發(fā)生器與鋸齒波發(fā)生器組成：組成：施密特觸發(fā)器，積分器施密特觸發(fā)器，積分器1 三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器ZOVRRRvRRR211212+ + + += =12112121OIPvRRRvRRRv+ + + += =01= =NvZOVv = =1OIvv = =vN1=vP1時(shí)時(shí)vI(即即vO)的閾值的閾值-VZVZt0vO1T / 2T / 2t2t3t1t0vOVth1Vth2ZthVRRV211= =ZOVv- -= =1ZthVRRV212- -= =ZOVv+ += =1幅度：幅度：VO1m=

24、 2VZ2412322RCRRttT= =- -= =CRVCiZ4= =constRViZ= = =42414RCRRT = =T與與VZ和運(yùn)放無(wú)關(guān)，穩(wěn)定性好！和運(yùn)放無(wú)關(guān)，穩(wěn)定性好！t2t3t1t0vOVth1Vth2iRRR-+vOiC圖 5.8.4NvIC+-vOvIVREFvODZ1DZ2R1R2R3R4vNvPvO1vP1vIA1A2R3R4R2R1R5VZ-VZVZt0vO1T / 2T / 2 周期：周期：t1 t3 恒流充電恒流充電： 充電速度：充電速度：vO1：方波方波vO：三角波三角波ZththoppVRRVVV21212= =- -= =iRRR-+vOiC圖 5.8.4NvIC+-vOvIVREFvODZ1DZ2R1R2R3R4vNvPvO1vP1vIA1A2R3R4R2R1R5VZ2 鋸齒波發(fā)生器鋸齒波發(fā)生器T1：波形線性變化：波形線性變化T2：時(shí)間短：時(shí)間短原理：原理：利用三角波發(fā)生器原理，利用三角波發(fā)生器原理，使充、放電時(shí)間常數(shù)不同。使充、放電時(shí)間常數(shù)不同?？赏ㄟ^(guò)改變充放電通路及可通過(guò)改變充放電通路及參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。t0vO1t2t3t1t0vOVth1Vth2-VZVZT1T2