第8波形的發(fā)生和信號(hào)的轉(zhuǎn)換

1、第8章 波形的發(fā)生和信號(hào)的轉(zhuǎn)換8.1 正弦波振蕩電路 8.2 電壓比較器8.1 正弦波振蕩電路8.1.1 概述8.1.2 RC正弦波振蕩電路8.1.3 LC正弦波振蕩電路 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.1 概述問(wèn)題的提出1、正弦波的作用（測(cè)試信號(hào)與控制輸入）？2、如何產(chǎn)生（自激振蕩）？3、自激振蕩的條件？4、正弦振蕩電路有哪些類(lèi)型？工作原理如何？5、分析方法（振蕩頻率的計(jì)算）？ 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.1 概述基礎(chǔ)知識(shí)：周期振蕩信號(hào)的應(yīng)用正弦波：發(fā)射/接收電路中調(diào)制/解調(diào)、擺動(dòng)掃描控制、放大電路測(cè)試（Au）、濾波器性能測(cè)試（頻率掃描）三角波：掃描控制（電視行掃，場(chǎng)掃描）方 波：開(kāi)關(guān)控

2、制（電子開(kāi)關(guān)/PWM）其它波形：本質(zhì)：周期振蕩信號(hào)（f/T） 相互聯(lián)系/轉(zhuǎn)換 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.1 概述正弦波振蕩電路： 在沒(méi)有外加輸入信號(hào)的情況下，依靠電路的自激振蕩就能產(chǎn)生穩(wěn)定輸出、有一定幅度和頻率正弦波的電路。 只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。特點(diǎn)： 信號(hào)頻率單一的周期信號(hào)。電路： 正反饋。 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.1 概述回顧：負(fù)反饋放大電路框圖：1fAAFA 1|FA 反饋深度： 反映了反饋程度的強(qiáng)弱11f|A| AAF| 11f|A| AAF| 負(fù)反饋無(wú)反饋111|FF| A|A 深度負(fù)反饋 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.1 概述回顧：負(fù)反饋放大電路框圖：1

3、fAAFA 1|FA 反饋深度： 反映了反饋程度的強(qiáng)弱11f|A| AAF| 正反饋01f|AF |A | 電路中沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，也會(huì)有輸出信號(hào)，電路產(chǎn)生了自激振蕩1FA 自激振蕩平衡條件：dfXX 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.1 概述根據(jù)正反饋放大器方框圖，可以得到：FA1AAfAF1, dffiX0XAX， 在此條件下，放大器無(wú)需輸入即可得到輸出。因?yàn)榉答伭砍洚?dāng)了輸入量，而輸入量導(dǎo)致了輸出量，輸出量則產(chǎn)生了反饋量。如果電路中只可能有一個(gè)頻率滿(mǎn)足此條件，則電路只會(huì)在此頻率下形成“自激”，即形成正弦波振蕩一、產(chǎn)生正弦波振蕩的條件振蕩條件：FfoXXAAFodoXXX 8.1 正弦波振蕩電路

4、 8.1.1 概述1FA1FA|(AF2n n0,1,2,)為整數(shù),如:對(duì)正弦穩(wěn)態(tài)電路來(lái)說(shuō)，有（正弦波振蕩的平衡條件）即 幅度條件:環(huán)路增益等于1 相位條件:環(huán)路相移為2nfdAF1 XX| 一、產(chǎn)生正弦波振蕩的條件電路的起振條件： 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.1 概述dfX X1FA |等幅振蕩dfX X1FA |增幅振蕩dfX X1FA |減幅振蕩一、產(chǎn)生正弦波振蕩的條件 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.1 概述 關(guān)于初始擾動(dòng)問(wèn)題 沒(méi)有初始擾動(dòng)按說(shuō)振蕩器是不可能起振的。但是，初始擾動(dòng)并不需要人為給定，而自然會(huì)產(chǎn)生 下面各種因素都會(huì)導(dǎo)致初始擾動(dòng)的發(fā)生：通電時(shí)的電流沖擊、電路中器件的噪聲、

5、外界電磁波的干擾等。 初始擾動(dòng)的波形是任意的、隨機(jī)的，但是，其波形中往往含有及其廣泛的頻譜分量，其中就含有振蕩頻率的分量，這個(gè)頻率分量會(huì)導(dǎo)致振蕩器起振過(guò)程中的增幅振蕩，而其它的頻率分量則會(huì)被反饋網(wǎng)絡(luò)中或放大環(huán)節(jié)中的濾波器濾除 對(duì)于初始擾動(dòng)，無(wú)論其幅度多么微弱，只要存在，就一定能使振蕩器起振一、產(chǎn)生正弦波振蕩的條件 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.1 概述dfX X1FA |1FA |1FA |起振過(guò)程起振后要穩(wěn)幅一、產(chǎn)生正弦波振蕩的條件利用放大器自身的非線(xiàn)性進(jìn)行穩(wěn)幅外加穩(wěn)幅電路 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.1 概述 當(dāng)振蕩幅度不斷增大時(shí)，放大器的限幅作用開(kāi)始體現(xiàn)，此時(shí)放大器的輸出幅度將不再

6、隨著輸入信號(hào)幅度的增大而增大，而是維持一定的幅度不變，則放大器的增益開(kāi)始下降，從而使得振蕩器 AF1 AF1| | 當(dāng)振蕩器依靠放大器自身的非線(xiàn)性從起振狀態(tài)（AF1）過(guò)渡到平衡狀態(tài)（AF=1）穩(wěn)幅，必然帶來(lái)輸出正弦波的失真。1FA |1FA |一、產(chǎn)生正弦波振蕩的條件 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.1 概述外穩(wěn)幅 當(dāng)起振過(guò)程中輸出幅度逐漸增大時(shí)，設(shè)法使得放大器的增益隨著輸出幅度的增大而降低，但是又不進(jìn)入非線(xiàn)性區(qū)域，采用下面的外穩(wěn)幅措施外穩(wěn)幅的優(yōu)點(diǎn)是輸出波形的非線(xiàn)性失真小一、產(chǎn)生正弦波振蕩的條件 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.1 概述放大電路：合理的Q點(diǎn)，足夠的增益反饋網(wǎng)絡(luò)：正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)：

7、只有一個(gè)頻率滿(mǎn)足振蕩條件穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：幅值穩(wěn)定，波形良好v 實(shí)用電路中常將選頻網(wǎng)絡(luò)與正反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一v 分立元件放大電路一般依靠BJT的非線(xiàn)性穩(wěn)幅(自穩(wěn)幅)（不外加穩(wěn)幅環(huán)節(jié)）二、正弦波振蕩電路的組成及分類(lèi)正弦振蕩電路的組成 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.1 概述正弦振蕩電路的分類(lèi) 分類(lèi)方法：按選頻網(wǎng)絡(luò)所用的元件RC正弦波振蕩電路LC正弦波振蕩電路石英晶體正弦波振蕩電路二、正弦波振蕩電路的組成及分類(lèi) 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.1 概述（1）電路是否包含放大、選頻、正反饋和穩(wěn)幅四個(gè)組成部分。（2）判斷放大電路是否正常工作（靜態(tài)工作點(diǎn)/動(dòng)態(tài)放大）。（3）是否滿(mǎn)足正反饋相位條件瞬時(shí)極性法。（斷開(kāi)

8、反饋，給放大電路加輸入電壓Ui并給定瞬時(shí)極性；據(jù)此判斷Uo極性、 Uf極性；若Uf與Ui極性相同，則滿(mǎn)足相位條件，電路有可能產(chǎn)生正弦波振蕩）（4）是否滿(mǎn)足起振條件。AF略大于1。（分別求解電路的A和F，然后判斷AF） 三、判斷電路是否可能產(chǎn)生正弦波振蕩的方法和步驟以上條件，缺一不可。 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.2 RC正弦波振蕩電路一、RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)頻率特性RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)：由電阻R1與電容C1串聯(lián)、電阻R2與電容C2并聯(lián)組成。通常R1 = R2 = R， C1 = C2 = C既為選頻網(wǎng)絡(luò)又為正反饋網(wǎng)絡(luò) 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.2 RC正弦波振蕩電路（一）定性分析 1、當(dāng)

9、信號(hào)的頻率很低時(shí)R111CR221C一、RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)頻率特性其低頻等效電路RC高通電路 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.2 RC正弦波振蕩電路（一）定性分析 1、當(dāng)信號(hào)的頻率很低時(shí)其頻率特性為：一、RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)頻率特性當(dāng)=0時(shí)，uf =0，F(xiàn)=0 =+90F當(dāng)時(shí)，uf ，F(xiàn) F0 |F|0 F90Uf超前Uo 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.2 RC正弦波振蕩電路（一）定性分析 2、當(dāng)信號(hào)的頻率很高時(shí)R111C3，易起振，當(dāng)uo幅度自激增長(zhǎng)時(shí)，電流增加，溫度升高，Rt減小，A 減小 當(dāng)uo幅度達(dá)某一值時(shí)，A3，當(dāng)uo進(jìn)一步增大時(shí)，Rt再減小，使A1，只需要利用變壓器的互感線(xiàn)圈，滿(mǎn)足

10、相位條件，就一定能夠起振。 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.3 LC正弦波振蕩電路1234初級(jí)線(xiàn)圈次級(jí)線(xiàn)圈 同名端 在LC振蕩器中，反饋信號(hào)通過(guò)互感線(xiàn)圈引出同名端互感線(xiàn)圈的極性判別LCifuRL+ +- -uO+ +- -L21123456二、變壓器反饋式LC振蕩電路 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.3 LC正弦波振蕩電路判斷是否是滿(mǎn)足相位條件 相位平衡法 1、判斷電路組態(tài)，找到反饋信號(hào) 2、斷開(kāi)反饋到放大器的輸入端點(diǎn) 3、假設(shè)在輸入端加入一頻率為f0 正極性的信號(hào) 4、用瞬時(shí)極性法判定反饋信號(hào)的極性 若反饋信號(hào)與輸入信號(hào)同相，則滿(mǎn)足相位條件；否則不滿(mǎn)足。二、變壓器反饋式LC振蕩電路 8.1

11、正弦波振蕩電路 8.1.3 LC正弦波振蕩電路360oAF滿(mǎn)足相位條件180oA180oF三極管共射放大器變壓器次級(jí)反向二、變壓器反饋式LC振蕩電路 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.3 LC正弦波振蕩電路0oA0oF三極管共基放大器變壓器次級(jí)不反向0oAF滿(mǎn)足相位條件振蕩頻率:CLf210二、變壓器反饋式LC振蕩電路L為諧振回路的等效電感，即考慮了其它繞組的影響。 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.3 LC正弦波振蕩電路 共基放大器的輸入阻抗很低，因此通過(guò)變壓器反映到LC諧振電路后對(duì)其Q值影響較大，導(dǎo)致振蕩器中放大器的增益較低，所以振蕩器起振比較困難二、變壓器反饋式LC振蕩電路 8.1 正弦波振

12、蕩電路 8.1.3 LC正弦波振蕩電路變壓器耦合式LC振蕩器 變壓器式振蕩器一般用于頻率不是特別高的場(chǎng)合（例如幾兆赫茲到幾十兆赫茲），因?yàn)轭l率再高時(shí)，變壓器將無(wú)法將初級(jí)功率有效的耦合到次級(jí)。 二、變壓器反饋式LC振蕩電路 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.3 LC正弦波振蕩電路三、電感反饋式LC振蕩電路三點(diǎn)式振蕩電路三點(diǎn)式諧振電路的構(gòu)成 將LC選頻網(wǎng)絡(luò)中的L用2個(gè)電感代替，或?qū)用2個(gè)電容代替，并選擇合適電路結(jié)構(gòu)-三點(diǎn)式+-+并聯(lián)諧振時(shí)，按圖中的參考方向，得出電感(電容)的電壓方向相同+-+- 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.3 LC正弦波振蕩電路+-+-+并聯(lián)諧振時(shí)，按圖中的參考方向，得出電感

13、(電容)的電壓方向相同三、電感反饋式LC振蕩電路三點(diǎn)式振蕩電路三點(diǎn)式諧振電路的構(gòu)成 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.3 LC正弦波振蕩電路（ +）（ +）（ ）Colpitts Oscillator考畢茨振蕩器電感三點(diǎn)式LC振蕩電路三、電感反饋式LC振蕩電路原邊電感的三個(gè)端分別接晶體管的三個(gè)極。電感三個(gè)端點(diǎn)的相位關(guān)系：（1）若電感的中間抽頭交流接地，則首端與尾端的相位相反。（2）若電感的首端或尾端交流接地，其它兩個(gè)端點(diǎn)的相位相同。 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.3 LC正弦波振蕩電路振蕩頻率：CMLLLCf)2(2121210 （ +）（ +）（ ）VRccCbcRb1Rb2eLe2CRC1

14、L電感三點(diǎn)式LC振蕩電路三、電感反饋式LC振蕩電路M繞組L1和L2之間的互感 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.3 LC正弦波振蕩電路（ +）（ +）（ +）VCbRLb2b1ccL1eR2CeCR電感三點(diǎn)式LC振蕩電路三、電感反饋式LC振蕩電路 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.3 LC正弦波振蕩電路（ +）（ +）（ ）電容三點(diǎn)式LC振蕩電路V2eRRRb1CCcceb2c1RbCCLHartley Oscillator哈特萊振蕩器四、電容反饋式LC振蕩電路 8.1 正弦波振蕩電路 8.1.3 LC正弦波振蕩電路212102121CCCCLLCf （ +）（ +）（ +）電容三點(diǎn)式LC振蕩電路

15、反饋電壓Uf 取自C2四、電容反饋式LC振蕩電路8.2 電壓比較器8.2.1 概述8.2.2 單限比較器8.2.3 滯回比較器8.2.4 窗口比較器 8.2 電壓比較器 8.2.1 概述電壓比較對(duì)兩個(gè)（多個(gè)）模擬信號(hào)進(jìn)行比較，并輸出高/低兩種電壓作為比較結(jié)果（二值化）。相當(dāng)于集成運(yùn)放工作在非線(xiàn)性區(qū)。 電壓比較器將輸入信號(hào)與預(yù)設(shè)的電平進(jìn)行比較，而用輸出端的高電平或低電平來(lái)表示比較結(jié)果，它一般用于波形變換或者輸入電平識(shí)別。比較與放大電路的區(qū)別和聯(lián)系 電壓比較：實(shí)現(xiàn)信號(hào)的二值化（非線(xiàn)性）運(yùn)算放大：實(shí)現(xiàn)信號(hào)的比例關(guān)系（線(xiàn)性：疊加原理） 8.2 電壓比較器 8.2.1 概述電壓傳輸特性電壓比較器的輸出電

16、壓uO與輸入電壓uI的函數(shù)關(guān)系， uO =f(uI) 一、電壓比較器的電壓傳輸特性電壓比較器電壓比較器的三要素：（1）輸出電壓（UOH和UOL）（2）閾值電壓UT (UThreshHold)（3）閾值點(diǎn)輸出變化方向（ UOH UOL，還是UOL UOH ）比較器輸出電平發(fā)生跳變時(shí)的輸入電壓 8.2 電壓比較器 8.2.1 概述通常，在電壓比較器電路中，集成運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)（即沒(méi)有引入反饋）或只引入了正反饋。 二、集成運(yùn)放的非線(xiàn)性工作區(qū)開(kāi)環(huán)狀態(tài)正反饋電壓比較器（非線(xiàn)性）特點(diǎn)：1、開(kāi)環(huán)或正反饋2、 uO = UOM (uPuN)， uO = -UOM (uP 0時(shí), uO = +UOM , uO=

17、+UZ當(dāng)ui 0 時(shí) , uo = -UZ當(dāng)ui Uref 時(shí),uo = +UZ當(dāng)ui Uref 時(shí),uo = -UZ當(dāng)ui UT 時(shí), uo = -UZ當(dāng)ui 0，則電壓傳輸特性如右圖： 8.2 電壓比較器 8.2. 2 單限比較器a、高頻脈沖的邊緣不夠陡峭 輸出電壓受運(yùn)放轉(zhuǎn)換時(shí)間的限制單限比較器應(yīng)用中存在的問(wèn)題u uo ot t0 0輸出波形邊緣不陡峭 8.2 電壓比較器 8.2. 2 單限比較器b、抗干擾能力差 若ui在參考電壓附近有噪聲或干擾，則輸出波形將產(chǎn)生錯(cuò)誤的跳變，如果對(duì)uo波形去計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值必然會(huì)多出許多，從而造成極大的誤差。uit0 0uot0 0單限比較器應(yīng)用中存在的問(wèn)題

18、8.2 電壓比較器 8.2. 3 滯回比較器電路特點(diǎn):僅引入正反饋運(yùn)放工作在非線(xiàn)性區(qū)電路有兩個(gè)閾值電壓當(dāng)輸入電壓向單一方向變化時(shí)，輸出電壓只躍變一次。輸入電壓uI逐漸從小變大過(guò)程中使輸出電壓uO產(chǎn)生躍變的閾值電壓UT1，不等于從大變小過(guò)程中使輸出電壓uO產(chǎn)生躍變的閾值電壓UT2 。電壓傳輸特性 8.2 電壓比較器 8.2. 3 滯回比較器工作原理兩個(gè)門(mén)限電壓1、當(dāng)uo =+UZ時(shí)，2、當(dāng)uo =-UZ時(shí)，121212PTHZrefRRuUUURRRR12T1212PLZrefRRuUUURRRR UTH稱(chēng)上門(mén)限電壓UTL稱(chēng)下門(mén)限電壓UTH - UTL稱(chēng)為回差電壓 8.2 電壓比較器 8.2. 3 滯回比較器滯回比較器的電壓傳輸特性：只有ui ，且當(dāng)ui UTL時(shí)， uo從-UZ +UZ設(shè) uo =-UZ ， 則uP= UTL ，且uPUTL設(shè)uo =+UZ ，則uP= UTH，且uP uN即ui UTH時(shí)， uo從+UZ -UZ 8.2 電壓比較器 8.2. 3 滯回比較器例：R1=10k，R2=10k，UZ=6V，Uref =10V，求其電壓傳輸特