第八章-波形的發(fā)生和信號的轉換

第八章波形的發(fā)生

和信號的轉換8·1正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路正弦波直流電源發(fā)生:產生正弦波、矩形波、三角波等轉換:V/I、I/V、V/f等測試信號或控制信號等用于測量、控制、送入計算機等8·1·1概述一、產生正弦波振蕩的條件問題：沒有外加輸入，怎樣產生正弦波？？正反饋選頻網絡---確定振蕩頻率---反饋信號取代輸入信號+輸出量via反饋網絡產生反饋量作為放大電路的輸入反饋量via放大電路維持著輸出量+正弦波振蕩平衡條件：幅值平衡條件相位平衡條件放大電路本身的相位移反饋網絡的相位移n為整數首要條件+起振條件：二.起振條件和穩(wěn)幅原理起振過程穩(wěn)幅過程穩(wěn)幅過程：起振時，穩(wěn)定振蕩時，穩(wěn)幅措施：被動：器件非線性主動：在反饋網絡中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調節(jié)放大電路的增益。三、正弦波振蕩的組成及分類(1)放大電路保證電路能夠有從起振到動態(tài)平衡的過程，使電路獲得一定幅值的輸出量，(2)選頻網絡確定電路的振蕩頻率fo

，使電路產生單一頻率的振蕩。實現能量的控制?！摲答伔糯箅娐稢Rf-+RRCR1(3)正反饋網絡引入正反饋，用反饋信號取代輸入信號，通常選頻網絡兼正反饋網絡。(4)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)非線性環(huán)節(jié)，使輸出信號幅值穩(wěn)定。分類：正弦波振蕩電路用選頻網絡所用元件來命名RC正弦波振蕩電路：

振蕩頻率較低，1MHZ以下；LC正弦波振蕩電路：

振蕩頻率較高，1MHZ以上；石英晶體正弦波振蕩電路：

等效為LC正弦振蕩電路，振蕩頻率非常穩(wěn)定。CRf-+RRCR1四、判斷是否可能產生正弦波振蕩的步驟(1)觀察包含放大、選頻、正反饋

和穩(wěn)幅四個部分？(2)判斷放大電路是否能夠正常工作。是否有合適的靜態(tài)工作點；動態(tài)信號是否能夠輸入、輸出和放大；(3)判斷電路是否滿足正弦波振蕩的相位平衡條件；+–+–則滿足相位條件不滿足相位條件(4)判斷電路是否滿足正弦波振蕩的幅值條件(起振條件)；分別求解出電路的然后判斷是否大于1。瞬時極性法低頻段等效電路及其相量圖高頻段等效電路及其相量圖RC串并聯選頻網絡(b)(c)8·1·2RC橋式正弦波振蕩電路一、RC串并聯選頻網絡

一階RC高通或低通電路的最大相移絕對值小于90，試從相位平衡條件出發(fā)，判斷電路能否振蕩。[例題]Rs

T1

T2

CRCRRd

Re2

+VCC

+––––不能振蕩RCR2-+ACRR1+++可以振蕩RC橋式正弦波振蕩電路CCRRZ1Z2CRf-+RRCR1幅頻響應1/310.1100相頻響應10.110090°-90°

Uf與Uo同相位。..令幅值條件相位條件起振：穩(wěn)態(tài)：CRf-+RRCR1二、RC橋式正弦波振蕩電路

放大電路串聯電壓負反饋放大電路，具有高輸入阻抗和低輸出阻抗。選頻網絡—兼作正反饋網絡穩(wěn)幅環(huán)節(jié)振蕩頻率是由相位平衡條件所決定的，建立振蕩條件：一開始要求達到穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)時接通電源后，產生熱噪聲，選頻網絡將其中篩選出來，送至放大電路：選頻

放大

再選頻

再放大……輸出幅度越來越大——振蕩的建立過程。CRf-+RRCR1穩(wěn)幅措施：在負反饋放大電路的負反饋電路中，采用非線性元件，來自動調節(jié)反饋的強弱，以維持輸出電壓的穩(wěn)定。用具有負(或正)溫度系數的熱敏電阻代替Rf(R1

)，適當調整負反饋使放大電路的的強弱，放大倍數略大于3回顧：產生正弦波振蕩的條件+AF幅值平衡條件相位平衡條件n為整數判斷是否可能產生正弦波振蕩的步驟(1)觀察包含放大、選頻、正反饋

和穩(wěn)幅四個部分？(2)放大電路是否能夠正常工作?(3)電路是否滿足正弦波振蕩的相位平衡條件?(4)電路是否滿足正弦波振蕩的幅值條件(起振條件)?瞬時極性法RcRb2Rb1C1TC1Re+VCCCeLC2C2uo+–+–++RC橋式正弦波振蕩電路CRf-+RRCR1CCRRZ1Z21/310.110010.110090°-90°建立振蕩條件：一開始要求達到穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)時[例題]R-+CCRR1D1R3D2R2A電路,已知A為運放741,其最大輸出電壓為14V。圖示電路為RC橋式正弦波振蕩解：(1)圖中用二極管D1,D2作為自動穩(wěn)幅元件，試分析它的穩(wěn)幅原理；當uo幅值很小時，D1,D2截止，相當于開路有利于起振；當uo幅值較大時，D1或D2導通，減小，A隨之下降，當rD達到1.86kΩ時，uo趨于穩(wěn)定；[例題]電路,已知A為運放741,其最大輸出電壓為14V。圖示電路為RC橋式正弦波振蕩解：R-+CCRR1D1R3D2R2A(2)設電路已產生正弦波穩(wěn)幅振蕩,當輸出電壓達到正弦波峰值時，二極管的正向壓降約為0.6V，試粗略估算出電壓的峰值Uom；穩(wěn)幅時根據得0.6Vi于是[例題]電路,已知A為運放741,其最大輸出電壓為14V。圖示電路為RC橋式正弦波振蕩解：R-+CCRR1D1R3D2R2A0.6Vi(3)試定性說明因不慎使R2短路時,輸出電壓uo的波形；電路停振；(4)電路正常工作時，振蕩頻率？8·1·3LC正弦波振蕩電路

LC振蕩器的選頻網絡是由L和C組成的LC并聯網絡多采用分立元件電路，必要時還應采用共基電路。一、LC諧振回路的頻率特性RCL諧振頻率ZQ小Q大Q小Q大品質因數QQ值愈大，選頻特性愈好。二、選頻放大電路以LC并聯網絡作為共射放大電路的集電極負載。TCLRb1ReC1Ce+VCCRb2電路的電壓放大倍數當f=fo時，電壓放大倍數的數值最大，且無附加相移。正反饋網絡根據引入反饋的方式不同變壓器反饋式電感反饋式電容反饋式三、變壓器反饋式振蕩電路CCe+VCCReRLN1N2Rb2Rb1C1T①四個組成部分②放大電路是典型的工作點穩(wěn)定電路:Q，交流信號LC并聯諧振網絡作為管子的集電極負載，反饋信號通過變壓器傳送到基極回路。TRb1Rb2CN1N2③相位平衡條件++–++–+④只要合理選擇變壓器原、副邊線圈的匝數比以及其它電路參數，電路很容易滿足幅值條件。幅值平衡條件CCe+VCCReRLN1N2Rb2Rb1C1T優(yōu)點：易于產生振蕩，輸出電壓的波形失真不大，應用范圍廣泛。缺點：輸出電壓與反饋電壓靠磁路耦合，因而耦合不緊密，損耗較大，并且振蕩頻率的穩(wěn)定性不高。四、電感反饋式振蕩電路CCe+VCCReRLN1N2Rb2Rb1C1TTRb1Rb2N1N2C③++–++–++–+–++滿足相位平衡條件；④只要電路參數選擇得當，電路就可滿足幅值條件。電感三點式電路①四個組成部分②放大電路能夠正常工作CCe+VCCReRLN1N2Rb2Rb1C1T優(yōu)點：N2與N1之間耦合緊密，振幅大，改變電容，可獲得調節(jié)范圍較寬的振蕩頻率；缺點：反饋電壓取自電感，對高頻信號具有較大的電抗，輸出電壓波形中常含有高次諧波。五、電容反饋式振蕩電路RcRb2Rb1C1TC1Re+VCCCeLC2C2uo兩個電容的三個端子分別接晶體管的三個電極，又稱電容三點式電路。①四個組成部分：放大電路，選頻網絡，正反饋網絡，非線性元件；②放大電路能夠正常工作：可以設置合適的靜態(tài)工作點；TRb1Rb2RcC1C2L

交流信號傳遞過程中無開路或短路現象；RcRb2Rb1C1TC1Re+VCCCeLC2C2uoTRb1Rb2RcC1C2L

③+–+–+++–+–++滿足相位平衡條件；④只要電路參數選擇得當，電路就可滿足幅值條件。振蕩頻率起振條件集電極總負載8·2電壓比較器電壓比較器是對輸入信號進行鑒幅與比較的電路，是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元電路。一、集成運放的非線性工作區(qū)電壓比較器電路中，集成運放處于開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋–+AuP

uN

uo

反饋通路–+AuP

uN

uo

ouP-uNuo-UOM

+UOM

虛短？虛斷？8·2·1概述二、電壓比較器的電壓傳輸特性電壓傳輸特性:uO從一種狀態(tài)向另一種狀態(tài)跳變時的uI閾值電壓UT:又稱轉折電壓uO電壓比較器UOMuI模擬信號uO=f(uI)ouP-uNuOUT+UOM

-UOM

①輸出電壓高電平和低電平的數值②閾值電壓的數值③輸出電壓從一個狀態(tài)向另一個狀態(tài)跳變時的方向三、電壓比較器的種類1、單限比較器一個閾值電壓ouP-uNuOUT增大或減小的過程中只要通過UT，uO都會發(fā)生躍變。+UOM

-UOM

2、滯回比較器兩個閾值電壓ouP-uNuOUT1UT2uI↑和↓過程中，uO發(fā)生躍變對應的閾值電壓不同。+UOM

-UOM

3、窗口比較器兩個閾值電壓uI單方向變化時，在通過不同的閾值電壓時，uO產生兩次躍變。ouP-uNuOUT1UT2+UOM

8·2·2單限比較器一、過零比較器閾值電壓UT=0

ui

uo

–+Aouiuo+UOM

-UOM

ui

uo

–+Aouiuo-UOM

+UOM

反相輸入同相輸入輸入輸出端加保護電路ui

uo

–+ARui

uo

–+ADZRui

uo

–+ADZR二、一般單限比較器ui

uo

–+ADZRR1R2UREFNP參考電壓當uN=uP=0時，輸出電壓會發(fā)生躍變，這時的ui就是閾值電壓UT。ouiuoUT+UZ1

-UZ2

[例題]在圖所示(a)(b)兩電路中，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=6V，R1=R2=5k，UREF=2V，輸入電壓為圖示三角波。試畫出輸出電壓的波形。ui

uo

–+ADZR(a)ui

uo

–+ADZRR1R2UREF(b)oui/V

t

5

-5

oui/Vuo/V+6-6ouo/V

t

-6

6

ui/V

uo/V-2

+6-6ouo/V

t

-2

-6

6

8·2·3滯回比較器單限比較器，電路簡單，靈敏度高，抗干擾能力差。ui﹢﹣uoUREFuiouiUREFuoouiUOHUOL滯回比較器具有滯回特性，即具有慣性，因而具有一定的擾干擾能力。一、參考電壓為零的滯回比較器ui

uo

–+ADZRR2R1UZNP令uN=nP，求出的ui就是閾值電壓。ouiuoUT1UT2+UZ

-UZ

ui<UT1則ui<uPuo=+UZui=UT2負跳變ui>UT2uo=–UZui>UT2則ui>uPuo=-UZui=UT1正跳變ui<UT1uo=+

UZ電壓傳輸特性具有方向性二、參考電壓不為零的滯回比較器ui

uo

–+ADZRR2R1UREF

UZNP當uN=nP時，輸出電壓會發(fā)生躍變，這時的ui就是閾值電壓UT。ouiuoUT1UT2+UZ

-UZ

[例題]uiotUT2UT1電路和參數如圖所示，輸入信號ui是受到干擾的矩形波，

試畫出傳輸特性和輸出電壓uo的波形。

ui﹢﹣DZuoR4R1R2UZ10V解：同相輸入參考電壓零的滯回比較器①求閾值電壓NP當uN=nP時，輸出電壓會發(fā)生躍變，這時的ui就是閾值電壓UT。②畫傳輸特性uo/Vui/Vo10-10-1010+10V–10V[例題]①求閾值電壓②畫傳輸特性uo/Vui/Vo10-10-1010uiotUT2UT1

電路和參數如圖所示，輸入信號ui是受到干擾的矩形波，試畫出傳輸特性和輸出電壓uo的波形。ui﹢﹣DZuoR4R1R2UZ10VNP+10V–10Vuoot10V-10V8·2·4窗口比較器可以檢測出輸入電壓是否在兩個給定