波形的發(fā)生和信號(hào)的轉(zhuǎn)換.pptVIP

1,第八章 波形的發(fā)生和信號(hào)的轉(zhuǎn)換 （6學(xué)時(shí)） 第一節(jié) 正弦波振蕩電路 第二節(jié) 電壓比較器 第三節(jié) 非正弦波發(fā)生電路 第四節(jié) 利用集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路 第五節(jié) 鎖相環(huán)及其在信號(hào)轉(zhuǎn)換電路中的應(yīng)用（了解 重點(diǎn)掌握：利用正弦波振蕩條件及分析方法能夠分析討論RC、LC振蕩電路和石英晶體正弦波振蕩電路的有關(guān)問(wèn)題（如是否可能振蕩，振蕩頻率等），掌握電壓比較器、非正弦波發(fā)生電路的工作原理 。,2,8.1 正弦波振蕩電路,|,正反饋電路能產(chǎn)生自激振蕩,正弦波振蕩電路是在沒(méi)有外加輸入信號(hào)的情況下，依靠電路自激振蕩產(chǎn)生正弦波輸出的電路。,仍有信號(hào)輸出。,8.1.1 概述,3,一. 產(chǎn)生正弦波振蕩的條件,所以振蕩條件為：,引入正反饋,正反饋?zhàn)銐驈?qiáng)，輸入信號(hào)為 0 時(shí)仍有信號(hào)輸出，產(chǎn)生自激振蕩,4,要獲得一定頻率的正弦自激振蕩,反饋回路中必須有選頻電路。所以將放大倍數(shù)和反饋系數(shù)寫成：,振幅平衡條件,相位平衡條件,自激振蕩的條件：,因?yàn)椋?所以，自激振蕩條件也可以寫成：,n是整數(shù),相位條件意味著振蕩電路必須是正反饋； 振幅條件可以通過(guò)調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達(dá)到。,問(wèn)題：如何起振？如何穩(wěn)幅？,5,起振與穩(wěn)幅,電路如何從起振到穩(wěn)幅？,穩(wěn)定的振幅,要產(chǎn)生正弦波振蕩，必須有滿足相位條件的f0，且在合閘通電時(shí)對(duì)于f= f0信號(hào)有從小到大直至穩(wěn)幅的過(guò)程，即滿足起振條件。,由于半導(dǎo)體器件的非線性特性及供電電源的限制。,最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，穩(wěn)定在一定的幅值。,6,1振蕩電路無(wú)須輸入信號(hào)就能起振，起振的信號(hào)源來(lái)自電路器件內(nèi)部噪聲；,2電路器件的內(nèi)部噪聲不是單一頻率，但振蕩電路中的選頻網(wǎng)絡(luò)，只使噪聲中某一頻率f0 滿足相位平衡條件，形成正反饋，成為振蕩電路的輸出信號(hào)；而其它頻率的信號(hào)，則不滿足相位平衡條件，逐漸被抑制掉;,3. 振蕩電路中的穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，將限制輸出信號(hào)幅度的無(wú)限增長(zhǎng)，當(dāng)輸出信號(hào)達(dá)到一定值后，將使其穩(wěn)定。,總結(jié)：,7,正弦波振蕩電路的組成：,放大電路：能量控制，保證輸出信號(hào)有一定的幅度； 選頻網(wǎng)絡(luò)：確定輸出信號(hào)為單一頻率的正弦波信號(hào)； 反饋網(wǎng)絡(luò)：引入正反饋； 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：使輸出信號(hào)幅值穩(wěn)定。,選頻網(wǎng)絡(luò)與反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一, 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)用非線性元件實(shí)現(xiàn).,判斷電路是否可能產(chǎn)生正弦波振蕩的步驟：,電路是否由四個(gè)部分組成：放大、選頻、反饋和穩(wěn)幅; 放大電路是否能正常工作：靜態(tài)工作點(diǎn)是否合適，動(dòng)態(tài)信號(hào)能不能放大; 判斷電路是否滿足相位條件，即是否可能振蕩 ； 判斷電路是否引入正反饋：利用瞬時(shí)極性法; 判斷電路是否滿足幅值條件，即是否一定振蕩。 計(jì)算和，是否滿足,8,相位條件的判斷方法：瞬時(shí)極性法,斷開(kāi)反饋，在斷開(kāi)處給放大電路加 ff0的信號(hào)Ui，且規(guī)定其極性，然后根據(jù) Ui 的極性 Uo 的極性 Uf 的極性 若Uf 與Ui 極性相同，則引回的是正反饋，電路可能產(chǎn)生自激振蕩；否則電路不可能產(chǎn)生自激振蕩。,在多數(shù)正弦波振蕩電路中，輸出量、凈輸入量和反饋量均為電壓量。,極性？,根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件的不同，分為RC、LC和石英晶體正弦波振蕩電路三種類型。,1) RC正弦波振蕩電路： 幾百千赫以下 2) LC正弦波振蕩電路： 幾百千赫幾百兆赫 3) 石英晶體正弦波振蕩電路：振蕩頻率穩(wěn)定,9,RC正弦波振蕩電路也叫RC橋式正弦波振蕩電路或文氏橋振蕩電路,構(gòu)成橋路,+,8.1.2. RC 正弦波振蕩電路,放大電路,選頻網(wǎng)絡(luò) 正反饋網(wǎng)絡(luò),-,電路可能產(chǎn)生自激振蕩,10,RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò),低頻段,高頻段,在頻率從0中必有一個(gè)頻率f0，F(xiàn)0。,11,RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng),當(dāng) f=f0時(shí)，不但=0，且 最大，為1/3。,12,1)是否可用共射放大電路？ 2)是否可用共集放大電路？ 3)是否可用共基放大電路？ 4)是否可用兩級(jí)共射放大電路？,放大電路的選擇,應(yīng)為RC 串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)配一個(gè)電壓放大倍數(shù)略大于3、輸入電阻趨于無(wú)窮大、輸出電阻趨于0的放大電路。,不滿足相位條件,不滿足幅值條件,輸入電阻小、輸出電阻大，影響f0,可引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使電壓放大倍數(shù)大于3，且Ri大、Ro小，對(duì)f0影響小,13,原因：要提高其振蕩頻率，必須減小R和C的值，放大器的輸出電阻和晶體管的極間電容將影響其選頻特性，輸出頻率不穩(wěn)定。,RC正弦波振蕩電路一般用于產(chǎn)生頻率低于 1 MHz 的正弦波,14,振蕩頻率可調(diào)的選頻網(wǎng)絡(luò),例：已知電容的取值分別為0.01F, 0.1F, 1F, 10F, R=50, RW=10k. 求: f0的調(diào)節(jié)范圍.,解：,雙聯(lián)波段開(kāi)關(guān)，切換C，用于粗調(diào)振蕩頻率。,雙聯(lián)可調(diào)電阻用于細(xì)調(diào)振蕩頻率。,15,通過(guò)調(diào)整R或C來(lái)調(diào)整頻率。,C：雙聯(lián)可調(diào)電容，改變C，用于細(xì)調(diào)振蕩頻率。,K：雙聯(lián)波段開(kāi)關(guān)，切換R，用于粗調(diào)振蕩頻率。,16,電子琴振蕩電路,17,穩(wěn)幅措施（利用非線性元件來(lái)穩(wěn)幅）,熱敏元件：RT(負(fù)溫度系數(shù)),二極管（電流增大電阻減?。?18,討論：合理連接電路，組成文氏橋振蕩電路,19,作 業(yè)：,8.6 8.7 8.8,20,8.1.3 LC正弦波振蕩電路,LC正弦波振蕩電路與RC正弦波振蕩電路的組成原則在本質(zhì)上是相同的，只是選頻網(wǎng)絡(luò)由電感L和電容C構(gòu)成，可以產(chǎn)生高頻振蕩。由于高頻運(yùn)放價(jià)格較高，所以一般用分立元件組成放大電路。本節(jié)只對(duì) LC振蕩電路做一簡(jiǎn)單介紹，重點(diǎn)掌握相位條件的判別。,首先介紹一下 LC 選頻網(wǎng)絡(luò)。,LC并聯(lián)諧振回路,理想電路,21,一、諧振頻率與諧振電阻,1、諧振的概念：AB間的阻抗最大，且呈純電阻的狀態(tài)諧振狀態(tài)。 2、諧振頻率：,當(dāng) 時(shí)呈諧振狀態(tài)，此時(shí),或,3、諧振電阻,損耗電阻,22,5、特點(diǎn),（1）諧振頻率：,（2）諧振時(shí)總的容抗等于感抗：,兩端呈純電阻。,（3）諧振時(shí)總電流與總電壓同相，支路電流比總電流大。,電感支路：,電容支路：,23,二、諧振回路的品質(zhì)因數(shù),定義：諧振時(shí)電路的電抗（0L或 ）與等效損耗電阻R之比稱為品質(zhì)因數(shù)。,Q0的大小標(biāo)志著諧振質(zhì)量的優(yōu)劣。Q0越大損耗越小。 Q0通常在30200之間。,諧振時(shí)回路電流比總電流大的多，外界對(duì)諧振回路的影響可以忽略！,24,三、諧振曲線,1、諧振曲線,2、通用諧振方程,25,選頻放大電路,當(dāng)f= fo 時(shí)，電壓放大倍數(shù)最大，且無(wú)附加相移。具有選頻特性。,若在電路中引入正反饋，并能用反饋電壓取代輸入電壓，則電路就成為正弦波振蕩電路。,根據(jù)在電路中引入反饋的方式不同，有變壓器反饋式、電感反饋式、電容反饋式三種電路。,26,1、變壓器反饋式振蕩電路,放大電路,選頻網(wǎng)絡(luò),正反饋網(wǎng)絡(luò)？,正反饋,電路可能產(chǎn)生自激振蕩,特點(diǎn)： 易振，波形較好；耦合不緊密，損耗大，頻率穩(wěn)定性不高。,為使N1、N2耦合緊密，將它們合二為一，組成電感反饋式電路。,必須有合適的同銘端！,27,2、電感三點(diǎn)式振蕩電路,放大電路,LC選頻網(wǎng)絡(luò),正反饋網(wǎng)絡(luò)？,電感的三個(gè)抽頭分別接晶體管的三個(gè)極，故稱之為電感三點(diǎn)式電路。,正反饋,電路可能產(chǎn)生自激振蕩,特點(diǎn)：耦合緊密，易振，振幅大，C 用可調(diào)電容可獲得較寬范圍的振蕩頻率。波形較差，常含有高次諧波。,28,電感三點(diǎn)式振蕩電路,頻率由C 、 L1 、 L2諧振網(wǎng)絡(luò)決定。,+,+,+,+,正反饋,放大電路,LC選頻網(wǎng)絡(luò),正反饋網(wǎng)絡(luò)？,電路可能產(chǎn)生自激振蕩,由于電感對(duì)高頻信號(hào)呈現(xiàn)較大的電抗，故波形中含高次諧波，為使振蕩波形好，采用電容反饋式電路。,29,正反饋,電路可能產(chǎn)生自激振蕩,放大電路,LC選頻網(wǎng)絡(luò),正反饋網(wǎng)絡(luò)？,若要振蕩頻率高，則L、C1、C2的取值就要小。當(dāng)電容減小到一定程度時(shí)，晶體管的極間電容將并聯(lián)在C1和C2上，影響振蕩頻率。,特點(diǎn)：波形好，振蕩頻率調(diào)整范圍小，適于頻率固定的場(chǎng)合。,與放大電路參數(shù)無(wú)關(guān),3、電容三點(diǎn)式振蕩電路,電容的三個(gè)抽頭分別接晶體管的三個(gè)極，故稱之為電容三點(diǎn)式電路,30,8.1.4. 石英晶體正弦波振蕩電路,石英晶體的基本特性,極板間加交變電場(chǎng),極板間機(jī)械振動(dòng),交變電壓,當(dāng)交變電壓頻率為一固有頻率時(shí)，振幅最大,稱為壓電振蕩。,機(jī)械振動(dòng)的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性非常高。,SiO2結(jié)晶體按一定方向切割的晶片。,31,石英晶體的等效電路,感性,等效電路,阻抗特性,C0靜態(tài)電容。即兩極板之間的電容，與晶片的幾何尺寸、極板面積有關(guān)。 幾PF幾十PF。,L機(jī)械振蕩的慣性等效為電感L。 10-3102H C晶片的彈性等效為電容C. 10-410-1PF R晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗等效為電阻R 102 L大，C小，R小, 很大 104106,另一方面，晶片本身的固有頻率只與晶片的幾何尺寸有關(guān)，所以很穩(wěn)定，而且可以做得很精確。,純阻性,32,石英晶體的諧振頻率,特點(diǎn)：（1）一個(gè)晶體有兩個(gè)諧振頻率。,即,串聯(lián)諧振頻率（阻抗最?。?即,并聯(lián)諧振頻率（阻抗最大）,（2）fPfS，但由于CC0，fP、fS非常接近,（3）晶體振蕩器是將晶片作為一個(gè)電感元件來(lái)使用的。,感性,純阻性,33,石英晶體正弦波振蕩電路,晶體工作在諧振頻率fP和fS之間，石英晶體呈電感性，作為振蕩器回路的一個(gè)電感與電路的其他元件組成三點(diǎn)式振蕩器。,34,石英晶體正弦波振蕩電路,利用f=fS時(shí)石英晶體呈純阻性，相移為零的特性構(gòu)成正弦波振蕩器。,35,8.2 電壓比較器,電壓比較器是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)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，在測(cè)量和控制中有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。本節(jié)主要講述各種電壓比較器的特點(diǎn)和電壓傳輸特性，同時(shí)闡明其組成特點(diǎn)和分析方法。,8.2.1概述,一、電壓比較器的電壓傳輸特性,uo與uI的關(guān)系曲線稱為電壓傳輸特性,uo發(fā)生躍變時(shí)的輸入電壓稱為閾值電壓或轉(zhuǎn)折電壓，記作UT,三要素：1、確定輸出電壓的高、低電平UOH和UOL ; 2、求閾值電壓UT ; 3、 uI 經(jīng)過(guò)UT 時(shí)uO躍變的方向。,集成運(yùn)放的非線性區(qū)應(yīng)用,36,二、 理想集成運(yùn)放工作于非線性區(qū),電路中沒(méi)有引入負(fù)反饋（開(kāi)環(huán)或引入的是正反饋） ，理想運(yùn)放工作于非線性區(qū)。,電壓傳輸特性,集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特點(diǎn),1) 凈輸入電流為0 2) uP uN時(shí)， uOUOM uP uN時(shí)， uOUOM,由于處于線性與非線性狀態(tài)的運(yùn)放的分析方法不同，所以分析電路前，首先確定運(yùn)放工作在線性區(qū)還是非線性區(qū)。,37,確定運(yùn)放工作區(qū)的方法：判斷電路中有無(wú)負(fù)反饋。,若有負(fù)反饋，則運(yùn)放工作在線性區(qū)； 若無(wú)負(fù)反饋，或有正反饋，則運(yùn)放工作在非線性區(qū)。,處于非線性狀態(tài)運(yùn)放的特點(diǎn)：,1. 虛短路不成立。 2. 輸入電阻仍可以認(rèn)為很大。 3. 虛斷路成立。 4. 輸出電阻仍可以認(rèn)為是0。,三、 電壓比較器的種類,單限比較器 只有一個(gè)閾值電壓,滯回比較器 輸入電壓的變化方向不同，閾值電壓也不同,窗口比較器 有兩個(gè)閾值電壓,38,一、 過(guò)零比較器,8.2.2. 單限比較器,電壓傳輸特性,例：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?39,過(guò)零比較器限幅電路,保護(hù) 二極管,線性區(qū),IP=IN=0， UP=UN， 保護(hù)了輸入級(jí)。 提高了輸出電壓的轉(zhuǎn)換速度。,電壓傳輸特性,R限流電阻，不可缺少！,雙向穩(wěn)壓管限幅,uO UZ,40,例8.2.1（1）: 如圖所示電路,穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=6V,輸入電壓為如圖所示三角波,試畫出輸出電壓的波形.,解:ui0 時(shí),uo=UZ=6V ui0 時(shí),uo= +UZ=6V,41,二、 一般單限比較器,電壓傳輸特性,uR參考電壓,42,IP=IN=0， 寫出 uP、uN 表達(dá)式，令uP=uN ，求閾值電壓UT ; 確定輸出電壓的高、低電平UOH和UOL ; 根據(jù)uP 是否大于 uN ，確定ui UT 及uiUT 的輸出電壓值。,電壓傳輸特性,一般單限限幅比較器,43,例8.2.1(2):圖示電路，R1=R2=5k,基準(zhǔn)電壓UREF=2V，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=5V，輸入電壓為如圖所示三角波,試畫出輸出電壓的波形。,解:,ui 2V時(shí),uo=UZ=5V ui 2V時(shí),uo= +UZ=5V,單限比較器靈敏度高,但抗干擾能力弱。,44,8.2.3. 滯回比較器,電壓傳輸特性,滯回比較器靈敏度低，但抗干擾能力強(qiáng)。,45,例:圖示電路的上下門限電壓UT=3V, 穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=9V,輸入電壓波形如圖所示,試畫出輸出電壓的波形.,解:先畫出電壓傳輸特性,抗干擾能力強(qiáng),46,若要求滯回比較器的上下門限電壓均大于0，電路應(yīng)改進(jìn).,電壓傳輸特性,47,例8.2.2:現(xiàn)測(cè)得某電路輸入電壓Ui和輸出電壓Uo波形如圖所示，(1)判斷該電路是哪種電壓比較器，并畫出電壓傳輸特性。,解:是一個(gè)從反向輸入端輸入的滯回比較器。,上下門限電壓: UT=3V, 穩(wěn)定電壓: UZ=9V,電壓傳輸特性,48,例8.2.2:現(xiàn)測(cè)得某電路輸入電壓Ui和輸出電壓Uo波形如圖所示，(1)判斷該電路是哪種電壓比較器，并畫出電壓傳輸特性。,解:是一個(gè)從反向輸入端輸入的滯回比較器。,電壓傳輸特性,(2) 若要使UT1=2V, UT2=-4V, 則應(yīng)在電路中采取什么措施？,-4 2,49,例: 如圖R1=10k, R2=30k, UREF=8V, 穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=12V. 求:上下門限電壓并畫出電壓傳輸特性,解:,電壓傳輸特性,上下門限電壓為3V,9V， 穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=12V,50,例8.2.3設(shè)計(jì)一個(gè)電壓比較器，使其電壓傳輸特性如圖所示，要求所用電阻阻值在20K 100K之間.,解:上下門限電壓UT=3V, 穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=6V, UREF=0，信號(hào)從同相輸入端輸入。電路如圖所示：,取R1= 25K，則R2= 50K,取R1= 50K，則R2= 100K,51,8.2.4 窗口比較器及其電壓傳輸特性,D1導(dǎo)通，D2截止，uO=+UZ,D1截止，D2導(dǎo)通，uO=+UZ,D1、D2截止，Uo=0,52,作 業(yè)：,8.14 8.15 8.17,53,8.3 非正弦波發(fā)生電路,幾種常見(jiàn)的非正弦波,矩形波,三角波,鋸齒波,尖頂波,階梯波,本節(jié)主要講述模擬電路中常用的矩形波、三角波、鋸齒波三種非正弦波發(fā)生電路的組成、工作原理、波形分析和主要參數(shù)的計(jì)算。,54,uC ，當(dāng) uC = -UT 時(shí)， uO = +UZ ，則uP = +UT ，uO 通過(guò)R3向C充電 。,uC，當(dāng) uC = +UT 時(shí)， uO = - UZ ，則uP = -UT ，uO 通