第8章 波形的發(fā)生和信號(hào)的轉(zhuǎn)換

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。1基本放大電路A反饋電路F+–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。則去掉如果：仍有信號(hào)輸出。改成正反饋8.1概述2一.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)生自激振蕩基本放大電路A反饋電路F則去掉輸入信號(hào)仍有信號(hào)輸出。3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)椋核?，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；振幅條件可以通過調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達(dá)到。問題：如何起振？如何穩(wěn)幅？4Uo是振蕩器的電壓輸出幅度，B是要求輸出的幅度。起振時(shí)Uo=0，達(dá)到穩(wěn)定振蕩時(shí)Uo=B。放大電路中存在噪聲即瞬態(tài)擾動(dòng)，這些擾動(dòng)可分解為各種頻率的分量，其中也包括有fo分量。選頻網(wǎng)絡(luò)：把fo分量選出，把其他頻率的分量衰減掉。這時(shí)，只要：且A+B=2n，即可起振。起振后，輸出將逐漸增大，若不采取穩(wěn)幅，這時(shí)若|AF|仍大于1，則輸出將會(huì)飽和失真。達(dá)到需要的幅值后，將參數(shù)調(diào)整為AF=1，即可穩(wěn)幅。起振并能穩(wěn)定振蕩的條件：51．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?？偨Y(jié)：6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。其中選頻網(wǎng)絡(luò)往往與反饋網(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：１．電路是否由四個(gè)部分組成：放大、選頻、反饋和穩(wěn)幅２．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３．判斷電路是否引入正反饋：利用瞬時(shí)極性法４．判斷電路是否滿足起振條件：計(jì)算Ａ和Ｆ，是否7RC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)

反饋網(wǎng)絡(luò)-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。8910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1MHz的正弦波11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0.01μF,0.1μF,1μF,10μF,R=50Ω,RW=10kΩ.求:f0的調(diào)節(jié)范圍.解：雙聯(lián)波段開關(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。12通過調(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)波段開關(guān)，切換R，用于粗調(diào)振蕩頻率。+ARFuoRCCRKKR1R1R2R2R3R313電子琴振蕩電路_+ARF1uoR1CCRD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R2114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?。ァァ?ˉ?TuRAU&&oˉˉ?uoAU&&ˉ-?-?dDoriU&158.1.3LC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ABCL理想電路諧振頻率16一、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ABCLR3、諧振電阻損耗電阻175、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：ABCLR18二、諧振回路的品質(zhì)因數(shù)定義：諧振時(shí)電路的電抗（ω0L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30~200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！ABCLR19三、諧振曲線1、諧振曲線fof+90–90fR02、通用諧振方程ABCLR20選頻放大電路RC當(dāng)f=fo

時(shí)，電壓放大倍數(shù)最大，且無(wú)附加相移?！哂羞x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。21例1：變壓器反饋式振蕩電路+–++–+正反饋22++––+例2：電感反饋式振蕩電路正反饋+UCCCC1C2頻率由LC諧振網(wǎng)絡(luò)決定。–23例3：電感三點(diǎn)式振蕩電路––+正反饋+++24例4：電感三點(diǎn)式振蕩電路頻率由C、L1、

L2諧振網(wǎng)絡(luò)決定。+UCCCC1L1L2C2+++–––+正反饋25例4：電容三點(diǎn)式振蕩電路正反饋頻率由L、C1、

C2組成的諧振網(wǎng)絡(luò)決定。+UCCC1LC2+––+–++268.1.4.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)晶體產(chǎn)生機(jī)械變形晶體產(chǎn)生電場(chǎng)交變電壓機(jī)械振動(dòng)交變電壓壓電效應(yīng)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。27石英晶體的等效電路感性容性容性LC0CR|Z|f等效電路阻抗特性fpfSC0——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。10-3~102HC——晶片的彈性等效為電容C.10-4~10-1PFR——晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗等效為電阻R

102Ω∵L大，C小，R小∴很大104~106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。28石英晶體的諧振頻率感性LC0CR|Z|ffpfS容性容性特點(diǎn)：（1）一個(gè)晶體有兩個(gè)諧振頻率。時(shí)當(dāng)即——串聯(lián)諧振頻率（阻抗最小）時(shí)當(dāng)即——并聯(lián)諧振頻率（阻抗最大）（2）fP>fS，但由于C<<C0，∴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。29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。30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。318.2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u(píng)o與uI的關(guān)系曲線稱為電壓傳輸特性u(píng)o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UT時(shí)uO躍變的方向。32二、理想集成運(yùn)放工作于非線性區(qū)電路中沒有引入負(fù)反饋（開環(huán)或引入的是正反饋），理想運(yùn)放工作于非線性區(qū)。電壓傳輸特性因其放大倍數(shù)趨于無(wú)窮大，所以輸出電壓只有兩種可能：33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)。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.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滯回比較器窗口比較器34一、過零比較器8.2.2.單限比較器電壓傳輸特性tui例：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲╱ot+Uom-Uom35過零比較器限幅電路+UZ-UZ保護(hù)二極管雙向穩(wěn)壓管限幅線性區(qū)

I+=I-=0，U+=U-，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+UZ-UZ36

例: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:ui>0時(shí),uo=－UZ=－6Vui<0時(shí),uo=+UZ=＋6Vtuiuot+6V-6V37二、一般單限比較器電壓傳輸特性u(píng)R參考電壓38

I+=I-=0，寫出u+、u-表達(dá)式，令u+=u-，求閾值電壓UT;

確定輸出電壓的高、低電平UOH和UOL;

根據(jù)u+是否大于u-，確定ui>UT

及ui<UT

的輸出電壓值。電壓傳輸特性39

例:圖示電路,R1=R2=5kΩ,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=－5Vui<－2V時(shí),uo=+UZ=＋5V單限比較器靈敏度高,但抗干擾能力弱。408.2.3.滯回比較器滯回比較器靈敏度低,但抗干擾能力強(qiáng)電壓傳輸特性41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)42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43例:如圖R1=10kΩ,R2=30kΩ,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44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~100KΩ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=100K458.2.4窗口比較器及其電壓傳輸特性D1導(dǎo)通，D2截止，uO=+UZD1截止，D2導(dǎo)通，uO=+UZD1、D2截止，Uo=0468.3非正弦波發(fā)生電路幾種常見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。47uC，當(dāng)

uC=-UT時(shí)，uO=+UZ，則u+=+UT，uO通過R3向C充電。uC，當(dāng)

uC=+UT時(shí)，uO=-UZ，則u+=-UT，uO通過R3向C反向充電（放電）。工作原理：設(shè)初態(tài)uC=u-=0，uO=+UZ，則u+=+UT，uO通過R3向C充電。8.3.1、矩形波發(fā)生器由反向輸入滯回比較器和RC電路組成滯回比較器48波形分析及主要參數(shù)：0UTuct-UTUZuo0t-UZTRC電路：起反饋和延遲作用，獲得一定的頻