第八章--波形的發(fā)生和信號的轉(zhuǎn)換

1、81 81 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 正弦波正弦波振蕩電路振蕩電路正弦波正弦波直流電源直流電源發(fā)生發(fā)生: :產(chǎn)生正弦波、矩形波、三角波等產(chǎn)生正弦波、矩形波、三角波等轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換: :V/I、I/V、V/f 等等測試信號或控制信號等測試信號或控制信號等用于測量、控制、送入計算機等用于測量、控制、送入計算機等811 811 概述概述一、產(chǎn)生正弦波振蕩的條件一、產(chǎn)生正弦波振蕩的條件 問題：問題：沒有外加輸入，怎樣產(chǎn)生正弦波？沒有外加輸入，怎樣產(chǎn)生正弦波？正反饋正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)0 OX-確定振蕩頻率確定振蕩頻率-反饋信號取代輸入信號反饋信號取代輸入信號+ + 輸出量輸出量via反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生反饋量

2、作為放大電路的輸入反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生反饋量作為放大電路的輸入 反饋量反饋量via放大電路維持著輸出量放大電路維持著輸出量()fiXXOX+ + oXiXA fXA oXFA 正弦波振蕩平衡條件：正弦波振蕩平衡條件：1FA AAA 設(shè)設(shè)FFF n21)(FAFAFA則則1FA 幅值平衡條件幅值平衡條件 n2FA相位平衡條件相位平衡條件放大電路本身的相位移放大電路本身的相位移 反饋網(wǎng)絡(luò)的相位移反饋網(wǎng)絡(luò)的相位移 n為整數(shù)為整數(shù) 首要條件首要條件+ +1FA 起振條件：起振條件： oXoXFA 1FA 二二. .起振條件和穩(wěn)幅原理起振條件和穩(wěn)幅原理起振過程起振過程穩(wěn)幅過程穩(wěn)幅過程穩(wěn)幅過程：穩(wěn)幅過程：起振時，

3、起振時，穩(wěn)定振蕩時，穩(wěn)定振蕩時，穩(wěn)幅措施：穩(wěn)幅措施：被動：器件非線性被動：器件非線性主動：在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，主動：在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)， 用以用以調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)放大電路的放大電路的增益。增益。1FA 1FA 三、正弦波振蕩的組成及分類三、正弦波振蕩的組成及分類(1) 放大電路放大電路 保證電路能夠有從起振到動態(tài)平衡的過程，保證電路能夠有從起振到動態(tài)平衡的過程， 使電路獲使電路獲 得一定幅值的輸出量，得一定幅值的輸出量， (2) 選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò) 確定電路的振蕩頻率確定電路的振蕩頻率fo ， 使電路產(chǎn)生單一頻率的振蕩。使電路產(chǎn)生單一頻率的振蕩。 實現(xiàn)能量的控制。實現(xiàn)能量的控制。

4、負(fù)反饋放大電路負(fù)反饋放大電路CRf-+ +RoUAfURCR1(3) (3) 正反饋網(wǎng)絡(luò)正反饋網(wǎng)絡(luò) 引入正反饋，用反饋信號取代輸入信號，引入正反饋，用反饋信號取代輸入信號， 通常選頻網(wǎng)絡(luò)兼正反饋網(wǎng)絡(luò)。通常選頻網(wǎng)絡(luò)兼正反饋網(wǎng)絡(luò)。 (4) (4) 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié) 非線性環(huán)節(jié)，使輸出信號幅值穩(wěn)定。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(wǎng)絡(luò)所用元件來命名分類：正弦波振蕩電路用選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件來命名RC正弦波振蕩電路：正弦波振蕩電路： 振蕩頻率較低，振蕩頻率較低， 1MHZ以下；以下；LC正弦波振蕩電路：正弦波振蕩電路： 振蕩頻率較高，振蕩頻率較高， 1MHZ以上；以上；石英晶體

5、正弦波振蕩電路：石英晶體正弦波振蕩電路： 等效為等效為LC正弦振蕩電路，正弦振蕩電路， 振蕩頻率非常穩(wěn)定。振蕩頻率非常穩(wěn)定。 CRf-+ +RoUAfURCR1四、判斷是否可能產(chǎn)生正弦波振蕩的步驟四、判斷是否可能產(chǎn)生正弦波振蕩的步驟 (1) 觀察包含觀察包含放大、選頻、正反饋放大、選頻、正反饋 和穩(wěn)幅和穩(wěn)幅四個部分？四個部分？ (2) 判斷放大電路是否能夠正常工作。判斷放大電路是否能夠正常工作。 是否有合適的靜是否有合適的靜 態(tài)工作點；態(tài)工作點； 動態(tài)信號是否能夠輸入、輸出和放大；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判斷電路是否滿足正弦波振蕩的相位平衡條件相

6、位平衡條件； aUfUoUAF+iU+,UUif同同相相與與若若則滿足相位條件則滿足相位條件,UUif反相反相與與若若不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判斷電路是否滿足正弦波 振蕩的振蕩的幅值條件幅值條件(起振條件起振條件)； 分別求解出電路的分別求解出電路的FA和和然后判斷然后判斷 是否大于是否大于1。FA瞬時極性法低頻低頻段等段等效電效電路及路及其相其相量圖量圖高頻高頻段等段等效電效電路及路及其相其相量圖量圖RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)(b)(c)812 RC橋式正弦波振蕩電路橋式正弦波振蕩電路一、一、RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò) 一階一階RC高通或低通電路

7、的最大相移絕對值小于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。，試從相位平衡條件出發(fā)，判斷電路能否振蕩。例題Rs T1 T2 C R C R Rd Re2 +VCC +不能振蕩不能振蕩 RCR2ou-+ +ACRR1+可以振蕩可以振蕩 T1 T2 Re1 uo C R Rd Re2 +VCC Rc C R Rf C1 C2 +可以振蕩可以振蕩 oUfUCCRRZ1Z2FCj1RZ1 CjRCj1 CjR11Z2 RCj1R ofUUF RCj1RCjRCj1RCj1R )RC1RC( j31 212ZZZ CRf-+ +RoUAfURCR1幅頻響應(yīng)幅頻響

8、應(yīng)of / fF1/310.1100相頻響應(yīng)相頻響應(yīng)of / ff 10.110090- -90時時當(dāng)當(dāng)off 31Fmax Uf 與與Uo 同相位。同相位。.。1FA RC21fo 2oo2)ffff(31F )ffff(31arctgoof 令令0f 即即幅值條件相位條件 n2FA3A 起振：起振：穩(wěn)態(tài)：穩(wěn)態(tài)：3A CRf-+ +RoUAfURCR1二、二、RC橋式正弦波振蕩電路橋式正弦波振蕩電路 放大電路放大電路串聯(lián)電壓負(fù)反饋放大電路，串聯(lián)電壓負(fù)反饋放大電路，具有高輸入阻抗和低輸出阻抗。具有高輸入阻抗和低輸出阻抗。選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò) 兼作正反饋網(wǎng)絡(luò)兼作正反饋網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)振蕩頻率是由

9、相位平衡條件所決定的，振蕩頻率是由相位平衡條件所決定的，時時當(dāng)當(dāng)off 31F 3A 建立振蕩條件：建立振蕩條件： 一開始要求一開始要求 3A 達(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)時達(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)時 3A RC21fo 接通電源后，接通電源后，產(chǎn)生熱噪聲，產(chǎn)生熱噪聲，選頻網(wǎng)絡(luò)將其中選頻網(wǎng)絡(luò)將其中 RC21fo 篩選出來，篩選出來，送至放大電路：送至放大電路：選頻選頻 放大放大 再選頻再選頻 再放大再放大 輸出幅度越來越大輸出幅度越來越大 振蕩的建立過程。振蕩的建立過程。CRf-+ +RoUAfURCR1穩(wěn)幅措施：穩(wěn)幅措施： 在負(fù)反饋放大電路的在負(fù)反饋放大電路的 負(fù)反饋電路中，負(fù)反饋電路中， 采用非采用非 線性元

10、件，線性元件， 來自動調(diào)節(jié)來自動調(diào)節(jié) 反饋的強弱，反饋的強弱， 以維持輸以維持輸出電壓的穩(wěn)定。出電壓的穩(wěn)定。 用具有用具有負(fù)負(fù)(或正或正)溫度系數(shù)的熱敏電阻代替溫度系數(shù)的熱敏電阻代替 Rf (R1 )，適當(dāng)調(diào)整負(fù)反饋適當(dāng)調(diào)整負(fù)反饋使放大電路的使放大電路的的強弱，的強弱，放大倍數(shù)略大于放大倍數(shù)略大于3例題R-+ +CCRR1ouD1R3D2 k7 . 2R2 k1 . 9 k10F015. 0 k1 . 5A電路電路, 已知已知A為運放為運放741, 其最大輸出電其最大輸出電壓為壓為 14V。圖示電路為圖示電路為RC橋式正弦波振蕩橋式正弦波振蕩解：解： (1) 圖中用二極管圖中用二極管D1, D

11、2作為自動穩(wěn)作為自動穩(wěn)幅元件，試分析它的穩(wěn)幅原理；幅元件，試分析它的穩(wěn)幅原理；當(dāng)當(dāng)uo幅值很小時，幅值很小時， D1,D2 截止，截止， 相當(dāng)于開路相當(dāng)于開路3R k7 . 2RR33)RRR1(A132 )1 . 57 . 21 . 91 ( 3 . 3 3 有利于起振；有利于起振；當(dāng)當(dāng)uo幅值較大時，幅值較大時，D1或或D2 導(dǎo)通，導(dǎo)通，D33r/RR 減小，減小， A隨之下降，隨之下降， 當(dāng)當(dāng)rD達(dá)到達(dá)到1.86k時，時， 3A uo趨于穩(wěn)定；趨于穩(wěn)定； 例題電路電路, 已知已知A為運放為運放741, 其最大輸出電其最大輸出電壓為壓為 14V。圖示電路為圖示電路為RC橋式正弦波振蕩橋式正

12、弦波振蕩解：解： R-+ +CCRR1ouD1R3D2 k7 . 2R2 k1 . 9 k10F015. 0 k1 . 5A3R (2) 設(shè)電路已產(chǎn)生正弦波穩(wěn)幅振蕩設(shè)電路已產(chǎn)生正弦波穩(wěn)幅振蕩, 當(dāng)當(dāng)輸出電壓達(dá)到正弦波峰值時，二極管輸出電壓達(dá)到正弦波峰值時，二極管的正向壓降約為的正向壓降約為0.6V，試粗略估算出，試粗略估算出電壓的峰值電壓的峰值Uom；穩(wěn)幅時穩(wěn)幅時3A 根據(jù)根據(jù))RRR1 (A132 得得213RR) 1A(R k1 . 11 . 91 . 5) 13(0.6Vi 3RV6 . 0omU321RRR 1 . 11 . 91 . 5U1 . 16 . 0om 于是于是V35. 8

13、Uom 例題電路電路, 已知已知A為運放為運放741, 其最大輸出電其最大輸出電壓為壓為 14V。圖示電路為圖示電路為RC橋式正弦波振蕩橋式正弦波振蕩解：解： R-+ +CCRR1ouD1R3D2 k7 . 2R2 k1 . 9 k10F015. 0 k1 . 5A3R 0.6Vi(3) 試定性說明因不慎使試定性說明因不慎使R2短路時短路時, 輸出電壓輸出電壓uo的波形；的波形；0R2 若若)RR1 (A13 )1 . 57 . 21 ( 53. 1 3 電路停振；電路停振；(4) 電路正常工作時，振蕩頻率？電路正常工作時，振蕩頻率？RC21fo 813 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 LC

14、振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)是由振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)是由L和和C組成的組成的LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)多采用分立元件電路，多采用分立元件電路， 必要時還應(yīng)采用共基電路。必要時還應(yīng)采用共基電路。 一、一、LC諧振回路的頻率特性諧振回路的頻率特性IRCL時時當(dāng)當(dāng)CLR諧振頻率諧振頻率LC21fo 或或ZZofofQ小小 Q大大 Z 90ofof 90Q小小 Q大大 品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)QCLR1 Q值愈大，值愈大， 選頻特性愈好。選頻特性愈好。 二、選頻放大電路二、選頻放大電路以以LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為共射放大電路的集電極負(fù)載。并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為共射放大電路的集電極負(fù)載。TCLRb1ReC1Ce+VCCRb2電路的電壓放大倍數(shù)電路的電

15、壓放大倍數(shù)beurZA 當(dāng)當(dāng)f = fo 時，時，電壓放大倍數(shù)的數(shù)值最大，電壓放大倍數(shù)的數(shù)值最大，且無附加相移。且無附加相移。 正反饋網(wǎng)絡(luò)正反饋網(wǎng)絡(luò)根據(jù)引入反饋的方式不同根據(jù)引入反饋的方式不同 變壓器反饋式變壓器反饋式 電感反饋式電感反饋式 電容反饋式電容反饋式 共射電路或共基電路。共射電路或共基電路。 三、變壓器反饋式振蕩電路三、變壓器反饋式振蕩電路CCe+VCCReRLN1 N2 Rb2Rb1C1 T 四個組成部分四個組成部分 放大電路是典型的工作放大電路是典型的工作點穩(wěn)定電路點穩(wěn)定電路:Q，交流信號，交流信號 LC并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)作為管子并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)作為管子 的集電極負(fù)載，的集電極負(fù)載， 反

16、饋信號通過反饋信號通過 變壓器傳送到基極回路。變壓器傳送到基極回路。 TRb1Rb2CN1 N2 相位平衡條件相位平衡條件+只要合理選擇變壓器原、副只要合理選擇變壓器原、副 邊線圈的匝數(shù)比以及其它電邊線圈的匝數(shù)比以及其它電 路參數(shù)，路參數(shù)， 電路很容易滿足幅電路很容易滿足幅 值條件。值條件。 幅值平衡條件幅值平衡條件四、電感反饋式振蕩電路四、電感反饋式振蕩電路CCe+VCCReRLN1 N2 Rb2Rb1C1 TTRb1Rb2N1 N2 C+滿足相位平衡條件；滿足相位平衡條件； ，F(xiàn)A相互關(guān)聯(lián)相互關(guān)聯(lián)與與只要電路參數(shù)選擇得當(dāng)，只要電路參數(shù)選擇得當(dāng)， 電路就可滿足幅值條件。電路就可滿足幅值條件。

17、 電感三點式電路 四個組成部分四個組成部分 放大電路能夠正常工作放大電路能夠正常工作CCe+VCCReRLN1 N2 Rb2Rb1C1 T優(yōu)點： N2與與N1之間耦合緊密，之間耦合緊密， 振幅大，振幅大， 改變電容，改變電容， 可獲得調(diào)可獲得調(diào)節(jié)范圍較寬的振蕩頻率；節(jié)范圍較寬的振蕩頻率； 缺點： 反饋電壓取自電感，反饋電壓取自電感， 對高頻信號具有較大的電抗，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。輸出電壓波形中常含有高次諧波。 改進(jìn)：改進(jìn)： 將諧振回路中的電容換成電感，將諧振回路中的電容換成電感， 電感換成電容，電感換成電容， 并在置換后將兩個電容的公共端接地，并在置換后將

18、兩個電容的公共端接地，且增加集電極電阻。且增加集電極電阻。 五、電容反饋式振蕩電路五、電容反饋式振蕩電路RcRb2Rb1C1 TC1 Re+VCCCeLC2 C2uo 兩個電容的三個端子分別兩個電容的三個端子分別 接晶體管的三個電極，接晶體管的三個電極， 又稱又稱電容三點式電路。電路。 四個組成部分：四個組成部分： 放大電路，放大電路， 選頻網(wǎng)絡(luò)，選頻網(wǎng)絡(luò)， 正反饋網(wǎng)絡(luò)，正反饋網(wǎng)絡(luò)， 非線性元件；非線性元件； 放大電路能夠正常工作：放大電路能夠正常工作： 可以設(shè)置合適的靜態(tài)工作點；可以設(shè)置合適的靜態(tài)工作點；TRb1Rb2RcC1 C2 L 交流信號傳遞過程中無開路交流信號傳遞過程中無開路或短路

19、現(xiàn)象；或短路現(xiàn)象； RcRb2Rb1C1 TC1 Re+VCCCeLC2 C2uoTRb1Rb2RcC1 C2 L +滿足相位平衡條件；滿足相位平衡條件； ，F(xiàn)A相互關(guān)聯(lián)相互關(guān)聯(lián)與與只要電路參數(shù)選擇得當(dāng)，只要電路參數(shù)選擇得當(dāng)， 電路就可滿足幅值條件。電路就可滿足幅值條件。 振蕩頻率振蕩頻率 )CCCCL21f2121o 起振條件起振條件 Lbe12RrCC LR 集電極總負(fù)載集電極總負(fù)載 82 82 電壓比較電壓比較器器 電壓比較器是對輸入信號進(jìn)行電壓比較器是對輸入信號進(jìn)行鑒幅與比較鑒幅與比較的電路，的電路， 是組成是組成非正弦波非正弦波發(fā)生電路的基本單元電路。發(fā)生電路的基本單元電路。 821

20、 概述概述 一、電壓比較器的電壓傳輸特性一、電壓比較器的電壓傳輸特性 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)跳變時的從一種狀態(tài)向另一種狀態(tài)跳變時的ui閾值電壓閾值電壓UT : 又稱轉(zhuǎn)折電壓又稱轉(zhuǎn)折電壓uo 電壓電壓比較器比較器 UOM。ui模擬信號模擬信號uo=f(ui)必須確定以下三個要素：必須確定以下三個要素： 輸出電壓高電平和低電平的數(shù)值輸出電壓高電平和低電平的數(shù)值 閾值電壓的數(shù)值閾值電壓的數(shù)值 輸出電壓從一個狀態(tài)向另一個狀態(tài)跳變時的方向輸出電壓從一個狀態(tài)向另一個狀態(tài)跳變時的方向 要正確畫出電壓傳輸特性，要正確畫出電壓傳輸特性， 二、集成運放的非線性工作區(qū)二、集成運放的非線

21、性工作區(qū)電壓比較器電路中，電壓比較器電路中， 集成運放處于開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋集成運放處于開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋 +A uP uN uo 反饋通路反饋通路 +A uP uN uo ouP-uN uo-UOM +UOM 虛短？ 虛斷？ 三、電壓比較器的種類三、電壓比較器的種類1、單限比較器、單限比較器 一個閾值電壓一個閾值電壓ouP-uN uoUT 增大或減小的過程中只要通過增大或減小的過程中只要通過UT，uo都會發(fā)生躍變。都會發(fā)生躍變。 +UOM -UOM 2、滯回比較器、滯回比較器 兩個閾值電壓兩個閾值電壓ouP-uN uoUT1 UT2 uI和和過程中，過程中， uo發(fā)生躍變對應(yīng)的閾值電壓不

22、同。發(fā)生躍變對應(yīng)的閾值電壓不同。+UOM -UOM 3、窗口比較器、窗口比較器 兩個閾值電壓兩個閾值電壓uI單方向變化時，單方向變化時， 在通過不同的閾值電壓時，在通過不同的閾值電壓時， uo產(chǎn)生兩次躍變。產(chǎn)生兩次躍變。ouP-uN uoUT1 UT2 +UOM 822 單限比較器單限比較器一、過零比較器一、過零比較器 閾值電壓閾值電壓 UT = 0 ui uo +A oui uo+UOM -UOM ui uo +A oui uo-UOM +UOM 反相輸入反相輸入 同相輸入同相輸入 輸入輸出端加保護(hù)電路輸入輸出端加保護(hù)電路 ui uo +A Rui uo +A DZ Rui uo +A DZ

23、 R二、一般單限比較器二、一般單限比較器 ui uo +A DZ RR1 R2 UREF NP參考電壓參考電壓 Nui211uRRR REF212URRR 當(dāng)當(dāng)uN=nP=0時，時， 輸出電壓會發(fā)生躍變，輸出電壓會發(fā)生躍變， 這時的這時的ui就是閾值電壓就是閾值電壓UT。 0URRRURRRREF212T211 REF12TURRU oui uoUT +UZ1 -UZ2 例題 在圖所示在圖所示(a)(b)兩電路中，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓兩電路中，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，輸入電壓為圖示三角波。試畫出輸出電壓的波形。壓的波形

24、。 ui uo +A DZ R(a)ui uo +A DZ RR1 R2 UREF (b)oui/V t 5 -5 0UT oui/Vuo/V+6 -6 ouo/V t -6 6 REF12TURRU V2 oui/V uo/V2 +6 -6 ouo/V t -2 -6 6 823 滯回比較器滯回比較器單限比較器，單限比較器， 電路簡單，電路簡單，靈敏度高，靈敏度高，抗干擾能力差。抗干擾能力差。uiuoUREFuiouiUREFuoouiUOHUOL 滯回比較器具有滯滯回比較器具有滯 回特性，回特性， 即具有即具有慣性慣性， 因而具有一定的擾干因而具有一定的擾干 擾能力。擾能力。 在反相輸入單限比較器的基礎(chǔ)上，在反相輸入單限比較器的基礎(chǔ)上， 引入正反饋網(wǎng)絡(luò)，引入正反饋網(wǎng)絡(luò)， 就構(gòu)成了滯回比