模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)_基于集成運放的信號產(chǎn)生與變換電路

1、第第7章章 基于集成運放的信號產(chǎn)生與變換電路基于集成運放的信號產(chǎn)生與變換電路信號轉(zhuǎn)換電路信號轉(zhuǎn)換電路7.4正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路7.1非正弦波產(chǎn)生電路非正弦波產(chǎn)生電路7.2波形變換電路波形變換電路7.37.1 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路7.1.1 概概 述述1. 產(chǎn)生正弦波振蕩的條件產(chǎn)生正弦波振蕩的條件正弦波振蕩電路是一種信號發(fā)生電路，它不需外加任何輸正弦波振蕩電路是一種信號發(fā)生電路，它不需外加任何輸入信號，由電路自身就能產(chǎn)生一定頻率和一定幅值的正弦入信號，由電路自身就能產(chǎn)生一定頻率和一定幅值的正弦輸出信號。輸出信號。 在電擾動下，對于某一特定頻率在電擾動下，對于某一特定頻率f0的信號

2、形成正反饋：的信號形成正反饋：oioXXXfiXXoXFiXFA1FA211FAnFAFA幅值平衡條件幅值平衡條件相位平衡條件相位平衡條件1FA起振條件：起振條件： 要產(chǎn)生正弦波振蕩，必須有滿足相位條件的要產(chǎn)生正弦波振蕩，必須有滿足相位條件的f0，且在，且在合閘通電時對于合閘通電時對于f= f0信號有從小到大直至穩(wěn)幅的過程，信號有從小到大直至穩(wěn)幅的過程，即滿足起振條件。即滿足起振條件。輸出電壓從幅值很小、含有豐富頻率，到僅有一種頻率輸出電壓從幅值很小、含有豐富頻率，到僅有一種頻率且幅值由小逐漸增大直至穩(wěn)幅。且幅值由小逐漸增大直至穩(wěn)幅。2 2振蕩的建立與穩(wěn)定振蕩的建立與穩(wěn)定振蕩電路的起振條件為振

3、蕩電路的起振條件為: : nFAFA21幅值很小幅值很小頻率豐富頻率豐富振蕩的建立與穩(wěn)定過程：振蕩的建立與穩(wěn)定過程：上圖上圖部分部分頻率趨頻率趨于單一于單一幅值逐幅值逐漸增大漸增大逐漸變?yōu)閱我活l逐漸變?yōu)閱我活l率的穩(wěn)幅振蕩率的穩(wěn)幅振蕩3 3正弦波信號發(fā)生器的電路組成正弦波信號發(fā)生器的電路組成1) 放大電路：放大電路：放大作用放大作用2) 正反饋網(wǎng)絡(luò)：正反饋網(wǎng)絡(luò)：滿足相位條件滿足相位條件3) 選頻網(wǎng)絡(luò)：選頻網(wǎng)絡(luò)：產(chǎn)生單一頻率產(chǎn)生單一頻率f0的的振蕩振蕩4) 非線性環(huán)節(jié)（穩(wěn)幅環(huán)節(jié)）：非線性環(huán)節(jié)（穩(wěn)幅環(huán)節(jié)）：穩(wěn)穩(wěn)定輸出幅值定輸出幅值常合二為一常合二為一1) 是否存在四個主要組成部分；是否存在四個主要組

4、成部分；2) 放大電路能否正常工作，即是否有合適的放大電路能否正常工作，即是否有合適的Q點，信號是否點，信號是否可能正常傳遞，可能正常傳遞，有有沒有被短路或斷路沒有被短路或斷路；3) 是否滿足相位條件，即是否存在是否滿足相位條件，即是否存在 f0，是否可能振蕩，是否可能振蕩 ；4) 是否滿足幅值條件，即是否一定振蕩。是否滿足幅值條件，即是否一定振蕩。4 4、分析方法、分析方法5 5正弦波振蕩電路的分類正弦波振蕩電路的分類按選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件分類：按選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件分類：（1）RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 （產(chǎn)生（產(chǎn)生1MHz以下）以下）（2）LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路變壓器反饋式變壓器

5、反饋式電感反饋式（電感三點式）電感反饋式（電感三點式）電容反饋式（電容三點式）電容反饋式（電容三點式）（產(chǎn)生（產(chǎn)生幾百幾百千赫千赫幾百幾百兆赫）兆赫）（3）石英晶體振蕩器）石英晶體振蕩器串聯(lián)型串聯(lián)型并聯(lián)型并聯(lián)型（振蕩頻率振蕩頻率非常非常穩(wěn)定穩(wěn)定）7.1.2 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路組成放大器組成放大器組成選頻網(wǎng)路組成選頻網(wǎng)路, 同時也是正同時也是正反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)ofVVFCjRCjRCjR1/11/)1j(31RCRCRC10RCf21200)(3100jF)(3100ffffj)(3100ffffjF2002)(31ffffF)(31arctan00ffffF可見，當(dāng)可見，當(dāng) 時，

6、時， 最大，且最大，且 。RCff210F0F31maxFRC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)完整的頻率特性曲線：串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)完整的頻率特性曲線：0FRCff210時，時，31maxF11RRAf0ARCff210時，時，0)(0 ffFA31 AFA1只要滿足：只要滿足： 即可。即可。3A311RRf12RRf輸出正弦波頻率輸出正弦波頻率：RCf210文氏電橋振蕩器文氏電橋振蕩器例題例題:R=1k ，C=0.1 F，R1=10k 。Rf為多大時才能起振？為多大時才能起振？振蕩頻率振蕩頻率f0=？ 解：起振條件：解：起振條件：uRf1RRRCCufA+o12RRfkk20102振蕩頻率：振蕩頻率：RCff210kHz

7、kHz59. 11 . 0114. 321能自動穩(wěn)幅的振蕩電路：能自動穩(wěn)幅的振蕩電路：半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻(負(fù)溫度系數(shù)）負(fù)溫度系數(shù)）u0.1u10k0.1u+Afu10k10k39k100kotR11RRAf11RRRwt上K：雙聯(lián)波段開關(guān)，：雙聯(lián)波段開關(guān)，切換切換R，用于，用于粗調(diào)振蕩頻率。粗調(diào)振蕩頻率。C：雙聯(lián)可調(diào)電容，改變雙聯(lián)可調(diào)電容，改變C，用于細(xì)調(diào)振蕩頻率。用于細(xì)調(diào)振蕩頻率。_+ + RfvoRCCR1 1KKR1R1R2R2R3R3振蕩頻率：振蕩頻率：RCf210頻率可調(diào)的文氏橋振蕩器：頻率可調(diào)的文氏橋振蕩器：振蕩頻率連續(xù)可調(diào)的振蕩頻率連續(xù)可調(diào)的RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)串并聯(lián)選頻

8、網(wǎng)絡(luò)頻率可調(diào)的文氏橋振蕩器：頻率可調(diào)的文氏橋振蕩器：VfVo7.1.3 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路1LC并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路)/(1LjRCjZLjRCjLjRCj1)(1一般情況下，一般情況下， LjR)1(CLjRCLZCL001當(dāng)當(dāng) ， LC并聯(lián)諧振回路呈純阻性，稱其發(fā)生并聯(lián)諧振。并聯(lián)諧振回路呈純阻性，稱其發(fā)生并聯(lián)諧振。LC10 即即 ， LCf210 時時RCLZ LC并聯(lián)諧振回路的頻率特性曲線：并聯(lián)諧振回路的頻率特性曲線：0時，時，LCff210RCLZ 呈純阻性，且達(dá)到最大值呈純阻性，且達(dá)到最大值RCLZZ0LQ0CQ02變壓器反饋式變壓器反饋式LC振蕩電路振蕩電路（1）

9、相位平衡條件）相位平衡條件0ff （2）起振條件）起振條件1FA利用晶體管的非線性使利用晶體管的非線性使電路自動穩(wěn)定輸出幅值。電路自動穩(wěn)定輸出幅值。（3）振蕩頻率）振蕩頻率LCCLff21210特點：特點：易起振，波形較好；耦合不緊密，易起振，波形較好；耦合不緊密，損耗大，頻率穩(wěn)定性不高。損耗大，頻率穩(wěn)定性不高。+ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU(+)(-)(+)(+)變壓器反饋式正弦波振蕩器舉例：變壓器反饋式正弦波振蕩器舉例：(+)(+)(+)(+)滿足相位平衡條件滿足相位平衡條件Vb221eLCeccCbb1RRRLC(-)(+)變壓器反饋式正弦波振蕩器舉例：變壓器反饋式正弦波

10、振蕩器舉例：（+）（+）（）（+）振蕩頻率振蕩頻率:（）LCf210滿足相位平衡條件滿足相位平衡條件VRReb1ccLCCeC2RcC1Rb2變壓器反饋式正弦波振蕩器舉例：變壓器反饋式正弦波振蕩器舉例：3電感反饋（三點）式電感反饋（三點）式LC振蕩電路振蕩電路反相與0vvf同相與0vvfvvo1LC2LfvvCLL12fo首端首端尾端尾端中間抽頭中間抽頭首端首端尾端尾端中間抽頭中間抽頭0ff 振蕩頻率：振蕩頻率：LCf210CMLL)2(2121電感的三個抽頭分別接晶體電感的三個抽頭分別接晶體管的三個極，故稱之為電感管的三個極，故稱之為電感三點式振蕩電路。三點式振蕩電路。特點：耦合緊密，易起振

11、，振特點：耦合緊密，易起振，振幅大；調(diào)節(jié)幅大；調(diào)節(jié)C 可獲得較寬范圍可獲得較寬范圍的振蕩頻率。波形較差，常含的振蕩頻率。波形較差，常含有高次諧波。有高次諧波。3電感反饋（三點）式電感反饋（三點）式LC振蕩電路振蕩電路4電容反饋（三點）式電容反饋（三點）式LC振蕩電路振蕩電路反相與0vvf同相與0vvf首端首端尾端尾端中間抽頭中間抽頭首端首端尾端尾端中間抽頭中間抽頭vvf2o1CCLvvLCoC12f4電容反饋（三點）式電容反饋（三點）式LC振蕩電路振蕩電路0ff 振蕩頻率：振蕩頻率：LCf210212121CCCCL特點：特點：波形好，振蕩頻率調(diào)整范圍小，波形好，振蕩頻率調(diào)整范圍小，適于頻率固

12、定的場合。適于頻率固定的場合。7.1.4 石英晶體正弦波振蕩電路石英晶體正弦波振蕩電路1. 石英晶體石英晶體SiO2結(jié)晶體按一定方向切割的晶片。結(jié)晶體按一定方向切割的晶片。壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)：晶片的兩個電極間加一電晶片的兩個電極間加一電場，會使晶體產(chǎn)生機(jī)械變場，會使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；相反，若在晶體上施形；相反，若在晶體上施加機(jī)械壓力，又會在兩個加機(jī)械壓力，又會在兩個電極上產(chǎn)生相應(yīng)的電場。電極上產(chǎn)生相應(yīng)的電場。 如果在晶片的兩個電極間加的是交變電壓，就會產(chǎn)如果在晶片的兩個電極間加的是交變電壓，就會產(chǎn)生機(jī)械振動，同時機(jī)械振動又會產(chǎn)生交變電場生機(jī)械振動，同時機(jī)械振動又會產(chǎn)生交變電場當(dāng)外加交變電壓的頻

13、率與晶片的固有頻率相等時，機(jī)當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率相等時，機(jī)械振動的振幅達(dá)到最大，這種現(xiàn)象稱為械振動的振幅達(dá)到最大，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振壓電諧振。 CjLjRZs1)1(CLjR時，時，LCffs21RZsR、L、C支路發(fā)生串聯(lián)諧振。支路發(fā)生串聯(lián)諧振。 01/CjZZsRZs當(dāng)頻率高于當(dāng)頻率高于fs小于小于fp時，時，R、L、C支路呈感性，當(dāng)與支路呈感性，當(dāng)與 C0發(fā)生并聯(lián)諧振時，其振蕩頻率為：發(fā)生并聯(lián)諧振時，其振蕩頻率為：001121CCfCCLCfsp由于由于C VT+ , 就有就有 v- v+ , vo 立即由立即由VZ變成變成VZ 。在在 vc VT+ 時，時，v- v+

14、 , vo保持保持+VZ不變不變+VZ2工作原理工作原理（2） 當(dāng)當(dāng) vo = - VZ , ZTPVRRRVv211則則 此時，此時，C向向vO放電放電,再反向充電再反向充電VT+vctVT-VZvc達(dá)到達(dá)到VT-時，時，vo上跳。上跳。當(dāng)當(dāng)vo 重新回到重新回到VZ 后，電路又進(jìn)入另一個周期性的變化。后，電路又進(jìn)入另一個周期性的變化。0VT+vctVT-+VZvo0t - VZT3波形分析波形分析4主要參數(shù)計算主要參數(shù)計算0 VT+vct VT- +VZ -VZT1T2TT2階段階段vc(t)的過渡方程為的過渡方程為:RCevvvtvtcccc,)()0()()(2212TTTTZcVRR

15、Rv211)0(ZcVv)(RCtZZZceVVRRRVtv)(2114主要參數(shù)計算主要參數(shù)計算0 VT+vct VT- +VZ -VZT1T2TRCtZZZceVVRRRVtv)(211ZcVRRRTv211)2(0T/2)21ln(221RRRCTTf15占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路充電時間常數(shù)：充電時間常數(shù)： 正向充電和反向充電時間正向充電和反向充電時間常數(shù)可調(diào)，占空比就可調(diào)。常數(shù)可調(diào)，占空比就可調(diào)。CRRw）（11放電時間常數(shù)：放電時間常數(shù)： CRRw）（22)21ln(2111RRT)21ln(2122RRT)21ln()(212121RRTTT)21ln()

16、2(21RRRRwRRRRTTqww2117.2.2 三角波和鋸齒波產(chǎn)生電路三角波和鋸齒波產(chǎn)生電路1電路組成電路組成 用積分運算電路可將方波變?yōu)槿遣āＳ梅e分運算電路可將方波變?yōu)槿遣?。積分電路積分電路滯回比較器滯回比較器 2工作原理工作原理12112121OOPvRRRvRRRv若若vo1=+VZ，vo，v+ 。 當(dāng)當(dāng)vP1 0時，時，vo1翻轉(zhuǎn)為翻轉(zhuǎn)為-VZ。若若vo1=-VZ，vo，v+ 。 當(dāng)當(dāng) vP1 0時，時，vo1翻轉(zhuǎn)為翻轉(zhuǎn)為+VZ。0VT+votVT-+VZvo10t - VZT2工作原理工作原理0VT+votVT-+VZvo10t - VZT3主要參數(shù)計算主要參數(shù)計算 發(fā)生跳

17、變的臨界條件：發(fā)生跳變的臨界條件： 1Ov011NPvv012112121OOPvRRRvRRRvZTVRRV21ZTVRRV21振蕩周期：振蕩周期：214RRCRT 鋸齒波發(fā)生電路鋸齒波發(fā)生電路CRRRRT)(2w211上CRRRRT)(2w212下CRRRRT)2(2w21wwRRRRTTq21上7.2.3 壓控振蕩器壓控振蕩器ZOPVRRRvRRRv32213232令令 ，可得滯回比較器的閾值電壓為：，可得滯回比較器的閾值電壓為： 022NPvvZTVRRV32（1）當(dāng)當(dāng) vo = + VZ時時, 二極管導(dǎo)通，電容二極管導(dǎo)通，電容C充電，輸出電壓充電，輸出電壓 線性下降。線性下降。 1O

18、v15RR 電路中，電路中，R1遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于R5 51RVRviZiC5RVZdtiCvCO11dtRVCZ51ZVRR32215TCRVZ輸出電壓輸出電壓vo線性下降的時間為線性下降的時間為: 35212RCRRT （2）當(dāng)當(dāng) vo = - VZ時時, 二極管截止，電容二極管截止，電容C放電，輸出電壓放電，輸出電壓 線性上升。線性上升。 1Ov1RviiCdtiCvCO11dtRvCi11ZVRR32221TCRvi輸出電壓輸出電壓vo線性上升的時間為線性上升的時間為: iZvVRCRRT31222iZvVRCRRTTTT312221235212RCRRT iZvVRCRRT31222ZiV

19、vCRRRf1232由此可見，輸出信號的振蕩頻率正比于輸入電壓由此可見，輸出信號的振蕩頻率正比于輸入電壓vi該電路也稱為電壓該電路也稱為電壓頻率轉(zhuǎn)換電路。頻率轉(zhuǎn)換電路。 7.3 波形變換電路波形變換電路 正弦波變方波、變矩形波、變二倍頻，方波變?nèi)遣ǎ也ㄗ兎讲?、變矩形波、變二倍頻，方波變?nèi)遣ǎ?三角波變方波，固定頻率的三角波變正弦波三角波變方波，固定頻率的三角波變正弦波7.3.1 三角波變鋸齒波電路三角波變鋸齒波電路利用利用電子電子開關(guān)開關(guān)改變改變比例比例系數(shù)系數(shù)（1）開關(guān)斷開）開關(guān)斷開2ipvv fNNNiRvvRvRvv021iovv 0pvfoiRvRRv00021iovv（2）開關(guān)閉合）開關(guān)閉合（1）開關(guān)斷開）開關(guān)斷開iovv iovv（2）開關(guān)閉合）開關(guān)閉合7.3.2 三角波變正弦波電路三角波變正弦波電路1濾波法濾波法 三角波用傅立葉級數(shù)展開，除基波外，還含有三角波用傅立葉級數(shù)展開，除基波外，還含有3次、次、5 次次諧波。諧波。)5sin2513sin91(sin8)(2tttVtvMI只要低通濾波器的上限截止頻率小于基波的三倍頻，只要低通濾波器的上限截止頻率小于基波的三倍頻，即可得到頻率等于基波頻率的正弦波。即可得到頻率等于基波頻率的正弦波。 vIvOvIvO2折線近似法折線近似法圖圖7.