第7章 基于集成運(yùn)放的信號(hào)產(chǎn)生與變換電路

1、第第7章章 基于集成運(yùn)放的信號(hào)產(chǎn)生與變換電路基于集成運(yùn)放的信號(hào)產(chǎn)生與變換電路信號(hào)轉(zhuǎn)換電路信號(hào)轉(zhuǎn)換電路（不講）（不講）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（不講）（不講）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(hào)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(hào)發(fā)生電路，它不需外加任何輸入信號(hào)，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(hào)，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(hào)。輸出信號(hào)。 在電擾動(dòng)下，對(duì)于某一特定頻率在電擾

2、動(dòng)下，對(duì)于某一特定頻率f0的信號(hào)形成正反饋：的信號(hào)形成正反饋：oioXXXOXfXOXf0 1pVf1 1pVf2 1pV:FA1/31/101/10f0 1/3pVf1 1/10pVf2 1/10pV:f0 4/3pVf1 4/10pVf2 4/10pV:4fiXXoXFiXFA1FA211FAnFAFA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(shí)對(duì)于合閘通電時(shí)對(duì)于f= f0信號(hào)有從小到大直至穩(wěn)幅的過(guò)程，信號(hào)有從小到大直至穩(wěn)幅的過(guò)程，即滿足起振條件。即滿足起振條

3、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(guò)程：振蕩的建立與穩(wěn)定過(guò)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(hào)發(fā)生器的電路組成正弦波信號(hào)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

4、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(gè)主要組成部分；是否存在四個(gè)主要組成部分；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(diǎn)，信號(hào)是否點(diǎn)，信號(hào)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

5、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反饋式電感反饋式（電感三點(diǎn)式）電感反饋式（電感三點(diǎn)式）電容反饋式（電容三點(diǎn)式）電容反饋式（電容三點(diǎn)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)絡(luò)組成選頻網(wǎng)絡(luò), 同時(shí)也是正同時(shí)也是正反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)ofVVFC

6、jRCjRCjR1/11/)1j(31RCRCRC10RCf21200)(3100jF)(3100ffffj)(3100ffffjF2002)(31ffffF)(31arctan00ffffF可見，當(dāng)可見，當(dāng) 時(shí)，時(shí)， 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(shí)，時(shí)，31maxF11RRAf0ARCff210時(shí)，時(shí)，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能自動(dòng)穩(wěn)幅的振蕩電路：能自動(dòng)穩(wěn)幅的振蕩電路：半導(dǎo)體熱敏

7、電阻半導(dǎo)體熱敏電阻(負(fù)溫度系數(shù)）負(fù)溫度系數(shù)）11RRAf11RRRwt上文氏橋振蕩器文氏橋振蕩器 以以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)、并引入電串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)、并引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成橋路，一對(duì)頂點(diǎn)作為輸出電壓串聯(lián)負(fù)反饋，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成橋路，一對(duì)頂點(diǎn)作為輸出電壓，一對(duì)頂點(diǎn)作為放大電路的凈輸入電壓，就構(gòu)成文氏橋壓，一對(duì)頂點(diǎn)作為放大電路的凈輸入電壓，就構(gòu)成文氏橋振蕩器。振蕩器。例題例題:R=1k ，C=0.1 F，R1=10k 。Rf為多大時(shí)才能起振？為多大時(shí)才能起振？振蕩頻率振蕩頻率f0=？ 解：起振條件：解：起振條件：12RRfkk20102振蕩頻率：振蕩頻率：R

8、Cff210kHzkHz59. 11 . 0114. 321振蕩頻率連續(xù)可調(diào)的RC 串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)同軸同軸電位器電位器7.1.3 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(CLjRCLZ，當(dāng)CL001LC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。時(shí)即LC10LCf210RCLZ 采用采用LCLC并聯(lián)諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)，晶體三極管作為放大并聯(lián)諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)，晶體三極管作為放大器件。器件。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：

9、0時(shí)，時(shí)，LCff210RCLZZ0LQ0CQ0RCLZ 呈純阻性，且達(dá)到最大值呈純阻性，且達(dá)到最大值RCLZ 呈純阻性，且達(dá)到最大值呈純阻性，且達(dá)到最大值RCLZ 為品質(zhì)因數(shù)定義CLRRCRLQ11002變壓器反饋式變壓器反饋式LC振蕩電路振蕩電路（1）相位平衡條件）相位平衡條件（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(dòng)穩(wěn)定輸出幅值。電路自動(dòng)穩(wěn)定輸出幅值。（3）振蕩頻率）振蕩頻率LCCLff21210特點(diǎn)：特點(diǎn)：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。)(0iffvfv如何將如何將N1和和

10、N2合二為一？合二為一？振蕩頻率：振蕩頻率：LCf210CMLL)2(21213電感反饋（三點(diǎn)）式電感反饋（三點(diǎn)）式LC振蕩電路振蕩電路)(0iffv反饋電壓取自哪個(gè)線圈？反饋電壓取自哪個(gè)線圈？電感的三個(gè)抽頭分別接晶體電感的三個(gè)抽頭分別接晶體管的三個(gè)極，故稱之為電感管的三個(gè)極，故稱之為電感三點(diǎn)式振蕩電路。三點(diǎn)式振蕩電路。特點(diǎn)：耦合緊密，易起振，振幅大；調(diào)節(jié)特點(diǎn)：耦合緊密，易起振，振幅大；調(diào)節(jié)C 可獲得較寬范可獲得較寬范圍的振蕩頻率。波形較差，常含有高次諧波。圍的振蕩頻率。波形較差，常含有高次諧波。3電感反饋（三點(diǎn)）式電感反饋（三點(diǎn)）式LC振蕩電路振蕩電路同相與ofvv反相與ofvvvvo1LC

11、2Lf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4電容反饋（三點(diǎn)）式電容反饋（三點(diǎn)）式LC振蕩電路振蕩電路振蕩頻率：振蕩頻率：LCf210212121CCCCL特點(diǎn)：特點(diǎn)：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，適于頻率固定的場(chǎng)合。適于頻率固定的場(chǎng)合。)(0iffv反饋電壓取自哪個(gè)電容？反饋電壓取自哪個(gè)電容？4電容反饋（三點(diǎn)）式電容反饋（三點(diǎn)）式LC振蕩電路振蕩電路反相與ofvv同相與ofvv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

12、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(gè)電極間加一電晶片的兩個(gè)電極間加一電場(chǎng)，會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變場(chǎng)，會(huì)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(huì)在兩個(gè)加機(jī)械壓力，又會(huì)在兩個(gè)電極上產(chǎn)生相應(yīng)的電場(chǎng)。電極上產(chǎn)生相應(yīng)的電場(chǎng)。 如果在晶片的兩個(gè)電極間加的是交變電壓，就會(huì)產(chǎn)如果在晶片的兩個(gè)電極間加的是交變電壓，就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率相等時(shí)，機(jī)當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率相等時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的振幅達(dá)到最大，這種現(xiàn)象稱為械振動(dòng)的振幅達(dá)到最大，這

13、種現(xiàn)象稱為壓電諧振壓電諧振。 CjLjRZs1)1(CLjR時(shí)，時(shí)，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(shí)，時(shí)，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(shí)，其振蕩頻率為：發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，其振蕩頻率為：001121CCfCCLCfsp由于由于C VT+ , 就有就有 vN vP , vO 立即由立即由VZ變成變成VZ 。在在 vc VT+ 時(shí)，時(shí)，vN vP , 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(shí)，此

14、時(shí)，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(shí)，時(shí)，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(gè)周期性的變化。后，電路又進(jìn)入另一個(gè)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(jì)算主要參數(shù)計(jì)算0 VT+vct VT- +VZ -VZT1T2TT2階段階段vc(t)的過(guò)渡方程為的過(guò)渡方程為:RCevvvtvtcccc,)()0()()(2212TTTTZcVRRRv211)0(ZcVv)(RCtZZZceVVRRRVtv)(2114主要參數(shù)計(jì)算主要參數(shù)計(jì)算0 VT+vct VT- +VZ

15、-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(shí)間常數(shù)：充電時(shí)間常數(shù)： 正向充電和反向充電時(shí)間正向充電和反向充電時(shí)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)。CRRP）（11放電時(shí)間常數(shù)：放電時(shí)間常數(shù)： CRRP）（22)21ln(2111RRT)21ln(2122RRT)21ln()(212121RRTTT)21ln()2(21RRRRPRRRRTTqPP2117.2.2 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(yùn)算電

16、路可將方波變?yōu)槿遣āＳ梅e分運(yùn)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，vP1 。 當(dāng)當(dāng)vP1 0時(shí)，時(shí)，vO1翻轉(zhuǎn)為翻轉(zhuǎn)為-VZ。若若vO1=-VZ，vO，vP1 。 當(dāng)當(dāng) vP1 0時(shí)，時(shí)，vO1翻轉(zhuǎn)為翻轉(zhuǎn)為+VZ。)(d11121tvtvRCvOttOOT2工作原理工作原理)(d11121tvtvRCvOttOO3主要參數(shù)計(jì)算主要參數(shù)計(jì)算 發(fā)生跳變的臨界條件：發(fā)生跳變的臨界條件： 1Ov011NPvv012112121OOPvRRRvRRRvZTVRRV21ZTVRRV21振蕩周期：

17、振蕩周期：214RRCRT 鋸齒波發(fā)生電路鋸齒波發(fā)生電路CRRRRT)(2P211上CRRRRT)(2P212下CRRRRT)2(2P21PPRRRRTTq21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(shí)時(shí), 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。 1Ov15RR 電路中，電路中，R1遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于R5 51RVRviZiC5RVZdtiCvCO11dtRVCZ51ZVRR32215TCRVZ

18、輸出電壓輸出電壓vO1線性下降的時(shí)間為線性下降的時(shí)間為: 35212RCRRT （2）當(dāng)當(dāng) vO = - VZ時(shí)時(shí), 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vo1線性上升的時(shí)間為線性上升的時(shí)間為: iZvVRCRRT31222iZvVRCRRTTTT312221235212RCRRT iZvVRCRRT31222ZiVvCRRRf1232由此可見，輸出信號(hào)的振蕩頻率正比于輸入電壓由此可見，輸出信號(hào)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

19、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?，正弦波變方波、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 fONNNiRvvRvRvv21iOvv 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(jí)數(shù)展開，除基波外，還含有三角波用傅立葉級(jí)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。 2折線近似法折線近似法圖圖7.3.2