第7章基于集成運(yùn)放的信號產(chǎn)生與變換電路

第7章基于集成運(yùn)放的信號產(chǎn)生與變換電路信號轉(zhuǎn)換電路7.4正弦波振蕩電路7.1非正弦波產(chǎn)生電路7.2波形變換電路7.37.1正弦波振蕩電路7.1.1概述1.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。在電擾動下，對于某一特定頻率f0的信號形成正反饋：幅值平衡條件相位平衡條件起振條件：要產(chǎn)生正弦波振蕩，必須有滿足相位條件的f0，且在合閘通電時(shí)對于f=f0信號有從小到大直至穩(wěn)幅的過程，即滿足起振條件。輸出電壓從幅值很小、含有豐富頻率，到僅有一種頻率且幅值由小逐漸增大直至穩(wěn)幅。2．振蕩的建立與穩(wěn)定振蕩電路的起振條件為:幅值很小頻率豐富振蕩的建立與穩(wěn)定過程：上圖部分頻率趨于單一幅值逐漸增大逐漸變?yōu)閱我活l率的穩(wěn)幅振蕩3．正弦波信號發(fā)生器的電路組成1)放大電路：放大作用2)正反饋網(wǎng)絡(luò)：滿足相位條件3)選頻網(wǎng)絡(luò)：產(chǎn)生單一頻率f0的振蕩4)非線性環(huán)節(jié)（穩(wěn)幅環(huán)節(jié)）：穩(wěn)定輸出幅值常合二為一1)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Q點(diǎn)，信號是否可能正常傳遞，有沒有被短路或斷路；3)是否滿足相位條件，即是否存在f0，是否可能振蕩

；4)是否滿足幅值條件，即是否一定振蕩。4、分析方法5．正弦波振蕩電路的分類按選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件分類：（1）RC正弦波振蕩電路（產(chǎn)生1MHz以下）（2）LC正弦波振蕩電路變壓器反饋式電感反饋式（電感三點(diǎn)式）電容反饋式（電容三點(diǎn)式）（產(chǎn)生幾百千赫～幾百兆赫）（3）石英晶體振蕩器串聯(lián)型并聯(lián)型（振蕩頻率非常穩(wěn)定）7.1.2RC正弦波振蕩電路組成放大器組成選頻網(wǎng)路,同時(shí)也是正反饋網(wǎng)絡(luò)可見，當(dāng)時(shí)，最大，且。RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)完整的頻率特性曲線：時(shí)，時(shí)，只要滿足：即可。輸出正弦波頻率：文氏電橋振蕩器例題:R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf為多大時(shí)才能起振？振蕩頻率f0=？解：起振條件：振蕩頻率：能自動穩(wěn)幅的振蕩電路：半導(dǎo)體熱敏電阻(負(fù)溫度系數(shù)）K：雙聯(lián)波段開關(guān)，切換R，用于粗調(diào)振蕩頻率。C：雙聯(lián)可調(diào)電容，改變C，用于細(xì)調(diào)振蕩頻率。_++RfvoRCCR1KKR1R1R2R2R3R3振蕩頻率：頻率可調(diào)的文氏橋振蕩器：振蕩頻率連續(xù)可調(diào)的RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)頻率可調(diào)的文氏橋振蕩器：VfVo7.1.3LC正弦波振蕩電路1．LC并聯(lián)諧振回路一般情況下，當(dāng)，LC并聯(lián)諧振回路呈純阻性，稱其發(fā)生并聯(lián)諧振。即，時(shí)LC并聯(lián)諧振回路的頻率特性曲線：時(shí)，呈純阻性，且達(dá)到最大值2．變壓器反饋式LC振蕩電路（1）相位平衡條件（2）起振條件利用晶體管的非線性使電路自動穩(wěn)定輸出幅值。（3）振蕩頻率特點(diǎn)：易起振，波形較好；耦合不緊密，損耗大，頻率穩(wěn)定性不高。(+)(-)(+)(+)變壓器反饋式正弦波振蕩器舉例：(+)(+)(+)(+)滿足相位平衡條件(-)(+)變壓器反饋式正弦波振蕩器舉例：（+）（+）（–）（+）振蕩頻率:（–）滿足相位平衡條件變壓器反饋式正弦波振蕩器舉例：3．電感反饋（三點(diǎn)）式LC振蕩電路vvo1LC2LfvvCLL12fo首端尾端中間抽頭首端尾端中間抽頭振蕩頻率：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)式振蕩電路。特點(diǎn)：耦合緊密，易起振，振幅大；調(diào)節(jié)C可獲得較寬范圍的振蕩頻率。波形較差，常含有高次諧波。3．電感反饋（三點(diǎn)）式LC振蕩電路4．電容反饋（三點(diǎn)）式LC振蕩電路首端尾端中間抽頭首端尾端中間抽頭vvf2o1CCLvvLCoC12f4．電容反饋（三點(diǎn)）式LC振蕩電路振蕩頻率：特點(diǎn)：波形好，振蕩頻率調(diào)整范圍小，適于頻率固定的場合。7.1.4石英晶體正弦波振蕩電路1.石英晶體SiO2結(jié)晶體按一定方向切割的晶片。壓電效應(yīng)：晶片的兩個(gè)電極間加一電場，會使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；相反，若在晶體上施加機(jī)械壓力，又會在兩個(gè)電極上產(chǎn)生相應(yīng)的電場。如果在晶片的兩個(gè)電極間加的是交變電壓，就會產(chǎn)生機(jī)械振動，同時(shí)機(jī)械振動又會產(chǎn)生交變電場當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率相等時(shí)，機(jī)械振動的振幅達(dá)到最大，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。時(shí)，R、L、C支路發(fā)生串聯(lián)諧振。當(dāng)頻率高于fs小于fp時(shí)，R、L、C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：由于C<<C0，因此，fs≈fp。容性感性阻性固有頻率只決定于其幾何尺寸，故非常穩(wěn)定。2.石英晶體振蕩電路（1）并聯(lián)型電路當(dāng)電路的振蕩頻率在fs與fp之間時(shí)，石英晶體呈電感性質(zhì)，在電路中起電感作用，與電容C組成電容三點(diǎn)式振蕩電路，滿足相位平衡條件。（2）串聯(lián)型電路振蕩頻率：例：改錯(cuò)，使電路有可能產(chǎn)生正弦波振蕩例：改錯(cuò)，使電路有可能產(chǎn)生正弦波振蕩7.2非正弦波產(chǎn)生電路常見的非正弦波：矩形波三角波鋸齒波尖頂波階梯波矩形波是基礎(chǔ)波形，可通過波形變換得到其它波形。通過什么電路可將矩形波變?yōu)槠渌鼛追N波形？7.2.1矩形波產(chǎn)生電路1．電路組成開關(guān)電路延遲環(huán)節(jié)、反饋電路上、下限電壓:2．工作原理2．工作原理（1）設(shè)vo

=

+VZ,

則

此時(shí)，vO給C充電,vc

，設(shè)vC初始值vC(0+)=00tvo+VZ-VZvcVT+0t一旦vc>VT+

,就有v->v+,vo

立即由＋VZ變成－VZ

。在vc<VT+

時(shí)，v-

<v+,

vo保持+VZ不變+VZ2．工作原理（2）當(dāng)vo

=

-VZ,

則

此時(shí)，C向vO放電,再反向充電VT+vctVT--VZvc達(dá)到VT-時(shí)，vo上跳。當(dāng)vo

重新回到＋VZ

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4．主要參數(shù)計(jì)算0

VT+vct

VT-

+VZ

-VZT1T2TT2階段vc(t)的過渡方程為:4．主要參數(shù)計(jì)算0

VT+vct

VT-

+VZ

-VZT1T2T0T/25．占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路充電時(shí)間常數(shù)：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)。放電時(shí)間常數(shù)：7.2.2三角波和鋸齒波產(chǎn)生電路1．電路組成用積分運(yùn)算電路可將方波變?yōu)槿遣ā７e分電路滯回比較器2．工作原理若vo1=+VZ，vo↓，v+↓。當(dāng)vP1≤0時(shí)，vo1翻轉(zhuǎn)為-VZ。若vo1=-VZ，vo↑，v+↑

。當(dāng)vP1≥0時(shí)，vo1翻轉(zhuǎn)為+VZ。0VT+votVT-+VZvo10t

-VZT2．工作原理0VT+votVT-+VZvo10t

-VZT3．主要參數(shù)計(jì)算發(fā)生跳變的臨界條件：振蕩周期：鋸齒波發(fā)生電路7.2.3壓控振蕩器令，可得滯回比較器的閾值電壓為：（1）當(dāng)

vo

=

+VZ時(shí),

二極管導(dǎo)通，電容C充電，輸出電壓線性下降。電路中，R1遠(yuǎn)大于R5

輸出電壓vo線性下降的時(shí)間為:（2）當(dāng)

vo

=

-VZ時(shí),

二極管截止，電容C放電，輸出電壓線性上升。輸出電壓vo線性上升的時(shí)間為: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—頻率轉(zhuǎn)換電路。7.3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遣ㄗ兎讲?，固定頻率的三角波變正弦波7.3.1三角波變鋸齒波電路利用電子開關(guān)改變比例系數(shù)（1）開關(guān)斷開（2）開關(guān)閉合（1）開關(guān)斷開（2）開關(guān)閉合7.3.2三角波變正弦波電路1．濾波法

三角波用傅立葉級數(shù)展開，除基波外，還含有3次、5次……諧波。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。vIvOvIvO2．折線近似法圖7.3.2用折線近似正弦波的示意圖圖7.3.3三角波變正弦波電路圖7.3.2用折線近似正弦波的示意圖7.4信號轉(zhuǎn)換電路7.4.1電壓—電流轉(zhuǎn)換電路1.負(fù)載不接地電壓—電流轉(zhuǎn)換電路（基本型）2.負(fù)載接地電壓—電流轉(zhuǎn)