第八章 波形的發(fā)生與信號(hào)的轉(zhuǎn)換

第八章波形的發(fā)生和信號(hào)的轉(zhuǎn)換模擬電子技術(shù)1第八章波形的發(fā)生和信號(hào)的轉(zhuǎn)換§8.1正弦波發(fā)生器§8.1方波發(fā)生器§8.2三角波發(fā)生器§8.3鋸齒波發(fā)生器§8.4壓頻轉(zhuǎn)換2根據(jù)所產(chǎn)生的波形，可以分為：正弦波發(fā)生電路非正弦波發(fā)生電路（矩形波、三角波、鋸齒波等）3§8.1.1產(chǎn)生自激振蕩的原理改成正反饋基本放大電路A反饋電路F+–§8.1正弦波發(fā)生器（正弦波振蕩器）4基本放大電路A反饋電路F基本放大電路A反饋電路F++5可以寫成：（1）振幅條件：（2）相位條件：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。6問題1：如何啟振？Uo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：|AF|>1，且A+B=2n，即可起振。7問題2：如何穩(wěn)幅？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。具體方法將在后面具體電路中介紹。起振并能穩(wěn)定振蕩的條件：8用RC電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路即所謂的RC振蕩電路，可選用的RC選頻網(wǎng)絡(luò)有多種，這里只介紹文氏橋選頻電路。R1C1R2C2一、選頻電路§8.1.2RC正弦波振蕩電路9R1C1R2C2時(shí)，相移為0。10如果：R1=R2=R，C1=C2=C，則：傳遞函數(shù)：相頻特性：幅頻特性：fof+90–90f11二、用運(yùn)放組成的RC振蕩器所以，要滿足相位條件，只有在fo

處因?yàn)椋簎o_++R2RCRCR112能自行啟動(dòng)的電路（1）uotRtA半導(dǎo)體熱敏電阻起振時(shí)，RT略大于2R1，使|AF|>1，以便起振；_++RTRCRCR1tuo起振后，uo逐漸增大則RT逐漸減小，使得輸出uo為某值時(shí)，|AF|=1，從而穩(wěn)幅。13能自行啟動(dòng)的電路（2）R22為一小電阻，使(R21+R22)略大于2R1，|AF|>1，以便起振；_++R21RCCR1R22D1D2隨著uo的增加，R22逐漸被短接，A自動(dòng)下降到使|AF|=1，使得輸出uo穩(wěn)定在某值。14輸出頻率的調(diào)整：通過調(diào)整R或/和C來調(diào)整頻率。_++RFuoRCCRKKR1R1R2R2R3R3C：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。15電子琴的振蕩電路電路：_++RF1uoR1CCRD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R2116三、用分立元件組成的RC振蕩器RCRC+VCCR1C2C3R3R2RE2C1RC2T1RE1CET2RC1RF++++–+++–––+ubeRC網(wǎng)絡(luò)正反饋，RF、RE1組成負(fù)反饋，調(diào)整到合適的參數(shù)則可產(chǎn)生振蕩。17LC振蕩電路的選頻電路由電感和電容構(gòu)成，可以產(chǎn)生高頻振蕩。由于高頻運(yùn)放價(jià)格較高，所以一般用分離元件組成放大電路。本節(jié)只對(duì)LC振蕩電路做一簡單介紹，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)。§8.1.3LC正弦波振蕩電路18LC并聯(lián)諧振回路的選頻特性(阻性)LC并聯(lián)諧振特點(diǎn)：諧振時(shí)，總路電流很小，支路電流很大，電感與電容的無功功率互相補(bǔ)償，電路呈阻性。R為電感和回路中的損耗電阻當(dāng)時(shí)，產(chǎn)生并聯(lián)諧振。諧振時(shí)，電路呈阻性：19為諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，Q值越大，曲線越陡越窄，選頻特性越好。諧振時(shí)LC并聯(lián)諧振電路相當(dāng)一個(gè)大電阻。LC并聯(lián)諧振回路的幅頻特性曲線|Z|Q小Q大20++––+一、變壓器反饋式正反饋+UCCCC1C2頻率由LC諧振網(wǎng)絡(luò)決定。21二、電感反饋式正反饋頻率由C、L1、

L2諧振網(wǎng)絡(luò)決定。+VCCCC1L1L2C2++–+–+–22正反饋頻率由L、C1、

C2組成的諧振網(wǎng)絡(luò)決定。L+VCCC1C2++–+–+–三、電容反饋式23(+)(+)(+)(+)滿足相位平衡條件舉例：24正反饋頻率由L、C1、

C2組成的諧振網(wǎng)絡(luò)決定。+VCCC1C2++++–+–25§8.1.4石英晶體正弦波振蕩電路石英晶體諧振器（簡稱石英晶體）一、選頻電路C0LRC26電壓比較器：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電壓比較器中，集成運(yùn)放開環(huán)使用，或者引入正反饋uouP-uN運(yùn)放處于非線性狀態(tài)?！?.2電壓比較器++AuouPuN27確定運(yùn)放工作區(qū)的方法：判斷電路中有無負(fù)反饋。若有負(fù)反饋，則運(yùn)放工作在線性區(qū)；若開環(huán)，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。28uoui0+UOM-UOMUT=UR傳輸特性UR：參考電壓ui：被比較信號(hào)

++uouiUR–uP=uiuN=UR

運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)。當(dāng)ui>UR時(shí),uo=+UOM當(dāng)ui<UR時(shí),uo=-UOM

一、同相型§8.2.2單限比較器門限UT=UR29++uouiURuoui0+UOM-UOMUT=UR當(dāng)ui<UR時(shí),uo=+UOM當(dāng)ui>UR時(shí),uo=-UOM

二、反相型uP=URuN=ui

30uoui0+UOM-UOM++uoui三、過零比較器:(UR=0時(shí))++uouiuoui0+UOM-UOM31++uiuoui0+UZ-UZ輸出限幅電路：uoUZ電壓比較器的另一種形式

——將雙向穩(wěn)壓管接在負(fù)反饋回路上-+uiuoUZRR′+32四、一般單限比較器++uiuoUZ-URR1R2Ruoui0+UZ-UZUT33++uouitui例：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?。uot+Uom-Uom34單限比較器的特點(diǎn)1.電路簡單。2.當(dāng)Ao不夠大時(shí)，輸出邊沿不陡。3.容易引入干擾。tuiuot過零附近仍處于放大區(qū)35一、下行遲滯比較器分析1.因?yàn)橛姓答仯暂敵鲲柡汀?.uP3.－++uoRR2R1ui特點(diǎn)：電路中使用正反饋，運(yùn)放處于非線性狀態(tài)。1.沒加參考電壓的下行遲滯比較器§8.2.3滯回（遲滯）比較器36分別稱UT2和UT1上下門限電壓。稱(UT2–UT1)為回差。當(dāng)ui增加到UT2時(shí)，輸出由UOM跳變到-UOM；－++uoRR2R1ui當(dāng)ui減小到UT1時(shí)，輸出由-UOM跳變到UOM。傳輸特性：uoui0UOM-UOMUT2UT1小于回差的干擾不會(huì)引起跳轉(zhuǎn)。跳轉(zhuǎn)時(shí)，正反饋加速跳轉(zhuǎn)。37tuiUom-UomtuiUT2UT1例：下行遲滯比較器的輸入為正弦波時(shí)，畫出輸出的波形。－++uoRR2R1ui382.加上參考電壓后的下行遲滯比較器加上參考電壓后的上下限：－++uoRR2R1uiURuoui0UOM-UOMUT2UT139下行遲滯比較器兩種電路傳輸特性的比較:－++uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUT2UT1－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUT2UT140例：R1=10k，R2=20k，UOM=12V，UR=9V當(dāng)輸入ui為如圖所示的波形時(shí)，畫出輸出uo的波形。－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUT2UT15V10Vuit041首先計(jì)算上下門限電壓：－++uoRR2R1uiUR42+UOM-UOM根據(jù)傳輸特性畫輸出波形圖。－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUT2UT1uiuott10V5V002V43令uP-uN

=0

，可以求出上下門限電壓。二、上行遲滯比較器－++uoRR2R1ui1.沒加參考電壓的上行遲滯比較器uN

=044uoui0UOM-UOM傳輸特性曲線UT2UT1－++uoRR2R1ui45－++uoRR2R1uiUR上下門限電壓：當(dāng)uo=+UOM時(shí)：當(dāng)uo=-UOM時(shí)：2.加上參考電壓后的上行遲滯比較器46傳輸特性：UT2UT1uoui0Uom-Uom－++uoRR2R1uiUR－++uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUT2UT1對(duì)照47為了穩(wěn)定輸出電壓，可以在輸出端加上雙向穩(wěn)壓管。uoUZ－++RR2R1ui488.2.4窗口比較器時(shí),VO1=VO2=VOL，VO=0；由此畫出電壓傳輸特性如圖所示。電路有兩個(gè)參考電壓VRH和VRL，當(dāng)＞VRH時(shí)，VO1=VOH，VO2=VOL，VO=VOH；當(dāng)＜VRL時(shí)，VO1=VOL，VO2=VOH，VO=VOH；當(dāng)498.2.5集成比較器1.LM311型集成比較器特點(diǎn)：電源電壓可以單組+5V，也可±15V，適應(yīng)范圍寬；輸出與TTL或CMOS平兼容；可以直接驅(qū)動(dòng)多種負(fù)載（燈泡、繼電器等）。50LM311的幾種實(shí)際連接集電極輸出連接集電極輸出連接發(fā)射極輸出連接512.MC14574（CMOS）集成四電壓比較器MC14574比較器電路原理圖MC14574比較器引腳排列圖52一、電路結(jié)構(gòu)上下門限電壓：下行的遲滯比較器，輸出經(jīng)積分電路再輸入到此比較器的反相輸入端。－++RR1R2C+ucuo–§8.3.1方波（矩形波）發(fā)生器53二、工作原理1.設(shè)uo

=

+UOM此時(shí)，輸出給C充電!則：uP=UT20tuoUOM-UOMUT2uc0t一旦uc>UT2

,就有uN>uP,在uc<UT2時(shí)，uN

<uP,uo保持+UOM不變；uo

立即由＋UOM

變成－UOM

－++RR1R2C+ucuo–54此時(shí)，C

經(jīng)輸出端放電。2.當(dāng)uo

=

-UOM時(shí)，uP=UT1uc降到UT1時(shí)，uo上翻。UT2uctUT1當(dāng)uo

重新回到＋UOM

以后，電路又進(jìn)入另一個(gè)周期性的變化。－++RR1R2C+ucuo–550UT2uctUT1UOMuo0t-UOMT輸出波形：－++RR1R2C+ucuo–56RC電路：起反饋和延遲作用，獲得一定的頻率。下行遲滯比較器：起開關(guān)作用，實(shí)現(xiàn)高低電平的轉(zhuǎn)換。－++RR1R2C+ucuo–方波發(fā)生器各部分的作用：57三、周期與頻率的計(jì)算f=1/Tuc上升階段表示式:uc下降階段表示式:uc0UHtULT1T258方波發(fā)生器電路的改進(jìn)：－++RR1R2C+ucuo–－++RR1R2C+ucuoUZ–59思考題：點(diǎn)b是電位器RW

的中點(diǎn)，點(diǎn)a和點(diǎn)c是b的上方和下方的某點(diǎn)。試定性畫出點(diǎn)電位器可動(dòng)端分別處于

a、b、c

三點(diǎn)時(shí)的uo-uc

相對(duì)應(yīng)的波形圖。－-+++RWR1R2CucuoD1D2abc60反向積分電路方波發(fā)生器電路一：方波發(fā)生器矩形波積分電路三角波－++RR1R2C+uc-++RR2Cuo此電路要求前后電路的時(shí)間常數(shù)配合好，不能讓積分器飽和?！?.3.2三角波發(fā)生器61－++RR1R2C+uc-++RR2Cuouo1uo三角波的周期由方波發(fā)生器確定，其幅值也由周期T和參數(shù)R、C決定。0uo1tUom-Uom62電路二：電路一的改型－++－++A1A2uouo1R02R01RCR2R1反向積分電路上行遲滯比較器特點(diǎn)：由上行的遲滯比較器和反相積分器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，遲滯比較器的輸出作為反相積分器的輸入，反相積分器的輸出又作為遲滯比較器的輸入。63－++uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL上行的遲滯比較器回顧:上下門限電壓：64回顧:反相積分器ui-++RR2Cuoui=-Uui=+Utuo0+Uom-Uom65－++－++A1A2uouo1R02R01RCR2R100uo1t＋UOM－UOMuotUHUL66周期和頻率的計(jì)算：tuoUHULT－++－++A1A2uouo1R02R01RCR2R1T1T267電路三：是電路二的改型電路調(diào)整電位器RW可以使三角波上下移動(dòng)。即給純交流的三角波疊加了一個(gè)直流分量。+E-ERW－++－++A1A2uouo1R02R01RCR2R168tuoT1T2-－++R2R1++R′R2CuoR+–T1

時(shí)間段，電容C通過R′

放電T2

時(shí)間段，電容C通過R充電充放電的時(shí)間T1、T2可通過R、R'調(diào)整。當(dāng)R'=0時(shí)，則為鋸齒波發(fā)生器。電路四：是電路二的改進(jìn)電路uo1被嵌位于±Uz69uot-－++R2R1++R4CuoR+–R3改變?nèi)遣òl(fā)生器中積分電路的充放電時(shí)間常數(shù)，使放電的時(shí)間常數(shù)為0，即把三角波發(fā)生器轉(zhuǎn)換成了鋸齒波發(fā)生器。uct§8.3.3鋸齒波發(fā)生器70-－++R2R1++R4CuoR+–R