第8章 波形的發(fā)生和信號的轉(zhuǎn)換

第八章波形的發(fā)生和信號的轉(zhuǎn)換（6學(xué)時）第一節(jié)正弦波振蕩電路第二節(jié)電壓比較器第三節(jié)非正弦波發(fā)生電路第四節(jié)利用集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的信號轉(zhuǎn)換電路第五節(jié)鎖相環(huán)及其在信號轉(zhuǎn)換電路中的應(yīng)用（了解重點(diǎn)掌握：利用正弦波振蕩條件及分析方法能夠分析討論RC、LC振蕩電路和石英晶體正弦波振蕩電路的有關(guān)問題（如是否可能振蕩，振蕩頻率等），掌握電壓比較器、非正弦波發(fā)生電路的工作原理。1基本放大電路A反饋電路F+–8.1正弦波振蕩電路|正反饋電路能產(chǎn)生自激振蕩正弦波振蕩電路是在沒有外加輸入信號的情況下，依靠電路自激振蕩產(chǎn)生正弦波輸出的電路。則去掉如果：仍有信號輸出。改成正反饋8.1概述2一.產(chǎn)生正弦波振蕩的條件所以振蕩條件為：引入正反饋正反饋?zhàn)銐驈?qiáng)，輸入信號為0時仍有信號輸出，產(chǎn)生自激振蕩基本放大電路A反饋電路F則去掉輸入信號仍有信號輸出。3要獲得一定頻率的正弦自激振蕩,反饋回路中必須有選頻電路。所以將放大倍數(shù)和反饋系數(shù)寫成：振幅平衡條件相位平衡條件自激振蕩的條件：因?yàn)椋核裕约ふ袷帡l件也可以寫成：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。問題：如何起振？如何穩(wěn)幅？4Uo是振蕩器的電壓輸出幅度，B是要求輸出的幅度。起振時Uo=0，達(dá)到穩(wěn)定振蕩時Uo=B。放大電路中存在噪聲即瞬態(tài)擾動，這些擾動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，只要：且A+B=2n，即可起振。起振后，輸出將逐漸增大，若不采取穩(wěn)幅，這時若|AF|仍大于1，則輸出將會飽和失真。達(dá)到需要的幅值后，將參數(shù)調(diào)整為AF=1，即可穩(wěn)幅。起振并能穩(wěn)定振蕩的條件：51．振蕩電路無須輸入信號就能起振，起振的信號源來自電路器件內(nèi)部噪聲；2．電路器件的內(nèi)部噪聲不是單一頻率，但振蕩電路中的選頻網(wǎng)絡(luò)，只使噪聲中某一頻率f0滿足相位平衡條件，形成正反饋，成為振蕩電路的輸出信號；而其它頻率的信號，則不滿足相位平衡條件，逐漸被抑制掉;3.振蕩電路中的穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，將限制輸出信號幅度的無限增長，當(dāng)輸出信號達(dá)到一定值后，將使其穩(wěn)定?？偨Y(jié)：6正弦波振蕩電路的組成：

放大電路：能量控制，保證輸出信號有一定的幅度；

選頻網(wǎng)絡(luò)：確定輸出信號為單一頻率的正弦波信號；

反饋網(wǎng)絡(luò)：引入正反饋；

穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：使輸出信號幅值穩(wěn)定。其中選頻網(wǎng)絡(luò)往往與反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一,穩(wěn)幅環(huán)節(jié)用非線性元件實(shí)現(xiàn).判斷電路是否可能產(chǎn)生正弦波振蕩的步驟：１．電路是否由四個部分組成：放大、選頻、反饋和穩(wěn)幅２．放大電路是否能正常工作：靜態(tài)工作點(diǎn)是否合適，動態(tài)信號能不能放大３．判斷電路是否引入正反饋：利用瞬時極性法４．判斷電路是否滿足起振條件：計(jì)算Ａ和Ｆ，是否7RC正弦波振蕩電路也叫RC橋式正弦波振蕩電路或文氏橋振蕩電路構(gòu)成橋路+8.1.2.RC正弦波振蕩電路

放大電路選頻網(wǎng)絡(luò)

反饋網(wǎng)絡(luò)-根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件的不同，分為RC、LC和石英晶體正弦波振蕩電路三種類型。8910原因：要提高其振蕩頻率，必須減小R和C的值，放大器的輸出電阻和晶體管的極間電容將影響其選頻特性，輸出頻率不穩(wěn)定。RC正弦波振蕩電路一般用于產(chǎn)生頻率低于1MHz的正弦波11振蕩頻率可調(diào)的選頻網(wǎng)絡(luò)例：已知電容的取值分別為0.01μF,0.1μF,1μF,10μF,R=50Ω,RW=10kΩ.求:f0的調(diào)節(jié)范圍.解：雙聯(lián)波段開關(guān)，切換C，用于粗調(diào)振蕩頻率。雙聯(lián)可調(diào)電阻用于細(xì)調(diào)振蕩頻率。12通過調(diào)整R或C來調(diào)整頻率。C：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。+ARFuoRCCRKKR1R1R2R2R3R313電子琴振蕩電路_+ARF1uoR1CCRD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R2114穩(wěn)幅措施（利用非線性元件來穩(wěn)幅）熱敏元件：RT(負(fù)溫度系數(shù))二極管（電流增大電阻減小）ˉˉˉ?ˉ?TuRAU&&oˉˉ?uoAU&&ˉ-?-?dDoriU&158.1.3LC正弦波振蕩電路LC正弦波振蕩電路與RC正弦波振蕩電路的組成原則在本質(zhì)上是相同的，只是選頻網(wǎng)絡(luò)由電感L和電容C構(gòu)成，可以產(chǎn)生高頻振蕩。由于高頻運(yùn)放價格較高，所以一般用分立元件組成放大電路。本節(jié)只對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)。LC并聯(lián)諧振回路ABCL理想電路諧振頻率16一、諧振頻率與諧振電阻1、諧振的概念：AB間的阻抗最大，且呈純電阻的狀態(tài)——諧振狀態(tài)。2、諧振頻率：當(dāng)時呈諧振狀態(tài)，此時或ABCLR3、諧振電阻損耗電阻175、特點(diǎn)（1）諧振頻率：（2）諧振時總的容抗等于感抗：兩端呈純電阻。（3）諧振時總電流與總電壓同相，支路電流比總電流大。電感支路：電容支路：ABCLR18二、諧振回路的品質(zhì)因數(shù)定義：諧振時電路的電抗（ω0L或）與等效損耗電阻R之比稱為品質(zhì)因數(shù)。Q0的大小標(biāo)志著諧振質(zhì)量的優(yōu)劣。Q0越大→損耗越小。Q0通常在30~200之間。諧振時回路電流比總電流大的多，外界對諧振回路的影響可以忽略！ABCLR19三、諧振曲線1、諧振曲線fof+90–90fR02、通用諧振方程ABCLR20選頻放大電路RC當(dāng)f=fo

時，電壓放大倍數(shù)最大，且無附加相移。→具有選頻特性。若在電路中引入正反饋，并能用反饋電壓取代輸入電壓，則電路就成為正弦波振蕩電路。根據(jù)在電路中引入反饋的方式不同，有變壓器反饋式、電感反饋式、電容反饋式三種電路。21例1：變壓器反饋式振蕩電路+–++–+正反饋22++––+例2：電感反饋式振蕩電路正反饋+UCCCC1C2頻率由LC諧振網(wǎng)絡(luò)決定。–23例3：電感三點(diǎn)式振蕩電路––+正反饋+++24例4：電感三點(diǎn)式振蕩電路頻率由C、L1、

L2諧振網(wǎng)絡(luò)決定。+UCCCC1L1L2C2+++–––+正反饋25例4：電容三點(diǎn)式振蕩電路正反饋頻率由L、C1、

C2組成的諧振網(wǎng)絡(luò)決定。+UCCC1LC2+––+–++268.1.4.石英晶體正弦波振蕩電路石英晶體的基本特性極板間加交變電場極板間機(jī)械振動晶體產(chǎn)生機(jī)械變形晶體產(chǎn)生電場交變電壓機(jī)械振動交變電壓壓電效應(yīng)當(dāng)交變電壓頻率為一固有頻率時，振幅最大,稱為壓電振蕩。機(jī)械振動的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性非常高。27石英晶體的等效電路感性容性容性LC0CR|Z|f等效電路阻抗特性fpfSC0——靜態(tài)電容。即兩極板之間的電容，與晶片的幾何尺寸、極板面積有關(guān)，幾PF~幾十PF。L——機(jī)械振蕩的慣性等效為電感L。10-3~102HC——晶片的彈性等效為電容C.10-4~10-1PFR——晶片振動時因摩擦而造成的損耗等效為電阻R

102Ω∵L大，C小，R小∴很大104~106另一方面，晶片本身的固有頻率只與晶片的幾何尺寸有關(guān)，所以很穩(wěn)定，而且可以做得很精確。28石英晶體的諧振頻率感性LC0CR|Z|ffpfS容性容性特點(diǎn)：（1）一個晶體有兩個諧振頻率。時當(dāng)即——串聯(lián)諧振頻率（阻抗最?。r當(dāng)即——并聯(lián)諧振頻率（阻抗最大）（2）fP>fS，但由于C<<C0，∴fP、fS非常接近（3）晶體振蕩器是將晶片作為一個電感元件來使用的。29石英晶體正弦波振蕩電路晶體工作在諧振頻率fP和fS之間，石英晶體呈電感性，作為振蕩器回路的一個電感與電路的其他元件組成三點(diǎn)式振蕩器。30石英晶體正弦波振蕩電路利用f=fS時石英晶體呈純阻性，相移為零的特性構(gòu)成正弦波振蕩器。318.2電壓比較器電壓比較器是對輸入信號進(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，在測量和控制中有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。本節(jié)主要講述各種電壓比較器的特點(diǎn)和電壓傳輸特性，同時闡明其組成特點(diǎn)和分析方法。8.2.1概述一、電壓比較器的電壓傳輸特性uo與uI的關(guān)系曲線稱為電壓傳輸特性uo發(fā)生躍變時的輸入電壓稱為閾值電壓或轉(zhuǎn)折電壓，記作UT三要素：1、確定輸出電壓的高、低電平UOH和UOL;2、求閾值電壓UT;3、

uI經(jīng)過UT時uO躍變的方向。32二、理想集成運(yùn)放工作于非線性區(qū)電路中沒有引入負(fù)反饋（開環(huán)或引入的是正反饋），理想運(yùn)放工作于非線性區(qū)。電壓傳輸特性因其放大倍數(shù)趨于無窮大，所以輸出電壓只有兩種可能：33由于處于線性與非線性狀態(tài)的運(yùn)放的分析方法不同，所以分析電路前，首先確定運(yùn)放工作在線性區(qū)還是非線性區(qū)。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)；若無負(fù)反饋，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。三、電壓比較器的種類單限比較器滯回比較器窗口比較器34一、過零比較器8.2.2.單限比較器電壓傳輸特性tui例：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲╱ot+Uom-Uom35過零比較器限幅電路+UZ-UZ保護(hù)二極管雙向穩(wěn)壓管限幅線性區(qū)

I+=I-=0，U+=U-，保護(hù)了輸入級。提高了輸出電壓的轉(zhuǎn)換速度。電壓傳輸特性+UZ-UZ36

例:如圖所示電路,穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=±6V,輸入電壓為如圖所示三角波,試畫出輸出電壓的波形.

解:ui>0時,uo=－UZ=－6Vui<0時,uo=+UZ=＋6Vtuiuot+6V-6V37二、一般單限比較器電壓傳輸特性uR參考電壓38

I+=I-=0，寫出u+、u-表達(dá)式，令u+=u-，求閾值電壓UT;

確定輸出電壓的高、低電平UOH和UOL;

根據(jù)u+是否大于u-，確定ui>UT

及ui<UT

的輸出電壓值。電壓傳輸特性39

例:圖示電路,R1=R2=5kΩ,基準(zhǔn)電壓UREF=2V,穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=±5V,輸入電壓為如圖所示三角波,試畫出輸出電壓的波形.解:ui>－2V時,uo=－UZ=－5Vui<－2V時,uo=+UZ=＋5V單限比較器靈敏度高,但抗干擾能力弱。408.2.3.滯回比較器滯回比較器靈敏度低,但抗干擾能力強(qiáng)電壓傳輸特性41例:圖示電路的上下門限電壓±UT=±3V,穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=±9V,輸入電壓波形如圖所示,試畫出輸出電壓的波形.解:先畫出電壓傳輸特性抗干擾能力強(qiáng)42若要求滯回比較器的上下門限電壓均大于0，電路應(yīng)改進(jìn)電壓傳輸特性43例:如圖R1=10kΩ,R2=30kΩ,UREF=8V,穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=±12V.求:上下門限電壓并畫出電壓傳輸特性解:電壓傳輸特性44例8.2.3設(shè)計(jì)一個電壓比較器，使其電壓傳輸特性如圖所示，要求所用電阻阻值在20K~100KΩ之間解:上下門限電壓±UT=±3V,穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=±6V,UREF=0，信號從同相輸入端輸入。電路如圖所示：取R1=25K，則R2=50K取R1=50K，則R2=100K458.2.4窗口比較器及其電壓傳輸特性D1導(dǎo)通，D2截止，uO=+UZD1截止，D2導(dǎo)通，uO=+UZD1、D2截止，Uo=0468.3非正弦波發(fā)生電路幾種常見的非正弦波矩形波三角波鋸齒波尖頂波階梯波本節(jié)主要講述模擬電路中常用的矩形波、三角波、鋸齒波三種非正弦波發(fā)生電路的組成、工作原理、波形分析和主要參數(shù)的計(jì)算。47uC，當(dāng)

uC=-UT時，uO=+UZ，則u+=+UT，uO通過R3向C充電。uC，當(dāng)

uC=+UT時，uO=-UZ，則u+=-UT，uO通過R3向C反向充電（放電）。工作原理：設(shè)初態(tài)uC=u-=0，uO=+UZ，則u+=+UT，uO通過R3向C充電。8.3.1、矩形波發(fā)生器由反向輸入滯回比較器和RC電路組成滯回比較器48波形分析及主要參數(shù)：0UTuct-UTUZuo0t-UZTRC電路：起反饋和延遲作用，獲得一定的頻