模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版)童詩白、華成英教材8市公開課一等獎省賽課微課金獎?wù)n件

第八章

波形發(fā)生和信號轉(zhuǎn)換8.1正弦波振蕩電路8.2電壓比較器8.3非正弦波發(fā)生電路8.4利用集成運放實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換電路8.5鎖相環(huán)及其在電路中利用第三版童詩白1/70第三版童詩白本章重點和考點：1.重點掌握RC正弦波振蕩工作原理。2.重點掌握電壓比較器傳輸特征。3.掌握非正弦波發(fā)生電路原理。本章教課時數(shù)：6課時

2/70第三版童詩白本章討論問題：1.在模擬電子電路中需要哪些波形信號作為測試信號和控制信號？2.正弦波振蕩電路所產(chǎn)生自激振蕩和負反饋放大電路中所產(chǎn)生自激振蕩有什么區(qū)分？3.為何正弦波振蕩電路中必須有選頻網(wǎng)絡(luò)？選頻網(wǎng)絡(luò)由哪些元件組成？4.為何說矩形波發(fā)生電路是產(chǎn)生非正弦波信號基礎(chǔ)？為何非正弦波發(fā)生電路中幾乎都有電壓比較器？3/70第三版童詩白本章討論問題：5.電壓比較器與放大電路有什么區(qū)分？集成運放在電壓比較器和運算放大電路中工作狀態(tài)一樣嗎？6.怎樣組成矩形波、三角波和鋸齒波發(fā)生發(fā)生電路？7.為何需要將輸入信號進行轉(zhuǎn)換？有哪些基本轉(zhuǎn)換？4/708.1正弦波振蕩電路8.1.1概述~放大電路反饋網(wǎng)絡(luò)假如反饋電壓uf與原輸入信號ui完全相等，則即使無外輸入信號，放大電路輸出端也有一個正弦波信號——自激振蕩。(電路要引入正反饋)圖8.1.2正弦波振蕩電路方框圖一、產(chǎn)生正弦波振蕩條件動畫avi\11-1.avi5/70由此知放大電路產(chǎn)生自激振蕩條件是：即：所以產(chǎn)生正弦波振蕩條件是：——幅度平衡條件——相位平衡條件電路起振條件：6/70二、正弦波振蕩電路組成及分類

組成：放大電路：集成運放選頻網(wǎng)絡(luò)：確定電路振蕩頻率反饋網(wǎng)絡(luò)：引入正反饋穩(wěn)幅步驟：非線性步驟，使輸出信號幅值穩(wěn)定分類：RC正弦波振蕩電路，頻率較低，在1MHz以下。LC正弦波振蕩電路，頻率較高，在1MHz以上。石英晶體振蕩電路，頻率較高，振蕩頻率非常穩(wěn)定。7/70三、判斷電路能否產(chǎn)生正弦波振蕩方法和步驟1.檢驗電路是否具備正弦波振蕩組成部分；2.檢驗放大電路靜態(tài)工作點是否能確保放大電路正常工作；3.分析電路是否滿足自激振蕩相位平衡條件判斷相位平衡條件方法是：瞬時極性法。5.估算振蕩頻率和起振條件4.判斷是否滿足振幅平衡條件。8/708.1.2RC正弦波振蕩電路RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路也稱RC橋式正弦波振蕩電路或稱文氏振蕩電路(Wien)電路組成：放大電路——集成運放A；選頻與正反饋網(wǎng)絡(luò)——R、C串并聯(lián)電路；穩(wěn)幅步驟——RF與R

組成負反饋電路。9/70圖8.1.4一、RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)Z1Z2取R1=R2=R，C1=C2=C，令

則：10/70得RC串并聯(lián)電路幅頻特征為：相頻特征為：最大，

F=0。0

F01/3+90o-90o圖8..1.511/70二、振蕩頻率與起振條件1.振蕩頻率2.起振條件f=f0時，由振蕩條件知：所以起振條件為：同相百分比運放電壓放大倍數(shù)為即要求：12/70三、振蕩電路中負反饋(穩(wěn)幅步驟)引入電壓串聯(lián)負反饋，能夠提升放大倍數(shù)穩(wěn)定性，改進振蕩電路輸出波形，提升帶負載能力。反饋系數(shù)改變RF，可改變反饋深度。增加負反饋深度，而且滿足則電路能夠起振，并產(chǎn)生比較穩(wěn)定而失真較小正弦波信號。圖8.1.7反饋電阻RF采取負溫度系數(shù)熱敏電阻，采取正溫度系數(shù)熱敏電阻，均可實現(xiàn)自動穩(wěn)幅。13/70穩(wěn)幅其它辦法電流增大時，二極管動態(tài)電阻減小。電流減小時，動態(tài)電阻增大，加大非線性步驟，從而使輸出電壓穩(wěn)定。在RF回路中串聯(lián)二個并聯(lián)二極管14/70四、振蕩頻率可調(diào)RC橋式正弦波振蕩電路用雙層波段開關(guān)接不一樣電容，作為振蕩頻率f0粗調(diào)；用同軸電位器實現(xiàn)f0微調(diào)。RC串、并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，怎樣調(diào)整頻率？問題：怎樣提升頻率？動畫avi\11-2.avi15/70*其它形式RC振蕩電路一、移相式振蕩電路集成運放產(chǎn)生相位移

A=180o，假如反饋網(wǎng)絡(luò)再相移180o，即可滿足產(chǎn)生正弦波振蕩相位平衡條件。振蕩頻率為：0

270o180o90o當f=f0時，相移180o，滿足正弦波振蕩相位條件。起振條件：RF>12R16/70*二、雙T選頻網(wǎng)絡(luò)振蕩電路振蕩頻率約為：當f=f0

時，雙T網(wǎng)絡(luò)相移為

F=180o；反相百分比運放相移

A=180o，所以滿足產(chǎn)生正弦波振蕩相位平衡條件。假如放大電路放大倍數(shù)足夠大，同時滿足振幅平衡條件，即可產(chǎn)生正弦波振蕩。起振條件17/70*三種RC振蕩電路比較名稱RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路移相式振蕩電路雙T網(wǎng)絡(luò)選頻振蕩電路電路形式振蕩頻率起振條件電路特點及應用場所可方便地連續(xù)調(diào)整振蕩頻率，便于加負反饋穩(wěn)幅電路，輕易得到良好振蕩波形。電路簡單，經(jīng)濟方便，適適用于波形要求不高輕便測試設(shè)備中。選頻特征好，適適用于產(chǎn)生單一頻率振蕩波形。18/708.1.3LC

正弦波振蕩電路一、LC

諧振回路頻率特征當頻率改變時，并聯(lián)電路阻抗大小和性質(zhì)都發(fā)生改變。并聯(lián)電路導納：當電路發(fā)生并聯(lián)諧振。圖8.1.1019/70并聯(lián)諧振角頻率令：——諧振回路品質(zhì)因數(shù)當Q

>>1時諧振頻率：20/70回路等效阻抗：LC并聯(lián)回路阻抗：發(fā)生并聯(lián)諧振時，在諧振頻率附近，可見，Q值不一樣，回路阻抗不一樣。21/70不一樣Q

值時，LC并聯(lián)電路幅頻特征：Z01Z02Q1

>Q2Q1Q2相頻特征：

F+90o-90oQ1Q2Q1

>Q2感性純阻容性結(jié)論：1.當f=f0

時，電路為純電阻性，等效阻抗最大；當f

<

f0

時，電路為感性；當f

>

f0

時，電路為容性。所以LC并聯(lián)電路含有選頻特征。2.電路品質(zhì)因數(shù)Q愈大，選頻特征愈好。圖8.1.1122/70諧振時LC

回路中電流電容支路電流：并聯(lián)回路輸入電流：所以：當

Q>>1時，

結(jié)論：諧振時，電容支路電流與電感支路電流大小近似相等，而諧振回路輸入電流極小。23/70若以LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為共射放大電路集電極負載當f=f0時，電壓放大倍數(shù)數(shù)值最大，且無附加相移。因而電路稱為選頻放大電路若增加正反饋，并用反饋電壓取代輸入電壓，則電路就成為正弦波振蕩電路LC

正弦波振蕩電路變壓器反饋式電感反饋式電容反饋式24/70二、變壓器反饋式振蕩電路1.工作原理用瞬時極性判斷為正反饋，所以滿足自激振蕩相位平衡條件。

-

2.振蕩頻率和起振條件振蕩頻率起振條件圖8.1.14變壓器反饋式振蕩電路25/70三、電感反饋式振蕩電路1.電路組成用瞬時極性判斷為正反饋，所以滿足自激振蕩相位平衡條件。-

--2.振蕩頻率和起振條件振蕩頻率起振條件圖8.1.1726/70四、電容反饋式振蕩電路1.電路組成用瞬時極性判斷為正反饋，所以滿足自激振蕩相位平衡條件。2.振蕩頻率和起振條件振蕩頻率起振條件

圖8.1.20

--

-

-27/70電容反饋式改進型振蕩電路振蕩頻率選擇C<<C1，C<<C2，則：減小了三極管極間電容對振蕩頻率影響，適合用于產(chǎn)生高頻振蕩。圖8.1.2228/70若要求電容反饋式振蕩電路振蕩頻率高達100MHz，怎么辦？采取共基放大電路怎樣分析？29/70名稱變壓器反饋式電感反饋式電容反饋式電容反饋式改進型電路形式振蕩頻率起振條件同左頻率調(diào)整方法及范圍頻率可調(diào)，范圍較寬。同左頻率可調(diào)，范圍較小。同左振蕩波形普通較差好好頻率穩(wěn)定度可達10-4同左可達10-4~10-5可達10-5適用頻率幾千赫~幾十兆赫同左幾兆赫~一百兆赫同左各種LC

振蕩電路比較30/708.1.4石英晶體振蕩器石英晶體諧振器，簡稱石英晶體，含有非常穩(wěn)定固有頻率。一、石英晶體特點

壓電效應：在石英晶片兩極加一電場，晶片將產(chǎn)生機械變形；若在晶片上施加機械壓力，在晶片對應方向上會產(chǎn)生一定電場。

壓電諧振：晶片上外加交變電壓頻率為某一特定頻率時，振幅突然增加。1.壓電效應和壓電振蕩31/702.等效電路和振蕩頻率符號：串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率電抗頻率特征OfXfsfp容性容性感性圖8.1.27圖8.1.2832/70二、石英晶體正弦波振蕩電路1.并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路交流等效電路振蕩頻率因為圖8.1.2933/702.串聯(lián)型石英晶體振蕩電路圖8.1.30串聯(lián)型石英晶體振蕩電路當振蕩頻率等于fS

時，晶體阻抗最小，且為純電阻，此時正反饋最強，相移為零，電路滿足自激振蕩條件。振蕩頻率調(diào)整R

可改變反饋強弱，以取得良好正弦波。34/708.2電壓比較器1.電壓比較器將一個模擬量輸入電壓與一個參考電壓進行比較，輸出只有兩種可能狀態(tài)：高電平或低電平。2.比較器中集成運放普通工作在非線性區(qū)；處于開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。3.分類：單限比較器、滯回比較器及窗口比較器。8.2.1概述4.比較器是組成非正弦波發(fā)生電路基本單元，在測量、控制、D/A和A/D轉(zhuǎn)換電路中應用廣泛。35/70一、電壓比較器傳輸特征1.電壓比較器輸出電壓與輸入端電壓之間函數(shù)關(guān)系2.閾值電壓：UT當比較器輸出電壓由一個狀態(tài)跳變?yōu)榱硪粋€狀態(tài)所對應輸入電壓。3.電壓傳輸特征三要素(1)輸出電壓高電平UOH和低電平UOL數(shù)值。(2)閾值電壓數(shù)值UT。(3)當uI改變且經(jīng)過UT時，uO躍變方向。36/70二、理想運放非線性工作區(qū)+UOMuOuP-uNO-UOM集成運放電壓傳輸特征在電壓比較器中，集成運放不是工作在開環(huán)狀態(tài)，就是工作在正反饋。37/708.2.2單限比較器一、過零比較器因為理想運放開環(huán)差模增益為無窮大，所以當uI<0時，uO=+

UOM；當uI>

0時，uO=-

UOM；過零比較器傳輸特征為：uIuO+UOM-UOMO

UOM

為集成運放最大輸出電壓。閾值電壓：當比較器輸出電壓由一個狀態(tài)跳變?yōu)榱硪粋€狀態(tài)所對應輸入電壓。圖8.2.338/70利用穩(wěn)壓管限幅過零比較器設(shè)任何一個穩(wěn)壓管被反向擊穿時，兩個穩(wěn)壓管兩端總穩(wěn)定電壓為UZ

<UOMuIuO+UOM

-UOMO+UZ-UZ當uI<0時，不接穩(wěn)壓管時，uO=+

UOM，接入穩(wěn)壓管后，左邊穩(wěn)壓管被反向擊穿，集成運放反向輸入端“虛地”，uO=+

UZ；

當uI>0時，右邊穩(wěn)壓管被反向擊穿，uO=-

UZ；圖8.2.639/70利用穩(wěn)壓管限幅過零比較器(二)電路圖傳輸特征uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ問題：如將輸入信號加在“+”端，傳輸特征怎樣？40/70問題：過零比較器如圖所表示，輸入為正負對稱正弦波時，輸出波形是怎樣？傳輸特征uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ將正弦波變?yōu)榫匦尾?1/70二、單限比較器單限比較器有一個門限電平，當輸入電壓等于此門限電平時，輸出端狀態(tài)馬上發(fā)生跳變。當輸入電壓uI改變，使反相輸入端電位為零時，輸出端狀態(tài)將發(fā)生跳變，門限電平為：uIuO+UOM-UOMO+UZ-UZ過零比較器是門限電平為零單限比較器。圖8.2.742/70存在干擾時單限比較器uI、uO

波形單限比較器作用：檢測輸入模擬信號是否到達某一給定電平。

缺點：抗干擾能力差。

處理方法：采取含有滯回傳輸特征比較器。43/70電壓比較器分析方法小結(jié)（1）由限幅電路確定電壓比較器輸出高電平UOH和輸出低電平UOL。（2）寫出up和uN電位表示式，令up=uN，解得輸入電壓就是閾值電壓UT。（3）u0在uI

過UT時躍變方向決定于作用于集成運放哪個輸入端。當uI從反向輸入端輸入時，uI<UT,u0=U0H

;uI>UT,u0=U0L

。反之，結(jié)論相反。44/70[例8.2.1]在圖8.2.6所表示電路中，UZ=±6V，在圖8.2.7中所表示電路中，R1=R2=5kΩ，基準電壓UREF=2V，穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓UZ=±5V；它們輸入電壓均為圖8.2.8（a）所表示三角波。試畫出圖8.2.6所表示電路輸出電壓u01和圖8.2.7所表示電路輸出電壓u02解圖8.2.6為過零比較器圖8.2.7為普通單限比較器。圖8.2.8例8.2.1波形圖R1R245/708.2.3滯回比較器一、從反相輸入端輸入滯回比較器電路計算閾值電壓UT電壓傳輸特征uo從+UZ躍變到-UZ

閾值電壓為+UTuo從-UZ躍變到+UZ

閾值電壓為-UTuI在-UT與+UT之間增加或減小,uO不發(fā)生改變46/70

UREF為參考電壓；；uI為輸入電壓；輸出電壓uO為+UZ或-UZ。當uP=uN時，輸出電壓狀態(tài)發(fā)生跳變。比較器有兩個不一樣門限電平，故傳輸特征呈滯回形狀。+UZuIuO-UZOUT-UT+圖8.2.10滯回比較器二、加了參考電壓滯回比較器47/70若uO=

UZ，當uI

逐步減小時，使uO由

UZ

跳變?yōu)?/p>

UZ

所需門限電平UT-

回差(門限寬度)

UT：若uO=

UZ，當uI

逐步增大時，使uO由+UZ

跳變?yōu)?UZ

所需門限電平UT+48/70[例8.2.2]已知輸入波形和電壓傳輸特征，分析輸出電壓波形。圖8.2.11例8.2.2波形圖±

UZ＝±9V圖8.2.9滯回比較器電路uO/Vt0+9-949/708.2.4窗口比較器參考電壓UREF1>UREF2若uI低于UREF2，運放A1輸出低電平，A2輸出高電平，二極管VD1

截止，VD2導通，輸出電壓uO為高電平；若uI高于UREF1，運放A1輸出高電平，A2輸出低電平，二極管VD2

截止，VD1

導通，輸出電壓uO為高電平；圖8.2.13雙限比較器(a)前面比較器在輸入電壓單一方向改變時，輸出電壓只躍變一次，因而不能檢測出輸入電壓是否在二個電壓之間。50/70當uI高于UREF2而低于UREF1時，運放A1、A2均輸出低電平，二極管VD1、VD2

均截止，輸出電壓uO為低電平；

上門限電平UTH=UREF1；

下門限電平UTL

=UREF2。uIuOOUTHUTL總而言之，雙限比較器在輸入信號uI<UREF2

或uI>UREF1時，輸出為高電平；而當UREF2<

uI<

UREF1時，輸出為低電平。圖8.2.13(b)51/708.2.5集成電壓比較器一、集成電壓比較器主要特點和分類：1.含有較高開環(huán)差模增益；2.含有較快響應速度；3.含有較高共模抑制比和允許共模輸入電壓較高；4.含有較低失調(diào)電壓、失調(diào)電流及較低溫漂。分類：單、雙和四電壓比較通用型、高速型、低電壓型和高精度型普通、集電極（或漏極）開路輸出或互補輸出型52/70二、集成電壓比較器基本接法1.通用型集成電壓比較器AD790引腳圖+12V單電源供電，邏輯電源為5V?！?V雙電源供電，邏輯電源為5V?！?5V雙電源供電，邏輯電源為5V。53/702.集電極開路集成電壓比較器LM119金屬封裝管腳圖反相輸入2同相輸入2電路為雙限比較器，能實現(xiàn)線與功效圖8.2.16由LM119組成雙限比較器及其電壓傳輸特征54/708.3非正弦波發(fā)生電路非正弦波：矩形波、三角波、尖頂波和階梯波等圖8.3.1幾個常見非正弦波55/708.3.1矩形波發(fā)生電路一、電路組成RC

充放電回路滯回比較器圖8.3.2滯回比較器：集成運放、R1、R2；充放電回路：R、C；（延遲步驟、反饋網(wǎng)絡(luò)）鉗位電路：VDZ、R3。（穩(wěn)幅步驟）動畫avi\14-1.avi56/70二、工作原理設(shè)t=0時，uC=

0，uO=+UZ則tOuCOuOtu+u-當u-=uC

=u+

時，t1t2則當u-=uC

=u+

時，輸出又一次跳變，uO=+UZ輸出跳變，uO=-UZ圖8.3.457/70三、振蕩周期電容充放電規(guī)律：對于放電，解得：結(jié)論：改變充放電回路時間常數(shù)及滯回比較器電阻，即可改變振蕩周期。t1t2tOuCOuOtt3圖8.3.4振蕩頻率f=1/T58/70四、占空比可調(diào)矩形波發(fā)生電路圖8.3.5a使電容充、放電時間常數(shù)不一樣且可調(diào)，即可使矩形波發(fā)生器占空比可調(diào)。tOuCuOtOT1T2T充電時間T1放電時間T2占空比D圖8.3.5b59/708.5.2三角波發(fā)生電路一、電路組成圖8.3.6采取波形變換方法得到三角波uO1為方波電路分析uO2為三角波60/70二、工作原理當u+=u-

=0時，滯回比較器輸出發(fā)生跳變。圖8.3.8實用電路左邊是同相輸入滯回比較器右邊為反向積分運算電路圖8.3.7R3R4傳輸特征+UT-UT+UZ-UZuOuI61/70二、工作原理OuO1tOuOt當u+=u-

=0時，滯回比較器輸出發(fā)生跳變。圖8.3.9圖8.3.7R3R4設(shè)t=0時，uO1=+UZ

u0=062/70三、輸出幅度和振蕩周期解得三角波輸出幅度當u+=u-

=0時，uO1跳變?yōu)?UZ，uO

到達最大值Uom。振蕩周期調(diào)整電路中R1、

R2、