波形的發(fā)生與信號(hào)的轉(zhuǎn)換

1、Analog Electronic Technology包宋建包宋建重慶文理學(xué)院重慶文理學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院電子電氣工程學(xué)院第八章第八章 波形發(fā)生與信號(hào)的轉(zhuǎn)換波形發(fā)生與信號(hào)的轉(zhuǎn)換8.1 正弦波振正弦波振蕩電路蕩電路8.2 三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器8.3 鋸齒波發(fā)生器鋸齒波發(fā)生器8.4 壓頻轉(zhuǎn)換壓頻轉(zhuǎn)換8.5 正弦波發(fā)生器正弦波發(fā)生器8-028.1 正弦波發(fā)生器正弦波發(fā)生器8-038.1.1 產(chǎn)生自激振蕩的原理產(chǎn)生自激振蕩的原理fidXXX改成正反饋改成正反饋只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。基本放大基本放大電路電路Ao反饋電路反饋電路FiX+ dXoXfX8-0

2、4如果：如果：,ifXX則去掉則去掉,iX仍有信號(hào)輸出。仍有信號(hào)輸出。基本放大基本放大電路電路Ao反饋電路反饋電路FdXoXfX反饋信號(hào)代替了放大反饋信號(hào)代替了放大電路的輸入信號(hào)。電路的輸入信號(hào)?；痉糯蠡痉糯箅娐冯娐稟o反饋電路反饋電路FiX+ +dXoXfX8-05自激振蕩條件的推導(dǎo)自激振蕩條件的推導(dǎo)fidofdooXXXXFXXAXFAAXXAooioF1基本放大基本放大電路電路Ao反饋電路反饋電路FiX+ dXoXfX8-06FAo=1自激振蕩的條件自激振蕩的條件基本放大基本放大電路電路Ao反饋電路反饋電路FdXoXfXoffdXFXXX,oodooXFAXAX8-07FAAAooF

3、1如果：如果：FoAFA:01則(1) 正反饋?zhàn)銐驈?qiáng)正反饋?zhàn)銐驈?qiáng),輸入信號(hào)為輸入信號(hào)為 0 時(shí)仍有信號(hào)輸時(shí)仍有信號(hào)輸出，這就是產(chǎn)生了自激振蕩。出，這就是產(chǎn)生了自激振蕩。(2) 要獲得非正弦自激振蕩要獲得非正弦自激振蕩,反饋回路中必須有反饋回路中必須有RC積分電路。例如后面將介紹的方波發(fā)生積分電路。例如后面將介紹的方波發(fā)生器、三角波發(fā)生器、鋸齒波發(fā)生器等。器、三角波發(fā)生器、鋸齒波發(fā)生器等。)()(FA、(3) 要獲得正弦自激振蕩要獲得正弦自激振蕩,反饋回路中必須有選頻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：電路。所以將放大倍數(shù)和反饋系數(shù)寫成：8-08自激振蕩的條件：自激振蕩的條件

4、：1)()(FA因?yàn)椋阂驗(yàn)椋篈AA|)(FFF|)(所以，自激振蕩條件也可以寫成：所以，自激振蕩條件也可以寫成：（1）振幅條件：）振幅條件：1|AF（2）相位條件：）相位條件：nFA2n是整數(shù)是整數(shù)相位條件：相位條件：意味著振蕩電路必須是正反饋；意味著振蕩電路必須是正反饋；振幅條件：振幅條件：可以通過調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達(dá)到?？梢酝ㄟ^調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達(dá)到。8-09問題問題1：如何起振？如何起振？ Uo 是振蕩器的電壓輸出幅度，是振蕩器的電壓輸出幅度，B是要求輸出的是要求輸出的幅度。起振時(shí)幅度。起振時(shí)Uo=0，達(dá)到穩(wěn)定振蕩時(shí)，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

5、動(dòng)可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，其中也包括有分解為各種頻率的分量，其中也包括有fo分量。分量。選頻網(wǎng)絡(luò)：選頻網(wǎng)絡(luò)：把把fo分量選出，把其他頻率的分量分量選出，把其他頻率的分量衰減掉。這時(shí)，只要：衰減掉。這時(shí)，只要：|AF|1，且，且 A+ B =2n ，即可起振。即可起振。8-10問題問題2：如何穩(wěn)幅？如何穩(wěn)幅？ 起振后，輸出將逐漸增大，若不采取穩(wěn)幅，起振后，輸出將逐漸增大，若不采取穩(wěn)幅，這時(shí)若這時(shí)若|AF|仍大于仍大于1，則輸出將會(huì)飽和失真。，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)整為達(dá)到需要的幅值后，將參數(shù)調(diào)整為AF=1，即可穩(wěn)幅。即可穩(wěn)幅。具體方

6、法將在后面具體電路中介紹。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：起振并能穩(wěn)定振蕩的條件：111AFBUAFBUAFBUooo時(shí)，時(shí)，時(shí)，8-118.1.2 RC振蕩電路振蕩電路 用用RC 電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路即所謂的電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路即所謂的 RC振蕩電路，可選用的振蕩電路，可選用的 RC 選頻網(wǎng)絡(luò)有多種，這選頻網(wǎng)絡(luò)有多種，這里只介紹里只介紹文氏橋選頻電路文氏橋選頻電路。R1C1R2C2iUoU一、選頻電路一、選頻電路8-12)1( j)1 (112211221CRCRCCRRUUio1221212CRfCRfoo時(shí)，相移為時(shí)，相移為0 0。R1C1R2C2iU

7、oU8-13212121CCRRfo如果：如果：R1=R2=R，C1=C2=C，則：，則：RCfo21)( j31ffffUUooio)(31arctgffffoo22)(31ffffUUooio傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：相頻特性：相頻特性：幅頻特性：幅頻特性：fofioUU31+90 90 f08-14二、用運(yùn)放組成的二、用運(yùn)放組成的RC振蕩器振蕩器0A所以，要滿足相位所以，要滿足相位條件，只有在條件，只有在 fo 處處0F因?yàn)椋阂驗(yàn)椋?AF122RR uo_+ + R2RCRCR1121RRA31112FRRA8-15能自行啟動(dòng)的電路（能自行啟動(dòng)的電路（1）uotRtA半導(dǎo)體半導(dǎo)體熱敏電阻熱敏電

8、阻起振時(shí)，起振時(shí)，RT略大于略大于2R1，使使|AF|1，以便起振；，以便起振；_+ + RTRCRCR1t uo起振后，起振后，uo逐漸增大則逐漸增大則RT逐漸減小，使得輸出逐漸減小，使得輸出uo為某值時(shí)，為某值時(shí)，|AF|=1，從而穩(wěn)幅。從而穩(wěn)幅。8-16能自行啟動(dòng)的電路（能自行啟動(dòng)的電路（2）R22為一小電阻，為一小電阻，使使(R21+R22)略大于略大于2R1，|AF|1，以，以便起振；便起振；_+ + R21RCCR1R22D1D2隨著隨著uo的增加，的增加，R22逐漸被短接，逐漸被短接，A自動(dòng)自動(dòng)下降到使下降到使|AF|=1，使，使得輸出得輸出uo穩(wěn)定在某值。穩(wěn)定在某值。8-17輸

9、出頻率的調(diào)整：輸出頻率的調(diào)整：RCfo21通過調(diào)整通過調(diào)整R或或/和和C來調(diào)整頻率。來調(diào)整頻率。_+ + RFuoRCCRKKR1R1R2R2R3R3C：雙聯(lián)可調(diào)電雙聯(lián)可調(diào)電容，改變?nèi)荩淖僀，用于細(xì)調(diào)振用于細(xì)調(diào)振蕩頻率。蕩頻率。K：雙聯(lián)波段開：雙聯(lián)波段開關(guān)，切換關(guān)，切換R，用于粗調(diào)振用于粗調(diào)振蕩頻率。蕩頻率。8-18電子琴的振蕩電路電路：電子琴的振蕩電路電路：2121RRCfo_+ + RF1uoR1CCRD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R218-19三、用分立元件組成的三、用分立元件組成的RC振蕩器振蕩器RCRC+UCCR1C2C3R3R2RE2C1RC2T1RE1

10、CET2RC1RF+ube RC網(wǎng)絡(luò)正反饋，網(wǎng)絡(luò)正反饋，RF、RE1組成負(fù)反饋，調(diào)整組成負(fù)反饋，調(diào)整到合適的參數(shù)則可產(chǎn)生振蕩。到合適的參數(shù)則可產(chǎn)生振蕩。8-208.1.3 LC振蕩電路振蕩電路LC 振蕩電路的選頻電路由電感和電容構(gòu)成，可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)只對用分離元件組成放大電路。本節(jié)只對 LC振蕩電路做振蕩電路做一簡單介紹，重點(diǎn)掌握相位條件的判別。一簡單介紹，重點(diǎn)掌握相位條件的判別。首先介紹一下首先介紹一下 LC 選頻網(wǎng)絡(luò)。選頻網(wǎng)絡(luò)。8-21LCo1RC

11、LZoiCLQIIIRLQoLCfo21 諧振時(shí)回路電諧振時(shí)回路電流比總電流大的流比總電流大的多，外界對諧振多，外界對諧振回路的影響可以回路的影響可以忽略！忽略！CLRiUILI8-22+ 例例1：正反饋正反饋+UCCCC1C2頻率由頻率由LC諧振網(wǎng)絡(luò)決定。諧振網(wǎng)絡(luò)決定。8-23例例2：正反饋正反饋頻率由頻率由C 、 L1 、 L2諧振諧振網(wǎng)絡(luò)決定。網(wǎng)絡(luò)決定。+UCCCC1L1L2C2uL1uL2uC設(shè)設(shè)uB uC uD uB uL2 ube uL1 D8-24例例3：正反饋正反饋設(shè)設(shè)uB uC uC1 uC2 uB 頻率由頻率由 L 、 C1 、 C2 組成的諧振網(wǎng)絡(luò)決定。組成的諧振網(wǎng)絡(luò)決定

12、。+UCCC1LC2ABC+uLuC1 tuCtuCiCCdddd2211uC1減小時(shí)，減小時(shí)， uC2如何變化？如何變化？設(shè)設(shè)L 、 C1 、 C2 組成的諧振組成的諧振網(wǎng)絡(luò)中的電流為網(wǎng)絡(luò)中的電流為i ，則，則ii8-25例例4：正反饋正反饋+UCCC1C2設(shè)設(shè)uB uC uE ube uA AECBube +uC1 頻率由頻率由 L 、 C1 、 C2 組成的諧振網(wǎng)絡(luò)決定。組成的諧振網(wǎng)絡(luò)決定。8-268.2 電壓器電壓器8-27非線性應(yīng)用：非線性應(yīng)用： 是指由運(yùn)放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出是指由運(yùn)放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關(guān)系與輸入的關(guān)系 uo=f( ui ) 是非線性函

13、數(shù)。是非線性函數(shù)。由運(yùn)放組成的非線性電路有以下三種情況：由運(yùn)放組成的非線性電路有以下三種情況：8.2.1 概述概述8-281. 電路中的運(yùn)放處于非線性狀態(tài)。電路中的運(yùn)放處于非線性狀態(tài)。+Auo比如：運(yùn)放開環(huán)應(yīng)用比如：運(yùn)放開環(huán)應(yīng)用uo運(yùn)放電路中有正反饋，運(yùn)放處于非線性狀態(tài)。運(yùn)放電路中有正反饋，運(yùn)放處于非線性狀態(tài)。8-292. 電路中的運(yùn)放處于線性狀態(tài)，但外圍電路有非電路中的運(yùn)放處于線性狀態(tài)，但外圍電路有非線性元件（二極管、三極管、穩(wěn)壓管等）。線性元件（二極管、三極管、穩(wěn)壓管等）。ui0時(shí)時(shí)：iFouRRu11ui UR時(shí)時(shí) , uo = +Uom當(dāng)當(dāng)ui UR時(shí)時(shí) , uo = -Uom 一、一

14、、若若ui從同相端輸入從同相端輸入8.2.3 電壓比較器電壓比較器8-36+uouiURuoui0+Uom-UomUR當(dāng)當(dāng)ui UR時(shí)時(shí) , uo = -Uom 二、二、 若若ui從反相端輸入從反相端輸入8-37uoui0+UOM-UOM+uoui三、過零比較器三、過零比較器: (UR =0時(shí)時(shí))+uouiuoui0+UOM-UOM8-38+uouitui例：例：利用電壓比較器將正利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?。弦波變?yōu)榉讲?。uot+Uom-Uom8-39+uiuoui0+UZ-UZ電路改進(jìn)：電路改進(jìn)：用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓。用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓。+uiuo UZRR uo UZ電壓比較器的另一

15、種形式電壓比較器的另一種形式 將雙向穩(wěn)壓管接在將雙向穩(wěn)壓管接在負(fù)反饋回路上負(fù)反饋回路上8-40比較器的特點(diǎn)比較器的特點(diǎn)1. 電路簡單。電路簡單。2. 當(dāng)當(dāng)Ao不夠大時(shí)，不夠大時(shí)， 輸出邊沿不陡。輸出邊沿不陡。3. 容易引入干擾。容易引入干擾。tuiuot過零附近仍過零附近仍處于放大區(qū)處于放大區(qū)8-41一、下行遲滯比較器一、下行遲滯比較器分析分析1. 因?yàn)橛姓答?，所以因?yàn)橛姓答?，所以輸出飽和。輸出飽和?. 當(dāng)當(dāng)uo正飽和時(shí)正飽和時(shí)(uo =+UOM) ：U+HomUURRRU2113. 當(dāng)當(dāng)uo負(fù)飽和時(shí)負(fù)飽和時(shí)(uo =UOM) ：LomUURRRU211+uoRR2R1ui參考電壓由參考

16、電壓由輸出電壓決定輸出電壓決定特點(diǎn)：特點(diǎn)：電路中使用正反饋，電路中使用正反饋， 運(yùn)放處于非線性狀態(tài)。運(yùn)放處于非線性狀態(tài)。1. 沒加參考電壓的下沒加參考電壓的下行遲滯比較器行遲滯比較器8.2.4 遲滯比較器遲滯比較器8-42omHURRRU211omLURRRU211分別稱分別稱UH和和UL上下門限電壓上下門限電壓。稱。稱(UH - UL)為為回差回差。當(dāng)當(dāng)ui 增加到增加到UH時(shí)，輸出時(shí)，輸出由由Uom跳變到跳變到-Uom；+uoRR2R1ui當(dāng)當(dāng)ui 減小到減小到UL時(shí)，輸出時(shí)，輸出由由-Uom跳變到跳變到Uom 。傳輸特性：傳輸特性：uoui0Uom-UomUHUL小于回差的干擾不會(huì)引起小

17、于回差的干擾不會(huì)引起跳轉(zhuǎn)。跳轉(zhuǎn)。跳轉(zhuǎn)時(shí)，正反饋加跳轉(zhuǎn)時(shí)，正反饋加速跳轉(zhuǎn)。速跳轉(zhuǎn)。8-43tuiUom-UomtuiUHUL例：例：下行遲滯比較器的下行遲滯比較器的輸入為正弦波時(shí)，輸入為正弦波時(shí)，畫出輸出的波形。畫出輸出的波形。+uoRR2R1ui8-44RomHURRRURRRU212211RomLURRRURRRU2122112. 加上參考電壓后的下行遲滯比較器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：加上參考電壓后的上下限：+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL8-45下行遲滯比較器兩種電路下行遲滯比較器兩種電路傳輸特性傳輸特性的比較的比較:+uoRR2R1u

18、iuoui0Uom-UomUHUL+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL8-46例：例：R1=10k ，R2=20k ，UOM=12V， UR=9V當(dāng)輸入當(dāng)輸入 ui 為如圖所示的波形時(shí)，畫出輸出為如圖所示的波形時(shí)，畫出輸出uo的波形。的波形。+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL5V10Vuit08-47首先計(jì)算上下門限電壓：首先計(jì)算上下門限電壓：+uoRR2R1uiURV10212211RomHURRRURRRUV2212211RomLURRRURRRU8-48+UOM-UOM根據(jù)傳輸特性畫輸出波形圖。根據(jù)傳輸特性畫輸出波形圖。+uoRR2R1uiURu

19、oui0Uom-UomUHULuiuott10V5V002V8-490211212omiURRRuRRRu+=0 時(shí)翻轉(zhuǎn)，可以求出上下門限電壓。時(shí)翻轉(zhuǎn)，可以求出上下門限電壓。0211212omiURRRuRRR二、上行遲滯比較器二、上行遲滯比較器+uoRR2R1uiHomiUURRu21LomiUURRu21當(dāng)當(dāng)u+ u- =0 時(shí)時(shí), uo= +UOM當(dāng)當(dāng)u+ UH , 就有就有 u- u+ ,在在 uc UH 時(shí)，時(shí)， u- u+ , uo 保持保持 + UOM 不變；不變；uo 立即由立即由UOM 變成變成UOM +RR1R2C+ucuo8-57此時(shí)，此時(shí)，C 經(jīng)輸出端放電。經(jīng)輸出端放電

20、。2. 當(dāng)當(dāng)uo = -UOM 時(shí)，時(shí)，u+=ULuc降到降到UL時(shí)，時(shí)，uo上翻上翻。UHuctUL當(dāng)當(dāng)uo 重新回到重新回到UOM 以后，電路又進(jìn)入另一個(gè)以后，電路又進(jìn)入另一個(gè)周期性的變化。周期性的變化。+RR1R2C+ucuo8-580UHuctULUOMuo0t- UOMT輸出波形：輸出波形：+RR1R2C+ucuo8-59RC電路：電路：起反饋和延遲作用，獲得一定的頻率。起反饋和延遲作用，獲得一定的頻率。下行遲滯比較器：下行遲滯比較器：起開關(guān)作用，實(shí)現(xiàn)高低電平的起開關(guān)作用，實(shí)現(xiàn)高低電平的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。+RR1R2C+ucuo方波發(fā)生器各部分的作用：方波發(fā)生器各部分的作用：8-60三、周

21、期與頻率的計(jì)算三、周期與頻率的計(jì)算RCtOMLOMceUUUtu)()(f=1/T)21ln(221RRRCTRCtOMHOMceUUUtu)()(uc上升階段表示式上升階段表示式:uc下降階段表示式下降階段表示式:uc0UHtULT1T2RCTOMLOMHeUUUU2)(RCTOMHOMLeUUUU1)()21ln(2121RRRCTTOMLHURRRUU2118-61方波發(fā)生器電路的改進(jìn)：方波發(fā)生器電路的改進(jìn)：+RR1R2C+ucuo+RR1R2C+ucuo UZ8-62思考題：思考題：點(diǎn)點(diǎn) b 是電位器是電位器 RW 的中點(diǎn)，點(diǎn)的中點(diǎn)，點(diǎn) a 和點(diǎn)和點(diǎn) c 是是 b 的上方和下方的某點(diǎn)的

22、上方和下方的某點(diǎn) 。試定性畫。試定性畫出點(diǎn)電位器可動(dòng)端分別處于出點(diǎn)電位器可動(dòng)端分別處于 a、b、c 三三點(diǎn)點(diǎn)時(shí)的時(shí)的 uo - uc 相對應(yīng)的波形圖。相對應(yīng)的波形圖。-+RWR1R2CucuoD1D2abc8-63反向積分電路反向積分電路方波發(fā)生器方波發(fā)生器電路一：電路一：方波發(fā)生器方波發(fā)生器 矩形波矩形波積分電路積分電路三角波三角波+RR1R2C+uc-+RR2Cuo此電路要求前后電路的時(shí)間常數(shù)配合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。好，不能讓積分器飽和。8.3.2 三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器8-64tuRCuood11+RR1R2C+uc-+RR2Cuouo1uo三角波的周

23、期由方波發(fā)生器確定，其幅值也由三角波的周期由方波發(fā)生器確定，其幅值也由周期周期T和參數(shù)和參數(shù)R、C決定。決定。0uo1tUom-Uom8-65電路二：電路二：電路一的改型電路一的改型+A1A2uouo1R02R01RCR2R1反向積分電路反向積分電路上行遲滯上行遲滯比較器比較器特點(diǎn)：特點(diǎn)：由由上行的遲滯比較器上行的遲滯比較器和和反相積分器反相積分器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，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。積分器的輸出又作為遲滯比較器的輸入。8-66+uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL上行的遲滯比較

24、器上行的遲滯比較器回顧回顧:omHURRU21omLURRU21上下門限電壓：上下門限電壓：8-67回顧回顧:反相積分器反相積分器tuRCuiod1ui-+RR2Cuoui=-Uui=+Utuo0+Uom-Uom8-68omHURRU21omLURRU21+A1A2uouo1R02R01RCR2R100uo1tUOMUOMuotUHULtuRCuood118-69周期和頻率的計(jì)算：周期和頻率的計(jì)算：tuoUHULT+A1A2uouo1R02R01RCR2R1RCRRf124214RRCRT T1T2LHTOMUUtURC10d1HLTOMUUtURC20d1TTT5 . 021omTOMURR

25、tURC215 . 002d18-70電路三：電路三：是電路二的改型電路是電路二的改型電路調(diào)整電位器調(diào)整電位器 RW 可以使三角波上下移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)動(dòng)。即給純交流的三角波疊加了一個(gè)直流分量。直流分量。+E-ERW+A1A2uouo1R02R01RCR2R18-71tuoT1T2-+R2R1+R R2CuoR+T1 時(shí)間段，電容時(shí)間段，電容 C 通過通過 R 放電放電T2 時(shí)間段，電容時(shí)間段，電容 C 通過通過 R 充電充電充放電的充放電的 時(shí)間時(shí)間T1、T2可可通過通過 R、R調(diào)整。調(diào)整。當(dāng)當(dāng)R=0時(shí)，則為鋸齒波發(fā)生器。時(shí)，則為鋸齒波發(fā)生器。電路四：電路四：是電路二的改進(jìn)電路是電路二的改進(jìn)電路uo1被嵌位被嵌位于于Uz8-72uot-+R2R1+R4CuoR+R3改變?nèi)遣òl(fā)生器中改變?nèi)遣òl(fā)生器中積分電路的充放