青島科技大學(xué)數(shù)電陳爽版第8章波形的發(fā)生和信號(hào)的轉(zhuǎn)換

第8章波形的發(fā)生和信號(hào)的轉(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(yùn)放實(shí)現(xiàn)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路8.5*鎖相環(huán)及其在信號(hào)轉(zhuǎn)換電路中的應(yīng)用本章主要講述:正弦波振蕩電路、非正弦波發(fā)生電路、波形轉(zhuǎn)換和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路等。重點(diǎn)掌握:正弦波振蕩的平衡條件，并能夠依據(jù)相位平衡條件正確判斷電路是否可能產(chǎn)生振蕩；掌握單限、滯回比較器的工作原理和傳輸特性；正確理解:由集成運(yùn)放構(gòu)成的矩形波、三角波和鋸齒波發(fā)生電路的工作原理、波形和參數(shù)；了解信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的工作原理。Home內(nèi)容簡(jiǎn)介一、產(chǎn)生正弦波振蕩的條件放大器反饋網(wǎng)絡(luò)X’i?A?F?Xo?Xf?RL8.1.1概述8.1正弦波振蕩電路?????????uf

正弦波振蕩電路應(yīng)滿足的條件：1、反饋信號(hào)能夠取代輸入信號(hào)，而若要如此，電路中必須引入正反饋；2、要有外加的選頻網(wǎng)絡(luò)，用以確定振蕩頻率?！灯胶鈼l件—

相位平衡條件n=0,1,2,??起振條件：振蕩的平衡條件：uf

正弦波振蕩電路必須由以下四個(gè)部分組成：

(1)放大電路：保證電路能夠有從起振到動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程，使電路獲得一定幅值的輸出量，實(shí)現(xiàn)能量的控制。

(2)選頻網(wǎng)絡(luò)：確定電路的振蕩頻率，使電路產(chǎn)生單一頻率的振蕩，即保證電路產(chǎn)生正弦波振蕩。

(3)正反饋網(wǎng)絡(luò)：引入正反饋，使放大電路的輸入信號(hào)等于反饋信號(hào)。

(4)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：也就是非線性環(huán)節(jié)，作用是使輸出信號(hào)幅值穩(wěn)定。二、正弦波振蕩電路的組成及分類(lèi)信號(hào)產(chǎn)生電路的命名(振蕩器—Oscillators)分類(lèi)：正弦波振蕩:非正弦波振蕩：RC振蕩器(1MHz以下)LC振蕩器(1MHz以上)石英晶體振蕩器(頻率穩(wěn)定度高)方波、三角波、鋸齒波等主要性要求能：輸出信號(hào)的幅度準(zhǔn)確穩(wěn)定輸出信號(hào)的頻率準(zhǔn)確穩(wěn)定三、判斷電路是否可以產(chǎn)生正弦波震蕩方法和步驟(1)觀察電路是否包含了放大電路、選頻網(wǎng)絡(luò)、正反饋網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)四個(gè)組成部分。

(2)判斷放大電路是否能夠正常工作，即是否有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)且動(dòng)態(tài)信號(hào)是否能夠輸入、輸出和放大。(3)利用瞬時(shí)極性法判斷電路是否滿足正弦波振蕩的相位條件。(正反饋)(4)判斷電路是否滿足正弦波振蕩的幅值條件，即是否滿足起振條件。(|AF|>1）圖8.1.3利用瞬時(shí)極性法判斷相位條件利用瞬時(shí)極性法判斷相位條件+8.1.2RC正弦波振蕩電路一、RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)圖8.1.4RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)及其在低頻段和高頻段的等效電路代入上式得：（8.1.4）ff0F.ff0f90-90當(dāng)f=f0

時(shí)，F(xiàn)=1/3.=0o1/3（8.1.6）（8.1.5）∴F=1/3.二、RC橋式正弦波振蕩電路電壓串聯(lián)負(fù)反饋(8.1.7)輸入電阻應(yīng)大輸出電阻應(yīng)小圖8.1.7RC橋式正弦波振蕩電路Rf不能太大，否則正弦波將變成方波????(8.1.8)穩(wěn)幅措施：熱敏電阻穩(wěn)幅8CR1RfRCR為使Au為非線性，起振時(shí)，應(yīng)使Au>3，穩(wěn)幅后Au=3。正溫度系數(shù)負(fù)溫度系數(shù)二極管穩(wěn)幅起振時(shí)信號(hào)小，二極管電阻大Au

1+(Rf+RD)/R1>3Rf>2R1-Rd起振后二極管電阻逐漸減小，Au

1+Rf/R1=3R1RfV1V2(8.1.9)Au

1+(Rf+RD)/R1三、振蕩頻率可調(diào)的RC橋式正弦波振蕩電路幾Hz<f0

<幾百kHz振蕩頻率:0.01u0.1u1u10u[例題：8.1.8]0.01u0.1u1u10u5010k10k?<f0

<?1.59Hz<f0

<318kHz圖8.1.9、振蕩頻率連續(xù)可調(diào)的RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)頻率粗調(diào)頻率細(xì)調(diào)508.1.3LC正弦波振蕩電路一、LC振蕩電路的頻率特性L的等效損耗電阻Y令虛部為零，得：1.諧振頻率f03.f=f0時(shí)的諧振阻抗Z02.回路品質(zhì)因數(shù)Q（8.1.12)（8.1.13)（8.1.14)當(dāng)Q>>1時(shí)，有：LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)電抗的頻率特性：0Z

Z0Q大Q小0f90o-90oQ增大幅頻特性相頻特性Z是頻率的函數(shù)，Q值愈大，曲線愈陡，選頻特性愈好。圖8.1.12選頻放大電路當(dāng)f=fO時(shí)：電壓放大倍數(shù)的數(shù)值最大，且無(wú)附加相移。對(duì)于其余頻率的信號(hào)：電壓放大倍數(shù)不但數(shù)值減小，而且有附加相移。電路具有選頻特性，故稱(chēng)之為選頻放大電路。圖8.1.13在選頻放大電路中引正反饋二、變壓器反饋式振蕩電路圖8.1.14變壓器反饋式振蕩電路×圖8.1.15變壓器反饋式振蕩

電路的交流通路圖8.1.16變壓器反饋式振蕩電路的交流等效電路當(dāng)Q>>1時(shí)，振蕩頻率（8.1.19)回路品質(zhì)因數(shù)Q（8.1.20)圖8.1.17電感反饋式振蕩電路三、電感反饋式振蕩電路×M??圖8.1.18電感反饋式振蕩電路的交流通路圖8.1.19電感反饋式振蕩電路

的交流等效電路電感反饋式振蕩電路的振蕩頻率優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：易起振(L間耦合緊)；易調(diào)節(jié)(C可調(diào)),最高振蕩頻率可到幾十兆赫。輸出取自電感，對(duì)高次諧波阻抗大，輸出波形差。(8.1.23)四、電容反饋式振蕩電路×??電容三點(diǎn)式電路(8.1.23)圖8.1.21頻率可調(diào)的選頻網(wǎng)絡(luò)分布電容、結(jié)電容影響f0圖8.1.22電容反饋式振蕩電路的改進(jìn)C的改進(jìn)圖8.1.23采用共基放大電路的

電容反饋式振蕩電路當(dāng)振蕩頻率高達(dá)100MHz以上時(shí)[例8.1.2]說(shuō)明電路圖的原邊線圈和副邊線圈的同名端。×＋＋＋＋··同名端同極性E輸入，C同號(hào)[例8.1.3]電路圖錯(cuò)誤：C、E直流短路B、C近似短路與圖8.1.20比較[例8.1.3]所示電路的改正電路×＋＋－⊕＋作業(yè)習(xí)題：8.1、8.3、8.7、8.9、8.11、8.128.1.4石英晶體(Crystal)正弦波振蕩電路一、石英晶體的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)SiO2晶片涂銀層焊點(diǎn)符號(hào)1.壓電效應(yīng)形變形變機(jī)械振動(dòng)外力壓電諧振—外加交變電壓的頻率等于晶體固有頻率時(shí)，機(jī)械振動(dòng)幅度急劇加大的現(xiàn)象。2.等效電路和諧振頻率RC0CLL

—

晶體的動(dòng)態(tài)電感

(10-3~102H)(大)C

—晶體的動(dòng)態(tài)電容

(<0.1pF)(小)R

—

等效摩擦損耗電阻(小)Co

—晶片靜態(tài)電容

(幾~幾十pF)C起作用串聯(lián)諧振C0起作用并聯(lián)諧振低頻時(shí)C0容抗大，不起作用，電路為串聯(lián)諧振高頻時(shí)C0容抗小，電路變?yōu)椴⒙?lián)諧振容性容性感性低頻時(shí)，電容器容抗大，C0不起作用。諧振頻率為：高頻時(shí)，電容器容抗小，C0起作用，電路為并聯(lián)諧振。fXfPfS容性感性容性圖8.1.29并聯(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×＋＋＋⊕＋8.2電壓比較器

(Comparator)8.2.1概述一、電壓比較器的電壓傳輸特性傳輸特性：

輸入電壓uI是模擬信號(hào)，而輸出電壓不是高電平UOH，就是低電平UOL。閥值電壓：使uo從

UOH躍變?yōu)閁OL

，或從

UOL躍變?yōu)閁OH的輸入電壓UT

。功能：比較電壓信號(hào)(被測(cè)試信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào))大小(3)當(dāng)uI變化且經(jīng)過(guò)UT時(shí)，uO躍變的方向，即是從UOH躍變?yōu)閁OL，還是從UOL躍變?yōu)閁OH

。高UOH高UOH低UOL低UOL畫(huà)出電壓傳輸特性，必須求出以下三個(gè)要素：(1)輸出電壓高電平和低電平的數(shù)值UOH和UOL；(2)閾值電壓的數(shù)值UT

；二、集成運(yùn)放的非線性工作區(qū)集成運(yùn)放電路特點(diǎn)及其電壓傳輸特性開(kāi)環(huán)狀態(tài)正反饋OuP

-

uNuOuP

>uNuP

<uNUOm-UOm1)不存在虛短

(除了uP=uN時(shí))

2)存在虛斷(即IP=IN

=0)

三、電壓比較器的種類(lèi)1、單限電壓比較器種類(lèi)3、窗口比較器2、滯回比較器單限比較器滯回比較器OuIuOUOHUT|uI

<UTUOLuI

>UTOuIuOUT1UT2UOHUOL上閥值下閥值回差電壓uI

<UT1uI

>UT2uI

>UT1uI

<UT2書(shū)上錯(cuò)UOMOuIuOUT1UT2uIuOOuIuO1.過(guò)零電壓比較器uI

<0uI

>0UOm-UOm8.2.2單限電壓比較器uT=0電壓比較器輸入級(jí)的保護(hù)電路二極管限幅圖8.2.5電壓比較器的輸出限幅電路UO=+(UZ1+UD)UO=+UZUI<

0時(shí)：UO=-(UZ2+UD)UI>0時(shí)：UO=-UZU’O=+UOMU’O=-UOM圖8.2.6將穩(wěn)壓管接在反饋通路中UO=+UZUI<

0時(shí)：UI>0時(shí)：UO=-UZ-+二、一般單限比較器(8.2.1)(3)當(dāng)uI經(jīng)過(guò)UT時(shí)，uO躍變的方向，決定于uI作用于哪個(gè)端；高高低低分析電壓傳輸特性三個(gè)要素的方法：(1)通過(guò)輸出端接的限幅電路確定輸出電壓的高、低電平的數(shù)值UOH和UOL；(2)寫(xiě)出uN和的uP的表達(dá)式，令uN=

uP，求得的uI就是閾值電壓值UT；作用于反向端時(shí)：作用于同向端時(shí)：UI<

UTUI>

UTUI<

UTUI>

UT[例8.2.1]=±6V=±5V=5K=2V6-65-5UT=-2V閾值電壓:8.2.3滯回比較器(施密特觸發(fā)器)±UZ(8.2.2)圖8.2.10加了參考電壓的滯回比較器閾值電壓:[例8.2.2]±9V50K100K求：uO波形[例8.2.3]R2=2R1要求所有電阻在20~100K之間Uz=±6V8.2.4窗口比較器URH

>URLuIuO1uO2D1D2uO<URL

URL<uI<URH>URHUOm截止導(dǎo)通UZ-UOmUOm-UOm導(dǎo)通截止UZ-UOm-UOm截止截止0作業(yè)習(xí)題：8.2、8.15、8.16、8.18圖8.3.1幾種常見(jiàn)的非正弦波8.3非正弦波發(fā)生電路積分電路8.3.1矩形波發(fā)生電路

滯回比較器一.電路組成及工作原理=UZ=-UZ二.波形分析及主要參數(shù)占空比=TK/T=50%三、占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路8.3.2三角波發(fā)生電路積分電路一.電路組成圖8.3.7三角波發(fā)生電路二、工作原理8.3.3鋸齒波發(fā)生電路圖8.3.11三角波變鋸齒波的波形圖8.3.12三角波變鋸齒波電路圖8.3.13電子開(kāi)關(guān)電路圖8.3.14利用低通濾波器將

三角波變換成正弦波圖8.3.15用折線近似正弦波的示意圖圖8.3.16三角波變正弦波電路圖8.3.17三角波變正弦波電路的分析圖8.3.18ICL8038函數(shù)發(fā)生器原理框圖圖8.3.19ICL8038函數(shù)發(fā)生器中電壓

比較器的電壓傳輸特性圖8.3.20ICL8038的引腳圖圖8.3.21ICL8038的兩種基本接法圖8.3.22ICL8038的輸出波形圖8.3.23失真度減小和頻率可調(diào)電路8.4信號(hào)轉(zhuǎn)換電路圖8.4.1電壓－電流轉(zhuǎn)換的基本原理電路圖8.4.2實(shí)用的電壓－電流轉(zhuǎn)換電路圖8.4.3電流－電壓轉(zhuǎn)換電路返回圖8.4.4整流電路的波形返回圖8.4.5一般半波整流電路返回圖8.4.6半波精密整流電路及其波形返回圖8.4.7全波精密整流電路及其波形返回圖8.4.8例8.4.1電路圖返回圖8.4.9數(shù)字式測(cè)量?jī)x表返回圖8.4.10電荷平衡式電壓－頻率轉(zhuǎn)換

電路的原理框圖及波形分析返回圖8.4.11電荷平衡式電壓－頻率轉(zhuǎn)換電路返回圖8.4.12例8.4.11所示電路中滯回

比較器的電壓傳輸特性返回圖8.4.13復(fù)位式電壓－頻率轉(zhuǎn)換

電路的原理框圖返回圖8.4.14復(fù)位式電壓－頻率轉(zhuǎn)換電路返回8.5鎖相環(huán)及其在信號(hào)轉(zhuǎn)換電路中的應(yīng)用圖8.5.1鎖相環(huán)的原理框圖