波形的發(fā)生和信號的轉換課件

本章討論的問題●在模擬電子電路中需要哪些波形的信號作為測試信號和控制信號？●什么是自激振蕩？波形發(fā)生電路中必須在輸入信號作用下才產生振蕩嗎？波形發(fā)生電路中必須有放大電路嗎？●正弦波振蕩電路所產生的自激振蕩和負反饋放大電路中所產生的自激振蕩有區(qū)別嗎？為什么正弦波振蕩電路中必須有選頻網絡？選頻網絡可由哪些元件組成？●產生正弦波振蕩電路的條件是什么？怎樣組成正弦波振蕩電路，它必須包含哪些部分？如何判斷電路是否是正弦波振蕩電路？第八章波形的發(fā)生和信號的轉換●為什么說矩形波發(fā)生電路是產生其它非正弦波信號的基礎？為什么非正弦波發(fā)生電路中幾乎都含有電壓比較器？●電壓比較器與放大電路有什么區(qū)別？集成運放在電壓比較器電路和運算電路中的工作狀態(tài)一樣嗎？為什么？如何判斷電路中集成運放的工作狀態(tài)？●如何組成矩形波、三角波和鋸齒波發(fā)生電路？●為什么需要將輸入信號進行轉換？有哪些基本的轉換？●什么是鎖相環(huán)？什么是調制和解調？利用鎖相環(huán)可以實現調制或解調嗎？第八章波形的發(fā)生和信號的轉換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利用集成運放實現的信號轉換電路8.5鎖相環(huán)及其在信號轉換電路中的應用一、產生正弦波振蕩的條件同相比例運算電路的比例系數電路品質因數中心頻率通帶放大倍數截止頻率A－＋CR1=RRfUi(s)Uo(s)CR4R2=2RR3=R在正弦波振蕩電路中，一要反饋信號取代輸入信號，即電路中必須引入正反饋；二要有外加的選頻網絡，用以確定振蕩頻率。ff0Q大Q小++Xo↑→Xf↑(X’i↑)→Xo↑↑（n為整數）正弦波振蕩的平衡條件為寫成模和相角的形式為起振條件電路把除f=f0以外的輸出量均衰減為零，因此輸出量為f=f0的正弦波。二、正弦波振蕩電路的組成及分類正弦波振蕩電路由四部分組成：（1）放大電路：保證電路能夠有從起振到動態(tài)平衡的過程，使電路獲得一定幅值的輸出量，實現能量的控制。（2）選頻網絡：確定電路的振蕩頻率，使電路產生單一頻率的振蕩，即保證電路產生正弦波振蕩。（3）正反饋網絡：引入正反饋，使放大電路的輸入信號等于反饋信號。（4）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：即非線性環(huán)節(jié)，作用是使輸出信號幅值穩(wěn)定。分類：RC正弦波振蕩電路、LC正弦波振蕩電路和石英晶體正弦波振蕩電路。8.1.2RC正弦波振蕩電路一、RC串并聯選頻網絡RRCC++--RC++--RC++--00整理可得令代入上式，得幅頻特性相頻特性RRCC++--+900fF-90000f0ff0RRCCA－＋RfR1RRCCRfR1+-二、RC橋式正弦波振蕩電路放大電路+-8.1.3LC正弦波振蕩電路一、LC諧振回路的頻率特性CLCLR令式中虛部為零，就可求出諧振角頻率式中Q為品質因數當Q>>1時，諧振頻率選頻網絡的損耗愈小，諧振頻率相同時，電容容量愈小，電感數值愈大，品質因數愈大，將使得選頻特性愈好。8.1.3LC正弦波振蕩電路一、LC諧振回路的頻率特性CLCLR當Q>>1時，|Z0|≈Q2R當f=f0時，電抗當網絡的輸入電流為I0時，電容和電感的電流約為QI0。由上式可得適用于頻率從零到無窮大時LC并聯網絡電抗的表達式ff0Q值大Q值小+900f-90000f0Q值大Q值小CLRb1Rb2+-ReCe+VCCTCbRb2Rb1RiCN1N2rbeRL1L2+-ABCR’L’1AB在變壓器原邊在副邊，電流整理可得其中2.振蕩頻率及起振條件CRb2Rb1ReCe+VCCTC1RLN2N1-++P+-ui+-品質因數當Q>>1時，振蕩頻率若0L2<<Ri電路的起振條件即將代入，則得出起振條件3.優(yōu)缺點Rb2Rb1RiCN1N2rbeRL1L2+-ABCRb2Rb1ReCe+VCCTC1RLN2N1-++P+-ui+-Rb2Rb1TRLN1CN2三、電感反饋式振蕩電路1.電路組成2.工作原理3.振蕩頻率和起振條件振蕩頻率反饋系數的數值RiN1(L1)N2(L2)ABRb2Rb1Crbe+-+-++--+-R’’L四、電容反饋式振蕩電路1.電路組成2.工作原理3.振蕩頻率和起振條件反饋系數的數值電壓放大倍數式中集電極等效負載因為起振條件為所以Rb2Rb1ReCe+VCCTC3RcC2C1-+++-ui+-LC2C1LC3ceb4.穩(wěn)定振蕩頻率的措施具體方法：在電感所在支路串聯一個小電容C，而且C<<C1，C<<C2，這樣總電容為C，電路的振蕩頻率LRb2Rb1Re+VCCTCb-+++-ui+--ufRb2Rb1ReCe+VCCTC3RcC2C1LCoCiC8.1.4石英晶體正弦波振蕩電路一、石英晶體的特點晶片敷銀層管腳管腳１.壓電效應和壓電振蕩概念1：在石英晶體兩個管腳加交變電場時，它將會產生一定頻率的機械變形，而這種機械振動又會產生交變電場，該現象稱為壓電效應。概念2：當交變電場的頻率為某一特定值時，振幅驟然增大，產生共振，稱為壓電振蕩。2.石英晶體的等效電路和振蕩頻率LRC0CX0ffsfp諧振頻率由于C<<C0，所以fp≈fs。品質因數的表達式由于Ｃ和Ｒ的數值都很小，Ｌ數值很大，所以Ｑ值高達104～106。Rb2Rb1ReCe+VCCTCRcC2C1二、石英晶體正弦波振蕩電路1.并聯型石英晶體正弦波振蕩電路二、集成運放的非線性工作區(qū)A－＋uOuPuNuOA－＋uPuN反饋通路uOUOM-UOM0uP-uN三、電壓比較器的種類1.單限比較器uOUOHUOL0uI2.滯回比較器3.窗口比較器uOUT1UT20uIuOUOHUOL0uIUT1UT28.2.2單限比較器一、過零比較器A－＋uOuIuO+UOM-UOM0uIA－＋uOuID1D2R8.2.2單限比較器一、過零比較器A－＋uOuIDZ1DZ2Ru’OA－＋uOuIDZ±UZRA－＋uOuIDZR二、一般單限比較器A－＋uOuIDZ±UZR1R2RUREFu’O利用疊加原理，集成運放反相輸入端的電位為令uP=uN=0，求出閾值電壓當uI<UT時，uN<up，所以u’O=+UOM，uO=UOH=+UZ；當uI>UT時，uN>up，所以u’O=-UOM，uO=UOL=-UZ。uO+UZ-UZ0uIUT分析電壓傳輸特性三個要素的方法是：(1)通過研究集成運放輸出端所接的限幅電路來確定電壓比較器的輸出低電平UOL和輸出高電平UOH；(2)寫出集成運放同相輸入端、反相輸入端電位up和uN的表達式，令uN=up，解得的輸入電壓就是閾值電壓UT；(3)uO在uI過UT時的躍變方向決定于uI作用于集成運放的哪個輸入端。當uI從反相輸入端輸入(或通過電阻接反相輸入端)時，uI<UT，uO=UOH；uI>UT，uO=UOL。當uI從同相輸入端輸入(或通過電阻接同相輸入端)時，uI<UT，uO=UOL；uI>UT，uO=UOH。[例8.2.1]在圖(a)所示的電路中，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=±6V；在圖(b)所示電路中，R1=R2=5k，基準電壓UREF=2V，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=±5V；它們的輸入電壓為圖(c)所示的三角波。試畫出圖(a)所示電路的輸出電壓UO1和圖(b)所示電路的輸出電壓UO2。uI/V50-2-5t圖(c)解：由圖可知，當uI<0時，uO1=+UZ=6V；當uI>0時，uO1=-UZ=-6V。當uI<-2V時，uO1=+UZ=5V；當uI>2V時，uO1=-UZ=-5V。圖(b)A－＋uO2uIDZ±UZR1R2RUREFu’O圖(a)A－＋uO1uIDZRuI/V50-5tuO1/Vt60-6t50-5uO2/V-2A－＋uOuIR1DZ±UZR2R8.2.3滯回比較器令uP=uN=0，求出閾值電壓uO=±UZ。集成運放反相輸入端的電位uN=uI，同相輸入端的電位+UZ-UZuO0uI+UT-UTA－＋uOuIDZ±UZR1R2RUREF同相輸入端的電位令uP=uN=0，求出閾值電壓uOUT2UT10uIuO/V9-90t[例8.2.2]在圖(a)所示的電路中，已知R1=50k，R2=100k，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓±UZ=±9V，輸入電壓uI的波形如圖(b)所示，試畫出uO的波形。解：輸出高電平和低電平分別為±UZ=±9V，閾值電壓uI/V3-30t圖（b）圖（a）A－＋uOuIR1DZ±UZR2RuO9-90uI+3-38.2.4窗口比較器uOuID1A1－＋D2R1A2＋－URHURLuO1uO2R2DZuOUOHUOL0URLURHuI結論：(1)在電壓比較器中，集成運放多工作在非線性區(qū)，輸出電壓只有高電平和低電平兩種可能的情況。(2)一般用電壓傳輸特性來描述輸出電壓與輸入電壓的函數關系。(3)電壓傳輸特性的三個要素是輸出電壓的高、低電平，閾值電壓和輸出電壓的躍變方向。輸出電壓的高、低電平決定于限幅電路；令uP=uN所求出的uI就是閾值電壓；uI等于閾值電壓時輸出電壓的躍變方向決定于輸入電壓作用于同相輸入端還是反相輸入端。8.2.5集成電壓比較器一、集成電壓比較器的主要特點和分類二、集成電壓比較器的基本接法1.通用型集成電壓比較器AD790

－＋12348765正電源同相輸入反相輸入負電源鎖存控制地輸出邏輯電源

－＋uOuNuP234675815100.1F0.1F+5V+12V二、集成電壓比較器的基本接法1.通用型集成電壓比較器AD790

－＋uOuNuP234675815100.1F0.1F+5V-5V

－＋uOuNuP234675810.1F0.1F+5V+15V0.1F-15V8.3非正弦波發(fā)生電路8.3.1矩形波發(fā)生電路一、電路組成及工作原理A－＋uOuN(uC)DZ±UZR1R2R4R3C

RC電路（起反饋延遲作用）滯回比較器（起開關作用）uO+UZ-UZ0uI+UT-UT

RC電路（起反饋延遲作用）A－＋uOuN(uC)DZ±UZR1R2R4R3C滯回比較器（起開關作用）TuC0-UTtuot0+UT-UZ+UZTkA－＋uOuN(uC)DZ±UZR1R2R4R3C滯回比較器（起開關作用）三、占空比可調的矩形波電路A－＋uOuN(uC)DZ±UZR1R2R4R3CRW1D1D2RW2uC0-UTtuot0+UT-UZ+UZT1T2當uO=+UZ時，uO通過RW1、二極管D1、R3；對電容C充電，若忽略二極管導通時的等效電阻，則時間常數當uO=-UZ時，uO通過RW2、二極管D2、R3；對電容C放電，若忽略二極管導通時的等效電阻，則時間常數三、占空比可調的矩形波電路uC0-UTtuot0+UT-UZ+UZT1T2[例8.3.1]在圖中所示電路中，已知R1=R2=25k，R3=5k，RW=100k，C=0.1F，±UZ=±8V。試求：（1）輸出電壓的幅值和振蕩頻率約為多少？（2）占空比的調節(jié)范圍約為多少？A－＋uOuN(uC)DZ±UZR1R2R4R3CRW1D1D2RW2解：(1)輸出電壓uO=±8V。振蕩周期振蕩頻率f=1/T≈83Hz(2)矩形波的寬度占空比T1/T≈0.045～0.958.3.2三角波發(fā)生電路A1－＋uO1uN(uC)DZ±UZR1R2R4R3CA2－＋RuORCuO10tuot0一、電路的組成二、工作原理令uP1=uN1=0，求出閾值電壓uO+UZ-UZ0uI+UT-UTA1－＋uO1DZ±UZR1R2R4A2－＋RuORC同相輸入滯回比較器積分運算電路uP1滯回比較器的輸出電壓集成運放A1同相輸入端的電位積分電路的輸入電壓是滯回比較器的輸出電壓uO1，而uO1不是+UZ，就是-UZ，所以輸出電壓的表達式uO10tuot0+UZ-UZ-UT+UTA1－＋uO1DZ±UZR1R2R4A2－＋RuORC同相輸入滯回比較器積分運算電路uP1uO10tuot0+UZ-UZ-UT+UT三、振蕩頻率積分電路正向積分時，uO1=-UZ，起始值為-UT，終了值為+UT，積分時間為二分之一周期，A1－＋uO1DZ±UZR1R2R4A2－＋RuOCRWR3D1D28.3.3鋸齒波發(fā)生電路uO1tuot0+UZ-UZ-UT+UTt1t2T2t0T1設二極管導通時的等效電阻可忽略不計，電位器的滑動端移到最上端。當uO1=+UZ時，D1導通，D2截止，輸出電壓的表達式當uO1=-UZ時，D2導通，D1截止，輸出電壓的表達式8.3.3鋸齒波發(fā)生電路uO1tuot0+UZ-UZ-UT+UTt1t2T2t0T1uItuot0+UIM-UIM0Au=1Au=-18.3.4波形變換電路一、三角形變鋸齒波電路A－＋R5=

RuoRf=

RR3=

R/2uIuCR2=

R/2R1=

RR4=

R/2

NPMuItuot0+UIM-UIM0Au=1Au=-1A－＋R5=

RuoRf=

RR3=

R/2uIuCR2=

R/2R1=

RR4=

R/2

NPM當開關斷開，uI同時作用于集成運放的反相輸入端和同相輸入端，根據虛短和虛斷的概念uItuot0+UIM-UIM0Au=1Au=-1A－＋R5=

RuoRf=

RR3=

R/2uIuCR2=

R/2R1=

RR4=

R/2

NPM當開關閉合時，集成運放的反相輸入端和同相輸入端為虛地，uN=uP=0，電阻R2中電流為零，等效電路是反相比例運算電路，因此uCM20pF100k二、三角波變正弦波電路1.濾波法低通濾波電路uouIuItuot00將三角波按傅立葉級數展開u/UImaxt00.11.00.90.80.70.60.50.40.30.2002505007009002.折線法應采用比例系數可以自動調節(jié)的運算電路uIA－＋R7uoRRfD1D2D3D1’D2’D3’R1R2R3R1’R2’R3’R4R5R6R4’R5’R6’-VCC(-15V)+VCC(+15V)u1u2u3u1’u2’u3’u/UImaxt00.11.00.90.80.70.60.50.40.30.2002505007009002.折線法當|uI|<0.3Um時，uo=-uI，比例系數的值uIA－＋R7uoRRfD1D2D3D1’D2’D3’R1R2R3R1’R2’R3’R4R5R6R4’R5’R6’-VCC(-15V)+VCC(+15V)u1u2u3u1’u2’u3’uI(uI<0)A－＋R7uo(uo>0)RRfD1R1R4-VCC(-15V)iRiD1iR1iR4當0.3Um<|uI|<0.56Um時，D1導通，等效電路如圖所示。若忽略二極管的正向電阻，則N點的電流方程為u/UImaxt00.11.00.90.80.70.60.50.40.30.200250500700900根據曲線所示，|uo|≈0.89uI。合理選擇R4，使選擇R4≈0.89R，就可得到|uo|≈0.89uI。從而比例系數隨著uI逐漸降低，uo逐漸升高，D2、D3依次導通，等效反饋電阻逐漸減小，比例系數的數值依次約為0.77、0.63。當uI從負的峰值逐漸增大時，D3、D2、D1依次截止，比例系數的數值依次約為0.63、0.77、0.89、1。8.3.5函數發(fā)生器一種可以同時產生方波、三角波和正弦波的專用集成電路。C電壓比較器I電壓比較器II三角波變正弦波電路緩沖電路I緩沖電路II觸發(fā)器I2IIS2IS1uCuO4uO5S+VCC-VEERL③②⑨⑩⑥11ICL8038一、電路結構S/RQ/Q000101保持不變保持不變1110C電壓比較器I電壓比較器II三角波變正弦波電路緩沖電路I緩沖電路II觸發(fā)器I2IIS2IS1uCuO4uO5S+VCC-VEERL③②⑨⑩⑥11ICL8038一、電路結構uOUOHU0L0uI1/3VCCuIuOUOHU0L02/3VCCC電壓比較器I電壓比較器II三角波變正弦波電路緩沖電路I緩沖電路II觸發(fā)器I2IIS2IS1uCuO4uO5S+VCC-VEERL③②⑨⑩⑥11ICL8038二、工作原理uC0Uo5(/R)0+1/3VCCUOLUOH+2/3VCCUo4(S)UOH0UOLQUOH0UOLtttt三、性能特點四、常用接法正弦波失真度調整正弦波輸出三角波輸出占空比及頻率調整矩形波輸出{+VCC調頻偏置電壓調頻電壓輸入端外接電容-VEE或地正弦波失真度調整1234147685913121110ICL8038ICL80381011122396547883kRL10kRBRA+VCC-VEE/地u9u3u2u2u3u9ICL803810111223965478100kRL10kRBRA+VCC-VEE/地u9u3u2RW1ku3u9u2ICL803810111223965478100kRL10k+VCC-VEEu9u3u2RW11k110k10k100kRW2RA4.7kRB4.7k10k20k0.1F8.4利用集成運放實現的信號轉換電路8.4.1電壓—電流轉換電路A－＋uOuIR’RLRiLi1一、電壓—電流轉換電路由于電路引入負反饋，uN=uP=0，負載電流A1－＋uO1uIR4R2R3iOR1A2－＋ROuO2N1P1N2P2RLR1=R2=R3=R4=R二、電流—電壓轉換電路A－＋uORRfRSiFiSRLRi8.4.2精密整流電路概念：將交流電轉換為直流電，稱為整流。精密整流電路的功能是將微弱的交流電壓轉換成直流電壓。DR++--uIuO0iu0tUon0tuIuO10tuO20t0tuIuO0tA－＋uOR’RfRuID1D2u’O當uI>0時，必然使集成運放的輸出u’O<0，從而導致二極管D2導通，D1截止，電路實現反相比例運算，輸出電壓當uI<0時，必然使集成運放的輸出u’O>0，從而導致二極管D1導通，D2截止，Rf中電流為零，輸出電壓uO=0。如果設二極管的導通電壓為0.7V，集成運放的開環(huán)差模放大倍數為50萬倍，為使二極管D1導通，集成運放的凈輸入電壓可見，只要輸入電壓uI使集成運放的凈輸入電壓產生非常微小的變化，就可以改變D1和D2工作狀態(tài)，從而達到精密整流的目的。0tuIuO0tA－＋uOR’RfRuID1D2u’OA1－＋R12RRuID1D2uO1A