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1,第八章 波形的发生和信号的转换（6学时）第一节 正弦波振荡电路第二节 电压比较器第三节 非正弦波发生电路第四节 利用集成运放实现的信号转换电路第五节 锁相环及其在信号转换电路中的应用（了解重点掌握：利用正弦波振荡条件及分析方法能够分析讨论RC、LC振荡电路和石英晶体正弦波振荡电路的有关问题（如是否可能振荡，振荡频率等），掌握电压比较器、非正弦波发生电路的工作原理。,2,8.1 正弦波振荡电路,|,正反馈电路能产生自激振荡,正弦波振荡电路是在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡产生正弦波输出的电路。,仍有信号输出。,8.1.1 概述,3,一.产生正弦波振荡的条件,所以振荡条件为：,引入正反馈,正反馈足够强，输入信号为 0 时仍有信号输出，产生自激振荡,4,要获得一定频率的正弦自激振荡,反馈回路中必须有选频电路。所以将放大倍数和反馈系数写成：,振幅平衡条件,相位平衡条件,自激振荡的条件：,因为：,所以，自激振荡条件也可以写成：,n是整数,相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。,问题：如何起振？如何稳幅？,5,起振与稳幅,电路如何从起振到稳幅？,稳定的振幅,要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的f0，且在合闸通电时对于f=f0信号有从小到大直至稳幅的过程，即满足起振条件。,由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制。,最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。,6,1振荡电路无须输入信号就能起振，起振的信号源来自电路器件内部噪声；,2电路器件的内部噪声不是单一频率，但振荡电路中的选频网络，只使噪声中某一频率f0 满足相位平衡条件，形成正反馈，成为振荡电路的输出信号；而其它频率的信号，则不满足相位平衡条件，逐渐被抑制掉;,3.振荡电路中的稳幅环节，将限制输出信号幅度的无限增长，当输出信号达到一定值后，将使其稳定。,总结：,7,正弦波振荡电路的组成：,放大电路：能量控制，保证输出信号有一定的幅度；选频网络：确定输出信号为单一频率的正弦波信号；反馈网络：引入正反馈；稳幅环节：使输出信号幅值稳定。,选频网络与反馈网络合二为一,稳幅环节用非线性元件实现.,判断电路是否可能产生正弦波振荡的步骤：,电路是否由四个部分组成：放大、选频、反馈和稳幅;放大电路是否能正常工作：静态工作点是否合适，动态信号能不能放大;判断电路是否满足相位条件，即是否可能振荡；判断电路是否引入正反馈：利用瞬时极性法;判断电路是否满足幅值条件，即是否一定振荡。计算和，是否满足,8,相位条件的判断方法：瞬时极性法,断开反馈，在断开处给放大电路加 ff0的信号Ui，且规定其极性，然后根据 Ui 的极性 Uo 的极性 Uf 的极性若Uf 与Ui 极性相同，则引回的是正反馈，电路可能产生自激振荡；否则电路不可能产生自激振荡。,在多数正弦波振荡电路中，输出量、净输入量和反馈量均为电压量。,极性？,根据选频网络所用元件的不同，分为RC、LC和石英晶体正弦波振荡电路三种类型。,1)RC正弦波振荡电路：几百千赫以下2)LC正弦波振荡电路：几百千赫几百兆赫3)石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定,9,RC正弦波振荡电路也叫RC桥式正弦波振荡电路或文氏桥振荡电路,构成桥路,+,8.1.2.RC 正弦波振荡电路,放大电路,选频网络正反馈网络,-,电路可能产生自激振荡,10,RC串并联选频网络,低频段,高频段,在频率从0中必有一个频率f0，F0。,11,RC串并联选频网络的频率响应,当 f=f0时，不但=0，且 最大，为1/3。,12,1)是否可用共射放大电路？2)是否可用共集放大电路？3)是否可用共基放大电路？4)是否可用两级共射放大电路？,放大电路的选择,应为RC 串并联网络配一个电压放大倍数略大于3、输入电阻趋于无穷大、输出电阻趋于0的放大电路。,不满足相位条件,不满足幅值条件,输入电阻小、输出电阻大，影响f0,可引入电压串联负反馈，使电压放大倍数大于3，且Ri大、Ro小，对f0影响小,13,原因：要提高其振荡频率，必须减小R和C的值，放大器的输出电阻和晶体管的极间电容将影响其选频特性，输出频率不稳定。,RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波,14,振荡频率可调的选频网络,例：已知电容的取值分别为0.01F,0.1F,1F,10F,R=50,RW=10k.求:f0的调节范围.,解：,双联波段开关，切换C，用于粗调振荡频率。,双联可调电阻用于细调振荡频率。,15,通过调整R或C来调整频率。,C：双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。,K：双联波段开关，切换R，用于粗调振荡频率。,16,电子琴振荡电路,17,稳幅措施（利用非线性元件来稳幅）,热敏元件：RT(负温度系数),二极管（电流增大电阻减小）,18,讨论：合理连接电路，组成文氏桥振荡电路,19,作 业：,8.68.78.8,20,8.1.3 LC正弦波振荡电路,LC正弦波振荡电路与RC正弦波振荡电路的组成原则在本质上是相同的，只是选频网络由电感L和电容C构成，可以产生高频振荡。由于高频运放价格较高，所以一般用分立元件组成放大电路。本节只对 LC振荡电路做一简单介绍，重点掌握相位条件的判别。,首先介绍一下 LC 选频网络。,LC并联谐振回路,理想电路,21,一、谐振频率与谐振电阻,1、谐振的概念：AB间的阻抗最大，且呈纯电阻的状态谐振状态。2、谐振频率：,当 时呈谐振状态，此时,或,3、谐振电阻,损耗电阻,22,5、特点,（1）谐振频率：,（2）谐振时总的容抗等于感抗：,两端呈纯电阻。,（3）谐振时总电流与总电压同相，支路电流比总电流大。,电感支路：,电容支路：,23,二、谐振回路的品质因数,定义：谐振时电路的电抗（0L或）与等效损耗电阻R之比称为品质因数。,Q0的大小标志着谐振质量的优劣。Q0越大损耗越小。Q0通常在30200之间。,谐振时回路电流比总电流大的多，外界对谐振回路的影响可以忽略！,24,三、谐振曲线,1、谐振曲线,2、通用谐振方程,25,选频放大电路,当f=fo 时，电压放大倍数最大，且无附加相移。具有选频特性。,若在电路中引入正反馈，并能用反馈电压取代输入电压，则电路就成为正弦波振荡电路。,根据在电路中引入反馈的方式不同，有变压器反馈式、电感反馈式、电容反馈式三种电路。,26,1、变压器反馈式振荡电路,放大电路,选频网络,正反馈网络？,正反馈,电路可能产生自激振荡,特点：易振，波形较好；耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。,为使N1、N2耦合紧密，将它们合二为一，组成电感反馈式电路。,必须有合适的同铭端！,27,2、电感三点式振荡电路,放大电路,LC选频网络,正反馈网络？,电感的三个抽头分别接晶体管的三个极，故称之为电感三点式电路。,正反馈,电路可能产生自激振荡,特点：耦合紧密，易振，振幅大，C 用可调电容可获得较宽范围的振荡频率。波形较差，常含有高次谐波。,28,电感三点式振荡电路,频率由C、L1、L2谐振网络决定。,+,+,+,+,正反馈,放大电路,LC选频网络,正反馈网络？,电路可能产生自激振荡,由于电感对高频信号呈现较大的电抗，故波形中含高次谐波，为使振荡波形好，采用电容反馈式电路。,29,正反馈,电路可能产生自激振荡,放大电路,LC选频网络,正反馈网络？,若要振荡频率高，则L、C1、C2的取值就要小。当电容减小到一定程度时，晶体管的极间电容将并联在C1和C2上，影响振荡频率。,特点：波形好，振荡频率调整范围小，适于频率固定的场合。,与放大电路参数无关,3、电容三点式振荡电路,电容的三个抽头分别接晶体管的三个极，故称之为电容三点式电路,30,8.1.4.石英晶体正弦波振荡电路,石英晶体的基本特性,极板间加交变电场,极板间机械振动,交变电压,当交变电压频率为一固有频率时，振幅最大,称为压电振荡。,机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性非常高。,SiO2结晶体按一定方向切割的晶片。,31,石英晶体的等效电路,感性,等效电路,阻抗特性,C0静态电容。即两极板之间的电容，与晶片的几何尺寸、极板面积有关。几PF几十PF。,L机械振荡的惯性等效为电感L。10-3102H C晶片的弹性等效为电容C.10-410-1PF R晶片振动时因摩擦而造成的损耗等效为电阻R 102 L大，C小，R小,很大 104106,另一方面，晶片本身的固有频率只与晶片的几何尺寸有关，所以很稳定，而且可以做得很精确。,纯阻性,32,石英晶体的谐振频率,特点：（1）一个晶体有两个谐振频率。,即,串联谐振频率（阻抗最小）,即,并联谐振频率（阻抗最大）,（2）fPfS，但由于CC0，fP、fS非常接近,（3）晶体振荡器是将晶片作为一个电感元件来使用的。,感性,纯阻性,33,石英晶体正弦波振荡电路,晶体工作在谐振频率fP和fS之间，石英晶体呈电感性，作为振荡器回路的一个电感与电路的其他元件组成三点式振荡器。,34,石英晶体正弦波振荡电路,利用f=fS时石英晶体呈纯阻性，相移为零的特性构成正弦波振荡器。,35,8.2 电压比较器,电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路，在测量和控制中有着相当广泛的应用。本节主要讲述各种电压比较器的特点和电压传输特性，同时阐明其组成特点和分析方法。,8.2.1概述,一、电压比较器的电压传输特性,uo与uI的关系曲线称为电压传输特性,uo发生跃变时的输入电压称为阈值电压或转折电压，记作UT,三要素：1、确定输出电压的高、低电平UOH和UOL;2、求阈值电压UT;3、uI 经过UT 时uO跃变的方向。,集成运放的非线性区应用,36,二、理想集成运放工作于非线性区,电路中没有引入负反馈（开环或引入的是正反馈），理想运放工作于非线性区。,电压传输特性,集成运放工作在非线性区的特点,1)净输入电流为02)uP uN时，uOUOM uP uN时，uOUOM,由于处于线性与非线性状态的运放的分析方法不同，所以分析电路前，首先确定运放工作在线性区还是非线性区。,37,确定运放工作区的方法：判断电路中有无负反馈。,若有负反馈，则运放工作在线性区；若无负反馈，或有正反馈，则运放工作在非线性区。,处于非线性状态运放的特点：,1.虚短路不成立。2.输入电阻仍可以认为很大。3.虚断路成立。4.输出电阻仍可以认为是0。,三、电压比较器的种类,单限比较器只有一个阈值电压,滞回比较器输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同,窗口比较器有两个阈值电压,38,一、过零比较器,8.2.2.单限比较器,电压传输特性,例：利用电压比较器将正弦波变为方波,39,过零比较器限幅电路,保护二极管,线性区,IP=IN=0，UP=UN，保护了输入级。提高了输出电压的转换速度。,电压传输特性,R限流电阻，不可缺少！,双向稳压管限幅,uO UZ,40,例8.2.1（1）:如图所示电路,稳压管的稳定电压UZ=6V,输入电压为如图所示三角波,试画出输出电压的波形.,解:ui0 时,uo=UZ=6V ui0 时,uo=+UZ=6V,41,二、一般单限比较器,电压传输特性,uR参考电压,42,IP=IN=0，写出 uP、uN 表达式，令uP=uN，求阈值电压UT;确定输出电压的高、低电平UOH和UOL;根据uP 是否大于 uN，确定ui UT 及uiUT 的输出电压值。,电压传输特性,一般单限限幅比较器,43,例8.2.1(2):图示电路，R1=R2=5k,基准电压UREF=2V，稳压管的稳定电压UZ=5V，输入电压为如图所示三角波,试画出输出电压的波形。,解:,ui 2V时,uo=UZ=5Vui 2V时,uo=+UZ=5V,单限比较器灵敏度高,但抗干扰能力弱。,44,8.2.3.滞回比较器,电压传输特性,滞回比较器灵敏度低，但抗干扰能力强。,45,例:图示电路的上下门限电压UT=3V,稳压管的稳定电压UZ=9V,输入电压波形如图所示,试画出输出电压的波形.,解:先画出电压传输特性,抗干扰能力强,46,若要求滞回比较器的上下门限电压均大于0，电路应改进.,电压传输特性,47,例8.2.2:现测得某电路输入电压Ui和输出电压Uo波形如图所示，(1)判断该电路是哪种电压比较器，并画出电压传输特性。,解:是一个从反向输入端输入的滞回比较器。,上下门限电压:UT=3V,稳定电压:UZ=9V,电压传输特性,48,例8.2.2:现测得某电路输入电压Ui和输出电压Uo波形如图所示，(1)判断该电路是哪种电压比较器，并画出电压传输特性。,解:是一个从反向输入端输入的滞回比较器。,电压传输特性,(2)若要使UT1=2V,UT2=-4V,则应在电路中采取什么措施？,-4 2,49,例:如图R1=10k,R2=30k,UREF=8V,稳压管的稳定电压UZ=12V.求:上下门限电压并画出电压传输特性,解:,电压传输特性,上下门限电压为3V,9V，稳压管的稳定电压UZ=12V,50,例8.2.3设计一个电压比较器，使其电压传输特性如图所示，要求所用电阻阻值在20K 100K之间.,解:上下门限电压UT=3V,稳压管的稳定电压UZ=6V,UREF=0，信号从同相输入端输入。电路如图所示：,取R1=25K，则R2=50K,取R1=50K，则R2=100K,51,8.2.4 窗口比较器及其电压传输特性,D1导通，D2截止，uO=+UZ,D1截止，D2导通，uO=+UZ,D1、D2截止，Uo=0,52,作 业：,8.148.158.17,53,8.3 非正弦波发生电路,几种常见的非正弦波,矩形波,三角波,锯齿波,尖顶波,阶梯波,本节主要讲述模拟电路中常用的矩形波、三角波、锯齿波三种非正弦波发生电路的组成、工作原理、波形分析和主要参数的计算。,54,uC，当 uC=-UT 时，uO=+UZ，则uP=+UT，uO 通过R3向C充电。,uC，当 uC=+UT 时，uO=-UZ，则uP=-UT，uO 通过R3向C反向充电（放电）。,工作原理：,设初态 uC=uN=0，uO=+UZ，则uP=+UT，uO 通过R3向C充电。,8.3.1、矩形波发生器,由反向输入滞回比较器和RC电路组成,滞回比较器,55,波形分析及主要参数：,RC电路：起反馈和延迟作用，获得一定的频率。,滞回比较器：起开关作用，实现高低电平的转换。,方波发生器各部分的作用：,56,周期与频率的计算,f=1/T,占空比可调的矩形波发生电路,57,积分电路可将方波变为三角波，所以只要将矩形波电路的输出（方波）作为积分电路的输入，在积分电路的输出端就可以得到三角波电压输出。,8.3.2.三角波发生器,此电路要求前后电路的时间常数配合好，不能让积分器饱和。,58,实用电路一般采用三角波-方波发生电路，可以同时获得三角波信号和方波信号。,工作原理：,A1为同相滞回比较器，输入三角波，输出方波。A2为反相积分电路，输入方波，输出三角波。,59,周期与频率,正向积分起始值为-UT，终了值为+UT，积分时间T/2,60,改变三角波发生器中积分电路的充放电时间常数,使放电的时间常数为0，即把三角波发生器转换成了锯齿波发生器。,8.3.3 锯齿波发生器,61,8.4 利用集成运放实现信号转换电路,8.4.1 电压电流转换电路,利用集成运放接成电压负反馈可获得稳定的输出电压，接成电流负反馈可获得稳定的输出电流，即可实现信号转换。,62,电流电压转换电路,63,作 业：,8.18.28.198.20,