模拟信号产生电路电路.ppt

,第9章 模拟信号产生电路,9.1正弦信号产生电路9.2非正弦信号产生电路 9.3压控振荡电路 9.4集成信号发生器 9.5Multisim仿真实例,9.1正弦信号产生电路,9.1.1 正弦波振荡产生的条件,正弦信号产生电路也称正弦波振荡电路，实质上是一个没有输入信号的正反馈放大电路。电路在没有外加输入信号的情况下，依靠自激振荡输出正弦波信号。,正反馈放大电路的组成框图如图(a)所示,则产生稳定振荡的平衡条件为：,则正反馈电路如图（b）所示。,注意与负反馈放大电路产生自激振荡的条件比较！,起振条件：,9.1正弦信号产生电路,9.1.2 RC桥式正弦波振荡电路,RC桥式正弦波振荡电路,9.1正弦信号产生电路,9.1.2 RC桥式正弦波振荡电路,RC串并联选频网络,由式得到串并联选频网络的反馈系数为：,令,9.1正弦信号产生电路,9.1.2 RC桥式正弦波振荡电路,RC串并联选频网络,幅频特性为：,相频特性为：,时，,取得最大值，即,相位角,，输出电压与输入电压同相。,串并联选频网络的频率特性曲线,(a)幅频特性曲线；(b)相频特性曲线。,RC桥式正弦波振荡电路分析,时，,根据起振条件,，有,又由放大电路的放大倍数,，可得,引入二极管稳幅电路的RC桥式正弦波振荡电路如下：,由以上讨论，正弦波振荡电路的分析过程可依照以下步骤：,检查电路是否由放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅电路组成；检查放大电路是否能够正常工作；检查电路是否满足正弦波振荡的平衡条件。其中，相位平衡条件由瞬时极性法判断；幅值平衡条件则一般取,起振后利用稳幅电路使,(4)估算振荡频率：,【例9.1】图9.6所示电路中，已知R=10k，C=0.01u，R2=15k，试问：(1)判断电路是否满足振荡相位平衡条件；(2)若要满足起振条件，确定R1的取值；若将R1选为热敏电阻以稳定输出幅度，则应该选择正温度系数还是负温度系数；(3)求振荡频率。,分析下图电路，指出电路是如何实现稳幅的。,9.1正弦信号产生电路,9.1.3 LC正弦波振荡电路,1.LC并联谐振回路,LC并联谐振回路,并联谐振回路阻抗为,由于,使阻抗的虚部为零，可得并联谐振频率,或,9.1正弦信号产生电路,9.1.3 LC正弦波振荡电路,回路谐振时的阻抗,此时回路的等效阻抗为纯电阻性质，其值最大。,2.变压器反馈式振荡电路,所示电路包括放大电路、选频网络、正反馈电路和利用晶体管非线性特性所实现的稳幅电路四部分。,9.1正弦信号产生电路,9.1.3 LC正弦波振荡电路,利用瞬时极性法判断电路反馈为正反馈，满足振荡的相位平衡条件。,并联谐振回路的谐振频率即为电路的振荡频率，即,或,和,分别是谐振回路的等效电感和等效电容。,变压器反馈式振荡电路易于产生振荡，波形较好，但是振荡频率的稳定性不高。这是由于电路反馈靠变压器线圈耦合实现，故存在耦合不紧密，损耗较大的问题。,9.1正弦信号产生电路,9.1.3 LC正弦波振荡电路,3.电感反馈式振荡电路,电感反馈式振荡电路实际上是对变压器反馈式振荡电路的改进。为了解决变压器反馈式振荡电路中变压器原副边线圈耦合不紧密的问题将两个线圈合并为一个线圈，反馈信号取自线圈，另外在整个线圈两端并联电容，加强谐振效果。,电感反馈式振荡电路,9.1正弦信号产生电路,9.1.3 LC正弦波振荡电路,电感三点式振荡电路通常应用于对波形要求不高的场合。,电感量为,电感量为,考虑,互感,，则电路振荡频率近似表示为,9.1正弦信号产生电路,9.1.3 LC正弦波振荡电路,4.电容反馈式振荡电路,电容反馈式振荡电路,电路满足正弦波振荡的相位平衡条件,电路振荡频率近似为,电容三点式振荡电路适用于固定频率的场合。,9.1正弦信号产生电路,9.1.4 石英晶体正弦波振荡电路,1.石英晶体的特性,(a)符号；(b)等效电路；(c)频率响应特性。,9.1正弦信号产生电路,9.1.4 石英晶体正弦波振荡电路,2.石英晶体正弦波振荡电路,石英晶体正弦波振荡电路的选频网络即为石英晶体，这是利用了石英晶体的压电效应产生正弦波振荡，而且由于石英晶体高品质因数的特点，使电路具有非常稳定的振荡频率。,(1)并联型晶体振荡电路,电路属于电容三点式,振荡电路，振荡频率为,和,表示石英晶体等效电路中的电容,9.1正弦信号产生电路,9.1.4 石英晶体正弦波振荡电路,(2)串联型晶体振荡电路,串联型晶体振荡电路结构如图所示。将石英晶体串联在正反馈支路中，只有当振荡频率 时，石英晶体呈电阻性，阻抗最小，而且正反馈最强，相移为零，电路满足相位平衡条件。当振荡频率 时，不满足相位平衡条件，电路不起振。,串联型石英晶体振荡电路,9.2非正弦信号产生电路,9.2.1 电压比较器,电压比较器是对输入信号进行幅度鉴别和比较的电路，常用于波形产生与变换、模数转换及自动控制等多种场合。,1.单限比较器,(a)电路；(b)电压传输特性。,9.2非正弦信号产生电路,9.2.1 电压比较器,反相输入单限比较器电路及电压传输特性,9.2非正弦信号产生电路,增加限幅电路的反相输入单限比较器电路,9.2.1 电压比较器,9.2非正弦信号产生电路,2.迟滞比较器,迟滞比较器有两个阈值电压，是具有迟滞回环传输特性的比较器。和单限电压比较器相比，即使输入电压在阈值电压附近有微小变化，迟滞比较器的迟滞回环特性仍可以保证输出电压稳定。所以，迟滞比较器具有一定的抗干扰能力。,反相输入迟滞比较器电路及电压传输特性,9.2.1 电压比较器,9.2非正弦信号产生电路,(1)确定阈值电压,设图(a)所示电路中运放为理想运放，,，且根据叠加原理有,令,，则比较器的阈值电压为,所以得到迟滞比较器的两个阈值电压分别为,9.2.1 电压比较器,9.2非正弦信号产生电路,若考虑稳压管电压，则阈值电压分别为,定义两个阈值电压的差值为门限宽度或回差电压，记作,9.2.1 电压比较器,9.2非正弦信号产生电路,(2)确定电压传输特性,9.2.1 电压比较器,迟滞比较器的输出电压在输入电压分别等于两个阈值电压时，跃变的方式是不同的。,并逐渐增大，,，则输出电压,继续增大直至达到并略大于阈值电压,时，输出电压由,跃变为,一、,二、,并逐渐减小，,，则输出电压,继续减小直至达到并略小于阈值电压,时，输出电压由,跃变为,【例9.2】设计迟滞电压比较器，使其电压传输特性曲线如图9.20(a)所示。要求输出用稳压二极管限幅电路，所用反馈电阻在 之间选择，参考电压。,解：根据图9.20(a)所示电压传输特性曲线的变化方向，阈值电压，因此，电路选用带参考电压的反相输入迟滞比较器，如图9.20(b)所示。,整理得,9.2非正弦信号产生电路,3.集成电压比较器,电压比较器可以作为模拟电路和数字电路的接口电路。和集成运放相比，集成电压比较器的开环增益低，失调电压大，共模抑制比小，因而其灵敏度不如用集成运放构成的比较器高；但是集成电压比较器的响应速度快，传输延迟时间短，且一般不需外加限幅电路就能够直接驱动TTL、CMOS和ECL等数字电路。有些集成电压比较器芯片带负载能力很强，可以直接驱动继电器和指示灯。,集成电压比较器LM339内部集成了四个独立的电压比较器，可应用于A/D转换器、宽限VCO、MOS时钟发生器、高电压逻辑门电路和多谐振荡器等,(1)电路结构,LM339集成电路管脚排列图,9.2.1 电压比较器,9.2非正弦信号产生电路,(2)构成单限比较器的常用接法,LM339集成电路构成单限比较器,9.2.1 电压比较器,9.2非正弦信号产生电路,9.2.2 矩形波产生电路,1.工作原理,振荡周期为,矩形波产生电路波形,矩形波产生电路,9.2非正弦信号产生电路,9.2.2 矩形波产生电路,2.实用的占空比可调矩形波产生电路,占空比可调的矩形波产生电路,电路输出波形的占空比为,9.2非正弦信号产生电路,9.2.3 三角波产生电路,1.工作原理,将方波产生电路的输出信号经过积分运算电路处理，就可以在积分运算电路的输出端得到三角波。,三角波产生电路,9.2非正弦信号产生电路,9.2.3 三角波产生电路,电路改进成实用的三角波产生电路,实用的三角波产生电路,9.2非正弦信号产生电路,9.2.3 三角波产生电路,2.参数计算,电路中由集成运放,根据电压叠加原理，,同相输入端电压为,构成的同相输入迟滞比较器，,其中，迟滞比较器输出电压,当,时，积分电路的输出电压,即为比较器的阈值电压，,由于迟滞比较器为同相输入，因此得到电压传输特性曲线如图,9.2非正弦信号产生电路,9.2.3 三角波产生电路,输出电压波形,三角波的周期和频率为,在积分电路电容充放电的过程中，输出电压,的值随电容,端电压数值的变化,而变化，同时影响,同相输入端电位,。在满足,的瞬间，比较器输出电压,的状态发生翻转，此时,的值即为三角波输出波形的幅值,9.2非正弦信号产生电路,9.2.4 锯齿波产生电路,1.工作原理,改变三角波产生电路中积分电路的正向积分时间和反向积分时间，就可以在电路输出端得到锯齿波。锯齿波产生电路及其波形如图所示，电路中利用二极管的单向导电性改变电容 的充放电回路，同时利用电位器选取回路中的不同电阻值改变电容 的充放电时间常数。,锯齿波产生电路及波形,锯齿波的振荡周期,9.3压控振荡电路,压控振荡电路（VCO，Voltage Controlled Oscillator）实现电压与频率之间的转换，其功能是将输入模拟电压转换成频率与电压数值成正比的脉冲输出信号。,1.电荷平衡式电路,电荷平衡式压控振荡电路结构如图所示，虚线左侧是积分器，右侧是迟滞比较器。,电荷平衡式电路及波形,9.3压控振荡电路,振荡周期和振荡频率分别为,振荡频率正比于输入电压的幅值，电路实现了电压与频率的转换。,2.复位式电路,复位式压控振荡电路结构如图所示，电路由积分器和单限比较器组成，三极管相当于模拟开关。,9.3压控振荡电路,复位式压控振荡电路的振荡周期和振荡频率分别为,振荡频率正比于输入电压的幅值，电路实现了电压与频率的转换。,9.3压控振荡电路,3.集成压控振荡电路AD7741,AD7741是ANALOG DEVICES公司推出的新一代同步电压-频率转换器（VFC），采用8引脚的DIP或SOIC封装方式,AD7741引脚图,AD7741的特点是封装小、应用成本低且使用方便，其为单电源供电，单端模拟输入电压范围为0V到+REF IN。,9.4集成信号发生器,任意波形周期信号产生电路也称为函数发生器或信号发生器，是一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路。,MAX038是MAXIM公司推出的一种精密高频波形发生器件。该器件可以应用最少的外围元器件，产生多种精密的信号波形。输出信号的频率和占空比可以通过调整电流、电压或电阻来分别进行控制,MAX038引脚图,利用MAX038实现正弦波产生信号的电路如图所示。实验证明该电路具有输出频率范围宽、波形稳定、失真小、使用方便等特点。,MAX038实现的正弦波产生电路,