信号产生电路与变换电路.ppt
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1、第二章 信号产生电路与变换电路,利用集成运算放大器或者专用模拟集成电路,配以少量的外接元件可以构成各种类型的信号发生器和具有各种功能的变换电路。这些信号发生器和变换电路广泛应用于无线电测量,震动测量,程序控制,无线电广播与通信,近代生物物理,医学等技术领域及学科研究领域。,2.1 信号发生器 什么是信号发生器?信号发生器(signal generator)是指产生所需参数的电测试信号的仪器。按信号波形可分为正弦波发生器和非正弦波发生器两大类。信号发生器又称信号源或振荡器,在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。正弦波发生器通常由工作于线性状态的运算放大器和外接移项选频网络构成。非正弦发生器通常是
2、由运放构成的滞回比较器和有源、无源积分电路构成。,信号产生电路,(振荡器Oscillators),分类:,正弦波振荡:,非正弦波振荡:,RC 振荡器(1 kHz 数百 kHz),LC 振荡器(几百 kHz 以上),石英晶体振荡器(频率稳定度高),方波、,三角波、,锯齿波等,主要性要求能:,输出信号的幅度准确稳定,输出信号的频率准确稳定,一、正弦波发生器,1 正弦波振荡电路的基本概念,2 正弦波振荡电路,正反馈放大电路如图示。(注意与负反馈方框图的差别),a.振荡条件,若环路增益,则,又,所以振荡条件为,振幅平衡条件,相位平衡条件,1.1正弦波振荡器的振荡条件,起振条件,b.起振过程,振荡电路是
3、单口网络,无须输入信号就能起振,起振的信号源来自何处?,电路器件内部噪声,当输出信号幅值增加到一定程度时,就要限制它继续增加,否则波形将出现失真。,噪声中,满足相位平衡条件的某一频率0的噪声信号被放大,成为振荡电路的输出信号。,?稳幅的作用就是,当输出信号幅值增加到一定程度时,使振幅平衡条件从 回到,起振条件,1/Fu,Au=1/Fu,O,ui,uo,Au,uo,Au Fu 1,Au Fu 1,Ui1,Uo1,Uf1,Ui2,Uo2,Uf2,Ui3,Uo3,Uf2,Ui4,Uo4,uf,起振,稳幅,c.稳幅过程,稳幅的作用就是,当输出信号幅值增加到一定程度时,使振幅平衡条件从 回到,放大电路(
4、包括负反馈放大电路),基本组成部分,反馈网络(构成正反馈的),选频网络(选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈 网络合二为一。),稳幅环节,1.2正弦波振荡器的组成及分类,分类,RC 振荡器(1 kHz 数百 kHz),LC 振荡器(几百 kHz 以上),石英晶体振荡器(频率稳定度高),一、RC 文氏桥式振荡电路,RC 串并联选频网络,式中:振荡角频率 0=1/RC,当 信号频率=0 时,=0 与零相移放大器配合使用满足起振条件,电路起振,输出正弦波信号。,a.RC 移相式正弦波振荡电路,一节 RC 环节,移相 90,二节 RC 环节,移相 180,三节 RC 环节,移相 270,满足相位
5、平衡条件,优点:,结构简单,缺点:,选频特性差,输出波形差,输出信号也不稳定,由三节RC超前或滞后移相反馈网络和反相放大器组成,常用于产生低频正弦信号。若适当选择稳幅负反馈网络的反馈电阻,使放大器闭环增益大于一,即满足振荡的振幅平衡条件,就能在输出端得到正弦波振荡信号。,提问?,为什么此电路中选用三节RC电路?当RC相移电路取最大的90时,输出信号电压为0,不满足振荡幅度条件,因此RC不能去最大的相移。要相移180,则最少需要三节RC电路。,补充知识:电压比较器(Comparer)的分类,功能:,类型,基本比较器,简单比较器(单门限),窗口比较器(双门限),滞回比较器(施密特触发器),比较电压
6、信号(被测试信号与标准信号)大小,构成:,运放组成的电路处于非线性状态,输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。,1.运放工作在非线性状态的判定:电路开环或引入正反馈。,运放工作在非线性状态基本分析方法,2.运放工作在非线性状态的分析方法:若U+U-则UO=+UOM;若U+U-则UO=-UOM。虚断(运放输入端电流=0),简单比较器,1.过零电压比较器,uI 0,uI 0,UOmax,-UOmax,UOH,UOL,2.同相输入单门限比较器,UZ,uI UREF,-UZ,uI UREF,门限电压 UT,特点:,1)工作在非线性区,2)不存在虚短(除了uI=UREF 时),3)存在虚断,门限
7、电压 UT=UREF,1)电路和门限电压,6.3.3 滞回比较器,1.反相型滞回比较器,正反馈,当 uI uP 时,uO=-UZ,当 uI uP 时,uO=+UZ,当 uI=uP 时,状态翻转,两个阈值,例:R1=30 k,R2=15 k,UZ=6 V,UREF=0,求 UT。,特点:,2)传输特性,R,R1,uI,UREF,R2,R3,UZ,P,uO,uO,UT+,UT-,UZ,-UZ,当 uI 逐渐增大时,只要 uI UT+,则 uO=UZ,一旦 uI UT+,则 uO=-UZ,当 uI 逐渐减小时,只要 uI U T-,则 uO=-UZ,一旦 uI UT-,则 uO=UZ,上门限,下门限
8、,U=UT+-UT-,回差电压,uI 上升时与上门限比,uI 下降时与下门限比。,2.同相型滞回比较器,状态翻转时,uP=uN=UREF,若 UREF=0,两个阈值,传输特性,U=UT+-UT-,抗干扰,单门限比较,UT,滞回比较,UT-,UT+,uO,在单限比较器中,输入电压在阈值附近的任何微小变化都会引起输出电压的跃变,不管这种电压是来自输入信号还是外部干扰,因此虽然单限比较器很灵敏,但抗干扰能力差,滞回比较器具有滞回的特点,即具有惯性,所以具有一定的抗干扰能力。,二、非正弦波振荡电路,1.产生方波振荡的基本原理,当施密特触发器输出高(低)电平时,电容 C 的充电方向不同,每当 uC 超过
9、上(下)门限电压时,施密特触发器的输出电平就发生跳变,使电容改变充电方向,于是形成 uO 周而复始的高、低电平跳变,即方波振荡。,2.方波发生器,由运放A及R1、R2构成的滞回比较器和Rf、C构成的无源积分器所组成。稳压管Dz及限流电阻R3起限幅作用,使输出电压幅度限于-Vz与+Vz。门限Vth=FvVo(t)Vo(t)=,上下限:,工作原理:,(1)设 uo=+UZ,此时,uO给C 充电,uc,,则:u+=UT+,一旦 uc UT+,就有 u-u+,uo 立即由UZ变成UZ。,在 uc UT+时,,u-u+,设uC初始值uC(0+)=0,uo保持+UZ不变,此时,C向uO放电,再反向充电,直
10、至达到下门限,输出电压跳变。,(2)当uo=-UZ 时,,u+=UT-,uc达到UT-时,uo上跳。,当uo 重新回到UZ 后,电路又进入另一个周期性的变化。,完整的波形:,计算振荡周期T。,周期与频率的计算:,T=T1+T2=2 T2,T2阶段uc(t)的过渡过程方程为:,f=1/T,可推出:,3、占空比可调的方波发生器,改变电位器 RW 的滑动端,就改变了冲放电的时间,从而使方波的占空比可调。,二、三角波发生器,构成:A1构成的同相滞回比较器和A2构成的单时间常数有源积分器组成。A2输出三角波,A1输出对称方波。,工作原理:,若uo1=UZ,uo,up。,当up0时,uo1翻转为-UZ。,
11、若uo1=-UZ,uo,up。,当up0时,uo1翻转为+UZ。,可见,Uo1输出的是方波,而Uo输出为三角波,波形图,三、锯齿波发生器,将三角波发生器中的单时间常数有源积分器改成双时间常数有源积分器,则电路就称为锯齿波发生器。,uo1=+UZ,D2截止,D1导通,Uo放电直至为0,在备反向充电,直至V-th,电平跳跃。,uo1=-UZ,D1截止,D2导通,Uo充电,直至V+th,电平跳跃。,小结,2正弦波振荡电路主要有RC振荡电路和LC振荡电路两种。RC振荡电路主要用于中低频场合,LC振荡电路主要用于高频场合。石英晶体振荡电路是一种特殊的LC振荡电路,其特点是具有很高的频率稳定性。3当运放开
12、环工作或引入正反馈时,运放工作在非线性状态。其分析方法为:若U+U-则UO=+UOM;若U+U-则UO=-UOM。虚断(运放输入端电流=0)4 比较器是一种能够比较两个模拟量大小的电路。迟滞比较器具有回差特性。它们是运放非线性工作状态的典型应用。5在方波、锯齿波和三角波等非正弦波信号发生器中,运放一般也工作在非线性状态。电路由比较器、积分器等环节组成。,第三节 电压-电流变换电路 在控制系统及测量设备中,通常要利用电压-电流变换电路进行信号的电压-电流之间的变换。一、电流/电压变换电路 如右图要求:电流源的内阻必须很大,否则输入失调电压将被放大(1+Ri/Rs)倍,会产生很大的误差。电流is要
13、远大于运放输入电流IB。A为理想运放,则输出电压正比于输入电流,与负载无关,实现I/V变换。,二、电压/电流变换电路 电压/电流转换即V/I转换,是将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号,转换后的电流相当一个输出可调的恒流源,其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。,(一)负载不接地V/I变换电路如右图,分析电路的负载电流iL和输入电压vi的关系。限制:最大负载电流受到最大运放电流的限制,最小负载电流又受到运放输入电流的限制,而且输出电压vo不能超过运放输出电压范围。,如下图,由于输入信号变为直流电压E,为恒流源电路。分析其负载电流大小,因为虚断,IL=IR=E/R,如图,同样
14、为恒流源电路,负载电流IL=IE=E/R1运放输出电流Io=IL/=E/(1+)R1所以,该电路输出恒定电流,并且比上一个恒流源电路的输出电流扩大了倍。,(二)负载接地V/I变换电路,如右图,为负载接地V/I变换电路,分析输出电流大小。,如图,为负载接地恒流源电路,分析输出电压和恒流源输出电流的大小。,(二)负载接地V/I变换电路,正反馈放大电路如图示。(注意与负反馈方框图的差别),振荡条件,若环路增益,则,又,所以振荡条件为,振幅平衡条件,相位平衡条件,回顾:,起振条件,起振过程,振荡电路是单口网络,无须输入信号就能起振,起振的信号源来自何处?,电路器件内部噪声,当输出信号幅值增加到一定程度
15、时,就要限制它继续增加,否则波形将出现失真。,噪声中,满足相位平衡条件的某一频率0的噪声信号被放大,成为振荡电路的输出信号。,?稳幅的作用就是,当输出信号幅值增加到一定程度时,使振幅平衡条件从 回到,起振条件,1/Fu,Au=1/Fu,O,ui,uo,Au,uo,Au Fu 1,Au Fu 1,Ui1,Uo1,Uf1,Ui2,Uo2,Uf2,Ui3,Uo3,Uf2,Ui4,Uo4,uf,起振,稳幅,c.稳幅过程,稳幅的作用就是,当输出信号幅值增加到一定程度时,使振幅平衡条件从 回到,电压-频率变换电路将输入的电压信号转换成相应的频率信号,即输出信号频率与输入信号电压值成比例,又称为电压控制振荡
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