模拟电子技术第八章波形的发生和信号的转换.ppt

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1、第八章 波形的发生和信号的转换,模拟电子技术电 子 教 案沈阳工业大学电子技术教研室,第八章 波形的发生和信号的转换,第八章 波形的发生和信号的转换,第八章 波形的发生和信号的转换,目 录,第一节 电压比较器第二节 非正弦波发生器第三节 正弦波发生器第四节 信号转换电路,第八章 波形的发生和信号的转换,第一节 电压比较器,目录,一、概述,二、单限比较器,三、滞回比较器,四、窗口比较器,五、集成电压比较器,第八章 波形的发生和信号的转换,目录,第一节 电压比较器,一、概述,1.功能：比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。输入电压是连续的模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平

2、和低电平两种情况。广泛用于各种报警电路。,2.电压比较器的描述方法:电压传输特性 uOf(uI),电压传输特性的三个要素：1)输出高电平UOH和输出低电平UOL2)阈值电压UT3)输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向,第八章 波形的发生和信号的转换,目录,第一节 电压比较器,3.几种常用的电压比较器,1)单限比较器：只有一个阈值电压,3)窗口比较器：有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。,2)滞回比较器：具有滞回特性 回差电压,第八章 波形的发生和信号的转换,目录,第一节 正弦波发生器,4.集成运放的非线性工作区,电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈（uPuN),集成运放工

3、作在非线性区的特点,净输入电流为0 即虚断2)uP uN时，uOUOM；uP uN时，uOUOM。,第八章 波形的发生和信号的转换,目录,第一节 电压比较器,二、单限比较器 1.过零比较器,1)UT02)UOH UOM，UOL UOM3)uI 0 时 uO UOM，uI 0 时 uO UOM。,集成运放的净输入电压最大值为UD,输入限幅电路：,第八章 波形的发生和信号的转换,目录,第一节 电压比较器,输出限幅电路 为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路,UOH UZ1 UD2 UOL(UZ2 UD1),UOH UOL UZ,UOH UZ UOL UD,不可缺少！,第八章 波形的发生和信号

4、的转换,目录,第一节 电压比较器,输出限幅电路,uO UZ,1)保护输入端2)加速集成运放状态的转换,电压比较器的分析方法：写出 uP、uN的表达式，令uP uN，求解出的 uI即为UT；根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定uO的跃变方向。,第八章 波形的发生和信号的转换,目录,第一节 电压比较器,2.一般单限比较器,1)若要UT 0，则应如何修改电路？2)若要改变曲线跃变方向，则应如 何修改电路？3)若要改变UOL、UOH呢？,作用于反相输入端,第八章 波形的发生和信号的转换,目录,第一节 电压比较器,三、滞回比较器 1.阈值电压,第八章 波

5、形的发生和信号的转换,目录,第一节 电压比较器,三、滞回比较器 2.工作原理及电压传输特性,设uIUT，则 uN uP，uO+UZ。此时uP+UT，增大 uI，直至+UT，再增大，uO才从+UZ跃变为 UZ。,设 uI+UT，则 uN uP，uOUZ。此时uP UT，减小 uI，直至UT，再减小，uO才从UZ跃变为+UZ。,第八章 波形的发生和信号的转换,目录,第一节 电压比较器,1、若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？,讨论一：如何改变滞回比较器的电压传输特性,2、若要电压传输特性曲线上下移动，则应如何修改电路？,3、若要改变跃变方向，则应如何修 改电路？,改变输出限幅电路,第八

6、章 波形的发生和信号的转换,目录,第一节 电压比较器,四、窗口比较器,当uIURH时uO1=uO2=UOM，D1导通，D2截止；uO=UZ,当uIURH时uO2=uO1=UOM，D2导通，D1截止；uO=UZ,当URLuI URH时 uO1=uO2=UOM，D1、D2均截止；uO=0,第八章 波形的发生和信号的转换,目录,第一节 电压比较器,讨论三,已知各电压比较器的电压传输特性，指出比较器类型；输入电压为5sint(V)，画出输出电压的波形。,你能分别组成具有图示电压传输特性的电压比较器电路吗？,同相输入单限比较器,反相输入滞回比较器,窗口比较器,第八章 波形的发生和信号的转换,目录,第一节

7、 电压比较器,五、比较器的应用,比较器主要用来对输入波形进行整形，可以将不规则的输入波形整形为方波输出。,(a)正弦波变换为矩形波(b)有干扰正弦波变换为方波,第八章 波形的发生和信号的转换,五、单片集成比较器1.由运放组成的VC与IC-VC比较,2.使用IC-VC考虑LM339（2）IC-VC可组成电平VC、滞回VC、窗口VC。使用 时查IC手册。,第一节 电压比较器,第八章 波形的发生和信号的转换,目录,第二节 非正弦波发生电路,一、常见的非正弦波,二、矩形波发生电路,三、三角波发生电路,四、锯齿波发生电路,五、波形变换电路,矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。,第八章 波形的发

8、生和信号的转换,第二节 非正弦波发生电路,一、矩形波发生电路,输出无稳态，有两个暂态；若输出为高电平时定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。,1.基本组成部分 1)开关电路：输出只有高电平和低电平两种情况，称为两种状态；因而采用电压比较器。2)反馈网络：自控，在输出为某一状态时孕育翻转成另一状态的条件。应引入反馈。3)延迟环节：使得两个状态均维持一定的时间，决定振荡频率。利用RC电路实现。,第八章 波形的发生和信号的转换,第二节 非正弦波发生电路,2.电路组成,正向充电：uO（+UZ）RC地,反向充电：地C R uO（UZ）,RC 回路,滞回比较器,第八章 波形的发生和信号的转换,第二节

9、非正弦波发生电路,3.工作原理、分析方法,分析方法：方法一：设电路已振荡，且在某一暂态，看是否能自动翻转为另一暂态，并能再回到原暂态。方法二：电路合闸通电，分析电路是否有两个暂态，而无稳态。,设合闸通电时电容上电压为0，uO上升，则产生正反馈过程：uO uN uO，直至 uOUZ，uP+UT，第一暂态。,第八章 波形的发生和信号的转换,第二节 非正弦波发生电路,3.工作原理：分析,电容正向充电，t uN，t，uN UZ；但当uN+UT时，再增大，uO从+UZ跃变为-UZ，uPUT，电路进入第二暂态,电容反向充电，t uN，t，uN-UZ；但当uN UT时，再减小，uO从-UZ跃变为+UZ，uP

10、+UT，电路返回第一暂态,第一暂态：uOUZ，uP+UT,第八章 波形的发生和信号的转换,第二节 非正弦波发生电路,脉冲宽度,4.波形分析,第八章 波形的发生和信号的转换,正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。,5.占空比可调电路,为了占空比调节范围大，R3应如何取值？,第二节 非正弦波发生电路,第八章 波形的发生和信号的转换,三、三角波发生电路,1.电路组成 用积分运算电路可将方波变为三角波。,实际电路将两个RC 环节合二而一,为什么采用同相输入的滞回比较器？,uO要取代uC，必须改变输入端。,集成运放应用电路的分析方法：化整为零（分块），分析功能（每块），统观整体，性能估算,第二节

11、 非正弦波发生电路,第八章 波形的发生和信号的转换,2.工作原理,滞回比较器,积分运算电路,求滞回比较器的电压传输特性：三要素 UOH、UOL，UT，uI过UT时曲线的跃变方向。,第二节 非正弦波发生电路,第八章 波形的发生和信号的转换,三角波发生电路的振荡原理,合闸通电，通常C 上电压为0。设uO1 uP1 uO1，直至uO1 UZ（第一暂态）；积分电路反向积分，t uO，一旦uO过 UT，uO1从 UZ跃变为 UZ（第二暂态）。积分电路正向积分，t uO，一旦uO过 UT，uO1从 UZ跃变为 UZ，返回第一暂态。重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。,电路状态翻转时，uP1=?,第二节

12、 非正弦波发生电路,第八章 波形的发生和信号的转换,3.波形分析,如何调整三角波的幅值和频率？,为什么是三角波？怎样获得锯齿波？,“定性地调试”：哪些参数与幅值有关？哪些参数与频率有关？先调哪个参数？,第二节 非正弦波发生电路,第八章 波形的发生和信号的转换,四、锯齿波发生电路,1.R3应大些？小些？2.RW的滑动端在最上端和最下端时的波形？,T,3.R3短路时的波形？,第二节 非正弦波发生电路,第八章 波形的发生和信号的转换,讨论一,已知uO1和uO2的峰-峰值均为12V，二极管为理想二极管。1、求出稳压管的稳压值UZ和R4的阻值；2、定性画出uO1、uO2的波形图；3、求解的表达式。,第二

13、节 非正弦波发生电路,第八章 波形的发生和信号的转换,讨论二,现有频率为1kHz的正弦波ui，实现下列变换：1kHz的正弦波ui2kHz的正弦波2kHz的方波2kHz的三角波,第二节 非正弦波发生电路,第八章 波形的发生和信号的转换,第三节 正弦波振荡电路,一、正弦波振荡的条件和电路的组成,二、RC正弦波振荡电路,三、LC正弦波振荡电路,四、石英晶体正弦波振荡电路,第八章 波形的发生和信号的转换,第三节 正弦波振荡电路,一、正弦波振荡的条件和电路的组成,1.正弦波振荡的条件 无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。与负反馈放大电路的振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入的是正反馈，且振荡频率可

14、控。,在电扰动下，对于某一特定频率f0的信号形成正反馈：,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。,第八章 波形的发生和信号的转换,第三节 正弦波振荡电路,一旦产生稳定的振荡，则电路的输出量自维持，即,起振条件：,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。,第八章 波形的发生和信号的转换,第三节 正弦波振荡电路,2.起振与稳幅,电路如何从起振到稳幅？,稳定的振幅,第八章 波形的发生和信号的转换,第三节 正弦波振荡电路,3.基本组成部分,1)放大电路：放大作用2)正反馈网络：满足相位

15、条件3)选频网络：确定f0，保证电路产生正弦波振荡4)非线性环节（稳幅环节）：稳幅,1)是否存在主要组成部分；2)放大电路能否正常工作，即是否有合适的Q点，信号是 否可能正常传递，没有被短路或断路；3)是否满足相位条件，即是否存在 f0，是否可能振荡；4)是否满足幅值条件，即是否一定振荡。,常合二而一,4.分析方法,第八章 波形的发生和信号的转换,第三节 正弦波振荡电路,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

16、波振荡电路中，输出量、净输入量和反馈量均为电压量。,极性？,第八章 波形的发生和信号的转换,第三节 正弦波振荡电路,5.分类,常用选频网络所用元件分类。1)RC正弦波振荡电路：几百kHz以下2)LC正弦波振荡电路：几百kHz几百MHz3)石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定,第八章 波形的发生和信号的转换,第三节 正弦波振荡电路,二、RC 正弦波振荡电路,1.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，F0o。,第八章 波形的发生和信号的转换,第三节 正弦波振荡电路,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。,第八章 波形的发生和信号的转

17、换,第三节 正弦波振荡电路,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？,2.电路组成,应为RC串并联网路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。,不符合相位条件,不符合相位条件,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,第八章 波形的发生和信号的转换,第三节 正弦波振荡电路,3、RC桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡器）,用同相比例运算电路作放大电路。,因同相比例运算电路有非常好的线性度，故R或Rf可用热敏电阻，或加二极管作为非线性

18、环节。,文氏桥振荡器的特点？,第八章 波形的发生和信号的转换,第三节 正弦波振荡电路,讨论一：合理连接电路，组成文氏桥振荡电路,第八章 波形的发生和信号的转换,第三节 正弦波振荡电路,三、LC 正弦波振荡电路 1.LC并联网络的选频特性,理想LC并联网络在谐振时呈纯阻性，且阻抗无穷大。,谐振频率为,在损耗较小时，品质因数及谐振频率,损耗,在ff0时，电容和电感中电流各约为多少？网络的电阻为多少？,第八章 波形的发生和信号的转换,第三节 正弦波振荡电路,构成正弦波振荡电路最简单的做法是通过变压器引入反馈。,附加相移,LC选频放大电路正弦波振荡电路,当f=f0时，电压放大倍数的数值最大，且附加相移

19、为0。,第八章 波形的发生和信号的转换,第三节 正弦波振荡电路,2.变压器反馈式电路,C1是必要的吗？,特点：易振，波形较好；耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。,分析电路是否可能产生正弦波振荡的步骤：1)是否存在组成组成部分2)放大电路是否能正常工作3)是否满足相位条件,为使N1、N2耦合紧密，将它们合二而一，组成电感反馈式电路。,必须有合适的同铭端！,第八章 波形的发生和信号的转换,第三节 正弦波振荡电路,3.电感反馈式电路,反馈电压取自哪个线圈？反馈电压的极性？,必要吗？,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。,第八章 波形的发生和信号的转换,第三节 正弦波振荡电路

20、,3.电感反馈式电路,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。,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。,第八章 波形的发生和信号的转换,第三节 正弦波振荡电路,4.电容反馈式（电容三点式）电路,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，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,作用？,第八章 波形的发生和信号的转换,第三节 正弦波振荡电路,四、石英晶体正弦波振荡电路 1.石英晶

21、体的特点,SiO2结晶体按一定方向切割的晶片。,压电效应和压电振荡：机械变形和电场的关系,固有频率只决定于其几何尺寸，故非常稳定。,感性,第八章 波形的发生和信号的转换,第三节 正弦波振荡电路,2.电路,石英晶体工作在哪个区？2)是哪种典型的正弦波振荡电路？,石英晶体工作在哪个区？2)两级放大电路分别为哪种基本接法？3)C1的作用？,并联型电路,串联型电路,第八章 波形的发生和信号的转换,第三节 正弦波振荡电路,讨论三,同铭端？,注意事项：1、放大电路必须能够正常工作、放大电路的基本接法；2、断开反馈，在断开处加 f=f0的输入电压；3、找出在哪个元件上获得反馈电压，是否能取代输入电压。,第八

22、章 波形的发生和信号的转换,一、概述,二、ui转换电路,三、精密整流电路,四、uf转换电路,第四节 信号转换电路,第八章 波形的发生和信号的转换,一、概述,信号的发送：调幅、调频、调相信号的接收：解调信号对负载的驱动：iu，ui信号的预处理：ACDC（整流、检波、滤波）DCAC（斩波）信号的接口电路：AD（如 uf），DA,第四节 信号转换电路,第八章 波形的发生和信号的转换,第四节 信号转换电路,为什么一般的整流电路不能作为精密的信号处理电路？,二、精密整流电路,若uImaxUon，则uO仅在大于Uon近似为uI，失真。,精密整流电路是信号处理电路，不是电源中ACDC的能量转换电路；实现微小

23、信号的整流。,第八章 波形的发生和信号的转换,第四节 信号转换电路,设RRf,对于将二极管和晶体管作电子开关的集成运放应用电路，在分析电路时，首先应判断管子的相当于开关闭合还是断开，它们的状态往往决定于输入信号或输出信号的极性。,1.半波精密整流电路,半波整流，若加uI的负半周，则实现全波整流,第八章 波形的发生和信号的转换,第四节 信号转换电路,2.全波精密整流电路,二倍频三角波,绝对值运算电路,第八章 波形的发生和信号的转换,第四节 信号转换电路,三、uf 转换电路（压控振荡器）,T,1.电荷平衡式压控振荡器,电路的组成：由锯齿波发生电路演变而来。,若T2决定于外加电压，则电路的振荡频率就几乎仅仅受控于外加电压，实现了uf 的转换。,第八章 波形的发生和信号的转换,第四节 信号转换电路,1、电荷平衡式压控振荡器,R1R5,单位时间内脉冲个数表示电压的数值，故实现A/D转换,若uI0，则电路作何改动？,第八章 波形的发生和信号的转换,第四节 信号转换电路,2、复位式压控振荡器,