电子技术与项目训练设计与制作简易信号发生器PPT课件.ppt
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1、课程名称:电子技术与项目训练,项目3:设计与制作简易信号发生器,学习目标,了解正弦波振荡电路的组成和振荡条件能正确测量典型正弦波振荡电路的参数会分析典型正弦波振荡电路的电路结构、工作原理、特点、适用场合及振荡频率的估算了解集成运算放大器的主要参数、性能特点及其使用方法能正确测试集成运算放大器的各种应用电路的基本特性,会分析集成运算放大器的各种应用电路的功能、电路构成、工作原理和电路中各元器件的作用,并能对集成运算放大器的基本应用电路进行计算能正确测量非正弦波振荡电路的参数会分析非正弦波振荡电路的电路结构、工作原理、特点、适用场合及振荡频率的估算能对电路的故障现象进行分析判断并加以解决能利用集成
2、电路设计和制作信号发生器,并能通过调试得到正确结果,学习目标,任务3-1 正弦波振荡电路的测试与分析任务3-2 集成运放线性应用电路的测试与分析任务3-3 非正弦波产生电路的测试与分析任务3-4 简易信号发生器的设计与制作,项目3设计与制作简易信号发生器,?,信号发生器可以产生哪三种信号?内部构成如何?,函数信号发生器,示波器,同学们:在电子小产品的试制和检修过程中,知道最常用的电子仪表是哪三大件吗?,函数信号发生器,信号发生器在测量中应用非常广泛,能够产生三角波、方波、正弦波的信号发生器,是电路实验和电子测量中提供一定技术要求的电信号仪器,也可用于检修电子仪器及家用电器的低频放大电路。产生正
3、弦波、方波、三角波的方案有多种,如首先产生正弦波,然后通过整形电路将正弦波变换成方波,再由积分电路将方波变成三角波;也可以首先产生三角波或方波,再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。,任务目标,能正确测试典型正弦波振荡电路的参数会分析典型正弦波振荡电路的电路结构、工作原理、特点、适用场合及振荡频率的估算,任务1 正弦波振荡电路的测试与分析,能力目标,会分析RC桥式振荡器和进行参数测量会分析LC振荡器和进行参数测量,知识目标,理解振荡电路结构组成及起振条件理解RC桥式振荡电路、LC振荡电路的结构、功能及各元器件的作用掌握正弦波振荡电路振荡频率的估算方法,1.产生自激振荡的条件,只有正反馈电
4、路才能产生自激振荡。,(一)正弦波振荡电路的基础知识,反馈信号代替了放大电路的输入信号。,Xd=Xf,所以,自激振荡条件也可以写成:,自激振荡的条件:,(1)振幅条件:,2.起振条件和稳幅原理,起振条件:,结果:产生增幅振荡,(略大于),1)被动:器件非线性2)主动:在反馈网络中加入非线性稳幅环节,用以调节放大电路的增益,稳幅过程:,起振时,,稳定振荡时,,稳幅措施:,1)放大电路2)正反馈网络3)选频网络只对一个频率满足振荡条件,从而获得单一频率的正弦波输出。常用的选频网络有RC选频和LC选频4)稳幅环节使电路易于起振又能稳定振荡,波形失真小。,3.正弦波振荡器的一般组成,布置课堂操作任务,
5、本次课堂训练操作将记录成绩,任务1:RC串并联选频网络频率特性的测试,第一步,按图完成连线,选C1=C2=0.1F,R1=R2=10k,第二步,第三步,在输入端加上f=100Hz,U1=5V的正弦波信号,用示波器的双踪功能观察输入、输出波形的相位关系;,用毫伏表测量输出电压,逐渐增大输入信号频率,观察相位变化和输出电压变化,记录波形和数据。,课堂交流,当输入信号的频率逐渐增大,输出电压的变化规律如何?当频率增大到多少时,输出电压有最大值?此时输出电压和输入电压的比值?相位关系怎样?RC串并联网络是否具有选频特性?,(二)RC 串并联网络的选频特性,R1C1 串联阻抗:,R2C2 并联阻抗:,选
6、频特性:,通常,取R1R2R,C1C2C,则有:,式中:,可见:当 时,F最大,且=0,Fmax=1/3,RC串并联网络完整的频率特性曲线:,当 时,F=Fmax=1/3,课堂交流,电路中接入的RC串并联网络属于正反馈还是负反馈?Rp和R6支路在电路中起什么作用?RC振荡电路的振荡频率取决于哪些元件?,(三)RC正弦波振荡器的工作原理,在 f0 处,满足相位条件:,因为:,AF=1,只需:A=3,振幅条件:,引入负反馈:,选:,课堂交流,正反馈网络是由哪些元件组成?具有什么特性?R1、Rf组成什么反馈?R1、Rf和集成运放构成什么电路?该电路的Au为多少?其中调节哪个元件就可用来调节Au?,能
7、自动稳幅的振荡电路,起振时D1、D2不导通,Rf1+Rf2略大于2R1。随着uo的增加,D1、D2逐渐导通,Rf2被短接,A自动下降,起到稳幅作用。,将Rf分为Rf1 和Rf2,Rf2并联二极管,例题:R=1k,C=0.1F,R1=10k。Rf为多大时才能起振?振荡频率f0=?,AF=1,A=3,Rf=2R1=210=20k,=1592 Hz,起振条件:,课堂交流,该测试电路中,正反馈网络由哪些元件组成?反馈信号取自哪个元件?选频网络由哪些元件组成?RL减小时,输出信号出现什么现象?说明LC振荡电路带负载能力如何?可在其输出端加什么电路解决该矛盾?,1.LC并联谐振回路的选频特性,R为电感和回
8、路中的损耗电阻,(四)LC正弦波振荡器,当 时,,并联谐振。,谐振时,电路呈阻性:,Q为品质因数,Q越大,选频性越好。,谐振时LC并联谐振电路相当一个大电阻。,由LC并联谐振电路构成选频网络,2.三点式LC振荡电路,原理:,uf与uo反相,uf与uo同相,电感三点式连接方式:,电容三点式连接方式:,uf与uo反相,uf与uo同相,1)电感三点式LC振荡电路,振荡频率:,主要优缺点,优点:易起振、输出电压幅度大,调节频率方便(在较宽的频段内)。缺点:电感作为输出、反馈元件,输出波形不理想、振荡频率不高。,2)电容三点式LC振荡电路,振荡频率:,主要优缺点,优点:电容作为输出、反馈元件,它对谐波呈
9、现的阻抗小,因此输出波形好,振荡频率高。缺点:改变频率不方便,Co、Ci影响频率稳定度。,3)串联改进型电容反馈式LC振荡电路 又称克拉泼振荡电路,其中C为回路总电容,当CC1,C3C2时,CC3,(+),(+),(),(+),LC正弦波振荡器判断举例,振荡频率:,(),满足相位平衡条件变压器反馈式LC振荡器,例:试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。,V,2,1,C,C,L,+,A,+,R,R,u,o,1,R,f,Q值越高,选频特性越好,频率越稳定。,(五)石英晶体振荡电路,1.频率稳定问题,频率稳定度一般由 来衡量,频率偏移量。,振荡频率。,LC振荡电路 Q 数百,石英晶体振荡
10、电路 Q 10000 500000,2.石英晶体,2)基本特性,1)结构:,极板间加电场,极板间加机械力,压电效应:,交变电压,机械振动的固有频率与晶片尺寸有关,稳定性高。,交变电压频率=固有频率时,振幅最大,3.石英晶体的等效电路与频率特性,等效电路:,(1)串联谐振,频率特性:,晶体等效纯阻且阻值0,(2)并联谐振,通常,所以,4.石英晶体振荡电路,利用石英晶体的高品质因数的特点,构成LC振荡电路。,1)并联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs与fp之间,相当一个大电感,与C1、C2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高,可达到几千以上,所以电路可以获得很高的振荡频率稳定性。,并联型
11、石英晶体振荡电路,2)串联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs处,呈电阻性,而且阻抗最小,正反馈最强,相移为零,满足振荡的相位平衡条件。对于fs以外的频率,石英晶体阻抗增大,且相移不为零,不满足振荡条件,电路不振荡。,例:分析下图的振荡电路能否产生振荡,若产生振荡,石英晶体处于何种状态?,归纳小结:分析难点问题及情况评述,上页,下页,第一,正弦波振荡的起振条件、平衡条件是什么?正弦波振荡电路由哪几部分构成?,归纳小结:分析难点问题及情况评述,第二,正弦波振荡电路有哪两大类?振荡频率有何不同?,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
12、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。,归纳小结:分析难点问题及情况评述,第三,振荡电路的分析判断及振荡频率的估算,在分析是否构成放大器的基础上分析相位平衡条件是否满足。,说明,集成运放最早应用于信号的运算,所以它又被称为运算放大器。随着集成运放技术的发展,目前集成运放的应用几乎渗透到电子技术的各个领域,它成为组成电子系统的基本功能单元。集成运放加上一定形式的外接电路便可构成各种功能的线性及非线性应用电路,如对信号进行加、减、微分、积分运算电路,有源滤波电路,波形产生、放大和变换电路等等。,能力目标,会查阅电子元器件手册并正确选用集成运算放大器;能
13、正确测试集成运放线性应用电路的特性;会分析集成运放的各种线性应用电路的功能、结构及元器件的作用 会用基本运算放大器构成简单实用电路,知识目标,了解集成运算放大器的组成、性能特点及主要参数;掌握集成运算放大器的电压传输特性,“虚短”和“虚断”的概念;集成运算放大器的线性应用电路的功能、电路构成、工作原理和电路中各元器件的作用。,(一)什么是集成运算放大器?,集成运算放大器高增益的直接耦合的集成的多级放大器。,集成电路的工艺特点:(1)元器件具有良好的一致性和同向偏差,因而特别有利于实现需要对称结构的电路。(2)集成电路的芯片面积小,集成度高,所以功耗很小,在毫瓦以下。(3)不易制造大电阻。需要大
14、电阻时,往往使用有源负载。(4)只能制作几十pF以下的小电容。因此,集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容,只有外接。(5)不能制造电感,如需电感,也只能外接。,1.直耦耦合放大电路存在的问题零点漂移,零漂现象:,1)产生零漂的原因:,2)零漂的衡量方法:,由温度变化引起的。当温度变化使第一级放大器的静态工作点发生微小变化时,这种变化量会被后面的电路逐级放大,最终在输出端产生较大的电压漂移。因而零点漂移也叫温漂。,ui=0时,输出有缓慢变化的电压产生。,将输出漂移电压按电压增益折算到输入端计算。,例如,假设若输出有1V漂移电压,则等效输入有100 uV的漂移电压,第一级是关键,3)减小零漂的
15、措施,用非线性元件进行温度补偿,采用差动放大电路作为输入级,等效 100 uV,漂移 1 V,典型差动放大电路,2.差分放大电路放大两个输入信号之差,Uo=UC1-UC2=0,当ui1=ui2=0 时,,当温度变化时:,UC1=UC2,设T ic1,ic2 uc1,uc2 uo=uc1-uc2=0,能有效地克服零点漂移!,差模输入与差模特性,差模输入,ui1=ui2,差模输入电压,uid=ui1 ui2,=2ui1,使得:,ic1=ic2,uo1=uo2,差模输出电压,uod=uC1 uC2,=uo1(uo2),=2uo1,差模电压放大倍数,带RL时,rid=2rbe,差模输入电阻,差模输出电
16、阻,rod=2RC,大小相同 极性相反,共模输入与共模特性,共模输入,ui1=ui2,共模输出电压,uic=ui1=ui2,使得:,ie1=ie2,ue=2ie1Re,共模输入电压,uoc=uC1 uC2,=0,大小相同,极性相同,共模抑制比衡量差动放大电路对差模信号的放大和对共模信号的抑制能力,3.集成运放的组成及其符号,集成运放内部实际上是一个高增益的直接耦合放大器,输入级:要求零漂小,输入电阻大,一般用差动放大器。,中间级:要求高电压增益,有时还完成从双端到单端输出的转换,同时还向输出级提供较大推动电流。,输出级:要求输出电阻低,带负载能力强。,偏置电路:为各级提供稳定偏置,常用恒流源组
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