波形的发生和信号的转换

第八章波形的产生与变换电路8.1正弦波振荡的基本原理8.2RC正弦波振荡电路8.3LC正弦波振荡电路8.4石英晶体振荡电路8.5比较器8.6方波发生器8.7三角波及锯齿波发生器一.产生自激振荡的条件fidXXX-=改成正反馈只有正反馈电路才能产生自激振荡。8.1正弦波振荡器的基本原理+Xi–f基本放大器A反馈网络FX+doXX如果：,ifXX=则去掉,iX仍有信号输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号。Xi+f基本放大器A反馈网络FX+doXXXdof基本放大器A反馈网络FXXFA=1Xd=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：1||=AF（2）相位条件：pjjnFA2=+n是整数1..=FAAAAj=||因为：FFFj=||..动画演示Xdof基本放大器A反馈网络FXX二.起振条件和稳幅原理起振条件：结果：产生增幅振荡1||FA（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，1||FA稳定振荡时，1||=FA稳幅措施：起振过程Xdof基本放大器A反馈网络FXX1.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。三.正弦波振荡器的一般组成8.2RC正弦波振荡电路一.RC串并联网络的选频特性R1C1串联阻抗：212ofZZZUUF+==)j/1(111CRZ+=222222j1)j/1//(CRRCRZ+==R2C2并联阻抗：选频特性：++++Ru+-o-fu+12RC12C1.定性分析：（1）当信号的频率很低时。R111CR221C其低频等效电路为：其频率特性为：当ω=0时，uf=0，│F│=0=+90°Fj当ω↑时，uf=↑，│F│↑↓Fj++++fo-+R21u-uC+0|F|0φF90°（2）当信号的频率很高时。＜＜R111C＜＜R221C其高频等效电路为：其频率特性为：当ω=∞时，uf=0，│F│=0=-90°Fj当ω↓时，uf=↑，│F│↑↓Fj++++ou-f-u+2C+1R0|F|0φF-90°ω0=？│F│max=？由以上分析知：一定有一个频率ω0存在，当ω=ω0时，│F│最大，且=0°Fj0|F|0φF90°0|F|0φF-90°2.定量分析)j/1(111CRZ+=222222j1)j/1//(CRRCRZ+==R1C1串联阻抗：R2C2并联阻抗：212ofZZZUUF+==频率特性：++++Ru+-o-fu+12RC12C)1j()1(1j1j1j11221211222211222CRCRRRCCCRRCRCRRF-+++=++++=通常，取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，则有：)j(3100-+=F式中：RC10=可见：当时，│F│最大，且=0°RC10==Fj│F│max=1/3RC串并联网络完整的频率特性曲线：RC10=当时，│F│=│F│max=1/30F=jRC10==RCfp210=φFo+90°o|F|1/3二.RC桥式振荡器的工作原理：0=Aj在f0处,0=Fj满足相位条件：因为：AF=131=F11f+=RRA1f2RR=只需：A=3输出正弦波频率：RCfp210=0=+FAjj振幅条件：uRf1RRRCCuf－A++∞o引入负反馈：选：例题:R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf为多大时才能起振？振荡频率f0=？AF=1，31=F11f+=RRAA=3Rf=2R1=210=20kRCfp210==1592Hz起振条件：uRf1RRRCCuf－A++∞o能自动稳幅的振荡电路半导体热敏电阻(负温度系数）起振时Rt较大使A3,易起振。当uo幅度自激增长时，Rt减小，A减小。当uo幅度达某一值时，A→3。当uo进一步增大时，RT再减小,使A3。因此uo幅度自动稳定于某一幅值。u0.1u10k0.1u－++A∞fu10k10k39k100kotR能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u12ARCo1RR+∞C.+－D1D2Rf1f2REWB演示——RC振荡器K：双联波段开关，切换R，用于粗调振荡频率。C：双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。振荡频率的调节：_++RfuoRCCR1KKR1R1R2R2R3R3振荡频率：RCfp210=三.RC移相式振荡电路1.RC移相电路+－－+uofuRRRCCC+－uouf+－RRRCCC（1）RC超前移相电路（2）RC滞后移相电路φAo+90°+180°+270°0°φAo-90°-180°-270°0°u++A∞－+－/=//oR2R1R0RRCCCufRRR01R2.RC移相式振荡电路180=Aj在f0处,180=Fj满足相位条件：0=+FAjjRCfp6210=1.LC并联谐振回路的选频特性RCLZ=0(阻性)LC并联谐振特点：谐振时，总路电流很小，支路电流很大，电感与电容的无功功率互相补偿，电路呈阻性。R为电感和回路中的损耗电阻8.3LC正弦波振荡器LC10=当时，并联谐振。谐振时，电路呈阻性：-+LCRiCiLiuQ为谐振回路的品质因数，Q值越大，曲线越陡越窄，选频特性越好。CLQCQLQRCLZ====000谐振时LC并联谐振电路相当一个大电阻。LC并联谐振回路的幅频特性曲线o|Z|Q小Q大互感线圈的极性判别1234初级线圈次级线圈同名端1234+–+–在LC振荡器中，反馈信号通过互感线圈引出-+uiLCfu同名端：二.变压器反馈式LC振荡电路工作原理：三极管共射放大器。利用互感线圈的同名端：180=Aj180=Fj360=+AAjj满足相位条件。振荡频率:LCfp210+－－ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU判断是否是满足相位条件——相位平衡法：+－－ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU断开反馈到放大器的输入端点，假设在输入端加入一正极性的信号，用瞬时极性法判定反馈信号的极性。若反馈信号与输入信号同相，则满足相位条件；否则不满足。(+)(-)(+)(+)(+)(+)(+)LC正弦波振荡器举例满足相位平衡条件Vb221eLCeccCbb1RRRLC（+）（+）（–）（+）LC正弦波振荡器举例振荡频率:（–）LCfp210满足相位平衡条件VRReb1ccLCCeC2RcC1Rb2仍然由LC并联谐振电路构成选频网络三.三点式LC振荡电路原理：uf与uo反相uuCLL12fouuo1LC2Lfuf与uo同相电感三点式：电容三点式：uuf2o1CCLuf与uo反相uuLCoC12fuf与uo同相1.电感三点式LC振荡电路振荡频率：CMLLLCf)2(2121210++==ppVRccCbcRb1Rb2eLe2CRC1L（+）（+）（-）VCbRLb2b1ccL1eR2CeCR（+）（+）（+）2.电容三点式LC振荡电路振荡频率：212102121CCCCLLCf+==ppV2eRRRb1CCcceb2c1RbCCL（+）（+）（-）VRRReb21eCcc2CLbb1CC（+）（+）（+）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。V21CCL+－A∞+RRuo1Rf（+）（+）（-）Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。8.4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0ff——频率偏移量。f0f——振荡频率。LC振荡电路Q——数百石英晶体振荡电路Q——10000500000一.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晶体机械变形晶体产生电场压电效应：交变电压机械振动交变电压机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高。当交变电压频率=固有频率时，振幅最大VV晶片敷银层符号VV压电谐振3.石英晶体的等效电路与频率特性等效电路：LCfp21s=（1）串联谐振频率特性：晶体等效纯阻且阻值≈00p121CCLCf+=p（2）并联谐振通常0CC0s1CCf+=所以很接近与psffuu石英晶体uuLCCoRfX感性0fsfp容性二.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。+－A∞+CC12Cs石英晶体fX感性0fsfp容性+－A∞+CC12LCs2.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。U+VRRRRebbe122C(+)(+)石英晶体.oCC1(+)RRb1c(+)fX感性0fsfp容性例：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？VbecRccReb1Rb2CCRCC石英晶体128.5比较器将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一定的高低电平。功能：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。uuu-+－ui+OA∞+uoui0+UOM-UOM1.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）注意：此时不能用虚短！uuu-+－ui+OA∞+uoui0+UOM-UOMuoui0+UOM-UOM1.过零比较器:（门限电平=0）uoui0+UOM-UOM一.单门限电压比较器uuu-+－ui+OA∞+uu∞-u++iOu－+Atuituo+Uom-Uom例题：利用电压比较器将正弦波变为方波。uuu-+－ui+OA∞+2.单门限比较器（与参考电压比较）uoui0+Uom-UomUREFUREF为参考电压当uiUREF时,uo=+Uom当uiUREF时,uo=-Uom运放处于开环状态uuU+∞++i-uu－AOREFuoui0+Uom-UomUREF当uiUREF时,uo=+Uom当uiUREF时,uo=-Uom若ui从反相端输入uuu-+－ui+OA∞+uoui0+UZ-UZ（1）用稳压管稳定输出电压忽略了UD3.限幅电路——使输出电压为一稳定的确定值uuZ+O+-AuZ+DuR－∞i当ui0时,uo=+UZ当ui0时,uo=-UZ（2）稳幅电路的另一种形式：将双向稳压管接在负反馈回路中uoui0+UZ-UZuu+∞+-－u+uAOiDZRR当ui0时,uo=-UZ当ui0时,uo=+UZ二.迟滞比较器1.工作原理——两个门限电压。特点:电路中使用正反馈——运放工作在非线性区。（1）当uo=+UZ时，（2）当uo=-UZ时，REFZURRRURRRUu2ff2f2T+++==++REFZURRRURRRUuf2ff22T+++-==-+UT+称上门限电压UT-称下门限电压UT+-UT-称为回差电压uuu∞－A+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2迟滞比较器的电压传输特性：uoui0+UZ-UZUT+UT-设ui,当ui=UT-时,uo从-UZ+UZ这时,uo=-UZ,u+=UT-设初始值:uo=+UZ,u+=UT+设ui,当ui=UT+时,uo从+UZ-UZuuu∞－A+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2例题：Rf=10k，R2=10k，UZ=6V，UREF=10V。当输入ui为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。上下限：V82ff2f