大学课件 模拟电子技术 波形的发生和信号的转换

模拟电子技术第8章波形的发生与信号的转换小结8.2正弦波振荡电路8.4非正弦波发生电路8.1概述8.3电压比较器8.5利用集成运放实现信号的转换模拟电子技术信号产生电路(振荡器—Oscillators)分类：正弦波振荡非正弦波振荡RC振荡器(1kHz~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、锯齿波等主要性能要求：输出信号的幅度准确稳定输出信号的频率准确稳定8.1概述模拟电子技术8.2正弦波振荡电路8.2.1正弦波振荡的条件8.2.2RC正弦波振荡电路8.2.3LC正弦波振荡电路8.2.4石英晶体正弦波振荡电路模拟电子技术8.2.1正弦波振荡的条件一、振荡条件放大器反馈网络Ui•A•F•Uo•Uf•RL微弱的电扰动中，某一频率成分通过正反馈逐渐放大，则产生正弦振荡。—振幅平衡条件π2FAAFn—相位平衡条件n=0,1,2,1AF••ioUUAofUUFFA1模拟电子技术二、起振条件起振条件π2AFn放大器A反馈网络FUoUfUi1/FAF=1OuiuoAuoAF1AF1Ui1Uo1Uf1Ui2Uo2Uf2Ui3Uo3Uf2Ui4Uo4ufuf起振稳幅1AF••（略大于1）模拟电子技术模拟电子技术三、电路的组成和起振的判断1.放大电路2.正反馈网络3.选频网络4.稳幅环节组成:保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，使电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制。引入正反馈，使放大电路的输入信号等于反馈信号。确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。也就是非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。模拟电子技术放大器选频正反馈网络UoUfUi选频放大器正反馈网络UoUfUi判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤：（1）观察电路是否包含了放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节四个组成部分。（2）判断放大电路是否能够正常工作，即是否有合适的静态工作点且动态信号是否能够输入、输出和放大。（3）利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相位条件。具体做法是：断开反馈，在断开处给放大电路加频率为f0的输入电压，并给定其瞬时极性，如图所示。然后以输入信号极性为依据判断输出电压的极性，从而得到反馈电压的极性；若反馈电压与输入电压极性相同，则说明满足相位条件，电路有可能产生正弦波振荡，否则表明不满足相位条件，电路不可能产生正弦波振荡。0f（4）判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件，即是否满足起振条件。模拟电子技术)j1//(j1Cj1//12ωCRωCRωRUUFu•••8.2.2RC正弦波振荡电路一、RC桥式振荡电路)1(j31ωRCωRC)(j3100ωωωω3//arctan00ωωωωF0Fu.310f9090200)//(91F•1.RC串并联选频网络式中:0=1/RC当=0时F=1/3.=0º模拟电子技术2.RC桥氏振荡电路A=2nF=0º2)电路：同相放大器1)组成：RfCR1RiUoUCRfU•••模拟电子技术nAF23)振荡频率RCf2104)起振条件1f2RR1AF••31F•11RRAf3（略大于1）Rf不能太大，否则正弦波将变成方波模拟电子技术5)稳幅措施为使电路Au为非线性，起振时，应使Au3，稳幅后Au=3。热敏电阻稳幅)/1(1fuffRRART正温度系数负温度系数模拟电子技术Au1+R2/R1=3为使失真小：R22R1R22R1R3Au1+(R2+R3)/R13起振时信号小，二极管电阻大12.4kR28.1kf0=1.94kHzRCf210二极管稳幅R1R2oUV1V2R38.2k6.2k22k4.3k0.01F8.2k0.01F模拟电子技术振荡频率可调的RC串并联选频网络用双层波段开关接不同的电容，作为振荡频率f0的粗调用同轴电位器实现f0的微调例：已知电容的取值分别为0.01F、0.1F、1F、10F，电阻R=50，电位器Rw=10k。试问：f0的调节范围？:解RCf210HzCRRfw59.121maxmin0kHzRCf31821minmax0kHzHzf318~59.10的调节范围约为。LC，。MHz；，RC正弦波振荡电路用应选当振荡频率较高时以下的正弦波用于产生振荡频率可调范围宽形好正弦波振荡电路输出波1模拟电子技术例一：电路如图所示，试求解：（1）Rw的下限值；（2）振荡频率的调节范围。:解)1(得由起振条件，RRRwf2kRw2kRw2的下限值为故)2(为振荡频率0fCRRf)(21210Hzf1451001.010)10010(2163min0kHzf59.11001.010102163max0模拟电子技术例二：电路如图所示，稳压管DZ起稳幅作用，其稳定电压±UZ=±6V。试估算：（1）输出电压不失真情况下的有效值；（2）振荡频率。:解)1(得由幅值条件，12RRf)2(12RZUU而1RZOUUU输出电压的有效值为25.1ZOmUU电路的振荡频率RCf210V36.6ZH95.9ZU5.1模拟电子技术思考：试将图示电路合理连线，组成RC桥式正弦波振荡电路，并求出振荡频率和起振条件。分析：RCf210振荡频率kHz1起振条件12RRfkRf2即（略大于）++-模拟电子技术思考：电路如图所示。（1）为使电路产生正弦波振荡，标出集成运放的“＋”和“－”；并说明电路是哪种正弦波振荡电路。（2）若R1短路，则电路将产生什么现象？（3）若R1断路，则电路将产生什么现象？（4）若RF短路，则电路将产生什么现象？（5）若RF断路，则电路将产生什么现象？模拟电子技术二、RC移相式振荡电路（补充）一节RC环节移相90二节RC环节移相180三节RC环节移相270RCf6π210对于的信号，180F180A0AF—满足相位平衡条件优点：结构简单缺点：选频特性差，输出波形差CRRfRoUCRC模拟电子技术8.2.3LC正弦波振荡电路类型：变压器反馈式、电感三点式、电容三点式一、变压器反馈式LC振荡电路LrCIs.L的等效损耗电阻)j(j1)j(j1ωLrωCωLrωCZ)1(j1/CrrLrCL(一)LC并联回路的特性Z模拟电子技术1.谐振频率f010，LCωLCfπ2102.谐振阻抗Z0rCLZ03.回路品质因数QCLrCrωrLωQ1100CωQLQωZ000选频网络的损耗愈小；谐振频率相同时，电容容量愈小，电感数值愈大，品质因数愈大，将使得选频特性愈好。模拟电子技术4.频率特性)1(j1/ωrCωrLrCLZ)//(j1000ffffQZ0ZZ0Q大Q小0f90º90ºQ增大幅频特性相频特性Q值愈大，曲线愈陡，选频特性愈好。模拟电子技术5.并联谐振的本质—电流谐振LuCr–+iiLiC1)Z=Z0呈纯阻2)形成环流，大小是总电流的Q倍IQILωLQωIZZIILLC000CLII••IC•IL•U•I•模拟电子技术选频放大电路电压放大倍数beurZA这是以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载。根据LC并联网络的频率特性，当f=f0时，电压放大倍数的数值最大，且无附加相移。对于其余频率的信号，电压放大倍数不但数值减小，而且有附加相移。电路具有选频特性，故称之为选频放大电路。若在电路中引入正反馈，并能用反馈电压取代输入电压，则电路就成为正弦波振荡电路。模拟电子技术（二）变压器反馈式振荡电路为使反馈电压与输入电压同相，同名端标注如图。当反馈电压取代输入电压时，就得到变压器反馈式振荡电路。正反馈在选频放大电路中引入为使反馈电压与输入电压同相，同名端标注如图。当反馈电压取代输入电压时，就得到变压器反馈式振荡电路。正弦波振荡分析电路是否可能产生四个组成部分首先观察电路是否包含正常放大进而检查放大电路能否交流通路衡条件断电路是否满足相位平然后利用瞬时极性法判+－ui+－++－uf满足幅值平衡条件必要时再判断电路是否CLf210振荡频率起振条件MCRrbe优缺点:易于振荡，输出电压波形失真不大，应用范围广泛。但由于输出电压与反馈电压靠磁路耦合，因而耦合不紧密，损耗较大，振荡频率f0的稳定性不高。用于产生几kHz至几十MHz的正弦波。反馈电压的极性与输入电压相同，故电路满足正弦波振荡的相位条件。同名端同极性模拟电子技术变压器反馈式振荡电路LC+VCCTRERB1RB2CECB180A180F0AF满足相位平衡条件LCf210×同名端同极性模拟电子技术二、电感三点式振荡电路将N1和N2合并为一个线圈，克服耦合不紧密的缺点。为了加强谐振效果，将电容C跨接在整个线圈两端。交流通路+－ui－+uf－+cbeCMLLf)2(21210振荡频率起振条件LbeRrMLML21优缺点:放大电路和反馈网络耦合紧密，易振，输出波形含高次谐波；用于产生几kHz至几十MHz的正弦波，改变选频网络的电容容量可得较宽的振荡频率范围。正弦波振荡分析电路是否可能产生四个组成部分首先观察电路是否包含正常放大进而检查放大电路能否衡条件断电路是否满足相位平然后利用瞬时极性法判满足幅值平衡条件必要时再判断电路是否反馈电压的极性与输入电压相同，故电路满足正弦波振荡的相位条件。模拟电子技术三、电容三点式振荡电路正弦波振荡分析电路是否可能产生四个组成部分首先观察电路是否包含正常放大进而检查放大电路能否衡条件断电路是否满足相位平然后利用瞬时极性法判+－ui－++－uf2121021CCCCLf振荡频率起振条件LbeRrCC12优缺点:输出电压波形好，用于产生几kHz至几十MHz固定频率的正弦波。若用改变电容的方法来调节振荡频率，则会影响电路的起振条件；而若用改变电感的方法来调节振荡频率，则比较困难；所以常常用在固定振荡频率的场合。满足幅值平衡条件必要时再判断电路是否反馈电压的极性与输入电压相同，故电路满足正弦波振荡的相位条件。考毕兹振荡器(Colpitts)模拟电子技术电容三点式振荡电路的改进小由于极间电容受温度的影响，杂散电容又难于确定，为了稳定振荡频率，在设计电路中，必须使它们对选频特性的影响忽略不计。具体方法是在电感所在支路串联一个小容量电容C。让C1和C2远大于极间电容和杂散电容，只起分压作用，以获得反馈电压，而几乎对振荡频率无影响，则电路的振荡频率就可能很稳定。则有，C，CCC21CCCC111121因而电路的振荡频率总电容约为C，LCf210。，，CC故振荡频率很稳定杂散电容无关也就几乎与极间电容和无关和几乎与21模拟电子技术采用共基放大电路的电容三点式振荡电路+－ui+－+－uf在要求电容三点式振荡电路的振荡频率高达100MHz以上时，应考虑采用共基放大电路。正弦波振荡分析电路是否可能产生四个组成部分首先观察电路是否包含正常放大进而检查放大电路能否衡条件断电路是否满足相位平然后利用瞬时极性法判反馈电压的极性与输入电压相同，故电路满足正弦波振荡的相位条件。只要电路参数选择得当，电路就可满足幅值条件，而产生正弦波振荡。2121021CCCCLf振荡频率模拟电子技术例一：电路如图所示，图中Cb为旁路电容，C1为耦合电容，对交流信号均可视为短路。为使电路可能产生正弦波振荡，试说明变压器原边线圈和副边线圈的同名端。:解。共基放大电路此电路中的放大电路为+－ui+。，位条件才满足正弦波振荡的相设极性应相同反馈电压与输入电压假+－uf因此，变压器原边线圈的下端和副边线圈的上端为同名端；或者说原边线圈的上端和副边线圈的下端为同名端。