第8章 波形发生和信号转换.ppt

模拟电子技术模拟电子技术8.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路8.2 电压比较器电压比较器8.3非正弦波发生电路非正弦波发生电路第八章第八章 波形发生和信号转换波形发生和信号转换8.4信号转换电路信号转换电路 正弦波发生电路能产生正弦波输出，它是在正弦波发生电路能产生正弦波输出，它是在放大电路的基础上加上放大电路的基础上加上正反馈正反馈而形成的，它是各而形成的，它是各类波形发生器和信号源的核心电路。正弦波发生类波形发生器和信号源的核心电路。正弦波发生电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振荡器。电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振荡器。一一、产生正弦波振荡的条件和电路的组成、产生正弦波振荡的条件和电路的组成1.正弦波振荡的条件正弦波振荡的条件无外加信号，输出一定频率一定幅值的正弦信号。无外加信号，输出一定频率一定幅值的正弦信号。开关开关开关开关KK断开为无反馈放大电路断开为无反馈放大电路断开为无反馈放大电路断开为无反馈放大电路:开关开关开关开关KK闭合为正反馈放大电路闭合为正反馈放大电路闭合为正反馈放大电路闭合为正反馈放大电路:则则：若环路增益若环路增益,即使去掉即使去掉,仍有仍有信号输出。信号输出。这时反馈信号代替了放大电路的输入信号这时反馈信号代替了放大电路的输入信号这时反馈信号代替了放大电路的输入信号这时反馈信号代替了放大电路的输入信号。+1.正弦波振荡的条件正弦波振荡的条件:振幅条件振幅条件：相位条件相位条件：(n是整数是整数)相位条件相位条件相位条件相位条件:反馈电压反馈电压反馈电压反馈电压 与所需要的输入电压与所需要的输入电压与所需要的输入电压与所需要的输入电压 相位相同相位相同相位相同相位相同相位条件相位条件相位条件相位条件意味着振荡电路必须是意味着振荡电路必须是正反馈正反馈正反馈正反馈振幅条件振幅条件振幅条件振幅条件:反馈电压反馈电压反馈电压反馈电压 与所需要的输入电压与所需要的输入电压与所需要的输入电压与所需要的输入电压 大小相同大小相同大小相同大小相同问问问问题题题题1 1 1 1：振振振振荡荡荡荡电电电电路路路路无无无无须须须须输输输输入入入入信信信信号号号号就就就就能能能能起起起起振振振振，起起起起振振振振的的的的信信信信号号号号源来自何处？源来自何处？源来自何处？源来自何处？问问问问题题题题2 2 2 2：当当当当输输输输出出出出信信信信号号号号幅幅幅幅值值值值增增增增加加加加到到到到一一一一定定定定程程程程度度度度时时时时，会会会会出出出出现现现现什什什什么结果？么结果？么结果？么结果？2.起振和稳幅起振和稳幅1）起振条件：）起振条件：2）稳幅：）稳幅：稳稳幅幅的的作作用用就就是是，当当输输出出信信号号幅幅值值增增加加到到一一定定程程度度时，使振幅平衡条件从时，使振幅平衡条件从 回到回到(电路器件内部噪声电路器件内部噪声)(波形将出现失真波形将出现失真)3 3 3 3、正弦波振荡电路组成正弦波振荡电路组成正弦波振荡电路组成正弦波振荡电路组成 正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正弦交流信号。弦交流信号。弦交流信号。弦交流信号。正弦波振荡电路的组成：正弦波振荡电路的组成：正弦波振荡电路的组成：正弦波振荡电路的组成：放大电路放大电路放大电路放大电路:正反馈网络正反馈网络正反馈网络正反馈网络:选频网络选频网络选频网络选频网络:稳幅环节稳幅环节稳幅环节稳幅环节:常用的正弦波振荡器常用的正弦波振荡器常用的正弦波振荡器常用的正弦波振荡器:LCLC振荡电路振荡电路振荡电路振荡电路RCRC振荡电路振荡电路振荡电路振荡电路石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路放大信号放大信号保证输出为单一频率的正弦波保证输出为单一频率的正弦波保证输出为单一频率的正弦波保证输出为单一频率的正弦波使电路能从使电路能从使电路能从使电路能从 AFAF 11,过渡过渡过渡过渡 AFAF =1=1,从而从而从而从而达到稳幅振荡。达到稳幅振荡。达到稳幅振荡。达到稳幅振荡。满足相位条件满足相位条件常合二为一常合二为一4 4、正弦波振荡电路正弦波振荡电路正弦波振荡电路正弦波振荡电路分析方法分析方法（1）检查电路的几个基本组成部分；）检查电路的几个基本组成部分；（2）电路是否满足相位条件？即电路是否是正反馈，只）电路是否满足相位条件？即电路是否是正反馈，只有满足相位条件才可能产生振荡；有满足相位条件才可能产生振荡；（3）电路是否满足幅值条件？）电路是否满足幅值条件？在分析正弦振荡电路时，先要判断电路是否振荡，在分析正弦振荡电路时，先要判断电路是否振荡，方法为：方法为：(a)则不可能振荡；则不可能振荡；(b)振荡，但输出波形明显失真；振荡，但输出波形明显失真；(c)产生振荡。振荡稳定后产生振荡。振荡稳定后。此种情况起。此种情况起振容易，振荡稳定，输出波形的失真小振容易，振荡稳定，输出波形的失真小.时相移为时相移为0。二二、RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路1.RC选频网络选频网络如果如果：R1=R2=R，C1=C2=C，则则：频率特性频率特性：)ffff(j3100f-+=U Uo 在频率在频率f0 0处处,在频率在频率f0 0处处,电压电压 与与 同相位同相位+90 90 fff02.RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路放大电路放大电路放大电路放大电路正反馈和正反馈和正反馈和正反馈和选频网络选频网络选频网络选频网络(1)RC(1)RC选频网络选频网络选频网络选频网络当当 时时:(2)(2)放大电路放大电路放大电路放大电路(3)(3)振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件:振荡频率振荡频率:起振条件起振条件:f=f0时，时，由由振荡条件知：振荡条件知：即即:(4)RC(4)RC(4)RC(4)RC振荡电路的稳幅振荡电路的稳幅振荡电路的稳幅振荡电路的稳幅热敏电阻具有负温度系热敏电阻具有负温度系热敏电阻具有负温度系热敏电阻具有负温度系数，利用它的非线性可以自数，利用它的非线性可以自数，利用它的非线性可以自数，利用它的非线性可以自动稳幅。动稳幅。动稳幅。动稳幅。在起振时，满足在起振时，满足在起振时，满足在起振时，满足R RFF22R R1 1；即即即即 A Au uF F 11。随着振荡幅度。随着振荡幅度。随着振荡幅度。随着振荡幅度的不断加强的不断加强的不断加强的不断加强，u uo o越大，越大，越大，越大，R RF F越越越越小，直到小，直到小，直到小，直到R RF F=2=2R R1 1时，稳定于时，稳定于时，稳定于时，稳定于 A Au uF F =1=1，振荡稳定。振荡稳定。振荡稳定。振荡稳定。半导体半导体半导体半导体热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻 R R+R RF FR R1 1 C C R RC C u uOO +稳幅过程：稳幅过程：稳幅过程：稳幅过程：u uOOT TR RF FA Au u热敏电阻稳幅电路热敏电阻稳幅电路热敏电阻稳幅电路热敏电阻稳幅电路I ID DU UD D二极管稳幅电路二极管稳幅电路二极管稳幅电路二极管稳幅电路振荡幅度较小时振荡幅度较小时振荡幅度较小时振荡幅度较小时正向电阻大正向电阻大正向电阻大正向电阻大振荡幅度较大时振荡幅度较大时振荡幅度较大时振荡幅度较大时正向电阻小正向电阻小正向电阻小正向电阻小 利用二极管的正向伏安特利用二极管的正向伏安特利用二极管的正向伏安特利用二极管的正向伏安特性的非线性自动稳幅。性的非线性自动稳幅。性的非线性自动稳幅。性的非线性自动稳幅。R R+R RF2F2R R1 1 C C R RC C u uOO +D D1 1D D2 2R RF1F1u uf f+稳幅环节稳幅环节稳幅环节稳幅环节 在起振之初，在起振之初，在起振之初，在起振之初，由于由于由于由于u uOO幅值很小，尚不足以使幅值很小，尚不足以使幅值很小，尚不足以使幅值很小，尚不足以使二极管导通，正向二极管导通，正向二极管导通，正向二极管导通，正向二极管近于开路二极管近于开路二极管近于开路二极管近于开路,此此此此时，时，时，时，R RFF22R R1 1。随着振荡幅度的增随着振荡幅度的增随着振荡幅度的增随着振荡幅度的增大，正向二极管导通，大，正向二极管导通，大，正向二极管导通，大，正向二极管导通，其正向电阻逐渐减小，其正向电阻逐渐减小，其正向电阻逐渐减小，其正向电阻逐渐减小，直到直到直到直到R RF F=2=2R R1 1，振荡稳定振荡稳定振荡稳定振荡稳定 R R+R RF2F2R R1 1 C C R RC C u uOO +D D1 1D D2 2R RF1F1u uf f+二极管稳幅电路二极管稳幅电路二极管稳幅电路二极管稳幅电路振荡频率的调整振荡频率的调整:+R RF FR R C CC C u uOO +KKKKR R1 1R R2 2R R3 3R R3 3R R2 2R R1 1改变开关改变开关K的位置可改的位置可改变选频网络的电阻，实现变选频网络的电阻，实现频率粗调；频率粗调；改变电容改变电容C 的大小可实的大小可实现频率的细调。现频率的细调。振荡频率振荡频率RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于正弦波振荡电路一般用于产生频率低于1MHz1MHz的正弦波。的正弦波。作业：作业：P195 5,P196 10,P199 17P195 5,P196 10,P199 17电电压压比比较较器器将将一一个个模模拟拟量量输输入入电电压压与与一一个个参参考考电电压压进进行行比比较较，输输出出只只有有两两种种可可能能的的状状态态：高高电电平平或或低低电平电平。比比较较器器中中的的集集成成运运放放一一般般工工作作在在非非线线性性区区；处处于于开环状态开环状态开环状态开环状态或引入或引入正反馈正反馈正反馈正反馈。分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。比较器发生翻转时对应的输入电压称为比较器发生翻转时对应的输入电压称为域值电压域值电压，记作记作UT。运放工作在非线性区时的特点运放工作在非线性区时的特点运放工作在非线性区时的特点运放工作在非线性区时的特点知识回顾:输出电压的值有两种可能输出电压的值有两种可能:理想运放电压传输特性理想运放电压传输特性1.1.过零电压比较器过零电压比较器一、单限电压比较器一、单限电压比较器 只有只有一个一个阈值电压阈值电压，当输入电压等于此阈值，当输入电压等于此阈值电压时，输出端状态立即发生跳变。电压时，输出端状态立即发生跳变。运放处于开环状态运放处于开环状态运放处于开环状态运放处于开环状态当当当当 u u+uu 时时时时，u uo o=+=+U UOMOMu u+u 0 0 时时时时，u uo o=U UOMOMu ui i UUTT时时时时，u uo o=U UZ Zu ui i UURH时，时，uO1=uO2=UOM，D1导通，导通，D2截止；截止；uO=UZ。当当uIURH时，时，uO2=uO1=UOM，D2导通，导通，D1截止；截止；uO=UZ。当当URLuIURH时，时，uO1=uO2=UOM，D1、D2均截止；均截止；uO=0。三、窗口电压比较器三、窗口电压比较器电压比较器举例(08分分)1.在左下在左下图图示示电电路中，已知路中，已知A为为理想运算放大器，其理想运算放大器，其输输出出电压电压的两个极限的两个极限值为值为12V；发发光二极管正向光二极管正向导导通通时发时发光。填空：光。填空：1集成运放同相输入端的电位集成运放同相输入端的电位V时发光二极管发光时发光二极管发光;V时发光二极管发光时发光二极管发光;电压比较器举例(10 分分)8.在图（在图（a）所示电路中，已知）所示电路中，已知A为理想运算放大器，该电为理想运算放大器，该电路的电压传输特性如图（路的电压传输特性如图（b）所示。试求解稳压管的稳定电压）所示。试求解稳压管的稳定电压和基准电压和基准电压 。解：解：由图（由图（b）传输特性，可得：）传输特性，可得：联立求解得：联立求解得：作业（习题集）：作业（习题集）：7，9，11一一一一.方波发生器方波发生器方波发生器方波发生器1.1.1.1.电路结构电路结构电路结构电路结构 由滞回比较器由滞回比较器由滞回比较器由滞回比较器、RCRCRCRC充放电电路组成充放电电路组成充放电电路组成充放电电路组成。输入电压输入电压输入电压输入电压:电容电压电容电压电容电压电容电压u u u uc c c c比较电压比较电压比较电压比较电压:电阻电阻电阻电阻R R R R1 1 1 1两端的电压两端的电压两端的电压两端的电压U UR R上下限：上下限：上下限：上下限：C2、工作原理工作原理：(a)设电源接通时设电源接通时uo=+UomUTHuc0t则则：u+=UTH 通过通过通过通过R R R R对对对对电容电容电容电容C C C C充电充电充电充电，按指按指按指按指数规律增长数规律增长数规律增长数规律增长。0tuoUom-Uom在在ucUTH时时，u-UTH,就有就有u-u+uo由由Uom变成变成Uom!CUTHuctUTL(b)当当uo=-Uom时时，u+=UTL电容电容C放电放电，下降下降Uom-Uom当当当当 u uc c=U=UT TL L 时，时，时，时，u uo o 变变变变成成成成+U Uomom，电容又重电容又重电容又重电容又重新充电。电路进入下新充电。电路进入下新充电。电路进入下新充电。电路进入下一个周期。一个周期。一个周期。一个周期。uotT TC 正向充电和反向充电时间正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。常数可调，占空比就可调。3、占空比可调电路、占空比可调电路为了占空比调节范围大，为了占空比调节范围大，为了占空比调节范围大，为了占空比调节范围大，R R3 3应如何取值？应如何取值？应如何取值？应如何取值？问题：问题：1.电路组成电路组成 用积分运算电路可将方波变为三角波。用积分运算电路可将方波变为三角波。两个两个RC环节环节实际电路将两个实际电路将两个RC 环节合二为一环节合二为一为什么采用同相输为什么采用同相输入的滞回比较器？入的滞回比较器？uO要取代要取代uC，必须改变输入端。必须改变输入端。二、三角波发生器二、三角波发生器二、三角波发生器二、三角波发生器特点：特点：滞回比较器的输出作为反相积分器的输入，反滞回比较器的输出作为反相积分器的输入，反相积分器的输出又反馈到滞回比较器的输入。相积分器的输出又反馈到滞回比较器的输入。滞回比较器滞回比较器2.2.工作原理工作原理积分运算电路积分运算电路求滞回比较器的电压传输特性：三要素求滞回比较器的电压传输特性：三要素UOH、UOL，UT，uI过过UT时曲线的跃变方向。时曲线的跃变方向。OuO1t3.工作波形工作波形当当u+=u-=0时，时，uO1跳变跳变为为-UZ，uO达到最大值达到最大值Uom。振荡周期振荡周期:T三角波的三角波的输出幅度输出幅度:OuOtt1t2三三三三.锯齿波发生器锯齿波发生器锯齿波发生器锯齿波发生器1.R3应大些？小些？应大些？小些？2.RW的滑动端在最上端和最下的滑动端在最上端和最下端时的波形？端时的波形？OuO1tOuOtT1T2T输出幅值和振荡周期输出幅值和振荡周期:3.R3短路时的波形？短路时的波形？问题问题:1.利用基本电路实现波形变换利用基本电路实现波形变换正弦波变方波、变矩形波，方波变三角波，正弦波变方波、变矩形波，方波变三角波，三角波变方波，固定频率的三角波变正弦波三角波变方波，固定频率的三角波变正弦波如何得到？如何得到？利用利用电子电子开关开关改变改变比例比例系数系数2.三角波变锯齿波：二倍频三角波变锯齿波：二倍频小小小小 结结结结本讲主要介绍了以下基本内容：本讲主要介绍了以下基本内容：正弦波振荡电路：重点掌握正弦波振荡的平衡条件，并正弦波振荡电路：重点掌握正弦波振荡的平衡条件，并能够依据相位平衡条件正确判断电路是否可能产生振荡；能够依据相位平衡条件正确判断电路是否可能产生振荡；非正弦波发生电路：正确理解由集成运放构成的矩形波、非正弦波发生电路：正确理解由集成运放构成的矩形波、三角波和锯齿波发生电路的工作原理、波形和参数。三角波和锯齿波发生电路的工作原理、波形和参数。信号转换电路：了解信号转换电路的工作原理信号转换电路：了解信号转换电路的工作原理。