信号产生电路与变换电路.ppt

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1、第二章第二章 信号产生电路与变换电路信号产生电路与变换电路 利用集成运算放大器或者专用模拟集成电路，利用集成运算放大器或者专用模拟集成电路，配以少量的外接元件可以构成各种类型的信号配以少量的外接元件可以构成各种类型的信号发生器和具有各种功能的变换电路。发生器和具有各种功能的变换电路。这些信号发生器和变换电路广泛应用于无线电这些信号发生器和变换电路广泛应用于无线电测量，震动测量，程序控制，无线电广播与通测量，震动测量，程序控制，无线电广播与通信，近代生物物理，医学等技术领域及学科研信，近代生物物理，医学等技术领域及学科研究领域。究领域。2.1 信号发生器信号发生器 什么是信号发生器？什么是信号发

2、生器？什么是信号发生器？什么是信号发生器？信号发生器（信号发生器（signal generator)signal generator)是指产生所需参数的电测试是指产生所需参数的电测试信号的信号的仪器仪器。按信号波形可分为。按信号波形可分为正弦波发生器和非正弦波正弦波发生器和非正弦波正弦波发生器和非正弦波正弦波发生器和非正弦波发生器两大类发生器两大类发生器两大类发生器两大类。信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。中有着广泛的应用。正弦波发生器通常由工作于线性状态的运算放大器和外接移正弦波发生器通常由工作于线性状态的运

3、算放大器和外接移正弦波发生器通常由工作于线性状态的运算放大器和外接移正弦波发生器通常由工作于线性状态的运算放大器和外接移项选频网络构成。项选频网络构成。项选频网络构成。项选频网络构成。非正弦发生器通常是由运放构成的滞回比较器和有源、无源非正弦发生器通常是由运放构成的滞回比较器和有源、无源非正弦发生器通常是由运放构成的滞回比较器和有源、无源非正弦发生器通常是由运放构成的滞回比较器和有源、无源积分电路构成积分电路构成积分电路构成积分电路构成。信号产生电路信号产生电路(振荡器振荡器Oscillators)分类：分类：正弦波振荡正弦波振荡:非正弦波振荡：非正弦波振荡：RC 振荡器振荡器(1 kHz 数

4、百数百 kHz)LC 振荡器振荡器(几百几百 kHz 以上以上)石英晶体振荡器石英晶体振荡器(频率稳定度高频率稳定度高)方波、方波、三角波、三角波、锯齿波等锯齿波等主要性主要性要求能：要求能：输出信号的输出信号的幅度准确稳定幅度准确稳定输出信号的输出信号的频率准确稳定频率准确稳定一、正弦波发生器一、正弦波发生器1 正弦波振荡电路的基本概念正弦波振荡电路的基本概念2 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 正正正正反反反反馈馈馈馈放放放放大大大大电电电电路路路路如如如如图图图图示示示示。（注注注注意意意意与与与与负负负负反反反反馈馈馈馈方方方方框框框框图图图图的的的的差别）差别）差别）差别）a.振荡条件振

5、荡条件若环路增益若环路增益若环路增益若环路增益则则则则去掉去掉去掉去掉仍有稳定的输出仍有稳定的输出仍有稳定的输出仍有稳定的输出又又又又所以振荡条件为所以振荡条件为所以振荡条件为所以振荡条件为振幅平衡条件振幅平衡条件振幅平衡条件振幅平衡条件相位平衡条件相位平衡条件相位平衡条件相位平衡条件1.1正弦波振荡器的振荡条件正弦波振荡器的振荡条件起振条件起振条件起振条件起振条件b.起振过程起振过程 振振振振荡荡荡荡电电电电路路路路是是是是单单单单口口口口网网网网络络络络，无无无无须须须须输输输输入入入入信信信信号就能起振，起振的信号源来自何处？号就能起振，起振的信号源来自何处？号就能起振，起振的信号源来自

6、何处？号就能起振，起振的信号源来自何处？电路器件内部噪声电路器件内部噪声电路器件内部噪声电路器件内部噪声 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，就就就就要要要要限限限限制制制制它它它它继继继继续续续续增增增增加，否则波形将出现失真。加，否则波形将出现失真。加，否则波形将出现失真。加，否则波形将出现失真。噪噪噪噪声声声声中中中中，满满满满足足足足相相相相位位位位平平平平衡衡衡衡条条条条件件件件的的的的某某某某一一一一频频频频率率率率 0 0的的的的噪噪噪噪声声声声信信信信号号号号被被被被放大，成为振荡电路的输出信

7、号。放大，成为振荡电路的输出信号。放大，成为振荡电路的输出信号。放大，成为振荡电路的输出信号。？稳稳稳稳幅幅幅幅的的的的作作作作用用用用就就就就是是是是，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，使振幅平衡条件从使振幅平衡条件从使振幅平衡条件从使振幅平衡条件从 回到回到回到回到起振条件起振条件放大器放大器Au反馈网络反馈网络FuUoUfUi 1/FuAu=1/FuOuiuoAuuoAu Fu 1Au Fu 1Ui1Uo1Uf1Ui2Uo2Uf2Ui3Uo3Uf2Ui4Uo4ufuf 起振起振稳幅稳幅 c.稳幅过程稳

8、幅过程 稳稳稳稳幅幅幅幅的的的的作作作作用用用用就就就就是是是是，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，使振幅平衡条件从使振幅平衡条件从使振幅平衡条件从使振幅平衡条件从 回到回到回到回到44放大电路（包括负反馈放大电路）放大电路（包括负反馈放大电路）放大电路（包括负反馈放大电路）放大电路（包括负反馈放大电路）基本组成部分基本组成部分44反馈网络（构成正反馈的）反馈网络（构成正反馈的）反馈网络（构成正反馈的）反馈网络（构成正反馈的）44选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈选频网络（选择满足相位平衡

9、条件的一个频率。经常与反馈选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈 网络合二为一。）网络合二为一。）网络合二为一。）网络合二为一。）44稳幅环节稳幅环节稳幅环节稳幅环节1.2正弦波振荡器的组成及分类正弦波振荡器的组成及分类分类分类RC 振荡器振荡器(1 kHz 数百数百 kHz)LC 振荡器振荡器(几百几百 kHz 以上以上)石英晶体振荡器石英晶体振荡器(频率稳定度高频率稳定度高)一、一、RC 文氏桥式振荡电路文氏桥式振荡电路 0 Fu .0 f90-90 RC 串并联选频网络串并联选频网络式中式中:振荡角频率振荡角频率 0=1/

10、RC当当 信号频率信号频率 =0 时时 Fu=1/3.j=0 与零相移放大器配合使用与零相移放大器配合使用满足起振条件，电路起振，输出正弦满足起振条件，电路起振，输出正弦波信号。波信号。a.RC 移相式正弦波振荡电路移相式正弦波振荡电路一节一节 RC 环节环节移相移相 90 二节二节 RC 环节环节移相移相 180 三节三节 RC 环节环节移相移相 270 对于对于的信号的信号，满足相位平衡条件满足相位平衡条件优点：优点：结构简单结构简单缺点：缺点：选频特性差，输出波形差，输出信号也不稳定选频特性差，输出波形差，输出信号也不稳定CRRfRCRC 由三节由三节RC超前或超前或滞后移相反馈滞后移相

11、反馈网络和反相放网络和反相放大器组成，常大器组成，常用于产生低频用于产生低频正弦信号。正弦信号。若适当选择稳幅若适当选择稳幅负反馈网络的负反馈网络的反馈电阻，使反馈电阻，使放大器闭环增放大器闭环增益大于一，即益大于一，即满足振荡的振满足振荡的振幅平衡条件，幅平衡条件，就能在输出端就能在输出端得到正弦波振得到正弦波振荡信号荡信号。提问？n n为什么此电路中选用三节RC电路？当RC相移电路取最大的90时，输出信号电压为0，不满足振荡幅度条件，因此RC不能去最大的相移。要相移180，则最少需要三节RC电路。补充知识：补充知识：电压比较电压比较器器(Comparer)的分类的分类功能：功能：类型类型基

12、本比较器基本比较器简单比较器简单比较器(单门限单门限)窗口比较器窗口比较器(双门限双门限)滞回比较器滞回比较器(施密特触发器施密特触发器)比较电压信号比较电压信号(被测试信号与标准信号被测试信号与标准信号)大小大小构成：构成：运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系的关系uo=f(ui)是非线性函数。是非线性函数。1.1.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运放工作在非线性状态基本分析方法2.2.运放工作在非线性状态的分析方法：运放工作在非线性状态的分析

13、方法：若若U+U-则则UO=+UOM；若若U+U-则则UO=-UOM。虚断（运放输入端电流虚断（运放输入端电流=0）uoui0+UOM-UOM简单比较器简单比较器OuIuO1.过零电压比较器过零电压比较器uI 0UOmax-UOmaxUOHUOLuOuIOuIuO2.同相输入单门限比较器同相输入单门限比较器UZUREFuI UREF门限门限电压电压 UT特点特点:1)工作在非线性区工作在非线性区2)不存在虚短不存在虚短(除了除了uI=UREF 时时)3)存在虚断存在虚断门限电压门限电压 UT=UREF1)电路和门限电压电路和门限电压6.3.3 滞回滞回比较器比较器1.反相型反相型滞回滞回比较器

14、比较器正反馈正反馈当当 uI uP 时，时，uO=-UZ当当 uI uP 时，时，uO=+UZ当当 uI=uP 时，时，状态翻转状态翻转uIRR1UREFR2R3 UZP PuO两个阈值两个阈值例：例：R1=30 k，R2=15 k,UZ=6 V,UREF=0,求求 UT。特点：特点：2)传输特性传输特性RR1uIUREFR2R3 UZP PuOOuIuOUT+UT-UZ-UZ当当 uI 逐渐增大时逐渐增大时 只要只要 uI UT+，则，则 uO=-UZ当当 uI 逐渐减小时逐渐减小时只要只要 uI U T-，则，则 uO=-UZ一旦一旦 uI UT+,就有就有 u-u+,uo 立即由立即由U

15、Z变成变成UZ。在在 uc UT+时，时，u-1Au Fu 0，输出脉，输出脉冲的频率降低，冲的频率降低，ff0；如果；如果vif0。所以随着输入信号电压所以随着输入信号电压vi的变的变化，输出信号频率也在变化，化，输出信号频率也在变化，实现了实现了V/F变换。变换。振荡频率振荡频率单结晶体管单结晶体管VFC电路电路电压跟电压跟随器？随器？当当Vi为某一个固定值时，为某一个固定值时，ic也是一个固定值，并且对也是一个固定值，并且对电容电容C充电，当充电，当C上的电压上的电压Vc上升使得加在晶体管上升使得加在晶体管T2基极的触发电压达到其触基极的触发电压达到其触发电平时，发电平时，T2导通，导通

16、，C通通过过T2的基极迅速放电，输的基极迅速放电，输出端电压出端电压V0升高，当升高，当C放放完电，完电，T2截止；截止；V0下降，下降，ic又对又对C充电，进入下一个充电，进入下一个震荡周期。震荡周期。补充：电压跟随器？补充：电压跟随器？补充：电压跟随器？补充：电压跟随器？n n电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数电压放大倍数恒小于且接近恒小于且接近1 1。n n电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般

17、来说，输入阻抗要达到几兆一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆欧姆是很容易做到的。输是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。n n电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点，可以极端一电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点，可以极端一点去理解，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；点去理解，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输出电压又不

18、受后级阻抗影响的电路当然具备开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离隔离作用作用，即使前、后级电路之间互不影响。，即使前、后级电路之间互不影响。（二）复位型（二）复位型VFC电路电路 采用各种不同形式的模拟电子开关对采用各种不同形式的模拟电子开关对VFC电路中的电路中的积分器进行复位。积分器进行复位。1.场效应管开关复位型场效应管开关复位型VFC电路电路等待状态？等待状态？该电路的积分器电容该电路的积分器电容该电路的积分器电容该电路的积分器电容C1C1充电时间充电时间充电时间充电时间放电时间放电时间放电时间放电时间(复位时间复位时间复位时间复位时间)t2t1 t2 uP 时，时，uO

19、=-UZ当当 uI uP 时，时，uO=+UZ当当 uI=uP 时，时，状态翻转状态翻转uIRR1UREFR2R3 UZP PuO两个阈值两个阈值特点：特点：2)传输特性传输特性RR1uIUREFR2R3 UZP PuOOuIuOUT+UT-UZ-UZ当当 uI 逐渐增大时逐渐增大时 只要只要 uI UT+，则，则 uO=-UZ当当 uI 逐渐减小时逐渐减小时只要只要 uI U T-，则，则 uO=-UZ一旦一旦 uI TTTToffoffoffoff,理想模拟开关理想模拟开关理想模拟开关理想模拟开关时时时时T T T Tonononon0000，T T T Toffoffoffoff0000

20、 为了得到高质量的采样保持电路，场效应模拟开关的速度为了得到高质量的采样保持电路，场效应模拟开关的速度应快，极间电容，夹断电压或开启电压，导通电阻和反向漏电应快，极间电容，夹断电压或开启电压，导通电阻和反向漏电流等参数都应小流等参数都应小。模拟开关n n增强型增强型增强型增强型MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET开关电路（绝缘栅型）开关电路（绝缘栅型）开关电路（绝缘栅型）开关电路（绝缘栅型）原理原理开启电压开启电压U UT T可变电阻区：可变电阻区：uGSUTuGS=uc-ui ui uc-UT截止条件截止条件uc0性能特点性能特点高输入阻抗约高输入阻抗约10101313导通电阻导

21、通电阻Ron随随ui改变改变模拟开关模拟开关n nCMOSCMOS开关电路开关电路开关电路开关电路N沟道增强型沟道增强型MOSFET与与P沟道增强型沟道增强型MOSFET并联并联在在-Eui E范围内，导通电阻范围内，导通电阻Ron随随ui改变幅度很小改变幅度很小多路模拟开关多路模拟开关n n存储电容存储电容 选用介质吸附效应小和泄漏电阻大的电选用介质吸附效应小和泄漏电阻大的电容器，如聚苯乙烯，钽电容和聚碳酸脂电容容器，如聚苯乙烯，钽电容和聚碳酸脂电容器等。器等。(原因：当电路从采样转到保持，介质原因：当电路从采样转到保持，介质的吸附效应会使电容器上的电压下降，被保的吸附效应会使电容器上的电压

22、下降，被保持的电压低于采样转保持瞬间的输入电压，持的电压低于采样转保持瞬间的输入电压，峰值检波器复位时，电容放电，介质吸附效峰值检波器复位时，电容放电，介质吸附效应会使放电后的电容电压回升，引起小信号应会使放电后的电容电压回升，引起小信号峰值的检波误差。电容器的泄漏电阻引起电峰值的检波误差。电容器的泄漏电阻引起电容上的保持电压随时间逐渐减小，降低保持容上的保持电压随时间逐渐减小，降低保持精度精度）5.5.采样保持实用电路采样保持实用电路1)1)高精度高精度S/HS/H电路电路减小模拟开关的漏电流减小模拟开关的漏电流补偿运放的偏置电流的影响补偿运放的偏置电流的影响电压跟随器的反馈回路中加入电容器

23、电压跟随器的反馈回路中加入电容器2)2)高速高速S/HS/H电路电路开环式结构开环式结构选用高速元件选用高速元件增大驱动电流，减小电容器的充电时间增大驱动电流，减小电容器的充电时间3)3)单片集成采样单片集成采样-保持电路保持电路在一片集成电路中包括在一片集成电路中包括输入输出放大器输入输出放大器NMOSNMOS模拟开关电路模拟开关电路控制电路控制电路例：例：AD582AD582总结总结n n模拟开关：要求模拟开关的导通电阻小，漏电模拟开关：要求模拟开关的导通电阻小，漏电流小，极间电容小和切换速度快。流小，极间电容小和切换速度快。n n存储电容：要选用介质吸附效应小的和泄漏电存储电容：要选用介

24、质吸附效应小的和泄漏电阻大的电容。阻大的电容。n n运算放大器：选用输入偏置电流小、带宽宽及运算放大器：选用输入偏置电流小、带宽宽及转换速率（上升速率）大的运算放大器；输入转换速率（上升速率）大的运算放大器；输入运放还应具有大的输出电流运放还应具有大的输出电流 分析：分析：分析：分析：一、采样一、采样保持电路基本工作原理及性能保持电路基本工作原理及性能 (一一)S/H电路基本原理电路基本原理A/D转换需要一定时间，在转换过程中，如果送给ADC的模拟量发生变化，则不能保证精度。为此，在ADC前加入采样保持电路，如下图所示。采样保持电路有两种工作状态：采样状态和保持状态。采样状态：控制开关采样状态

25、：控制开关K闭合，输出跟随输入变化。保持状态：控制开关保持状态：控制开关K断开，由保持电容Ch维持该电路的输出不变。运算放大器A2：典型的跟随器接法。输入阻抗：高阻。保持状态（K分）下Ch放电小，保持电压不变。输出阻抗：小。采样保持电路的负载能力大。运算放大器A1：K闭合时为跟随器。(不关心K断开的情况)输入阻抗：高阻。对输入信号的负载能力要求小。输出阻抗：小。采样状态时，Ch上的电压快速跟随输入变化。控制开关K：由接口电路控制。典型的S/H电路芯片：通用：LF398、AD583K、AD582K高速：THS-0025、THS-0060、THC-0300、THC-1500。高分辨率：SHA114

26、4、ADC1130。(二二)S/H电路性能指标电路性能指标1.采样时间采样时间和和断开时间断开时间：采样状态和保持状态之间转：采样状态和保持状态之间转换时，所需要的时间。换时，所需要的时间。采样时间：从发出采样指令开始到输出信号达到规采样时间：从发出采样指令开始到输出信号达到规定的误差范围内的数值为止，所需的时间。一般为定的误差范围内的数值为止，所需的时间。一般为0.110微秒数量级微秒数量级 断开时间：从发出保持指令到模拟开关断开，输出稳断开时间：从发出保持指令到模拟开关断开，输出稳定下来为止，所需的时间。一般为定下来为止，所需的时间。一般为10150纳秒数纳秒数量级量级 采样时间影响电路的

27、跟踪特性，断开时间影响电路的采样时间影响电路的跟踪特性，断开时间影响电路的保持性，一般要求采样时间和断开时间不能太长。保持性，一般要求采样时间和断开时间不能太长。2.采样精度采样精度和和保持精度保持精度：实际电路，采样时，采样出来的输出信号很难准实际电路，采样时，采样出来的输出信号很难准确无误的和输入信号保持一致，两者之间的偏差确无误的和输入信号保持一致，两者之间的偏差称为采样偏移误差。称为采样偏移误差。保持期间，同样输出信号也不可能绝对维持不保持期间，同样输出信号也不可能绝对维持不变，总是有所下降，与理想保存值之间存在误差。变，总是有所下降，与理想保存值之间存在误差。采样精度和保持精度越高，

28、误差就越小，越接近理采样精度和保持精度越高，误差就越小，越接近理想化。想化。快速变换的信号，应采用高速快速变换的信号，应采用高速S/H电路。电路。二、集成运放采样二、集成运放采样-保持电路保持电路(一一)反相型反相型S/H电路电路 1.简单反相型简单反相型S/H电路电路精度、速度均不高，适用于精度、速度均不高，适用于要求较低的场合。要求较低的场合。2.改进的反相型改进的反相型S/H电路电路 ，采样期，采样期，T2截止。截止。，保持期，保持期，T2饱和导饱和导通，使通，使T1源极电压箝位于源极电压箝位于T2的饱和压降，的饱和压降，电压很低，电压很低，T1的泄漏电流大大减少，从而的泄漏电流大大减少

29、，从而减小对保持精度的影响。减小对保持精度的影响。反相型反相型S/H电路输入电阻低，其值等于电路输入电阻低，其值等于R1，而且精度较低。，而且精度较低。(二二)同相型同相型S/H电路电路1.简单同相型简单同相型A：电压跟随器：电压跟随器 ，T导通，采样状态导通，采样状态 ，T截止，保持状态截止，保持状态场效应管参数对电路精度的影响与反相型相同，电路场效应管参数对电路精度的影响与反相型相同，电路精度较低，输入电阻比反相型要大。精度较低，输入电阻比反相型要大。2.改进的同相型改进的同相型 ,T2截止，截止，T1和和T3导通，采样状态导通，采样状态 ，T1和和T3截截止，止，T2导通，保持状导通，保持状态。态。作业：作业：n n2-3n n2-15n n2-18n n作业不需要画图；n n第一章、第二章作业之间空两格