正弦波信号发生器制作ppt.pptx

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1、正弦波信号发生器制作正弦波振荡电路得振荡条件正弦波振荡电路就就是一个没有输入信号得带选频网络得正反馈放大电路。AF=a+f=2n振荡条件幅度平衡条件相位平衡条件n=0,1,2、动画振荡电路得振荡频率f0振荡频率f0由相位平衡条件决定。选频网络可设在中或中。选频网络由RC元件或LC元件组成。低频1HZ1MHZ高频1MHZ以上正弦波振荡电路只在一个频率下(f0)满足相位平衡条件。RC 正弦波振荡电路电路原理(1)电路得构成 RC 串并联网络就是正反馈网络,Rf与R1为负反馈网络。RC串并联网络与Rf、R1负反馈支路正好构成一个桥路,称为桥式。(2)RC 串并联选频网络得选频特性令0=1/RC反馈系

2、数=0=1/RC或f=f0=1/2RCFVmax=1/3RC串并联网络得频率特性曲线当f=f0时得反馈系数与频率f0无关。此时得相角 f=0。即改变频率不会影响反馈系数与相角,在调节谐振频率得过程中,不会停振,也不会使输出幅度改变。当C1=C2、R1=R2时:(3)振荡得建立与稳定 为满足振荡的幅度条件=1，所以Af3。加入Rf、R1支路，构成串联电压负反馈。当电路达到稳定平衡状态时:(4)(4)电路得稳幅过程电路得稳幅过程 振荡电路得稳幅作用就是靠热敏电阻R1实现得。R1就是正温度系数热敏电阻,当输出电压升高,R1上所加得电压升高,即温度升高,R1得阻值增加,负反馈增强,输出幅度下降。反之输

3、出幅度增加。若热敏电阻就是负温度系数,应放置在Rf得位置。例例 11:、试分析D1、D2自动稳幅原理;、估算输出电压V0m;(VD=0、6V)、试画出若R2短路时,输出电压V0得波形;、试画出若R2开路时,输出电压V0得波形;解解:、稳幅原理当v0幅值很小时,D1、D2接近开路,R3=2、7K。当v0幅值较大时,D1或D2导通,R3减小,AV下降。VV0 0 幅值趋与稳定 幅值趋与稳定。、估算输出电压V0m(VD=0、6V)I、若R2短路时(4)、若R2开路时,输出电压V0得波形AV3,电路停振,输出电压V0得波形为运算放大器得基本应用(I)正弦波发生器 制作集成运放得外引线排列LM324uA

4、741 引脚及符号图125正弦波发生器电路图图3、2、1RC桥式正弦波振荡器方波输出正弦波输出正弦波输入运算放大器得基本应用(II)信号放大、转换制作正弦波发生器 调试1、按图焊接好电路。用万用表仔细检查电路安装得正确性。2、接通5V 电源,调节电位器RW,用示波器观察到一个不失真得正弦波;用交流毫伏表测量正弦波大小。3、用示波器或频率计测量振荡频率fO,并与理论值进行比较。4、若要得到一个输出幅值可调得正弦波信号,如何解决？在输出正弦波信号加入直流偏移量,如何解决？5、注意:集成运算放大器电源端要加入滤波电容。正弦波发生器所用元件1、14 脚IC座;集成运算放大器LM324。2、10k 电位

5、器。3、电阻若干。4、二极管1N4148、5、电容若干。电压比较器及弛张振荡器1 电压比较器一、电压比较器得基本特性电压比较器得功能就是比较两个输入电压得大小,据此决定输出就是高电平还就是低电平。高电平相当于数字电路中得逻辑“1”,低电平相当于逻辑“0”。比较器输出只有两个状态,不论就是“1”或就是“0”,比较器都工作在非线性状态。所以,“虚短路”概念不能随便应用。图给出了电压比较器得符号及传输特性。其反相输入端加信号 ui,同相输入端加参考电压(ur)。比较器一般就是开环工作,其增益很大。所以,当 ui ur时,输出为“高”;反之,当 ui ur时,输出为“低”。而当 ui接近 ur时,输出

6、电平发生转换,此刻同相端与反相端可瞧成“虚短路”。其它时刻 U+与 U-可能差得很远(即 U+U-)。电压比较器得输入为模拟量,输出为数字量(0或1),可作为模拟与数字电路得接口电路,也可作为一位模数转换器,在实际中有着广泛应用。电压比较器得符号及传输特性1、高电平(UoH)与低电平(UoL)电压比较器可以用运放构成,也可用专用芯片构成。用运放构成得比较器,其高电平UoH可接近于正电源电压(UCC),低电平 UoL可接近于负电源电压(-UEE)。在有些应 用场合,对输出加以限幅,如图所示。其中图749(a)电路得高低电平等于(UVZ+UVD),图749(b)电路得高低电平等于(UVZ+UVD)

7、。2、鉴别灵敏度事实上,集成运放与专用比较器芯片得 Aud不为无穷大,ui在 ur附近得一个很小范围内存在着一个比较器得不灵敏区。如图748(b)中虚线所示得输入电压变化范围,在该范围内输出状态既非 UoH,也非UoL,故无法实现对输入电平大小进行判别。Aud越大,则这个不灵敏区就越小,工程上称比较器得鉴别灵敏度越高。图749输出限幅电路(a)UoH=UVZ1+UVD2,UoL=-(UVD1+UVZ2);(b)UoH=UVD1+UVZ+UVD2,UoL=-(UVD4+UVZ+UVD3)3、转换速度作为比较器得另一个重要特性就就是转换速度,即比较器得输出状态产生转换所需要得时间。通常要求转换时间

8、尽可能短,以便实现高速比较。比较器得转换速度与器件压摆率 SR有关,SR越大,输出状态转换所需得时间就越短,比较器得转换速度越高。电压比较器一般为开环应用或正反馈应用,不需要相位补偿电容。二、电 压 比 较 器 得 开 环 应 用 简 单 比 较器1、过零比较器在图748(a)中,令参考电平 ur=0,则输入信号 ur与零比较,ur 0,输出为低(UoL),而 ur0,输出为高,其波形如图7-50(a)所示。这种电路可做为零电平检测器。该电路也可用于“整形”,将不规则得输入波形整形成规则得矩形波。图750过零比较器及脉宽调制器输出波形(a)过零比较器整形波形;(b)脉宽调制器输出波形2、脉宽调

9、制器若参考信号 ur为三角波,而输入信号 ui为缓变信号,如经传感器变换得温度、压力等信号,则随着 ui得变化,输出矩形波得脉宽也随之变化。所以,开环比较器还可实现脉宽调制,如图750(b)所示。三、迟滞比较器 双稳态触发器1、简单比较器应用中存在得问题如图748(a)所示得比较器存在两个问题:一就是输出电压转换时间受运放压摆率SR得限制,导致高频脉冲得边缘不够陡峭(如图751(a)所示);二就是抗干扰能力差,如图751(b)所示,若 ui在参考电压 ur(=0)附近有噪声或干扰,则输出波形将产生错误得跳变,直至 ui远离 ur值才稳定下来。如果对受干扰得 uo波形去计数,计数值必然会多出许多

10、,从而造成极大得误差。图7-51简单比较器输出波形边缘不陡峭及受干扰得情况(a)输出波形边缘不陡峭(b)受干扰情况2、迟滞比较器电路及传输特性为了解决以上两个问题,在比较器中引入正反馈,构成所谓“迟滞比较器”。这种比较器具有很强得抗干扰能力,而且,由于正反馈加速了状态转换,从而改善了输出波形得边缘。1)反向输入得迟滞比较器反向输入得迟滞比较器电路如图752(a)所示。其中 R2将 uo反馈到运放得同相端与 R1一起构成正反馈,其正反馈系数F正为图752迟滞比较器电路及传输特性(a)电路;(b)传输特性图752迟滞比较器电路及传输特性(a)电路;(b)传输特性电路中R及带温度补偿得稳压管(VZ1

11、、VZ2)组成输出限幅电路,使输出电压得高低电平限制在(UVZ+UVD)。下面我们来分析该电路得传输特性。因为信号加在运放反相端,所以ui为负时,uo必为正,且等于高电平UoH=+(UVZ1+UVD2)。此时,同相端电压(U+)为参考电平Ur1:(759)(760)当 ui由负逐渐向正变化,且 ui=Uf=Ur1时,输出将由高电平转换为低电平。我们称 uo从高到低所对应得 ui转换电平为上门限电压,记为UTH。可见(761)而后,ui再增大,uo将维持在低电平。此时,比较器得参考电压Ur将发生变化,即(762)当 ui由正变负得比较电平将就是 Ur2(负值),故只有当 ui变得比 Ur2更负时

12、,uo才又从低变高。所以,称 Ur2为下门限电压,记为UTL。(763)综上所述,迟滞比较器得传输特性如图752(b)所示。由于它像磁性材料得磁滞回线,所以称之为迟滞比较器或滞回比较器。迟滞比较器得上、下门限之差称之为回差,用 U表示:(764)如图753所示。由于使电路输出状态跳变得输入电压不发生在同一电平上,若 ui上叠加有干扰信号时,只要该干扰信号得幅度不大于回差 U,则该干扰得存在就不会导致比较器输出状态得错误跳变。应该指出,回差 U得存在使比较器得鉴别灵敏度降低了。输入电压 ui得峰峰值必须大于回差,否则,输出电平不可能转换。图753迟滞比较器输出波形2)同相输入迟滞比较器电路如图7

13、54(a)所示,信号与反馈都加到运放同相端,而反相端接地(U-=0)。只有当同相端电压 U+=U-=0时,输出状态才发生跳变。而同相端电压等于正反馈电压与 ui在此端分压得叠加。据此,可得该电路得上门限电压与下门限电压分别为(765a)(765b)其传输特性如图754(b)所示,读者可自行分析。迟滞比较器又名施密特触发器或双稳态电路,它有两个状态,且具有记忆功能。图754同相输入迟滞比较器及其传输特性(a)电路;(b)传输特性7 4 2 弛张振荡器弛张振荡器即方波三角波产生器。对于方波信号发生器,其状态有时维持不变,而有时则发生突跳。为区别于正弦振荡器,人们将这种有张有弛得信号发生器称之为弛张

14、振荡器。弛张振荡器必须就是一个正反馈电路,它由两部分组成:一部分就是状态记忆电路;另一部分就是定时电路,即控制状态转换时间得电路。如图755所示,一般用迟滞比较器作为状态记忆电路,而用积分器作为定时电路。图755弛张振荡器框图一、单运放弛张振荡器单运放将状态记忆电路与定时电路集中在一起,如图756(a)所示,其中带正反馈得运放构成迟滞比较器,RC构成积分器即定时电路。其波形如图756(b)所示。图756单运放弛张振荡器电路及波形假定输出为高电平(UoH=UVZ+UVD),且电容初始电压 uC(0)=0,那么电容被充电,uC(t)以指数规律上升,并趋向 UoH。此时,运放同相端电压U+为(766

15、)该电压为比较器得参考电平。当uC上升到该电平值时,即U-=U+,则输出状态要发生翻转,即由高电平跳变到低电平UoL。我们将此时得U+记为高门限电压UTH:(767)一旦 Uo变为低电平,电容开始放电,后又反充电,uC以指数规律下降,并趋向 UoL。但就是,因为此时得 U+变为另一个参考电平(下门限电压)当uC下降到UTL时,输出又从低电平跳变到高电平。周而复始,运放输出为方波,其峰峰值为(768)(769)电容电压uC(t)为近似得三角波,其峰峰值为(770)因为电容充电与放电时常数均等于 RC,所以T1=T2,占空比D=T2/T=50%。现在来计算振荡频率f0。首先计算时间T1。如图756

16、(b)所示,根据三要素法,电容电压uC(t)为(771)(772)将式(771)代入式(770),得如果要求改变占空比,只要令电容C充电与放电时常数不同即可,如图757(a)所示。只要调节电位器抽头得位置,充放电时常数就不等。(773)图757占空比可调得弛张振荡器(a)电路;(b)波形二、双运放构成得弛张振荡器如图758所示,运放 A1构成同相输入得迟滞比较器,A2为理想积分器。A1输出为方波,该方波通过电阻 R给电容C恒流充放电,形成三角波,反过来三角波又去控制迟滞比较器得状态转换,周而复始形成振荡,其波形如图759所示。图758双运放方波三角波振荡器图759双运放方波三角波1、uo1与uo2幅度得计1)uo1得幅度由图可见,uo1得高电平 UoH=UVZ+UVD,低电平UoL=-(UVZ+UVD),所以其峰峰值为(774)uo2为三角波。当uo1为高电平时,C充电,充电电流(为电位器RW得分压比),uo2随时间线性下降。再瞧A1,其反相端接地,当U+过零时,A1输出状态翻转,而U+等于uo1与uo2得叠加,即2)uo2得幅度同理,当uo2为低电平时,C反充电,充电电流,uo2随时间线性上升,当U+再次过零时,算出(775)2、频率f0得计算我们知道,在T1时间间隔内,电容C得电压增量由 式 UC=Q/C计算得(776)