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模拟电子技术基础 Fundamentals of Analog Electronics 讲授：曾军 电力学院 Email： Z QQ: 747676440 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 波形的发生与信号的转换 8.1 正弦波振荡电路 8.2 电压比较器 8.3 非正弦波发生电路 第 8章 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 f i d X X X - = 改成正反馈 只有正反馈电路才能产生自激振荡。 + X i f 基本放大器 A 反馈网络 F X + d o X X 1. 正弦波振荡的条件 无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。 与负反馈放大电路的振荡的不同之处：在正弦波振荡电 路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。 8.1 正弦波振荡电路 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 如果： , i f X X = 则去掉 , i X 仍有信号输出。 反馈信号代替了放大 电路的输入信号。 X i + f 基本放大器 A 反馈网络 F X + d o X X X d o f 基本放大器 A 反馈网络 F X X South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 FA=1 Xd=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： p j j n F A 2 = + n是整数 1 . =FA AAA j= | 因为： FFF j= | . . X d o f 基本放大器 A 反馈网络 F X X dX XA 0= 0X X F f= South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 2.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、被动稳幅： 器件非线性 2、主动稳幅： 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 X d o f 基本放大器 A 反馈网络 F X X South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 oX )( if XXo oX F A A F A F 稳定的 振幅 非线性环节的必要性！ 由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制， 最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。 。 要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的 f0，且在合 闸通电时对于 f= f0信号有从小到大直至稳幅的过程，即满 足起振条件。 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 3. 基本组成部分 1) 放大电路：放大作用 2) 正反馈网络：满足相位条件 3) 选频网络：确定 f0， 保证电路产生正弦波振荡 4) 非线性环节（稳幅环节）：稳幅 1) 是否存在主要组成部分； 2) 放大电路能否正常工作，即是否有合适的 Q点，信号是 否可能正常传递，没有被短路或断路 ； 3) 是否满足相位条件，即是否存在 f0，是否可能振荡 ； 4) 是否满足幅值条件，即是否一定振荡。 常合二为一 4、分析方法 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 5. 分类 常用选频网络所用元件分类。 1) RC正弦波振荡电路：几百 千赫 以下 2) LC正弦波振荡电路：几百 千赫 几百 兆赫 3) 石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 8.1.2 RC正弦波 振荡电路 一 . RC 串并联网络的选频特性 R1C1 串联阻抗： 21 2 o f ZZ Z U UF += )j/1( 111 CRZ += 22 2 222 j1 )j/1/ / ( CR R CRZ + = = R2C2 并联阻抗： 选频特性： South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 定量分析 )j/1( 111 CRZ += 22 2 222 j1 )j/1/( CR R CRZ + = = R1C1 串联阻抗： R2C2 并联阻抗： 21 2 o f ZZ Z U UF += ) 1 j()1( 1 j1j 1 j1 12 21 2 1 1 2 22 2 1 1 22 2 CR CR R R C C CR R C R CR R F -+ = + + + = South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 ) 1 j()1( 1 j1j 1 j1 12 21 2 1 1 2 22 2 1 1 22 2 CR CR R R C C CR R C R CR R F -+ = + + + = 通常，取 R1 R2 R， C1 C2 C，则有： )j(3 1 0 0 -+ = F 式中： RC 1 0 = 可见：当 时， F最大，且 =0 RC 1 0 = Fj Fmax=1/3 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 RC串并联网络完整的频率特性曲线： RC 1 0 = 当 时， F= Fmax=1/3 0F =j RC 1 0 = RCf p2 1 0 = F o +90 o |F| 1/3 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 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=1 3 1 = F 1 1 f + = R R A 1 f 2 R R = 只需： A=3 输出正弦波频率 ： RC f p2 1 0 = 0=+ FA jj 振幅条件： 引入负反馈： 选： South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 RC桥式 正弦波振荡电路 反馈网络构成桥路 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 例题 :R=1k， C=0.1F， R1=10k。 Rf为多大时才 能起振？振荡频率 f0=？ AF=1， 3 1 = F 1 1 f + = R R A A=3 Rf=2R1=210=20k RC f p2 1 0 = =1592 Hz 起振条件： South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 能自动稳幅的振荡电路 u 0.1u 10k 0.1u + + A f u 10k 10k 39k 100k o t R 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， A3 当 uo进一步增大 时， RT再减小 , 使 A UREF时 , uo = +Uom 当 ui UREF时 , uo = -Uom 运放处于 开环状态 u u U + + + i - u u A O R E F South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 uo ui 0 +Uom -Uom UREF 当 ui UREF时 , uo = -Uom 若 ui从反相端输入 u u U + + + i - u u A O R E F + - South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 uo ui 0 +UZ -UZ （ 1）用稳压管稳定输出电压 忽略了 UD 3. 限幅电路 使输出电压为一稳定的确定值 u u Z+ O + - Au Z + D u R i 当 ui 0时 , uo = +UZ 当 ui 0时 , uo = -UZ 当 ui 0时 , uo = +UZ South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 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， REFZ URR RU RR RUu 2f f 2f 2 T += + REFZ URR RU RR RUu f2 f f2 2 T +-= -+ UT+称 上门限电压 UT-称 下门限电压 (UT+- UT- )称为回差 电压 u u u A + R - Z u + D O + f u R Z i RE F R 1 R 2 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 迟滞比较器的电压传输特性： uo ui 0 +UZ -UZ UT+ UT- 设 u i , 当 ui = UT+时 , uo从 +UZ -UZ u u u A + R - Z u + D O + f u R Z i RE F R 1 R 2 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 同相滞回比 较器电压传 输特性 反相滞回比 较器电压传 输特性 从运放的反相 输入端输入 从运放的同相 输入端输入 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 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。 上下限电压： V8 2f f 2f 2 T =+=+ R E FZ URR RU RR RU V2 2f f 2f 2 T =+-=- R E FZ URR RU RR RU uo ui 0 8V 2V 传输特性 +6V -6V u u u A + R - Z u + D O + f u R Z i RE F R 1 R 2 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 2V 8V ui uo +6V -6V uo ui 0 8V 2V 传输特性 +6V -6V u u u A + R - Z u + D O + f u R Z i RE F R 1 R 2 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 1oV 2oV 三、窗口电压比较器 时 ,VO1=VO2=VOL， VO=0； 由此画出电压传输特性如图所示。 电路有两个参考电压 VRH和 VRL， 当 VRH时， VO1=VOH， VO2=VOL， VO=VOH； 当 VRL时， VO1=VOL， VO2=VOH， VO=VOH； 当 Sv Sv RHSRL VvV RHVRLV RLRH VV 令 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 1RV 2RV 三态电压比较器 21 RR VV 令 1oV 2oV oLooRS VVVVv = 212 , D2导， D1截， OLo Vv = oHooRS VVVVv = 211 , D 截， D1导， OHo Vv = 21 RSR VvV D2截， D1截， 0=ov South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 四、集成比较器 1. LM311型集成比较器 特点： 电源电压可以单组 +5V，也可 15V，适应 范围宽；输出与 TTL或 CMOS平兼容；可以直接驱 动多种负载（灯泡、继电器等）。 + - South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 LM311的几种实际连接 集电极输 出连接 集电极输 出连接 发射极输 出连接 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 2. MC14574（ CMOS）集成四电压比较器 MC14574比较器 电路原理图 MC14574比较器 引脚排列图 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 1.电路结构 由滞回比较电路和 RC定时电路构成 ZURR RU f1 1 T +=+ ZURR RU f1 1 T +-=- 上下限 : 8.3 非正弦波发生电路 u + A + - u + u 1R fR ZR ZD O R Cu C 一、方波（矩形波）发生器 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 2.工作原理： (1) 设 uo = + UZ , 此时， uO给 C 充电 , uc ， 则： u+=UT+ 0 t uo +UZ -UZ uc UT+ 0 t 一旦 uc UT+ , 就有 u- u+ , uo 立即由 UZ变成 UZ 。 在 uc UT+ 时， u- u+ , 设 uC初始值 uC(0+)= 0 方波发生器 uo保持 +UZ不变 +UZ u + A + - u + u 1R fR ZR ZD O R Cu C South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 此时， C向 uO放电 ,再反向充电 (2) 当 uo = -UZ 时， u+=UT- uc达到 UT-时， uo上跳。 UT+ uc t UT- 当 uo 重新回到 UZ 后，电路又进入另一个周期性的变化。 -UZ u + A + - u + u 1R fR ZR ZD O R Cu C 0 t uo +UZ -UZ South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 0 UT+ uc t UT- +UZ uo 0 t - UZ T 完整的波形： 如何计算振荡周期 T？ u + A + - u + u 1R fR ZR ZD O R Cu C South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 周期与频率的计算： 0 UT+ uc t UT- +UZ -UZ T1 T2 T T= T1 + T2 =2 T2 uc(t)=UC ()+ UC (0+) -UC () e ,=RC - t T2阶段 uc(t)的过渡过程方程为 : u + A + - u + u 1R fR ZR ZD O R Cu C 令 t=0 t=T/2 +=+ TC UU )0( ZC UU -= )( -= TC UTU )2/( RC T ZTZ eUUU 2/)( - + -+-= South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 周期与频率的计算： 0 UT+ uc t UT- +UZ -UZ T1 T2 T u + A + - u + u 1R fR ZR ZD O R Cu C 令 t=0 t=T/2 -= TC UTU )2/( RC T ZTZ eUUU 2/)( - + -+-= ZURR RU f1 1 T +=+ ZURR RU f1 1 T +-=- )21l n (2 f 1 R RRCT +=代如可推出 : f = 1/T South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 3、 占空比可调的方波发生器 UZ uo 0 t - UZ 改变电位器 RW 的滑动端，就改变了冲放电的 时间，从而使方波的占空比可调。 u + A + - u + u 1R fR ZR ZD 1 D 2 D O R WR C u C Tk T T T k=占空比 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 CRR W )( 311 + CRR W )( 322 + )21l n ( 2 1 11 R RT += )21ln ( 2 1 22 R RT += ) 2 1l n ()2( 2 1 3 21 R R CRR TTT W += += 3 311 2 RR RR T T W W + += 可见：调节电位器可改变占空比，不可改变周期。 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 二 、 三角波及锯齿波信号发生器 电路结构：迟滞比较器 +反相积分器 1. 三角波发生器 u+ R +A1+ R Z - 2 Z D u 4R o2 + + R 1 R 3 5R C u u o1 A2 工作原理 ： 2o 21 2 1o 21 1 u RR Ru RR Ru +=+ 2o 21 2 21 1 u RR RU RR R Z += 0= -+ uu令 ZUR Ru 2 1 2o = ZTo UR RUu 2 1 2 =+= ZTo UR RUu 2 1 2 -=-= 对输出有上 下限电压： South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 u+ R +A1+ R Z - 2 Z D u 4R o2 + + R 1 R 3 5R C u u o1 A2 若 uo1=+UZ， uo2。 当 u02 -UT时， uo1由 +UZ翻转为 -UZ 若 uo1=-UZ， uo2。 当 u02 +UT时， uo1由 -UZ翻转为 +UZ ZTo UR RUu 2 1 2 =+= ZTo UR RUu 2 1 2 -=-= O1u O2u 同相 滞回 )(0dt1 2o 0 1o42o +-= uu CRu t由积分运算 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 波形图 0 UT+ uo2 t UT- +UZ uo1 0 t - UZ T O1u O2u 同相 滞回 当 u02 -UT时 , uo1由 +UZ翻转为 -UZ 当 u02 +UT时 ,uo1由 -UZ翻转为 +UZ 若 uo1=-UZ， uo2。 若 uo1=+UZ， uo2。 )(0dt1 2o0 1o 4 2o +-= uu CRu t South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 波形图 振荡周期： 0 UT+ uo2 t UT- +UZ uo1 0 t - UZ T u R - + Z + u R R + 1 2 A1u 4 R + C A2 R Z D 5 + u o1 o2 2 414 R CRRT = CRR Rf 41 2 4= 振荡频率： South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 2.锯齿波发生器 改变积分器的正反向充电时 间常数，从而改变占空比。 u Z o1 R o2 3 Z u + R R 5 + D u 4 u R A1 - R + 1 A2 + 2 C + R D 6R uo1=+UZ， D截止， 充电 时间常数： R4C。 uo1=-UZ， D导通， 充电时间 常数： (R6 R4)C R6C。 +UZ uo1 0 t - UZ R 6 R4 T1 T2 2 41 1 2 R CRRT = 2 61 2 2 R CRRT = South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 u Z o1 R o2 3 Z u + R R 5 + D u 4 u R A1 - R + 1 A2 + 2 C + R D 6R +UZ uo1 0 t - UZ R6 R4 T1 T2 2 41 1 2 R CRRT = 2 61 2 2 R CRRT = 1 2 641 21 )(2 T R CRRR TTT + =+= T 64 41 RR R T T += South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 波形图 0 UT+ uo2 t UT- +UZ uo1 0 t - UZ T T1 O1u O2u 同相 滞回 当 u02 -UT时 , uo1由 +UZ翻转为 -UZ 当 u02 +UT时 , uo1由 -UZ翻转为 +UZ 若 uo1=-UZ， uo2。 若 uo1=+UZ， uo2。 1TT South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 三、单片集成多功能函数发生器 一、单片集成 ICL8038型多功能函数发生器 特点：有正弦波、矩形波、三角波（锯齿波）三种波形输出； 矩形波的占空比任意调节，频率范围为 0.001Hz1MHz，失真 度 0.1%。 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 ICL8038的引脚图 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 电路外形为双列直插式 14引脚封装，内部有两个电压比较器， 二个参考电压（ , ) ,二个电流源，二个缓冲器，还有一个正 弦函数转换器（三角波转换成正弦波电路）。 CC V31 CCV32 其原理是由触发器控制开关实现恒流充电还是恒流放电，产生方 波和三角波，三角波再转换成正弦波输出。 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 ICL8038 函数发生器原理框图 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 上拉电阻， （因内部集电 极开路输出） 不由外接 压控调频 时，调频 外接短路 函数发生器的外 接频率调节， （ Ra=Rb时，占空 比为 50%） 决定频 率的定 时电容 正弦波输 出时的失 真度校准 ICL8038函数发生器的典型连接 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30 本章小结 1 正弦波振荡的条件： AF =1 （ 振幅条件 ） （ 相位条件 pjj n2 FA =+ 正弦波振荡电路由放大器 、 反馈网络 、 选频网络和稳幅环节构成 。 2 正弦波振荡电路主要有 RC振荡电路和 LC振荡电路两种 。 RC振荡电 路主要用于中低频场合 ， LC振荡电路主要用于高频场合 。 石英晶体振 荡电路是一种特殊的 LC振荡电路 ， 其特点是具有很高的频率稳定性 。 3 当运放开环工作或引入正反馈时 ， 运放工作在非线性状态 。 其分析 方法为： 若 U+ U- 则 UO=+UOM； 若 U+ U- 则 UO=-UOM。 虚断（运放输入端电流 =0） 4 比较器是一种能够比较两个模拟量大小的电路。迟滞比较器具有 回差特性。它们是运放非线性工作状态的典型应用。 5 在方波 、 锯齿波和三角波等非正弦波信号发生器中 ， 运放一般也工 作在非线性状态 。 电路由比较器 、 积分器等环节组成 。 South China University of Technology 模拟电子技术 讲授：曾军 下页 上页 首页 2010.1.30
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