模拟电子技术 第八章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章,波形的发生和信号的转换,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,8.4,利用集成运放实现的信号转换电路,本章重点和考点：,1.重点掌握,RC,正弦波振荡 工作原理。,2.重点掌握电压比较器的传输特性。,3.掌握非正弦波发生电路的原理。,本章讨论的问题：,1.在模拟电子电路中需要哪些波形的信号作为测试信号和控制信号？,2.正弦波振荡电路所产生的自激振荡和负反馈放大电路中所产生的自激振荡有什么区别？,3.为什么正弦波振荡电路中必须有选频网络？选频网络由哪些元件组成？,4.为什么说矩形波发生电路是产生非正弦波信号的基础？为什么非正弦波发生电路中几乎都有电压比较器？,本章讨论的问题：,5.电压比较器与放大电路有什么区别？集成运放在电压比较器和运算放大电路中的工作状态一样吗？,6.如何组成矩形波、三角波和锯齿波发生发生电路？,7.为什么需要将输入信号进行转换？有哪些基本转换？,8.1,正弦波振荡电路,8.,1.1概述,放大电路,反馈网络,如果反馈电压,u,f,与,原输入信号,u,i,完全相等，则即使无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号,自激振荡,。(电路要引入正反馈),图,8.1,.2,正弦波振荡,电路的方框图,一、产生正弦波振荡的条件,动画,avi11-1.avi,由此知放大电路产生自激振荡的条件是：,即：,所以产生正弦波振荡的条件是：,幅度平衡条件,相位平衡条件,电路起,振的条件：,二、正弦波振荡电路的组成及分类,组成,：,放大电路：集成运放,选频网络：确定电路的振荡频率,反馈网络：引入正反馈,稳幅环节：非线性环节，使输出信号幅值稳定,分类：,RC,正弦波振荡电路，频率较低，在1,MHz,以下。,LC,正弦波振荡电路，频率较高，在1,MHz,以上。,石英晶体振荡电路，频率较高，振荡频率非常稳定。,三、判断电路能否产生正弦波振荡的方法和步骤,1.,检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分；,2.,检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正常工作；,3.,分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件,判断相位平衡条件的方法是：,瞬时极性法,。,5.估算振荡频率和起振条件,4.判断是否满足振幅平衡条件。,8.,1.2,RC,正弦波振荡电路,RC,串并联网络振荡电路也称,RC,桥式正弦波振荡电路或称文氏振荡电路,(,Wien),电路组成：,放大电路,集成运放,A ；,选频与正,反馈网络,R、C,串并联电路；,稳幅,环节,R,F,与,R,组成的负反馈电路。,图,8.,1.4,一、,RC,串并联选频网络,Z,1,Z,2,取,R,1,=,R,2,=,R,，,C,1,=,C,2,=,C,，,令,则：,得,RC,串并联电路的幅频特性为：,相频特性为：,最大，,F,= 0。,0,F,0,1/3,+90,-,90,图,8,.1.5,二、振荡频率与起振条件,1.,振荡频率,2.,起振条件,f,=,f,0,时，,由起振荡条件知：,所以起振条件为：,同相比例运放的电压放大倍数为,即要求：,三、振荡电路中的负反馈,(稳幅环节),引入电压串联负反馈，可以提高放大倍数的稳定性，改善振荡电路的输出波形，提高带负载能力。,反馈系数,改变,R,F,，,可改变反馈深度。增加负反馈深度，并且满足,则电路可以起振，并产生比较稳定而失真较小的正弦波信号。,图,8.,1.7,反馈电阻,R,F,采用负温度系数,的热敏电阻，,采用正温度系数,的热敏电阻，均可实现自动稳幅,。,稳幅的,其它措施,电流增大时，二极管动态电阻减小。电流减小时，动态电阻增大，加大非线性环节，从而使输出电压稳定。,在,R,F,回路中串联二个并联的二极管,四、振荡频率可调的,RC,桥式正弦波振荡电路,用双层波段开关接不同电容，作为振荡频率,f,0,的,粗调,；,用同轴电位器实现,f,0,的,微调,。,RC,串、并联网络中，如何调节频率？,问题：如何提高频率？,动画,avi11-2.avi,*其他形式的,RC,振荡电路,一、移相式振荡电路,集成运放产生的相位移,A,= 180,，,如果反馈网络再相移,180,，即可满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。,振荡频率为：,0,270,180,90,当,f,=,f,0,时，相移,180,，满足正弦波振荡的相位条件。,起振,条件：,R,F, 12,R,*二、双,T,选频网络振荡电路,振荡频率约为：,当,f,=,f,0,时，双,T,网络的相移为,F,= 180,；,反相,比例运放的相移,A,= 180,，,因此满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。,如果放大电路的放大倍数足够大，同时满足振幅平衡条件，即可产生正弦波振荡。,起振条件,*三种,RC,振荡电路的比较,名称,RC,串并联网络振荡电路,移相式,振荡电路,双,T,网络选频振荡电路,电路形式,振荡频率,起振,条件,电路特点及应用场合,可方便地连续调节振荡频率，便于加负反馈稳幅电路，容易得到良好的振荡波形。,电路简单，经济方便，适用于波形要求不高的轻便测试设备中。,选,频,特性好，适用于产生单一频率的振荡波形。,8,.1.3,LC,正弦波振荡电路,一、,LC,谐振回路的频率特性,当频率变化时，并联电路阻抗的大小和性质都发生变化。,并联电路的导纳：,当,电路发生,并联谐振,。,图,8.,1.10,并联谐振角频率,令：,谐振回路的品质因数,当,Q, 1,时,谐振频率：,回路,等效阻抗,：,LC,并联回路的阻抗：,发生并联谐振时，,在,谐振频率附近，,可见，,Q,值,不同，回路的阻抗不同。,不同,Q,值时，,LC,并联电路的幅频特性：,Z,01,Z,02,Q,1,Q,2,Q,1,Q,2,相频,特性：,F,+90,-,90,Q,1,Q,2,Q,1,Q,2,感性,纯阻,容性,结论：,1.,当,f,=,f,0,时，电路为纯电阻性，等效阻抗最大；当,f,f,0,时，电路为容性。所以,LC,并联电路具有选频特性。,2.,电路的品质因数,Q,愈大，选频特性愈好。,图,8.,1.11,谐振时,LC,回路中的电流,电容支路的电流：,并联回路的输入电流：,所以：,当,Q, 1,时，,结论,：谐振时，电容支路的电流与电感支路的电流大小近似相等，而谐振回路的输入电流极小。,若以,LC,并联网络作为共射放大电路的集电极负载,当,f,=,f,0,时，电压放大倍数的数值最大，且无附加相移。因而电路称为,选频放大电路,若,增加,正反馈,，并用反馈电压取代输入电压，则电路就成为正弦波振荡电路,LC,正弦波振荡电路,变压器反馈式,电感反馈式,电容反馈式,二、变压器反馈式振荡电路,1.工作原理,用瞬时极性判断为,正反馈,，所以满足自激振荡的相位平衡条件。,-,2.振荡频率和起振条件,振荡频率,起振,条件,图,8,.1.14,变压器反馈式,振荡电路,三、电感反馈式振荡电路,1.电路组成,用瞬时极性判断为,正反馈,，所以满足自激振荡的相位平衡条件。,-,-,-,2.振荡频率和起振条件,振荡频率,起振,条件,图,8.,1.17,四、电容反馈式振荡电路,1.电路组成,用瞬时极性判断为,正反馈,，所以满足自激振荡的相位平衡条件。,2.振荡频率和起振条件,振荡频率,起振,条件,图,8.,1.20,-,-,-,-,电容反馈式改进型振荡电路,振荡频率,选择,C,C,1,，,C,C,2,，,则：,减小了三极管极间电容对振荡频率的影响，,适用于产生高频振荡。,图,8.,1.22,名称,变压器反馈式,电感反馈式,电容反馈式,电容反馈式改进型,电,路,形,式,振荡频率,起振,条件,同左,频率调节方法及范围,频率可调，范围较宽。,同左,频率可调，范围较小。,同左,振荡波形,一般,较差,好,好,频率稳定度,可,达,10,-4,同左,可,达,10,-4,10,-5,可达,10,-5,适用频率,几千赫,几十兆赫,同左,几兆赫,一百兆赫,同左,各种,LC,振荡电路的比较,8.,1.4石英晶体振荡器,石英晶体谐振器，简称石英晶体，具有非常稳定的固有频率。,一、,石英晶体的特点,压电效应,：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产生机械变形；若在晶片上施加机械压力，在晶片相应的方向上会产生一定的电场。,压电谐振,：晶片上外加交变电压的频率为某一特定频率时，振幅突然增加。,1.压电效应和压电振荡,2.等效电路和振荡频率,符号：,串联谐振频率,并联谐振频率,电抗频率特性,O,f,X,f,s,f,p,容性,容性,感性,图,8.,1.27,图,8.,1.28,二、石英晶体正弦波振荡电路,1.并联型石英晶体正弦波振荡电路,交流等效电路,振荡频率,由于,图,8.,1.29,2.串联型石英晶体振荡电路,图,8,.1.30,串联型石英晶体振荡电路,当振荡频率等于,f,S,时,，晶体阻抗最小，且为纯电阻，此时正反馈最强，相移为零，电路满足自激振荡条件。,振荡频率,调节,R,可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。,8.,2,电压比较器,1.电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较，输出只有两种可能的状态：高电平或低电平。,2.比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于开环状态或引入正反馈。,3.分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。,8.2.1概述,4.比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元，在,测量、控制、,D/A,和,A/D,转换电路中应用广泛。,一、 电压比较器的传输特性,1.电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系,2.阈,值,电压,：,U,T,当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。,3.电压传输特性的三要素,(,1)输出电压的高电平,U,OH,和低电平,U,OL,的数值。,(2)阈值电压的数值,U,T。,(3),当,u,I,变化且经过,U,T,时，,u,O,跃变的方向。,二、理想运放的非线性工作区,+,U,OM,u,O,u,P,-,u,N,O,-,U,OM,集成运放的电压传输特性,在,电压比较器中，集成运放不是工作在开环状态，就是工作在正反馈。,8.,2,.2单限比较器,一、过零比较器,由于理想运放的开环差模增益为无穷大，所以,当,u,I,0,时，,u,O,=,-,U,OM,；,过零比较器的,传输特性,为：,u,I,u,O,+,U,OM,-,U,OM,O,U,OM,为集成运放的最大输出电压。,阈值,电压,：,当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。,图,8.2.3,利用稳压管限幅的过零比较器,设任何一个稳压管被反向击穿时，两个稳压管两端总的的稳定电压为,U,Z,U,O,M,u,I,u,O,+,U,OM,-,U,OM,O,+,U,Z,-,U,Z,当,u,I, 0,时，右边的稳压管被反向击穿，,u,O,=,-,U,Z,；,图,8.2.6,利用稳压管限幅的过零比较器(二),电路图,传输特性,u,I,u,O,+,U,Opp,-,U,Opp,O,+,U,Z,-,U,Z,问题：如将输入信号加在“+”端，传输特性如何？,问题：,过零比较器如图所示，,输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？,传输特性,u,I,u,O,+,U,Opp,-,U,Opp,O,+,U,Z,-,U,Z,将,正弦波变为矩形波,二、单限比较器,单,限,比较器有一个门限电平，当输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立即发生跳变。,当输入电压,u,I,变化，使反相输入端的电位为零时，输出端的状态将发生跳变，门限电平为：,u,I,u,O,+,U,OM,-,U,OM,O,+,U,Z,-,U,Z,过,零,比较器是门限电平为零的单限比较器。,图,8.2.7,R,1,R,2,存在干扰时单限比较器的,u,I,、,u,O,波形,单限比较器的,作用,：检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。,缺点,：抗干扰能力差。,解决办法,：,采用具有,滞回,传输特性的比较器。,例8.2.1,在,图,8.2.7中所示电路中，,R,1,= R,2,=5k ，,基准电压,U,REF,=2V ，,稳压管的稳定电压,U,Z,=,5V ；,它们的输入电压均为图8.2.8（,a）,所示的三角波。试画出图8.2.6所示电路的输出电压,u,01,和图8.2.7所示电路的输出电压,u,02,解,图8.2.6为过零比较器,图8.2.7为一般单限比较器。,图,8.2.8例8.2.1波形图,R,1,R,2,8.2.3滞回比较器,一、从,反相,输入端输入的滞回比较器电路,计算阈值电压,U,T,电压传输特性,u,o,从+,U,Z,跃变到-,U,Z,的,阈值电压为+,U,T,u,o,从-,U,Z,跃变到+,U,Z,的,阈值电压为-,U,T,u,I,在,-,U,T,与+,U,T,之间增加或减小,u,O,不发生变化,U,REF,为参考电压；,；,u,I,为输入电压；输出电压,u,O,为,+,U,Z,或,-,U,Z,。,当,u,P,=,u,N,时，输出电压的状态发生跳变。,比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状。,+,U,Z,u,I,u,O,-,U,Z,O,U,T,-,U,T,+,图,8.2.10,滞回比较器,二、加了参考电压的,滞回比较器,若,u,O,=,U,Z,，,当,u,I,逐渐减小,时，使,u,O,由,U,Z,跳,变为,U,Z,所需的,门限电平,U,T,-,回差,(,门限宽度,),U,T,：,若,u,O,=,U,Z,，,当,u,I,逐渐增大,时，使,u,O,由,+,U,Z,跳,变为,-,U,Z,所需的,门限电平,U,T+,例8.2.2,已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。,图,8.2.11例8.2.2波形图,U,Z,9V,图8.2.9滞回比较器电路,u,O,/V,t,0,+9,-9,8.2.4 窗口比较器,参考电压,U,REF1,U,REF2,若,u,I,低于,U,REF2,，,运,放,A,1,输出低电平，,A,2,输出高电平，二极管,VD,1,截止，,VD,2,导通，输出电压,u,O,为高电平；,若,u,I,高于,U,REF1,，,运,放,A,1,输出高电平，,A,2,输出低电平，二极管,VD,2,截止，,VD,1,导通，输出电压,u,O,为高电平；,图,8.2.13,双限比较器,(,a,),前面的比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。,当,u,I,高于,U,REF2,而低于,U,REF1,时 ，运,放,A,1,、 A,2,均输出低电平，二极管,VD,1,、VD,2,均截止，输出电压,u,O,为低电平；,上门限电平,U,TH,=,U,REF1,；,下门限电平,U,TL,=,U,REF2,。,u,I,u,O,O,U,TH,U,TL,综上所述，双限比较器在输入信号,u,I,U,REF1,时，输出为高电平；而当,U,REF2,u,I,U,REF1,时，输出为低电平。,图,8.2.13,(,b,),8.,2.5,集成电压比较器,一、集成电压比较器的主要特点和分类：,1.,具有较高的开环差模增益；,2.,具有较快的响应速度；,3.,具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高；,4.,具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。,分类：,单、双和四电压比较,通用型、高速型、低电压型和高精度型,普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出型,二、集成电压比较器的基本接法,1.通用型集成电压比较器,AD790,引脚图,+12,V,单电源供电，逻辑电源为5,V。,5,V,双,电源供电，逻辑电源为5,V。,1,5,V,双,电源供电，逻辑电源为5,V。,2.集电极开路集成电压比较器,LM119,金属封装的管脚图,反相,输入2,同相输入2,电路为双限比较器，能实现线与功能,图,8.2.16由,LM119,构成的双限比较器及其电压传输特性,8.3非正弦波发生电路,非正弦波,：,矩形波、三角波、尖顶波和阶梯波等,图,8.3.1几种常见的非正弦波,8,.3.,1,矩形波发生电路,一、电路组成,RC,充放电回路,滞,回,比较器,图,8.,3.2,滞回比较器：集成运放、,R,1,、,R,2,；,充,放电回路：,R,、,C,；（,延迟环节、反馈网络）,钳位,电路：,VD,Z,、,R,3,。（,稳幅环节）,动画,avi14-1.avi,二、工作原理,设,t =,0,时，,u,C,=,0，,u,O,= +,U,Z,则,t,O,u,C,O,u,O,t,u,+,u,-,当,u,-,=,u,C,=,u,+,时，,t,1,t,2,则,当,u,-,=,u,C,=,u,+,时，输出又一次跳变，,u,O,= +,U,Z,输出跳变，,u,O,=,-,U,Z,图,8.,3.4,三、振荡周期,电容的充放电规律：,对于放电，,解,得：,结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电阻，即可改变振荡周期。,t,1,t,2,t,O,u,C,O,u,O,t,t,3,图,8.,3.4,振荡频率,f=1/T,四、占空比可调的矩形波发生电路,图,8.,3.5,a,使电容的充、放电时间常数不同且可调，即可使矩形波发生器的占空比可调。,t,O,u,C,u,O,t,O,T,1,T,2,T,充电时间,T,1,放电时间,T,2,占空,比,D,图,8.,3.5,b,8.5.2,三角波发生电路,一、电路组成,图8.3.6采用波形变换的方法得到三角波,u,O1,为方波,电路分析,u,O2,为,三角波,二、工作原理,当,u,+,=,u,-,= 0,时，滞回比较器的输出发生跳变。,图,8.,3.8,实用电路,左边是同相输入滞回比较器右边为反向积分运算电路,图,8.,3.7,R,3,R,4,传输特性,+,U,T,-,U,T,+,U,Z,-,U,Z,u,O,u,I,二、工作原理,O,u,O1,t,O,u,O,t,当,u,+,=,u,-,= 0,时，滞回比较器的输出发生跳变。,图,8.,3.9,图,8.,3.7,R,3,R,4,设,t=0,时，,u,O1,= +,U,Z,u,0,= 0,三、输出幅度和振荡周期,解得三角波的,输出幅度,当,u,+,=,u,-,= 0,时，,u,O1,跳变为,-,U,Z,，,u,O,达到最大值,U,om,。,振荡周期,调节电路中的,R,1,、,R,2、,R,3,阻值和,C,的容量，可改变振荡频率，,调节,R,1,、,R,2,的阻值，可改变三角波的幅值。,图,8.,3.10,a,8.5.3,锯齿波发生电路,一、电路组成,O,u,O1,t,O,u,O,t,T,1,T,2,T,二、输出幅度和振荡周期,图,8.,3.10,b,正向积分时间常数远大于反向积分时间常数或者相反。,动画,avi14-4.avi,8.3.4波形变换电路,（自阅）,一、三角波变锯齿波电路,二、三角波变正弦波电路,1.滤波法,2.折线法,8.3.5 函数发生器,函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路,；,当调节外部电路参数时，还可获得占空比可调的矩形波和锯齿波。,一、电路结构,（,ICL8038）,1.二个电流源,2.二个同相输入单限比较器,3.,RS,触发器,4.二个缓冲电路,5.三角波变正弦波电路,当,Q,= 0，S,断开，,C,充电,(,I,S1,),至,2/3,V,CC,Q,= 1,当,Q,= 1，S,闭合，,C,放电,(,I,S2,-,I,S1,),至,1/3,V,CC,Q,= 0,当,I,S2,=,2,I,S1,，,引脚,9,输出方波，引脚,3,输出三角波；,当,I,S2,2,I,S1,，,引脚,9,输出矩形波，引脚,3,输出锯齿波。,二、工作原理,Q,n+1,=,S+RQ,n,三、性能特点,1,2,3,4,5,6,7,8,ICL,8038,14,13,12,11,10,9,正弦波,失真度调整,正弦波失,真度调整,正弦波输出,三角波输出,矩形波输出,调频偏置,电压输入,调频偏置,电压输出,接电阻,R,A,接电阻,R,B,接电容,C,+,V,CC,-,V,EE,(,或地,),8.3.20,ICL8038,的引脚图,ICL8038,可单电源供电，也可双电源供电。,四、常用接法,调占空比和正弦波失真,调,频,率,调占空比和正弦波失真,R,W1,R,P4,R,W2,+,V,CC,-,V,EE,R,R,A,ICL8038,4,5,1,3,10,11,12,8,R,B,R,P3,C,C,1,6,9,2,图,8.3.23失真度减小和频率可调电路,