波形的发生和信号的转换课件

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,基本要求,（,1,）,掌握,电路产生正弦波振荡的幅值平衡条件和相位平衡条件，,以及,RC,桥式正弦波振荡电路的组成、起振条件和振荡频率。理,解它们的振荡频率与电路参数的关系。并能够根据相位平衡条件,正确判断电路是否可能产生正弦波振荡。,（,2,）理解典型电压比较器的电路组成、工作原理和性能特点,（,3,）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、波形分析和有关参数。,（,4,）了解信号转换电路的工作原理。,波形发生电路,：,它是一种不需外施激励就能将直流电源提供的能量转换成一定频率、一定幅值的交流能量输出的电路。,分为,：正弦波发生电路、非正弦波发生电路,信号的转换电路：,电压信号,电流信号,模拟信号,数字信号,电压信号,频率与之成正比的脉冲信号,2.,电路组成,3.,起振和稳幅,1.,振荡条件,正弦波振荡电路能产生正弦波输出，它是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的，它是各类波形发生器和信号源的核心电路。正弦波振荡电路也称为正弦波发生电路或正弦波振荡器。,8,1,正弦波振荡电路,8,1,正弦波振荡电路,8.1.1,概述,1.,产生正弦波振荡的条件,（正弦波振荡电路框图）,（,1,）,平衡条件,t,o,在,1,处接入 的正弦信号,将,1,、,2,连接在一起,=0,不考虑反馈时，,t,o,t,o,+,1,2,振幅平衡条件,（,n=0,、,1,、,2,）相位平衡条件,以上两条件中，主要是相位平衡条件（与电路连接方式有关，决定正反馈是否实现），如相位条件不满足，肯定不会产生振荡。分析方法：瞬时极性法。振幅（决定于正反馈大小，与电路参数有关）的条件可在满足相位平衡后调节电路参数达到。,电源接通瞬间，产生冲击干扰、电磁波干扰、人体干扰等；非正弦量的起始信号含一系列频率不同的正弦分量，一个正弦波振荡电路只在一个频率下满足相位平衡，故振荡电路必具有选频性，该振荡频率由相位平衡条件决定。即 环路中有选频特性网络。,选频网络由,R,、,C,和,L,、,C,等电抗性元件组成，存在于 或 中。正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。,#,振荡电路没有输入端，即无须输入信号就能起振，其初始起振的信号源来自何处？,-,电路器件内部噪声,振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈强一些，即要求：,起振条件,既然 ，,起振后就要产生增幅振荡，由于电路中非线性元件的限制，故随着振幅的增大， 的值自动下降到,1,；又由于扰动的不规则性，它包含着很宽范围的各种频率的振荡电压，通过振荡电路的放大与选频，就能将与振荡频率相同的正弦波反馈到放大电路的输入端，而其它频率分量由于选频网络的作用而被抑制。,特征：需要,A,、,F,；,A,的输出为,F,的输入，,F,的输出为,A,的输入；正反馈）,（,2,）,起振条件（振荡的建立）,u,o,=,f,(,u,i,),u,f,=,Fu,o,o,u,o,u,i,(,u,f,),接通电源瞬间,u,i1,u,i1,u,o1,u,o1,u,f,1,(,u,i2,),u,f,1,(,u,i2,u,i1,),A,在一个正弦波振荡电路中只有在一个频率（,f,o,）下满足相位平衡条件。,不需要输入信号，只将电源接入，则输出一定频率、幅值的波形（正弦波信号发生器、非正弦波信号发生器）。,频率：,1,赫兹至几百兆赫兹；功率：几毫瓦至几十千瓦。,放大电路：入端接信号源，有信号输出；如不外接信号源，输出仍有一定频率和幅值的信号，则发生了自激振荡，在放大电路中并非是好事，甚至使电路不能正常工作，需采用消振电路破坏产生自激振荡的条件。但，振荡电路正是利用自激振荡进行工作的。,放大电路：入端接信号源。,振荡电路：无输入信号，有输出信号。,相同点：输出由输入信号引起。,振荡电路不外接信号源，输入信号从何而来？,2.,正弦波振荡电路的组成及分类,组成：,（,1,）,放大电路,：保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，使电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制。,（,2,）,选频网络,：确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。（选择满足相位平衡条件的频率为振荡器的振荡频率。在,A,或,F,中 。）,（,3,）,正反馈网络,：引入正反馈，满足相位平衡条件。,（,4,）,稳幅环节,：即非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。 （提供放大器增益变化或反馈网络系数变化）,分类,RC,正弦波振荡电路,LC,正弦波振荡电路,(,f,1MHz),石英晶体正弦波振荡电路,(,f,1MHz),3.,判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤,(1),观察电路是否包含了,正弦波振荡,四个组成部分,。,(2),判断放大电路是否能正常工作，即是否有,合适,的,静态,工作点。,（,4,）判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件，,(3),利用瞬时极性法判断,+,-,+,-,若引入,正,反馈，则满足相位平衡条件。,据选频网络不同，将电路分为,RC,振荡电路、,LC,振荡电路、,RL,振荡,电路。,RC,振荡电路：由,RC,组成选频网络的振荡电路，产生,1,1MHz,的低频信号。,LC,振荡电路：由,LC,组成选频网络的振荡电路，产生,1MHz,以上的高频信号。,RL,振荡电路：由,RL,组成选频网络的振荡电路，用于大功率下，通常在电视、广播中用。,RC,桥式振荡电路,RC,移相式振荡电路,RC,正弦波振荡电路分为：桥式振荡电路、双,T,网络式振荡电路、,移相式振荡电路。,8.1.2,RC,正弦波振荡电路,电路如右图所示,当频率高、容抗低时，该图等效为下图：,滞后,即：,当频率低、容抗高时，该图等效为下图：,即：,超前,所以，总存在一频率，使 与 同相。,1. RC,串并联网络,反馈系数,令：,则,令,则上式为：,当,幅频响应有最大值 。,使,与,同相。,o,V,&,此时若放大电路的电压增益为,用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件,(,断开输入,),则振荡电路满足振幅平衡条件,当,时，,(+),(+),(+),(+),A,v,电路可以输出频率为 的正弦波,RC,正弦波振荡电路一般用于产生频率低于,1 MHz,的正弦波,2.,RC,桥式振荡器,3.,振荡的建立与稳定,R,R,C,C,A,R,f,R,1,满足相位平衡条件,（,1,）,振荡频率,（,2,）,起振条件,（,3,）,稳幅措施,采用热敏电阻的稳幅方法,温度升高,选用负温度系数电阻,选用正温度系数电阻,采用非线性元件,负温度系数热敏元件,热敏电阻,起振时，,即,热敏电阻的作用,稳幅,一级,RC,网络可产生,0,90,的相移，,二级,RC,网络可产生,0,180,的相移，,三级,RC,网络可产生,0,270,的相移。依此类推。,4.,RC,移相式振荡电路,（,1,）,一级,RC,移相网络,（,2,）,二级,RC,移相网络,（,3,）,三级,RC,移相网络,_,+,+,u,o,R,C,R,C,R,1,R,F,C,R,反相比例电路,A,=180,RC,移相电路,应有,F,=180,RC,移相式振荡电路,采用二极管稳幅方法,例,图示电路中，,A,为理想运放，其最大输出电压为,14V,。（,1,）,图中,D,1,、,D,2,作为稳幅元件，试分析其稳幅原理；（,2,）设电路已,产生稳幅正弦波振荡，当输出电压达到正弦波峰值时，二极管正,向压降略为,0.6,V,。试粗略估算出输出电压峰值；（,3,）试定性说,明因不慎使,R,2,短路时，输出电压的波,形；（,4,）,定性,说明因不慎使,R,2,开路,时，输出电压的波形。（标明振幅）,R,R,C,C,A,D,2,R,1,5.1K,D,1,R,3,R,2,10K,2.7K,9.1K,0.015,F,解：,（,1,）,当,u,o,很小时，,有利于起振,D,1,、,D,2,截止（开路）,R,R,C,C,A,D,2,R,1,5.1K,D,1,R,3,R,2,10K,2.7K,9.1K,0.015,F,当,u,o,幅值较大时，,u,o,0,，,D,2,导通,u,o,0,，,D,1,导通,使,u,o,幅值趋于稳定。,（,2,）,（,3,）,当,R,2,=0,时，,（,4,）,当,R,2,=,时，,o,t,u,o,14V,-14V,R,R,C,C,A,D,2,R,1,5.1K,D,1,R,3,R,2,10K,2.7K,9.1K,0.015,F,例,试用相位平衡条件，判断图示电路能否振荡。,解：,在,T,1,射极加 的信号,+,-,u,i,C,R,R,e2,R,e1,R,C2,R,C1,R,b,R,C,T,1,T,2,V,cc,u,f,+,-,不满足相位平衡条件，不能产生振荡。,C,R,R,e2,R,e1,R,C2,R,C1,R,b1,R,C,T,1,T,2,V,cc,(a),+,-,u,f,u,i,+,-,在,T,1,基极加 的信号,不满足相位平衡条件，,V,cc,C,R,e,R,R,C2,R,b,T,1,T,2,R,C,-,V,ee,(b),+,-,u,f,u,i,+,-,在,T,1,基极加 的信号,满足相位平衡条件，,不能产生振荡。,能产生振荡。,8.1.3,LC,正弦波振荡电路,LC,正弦波振荡电路的构成与,RC,正弦波振荡电路相似，包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。这里的选频网络是由,LC,并联谐振电路构成，正反馈网络因不同类型的,LC,正弦波振荡电路而有所不同。,1.,LC,并联网络的特点,2.,变压器反馈,LC,振荡器,3.,三点式,LC,振荡器,4.,石英晶体振荡器,1.,LC,并联网络的特点,LC,并联谐振电路如图所示。显然输出电压是频率的函数：,谐振时,谐振频率,谐振特点：,Z=R,时，,/Z/,最大； 与 同相； ，,即谐振环流，可选择恰当的参数使： 。,图,变压器反馈,LC,振荡电路,变压器反馈,LC,振荡电路如图,所示。,LC,并联谐振电路作为三极管的负载，反馈线圈,L,2,与电感线圈,相耦合,将反馈信号送入三极管的输入回路。交换反馈线圈的两个线头，可使反馈极性发生变化。调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度，以使正反馈的幅度条件得以满足。,2.,变压器反馈,LC,振荡电路,3,.,三点式,LC,振荡器,仍由,LC,并联谐振电路构成选频网络。中间端的瞬时极性一定在首、尾端电位之间。,三点的相位关系：,若中间点交流接地，则首端与尾端相位相反；,若首端或尾端交流接地，则其他两端相位相同。,（,1,）三点式,LC,并联电路,（,2,） 电感三点式,LC,振荡电路,电感线圈,L,1,和,L,2,是一个线圈，,2,点是中间抽头。用瞬时极性法，可判断符合正反馈的相位条件。调节合适的参数将会满足振幅条件。,3,.,三点式,LC,振荡器,缺点：反馈取自电感，而电感对高次谐波阻抗大，反馈较强，输出波形中含较多的高次谐波分量，所以输出波形不理想。,与电感三点式,LC,振荡电路类似的有电容三点式,LC,振荡电路,。,（,3,） 电,容,三点式,LC,振荡电路,特点：由于反馈电压从电容两端输出，所以对高次谐波阻抗小，因而可将高次谐波滤除，故输出波形好。,3,.,三点式,LC,振荡器,利用石英晶体的高品质因数的特点，将石英晶体取代,LC,振荡电路中的,L,、,C,元件所组成的正弦波振荡电路。,4,.,石英晶体振荡电路,（,1,）频率稳定问题,Q,值越高，选频特性越好，频率越稳定。,LC,振荡电路中,Q,值大约为数百；石英晶体振荡电路中,Q,值大约为一万至,50,万。故石英晶体具有极高的稳定度。,（,2,）石英特性,压电效应：极板间加电压，晶体产生机械变形；极板间加机械力，晶体产生电场。,交变电压,机械振动,交变电压,机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，当交变电压频率与固有频率相等时，振幅最大，即产生压电谐振。,符号：,4,.,石英晶体振荡电路,石英晶体有两个谐振频率,R,、,L,、,C,串联谐振：,R,、,L,、,C,与,C,0,并联谐振：,等效电路：,故,f,s,与,f,p,很接近。,为此，石英晶体必须呈电感性才能形成,LC,并联谐振回路，产生振荡。,(3),实际使用时，需外接一小电容,Cs,4,.,石英晶体振荡电路,Cs,0,，频率趋于,f,p,Cs,趋于无穷大，频率趋于,f,s,即：可调整,Cs,，使频率在,f,s,与,f,p,之间变化。,8,2,电压比较器,电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路。,单限电压比较器,过零比较器,一般单限比较器,滞回比较器,窗口比较器,8.2.1,概述,1.,概念：,输入：模拟量,u,i,;,参考电压：,（,直流）,U,REF,;,输出：,u,o,=,0,(,U,oL,),1,(,U,oH,),2.,传输特性,3.,阈值电压,使,u,O,从,U,OH,跃变为,U,OL,，,或者从,U,OL,跃变为,U,OH,的输入电压称为,电压进行比较，其结果是输出两个不同的电平。高电平和低电平。,是一种模拟信号处理电路。它是将输入的模拟电压与参考,阈值电压，或转折电压，记作,U,T,。,1.,运放的线性工作运用特点,1),运放的差模输入电压等于零,2),运放的输入电流等于零,因运放的,A,VO,，,虚短成立,由运放的,r,id,，虚,断成立。,为了达到集成运放工作在线性区的条件，一般情况下都必须在集成运放电路中引入深度负反馈。,运算放大器特性汇总,由于运放的开环电压放大倍数很高，即使输入毫伏级以下的信号，也足以使输出电压饱和，达到接近正电源电压或负电源电压；另外，由于干扰，使工作难于稳定。,2.,运放的非线性工作运用特点,V,V, 时，,v,Omax,=,V,OH,V,V, 时，,v,Omax,=,V,OL,1),运,放,的输出电压值只有,V,OH,或,V,OL,2),理想运放的输入电流等于零,由理想运放的差模输入电阻,r,id,，,虚,断仍成立。,在非线性工作时，运放的差模输入电压,v,id,=,v,+,-,v,-,可能很大，即,v,+,v,-,。即,非线性工作时，,“虚短”现象不成立。,在,电压比较器,电路中，绝大多数集成运放不是处于,开环,状态，就是只引入了,正反馈,，即输出与输入电压不再是线性关系，即集成运放工作在,非线性区,。,4.,电压比较器结构特点,A,u,O,u,P,u,N,A,u,O,u,P,u,N,正反,馈通路,u,O,U,OM,-U,OM,0,u,P,-,u,N,5,.,电压比较器的种类,（,1,）单限比较器,u,O,U,OH,U,OL,0,u,I,（,2,）滞回比较器,（,3,）窗口比较器,u,O,U,T1,U,T2,0,u,I,u,O,U,OH,U,OL,0,u,I,U,T1,U,T2,8.2.2,单限比较器,1.,过零比较器,A,u,O,u,I,+U,OM,-U,OM,u,O,0,u,I,A,u,O,u,I,D,1,D,2,R,U,REF,=0,为限制集成运放的差模输入电压，保护其输入级，可加二极管限幅电路。,A,u,O,u,I,D,Z,U,Z,R,A,u,O,u,I,D,Z,R,实用电路中为满足负载需要，常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的,U,OL,和,U,OH,。,限幅电路稳压管还可跨接在集成运放的输出端和反相输入端之间。虽图中引入了负反馈，但它仍具有电压比较器的基本特征。,输入为正负对称的正弦波时，输出为方波,电压传输特性：,0,为比较门限,注意画波形时必须垂直对齐,思考,1.,若过零比较器如图所示，则它的电压传输特性将是怎样的？,2.,输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？,2.,一般单限比较器,A,u,O,u,I,D,Z,U,Z,R,1,R,2,R,U,REF,u,O,u,O,+U,Z,-U,Z,0,u,I,U,T,利用叠加原理，,令,u,P,=,u,N,=0,，,求出阈值电压,当,u,I,U,T,时，,所以,u,O,=,+U,OM,，,所以,u,O,=,-U,OM,，,u,O,=,U,OH,=+,U,Z,；,u,O,=,U,OL,=-,U,Z,。,u,P,= 0,u,N,u,p,，,改变参考电压的大小和极性，以及电阻,R,1,和,R,2,的阻值，就可以,改变阈值电压的大小和极性,。若要改变,U,I,过,U,T,时,U,O,的,跃变方向,，则应将集成运放的同相输入端和反相输入端所接外电路互换。,分析电压传输特性三个要素的方法是：,P,427,（）通过电压比较器,结构,确定,U,OL,和,U,OH,；,（）,写出,u,p,和,u,N,的,表达式，,令,u,N,=,u,p,，,解得的,输入电压,就是阈值电压,U,T,；,（）,u,O,在,u,I,过,U,T,时的跃变方向决定于,u,I,作用于集成运放的哪个输入端。,当,u,I,从,反相输入端输入（或通过电阻接反相输入端）时，,u,I,U,T,，,u,O,=,U,OL,；,当,u,I,从,同相输入端输入（或通过电阻接同相输入端）时，,u,I,U,T,，,u,O,=,U,OH,。,解：,（,1,）,A,构成过零比较器,（,2,）,RC,为微分电路，,RC,T,例,电路如图,a,所示，当输入信号如图,c,所示的正弦波时，定性画出,（,3,）,D,削波（限幅、检波）,例,8.2.1,在图（,a,）,所示的电路中，稳压管的稳定电压,U,Z,=,6V,；,在图（,b,）,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,；,它们的输入电压为图（,c,）,所示的三角波。试画出图（,a,）,所示电路的输出电压,U,O1,和图（,b,）,所示电路的输出电压,U,O2,。,u,I,/V,5,0,-5,t,图,(c),解：图,(a),为过零比较器。,A,u,O,u,I,D,Z,R,图,(a),当,u,I,0,时，,u,O1,=-,U,Z,= -6V,。,6,u,o1,/V,t,0,-6,A,u,O,u,I,D,Z,U,Z,R,1,R,2,R,U,REF,u,O,图,(b),5,-5,t,0,u,o2,/V,u,I,/V,5,0,-5,t,-2,A,u,O,u,I,D,Z,U,Z,R,1,R,2,R,U,REF,u,O,图,(b),当,u,I,-,2V,时，,u,O1,=-,U,Z,= -5V,。,特点：结构简单，灵敏度高；,抗干扰能力差，易造成电路误动作。,单门限比较器的抗干扰能力差,应为高电平,错误电平,8.2.3,滞回比较器,令,u,P,=,u,N,，求出阈值电压,u,N,=,u,I,，,u,O,=,U,Z,；,A,u,O,u,I,D,Z,U,Z,R,1,R,2,R,U,REF,u,O,0,u,I,设,t,=0,时，,u,O,=+,U,Z,，,当,u,I,U,T2,，,u,I,U,T2,时，,U,T1,U,T2,u,p,=,U,T1,。,u,I,U,T1,时，,当,u,I,U,T1,，,u,p,=,U,T2,。,重复上述过程，曲线具有方向性。,回差电压,衡量抗干扰能力的强弱,越大，抗干扰能力越强，但灵敏度差。,u,p,=+,U,T2,；,u,O,=+,U,Z,u,O,= -,U,Z,，,u,O,= -,U,Z,，,u,O,=+,U,Z,例,8.2.2,在图（,a,）,所示的电路中，已知,R,1,=50k,，,R,2,=,100k,，,稳压管的稳定电压,U,Z,=9V,，,输入电压,u,I,的波形如图（,b,）,所示，,试画出,u,O,的波形,。,A,u,O,u,I,D,Z,U,Z,R,1,R,2,R,图（,a,）,3,-3,u,I,/V,0,t,图（,b,）,9,-9,u,O,/V,0,t,解：,u,O,9,-,9,0,u,I,+,3,-,3,解：,（,1,）门限电压,（,3,）,输出电压波形,例,电路如图,a,所示，试求门限电压，画出传输特性和图,c,所示输入信号下的输出电压波形。,（,2,）传输特性,8.2.4,窗口比较器,u,O,u,I,D,1,A,1,D,2,R,1,A,2,-,+,U,RH,U,RL,u,O1,u,O2,R,2,D,Z,设,U,RH,U,RL,，,R,1,、,R,2,和,D,Z,构成限幅电路。,当,u,I,U,RH,，,当,u,I,U,RL,，,当,U,RL,u,I,0,时，,u,O,0,，,当,u,I,0,，,U,D,= 0.7V,，,A,od,=510,5,，为使二极,管,D,1,导通,D,1,截止，,u,O,=0,。,从而,D,2,导通，,从而,D,1,导通，,D,2,截止，,A,1,R,1,2,R,R,u,I,D,1,D,2,u,O1,A,2,u,O,R,2,R,R,R,0,t,u,I,u,O1,0,t,u,O,0,t,当,u,I,0,时，,u,O1,=- 2,u,I,，,当,u,I,0,时，,u,O,=2,u,I,-,u,I,=,u,I,；,当,u,I,0,时，,u,O1,=0,。,当,u,I,0,时，,u,O,= -,u,I,。,1,.,由运放组成的电路如图所示，求输出,u,o1,、,u,o,的表达式。,A,1,+,-,u,I1,R,1,R,2,u,O1,u,I2,R,f,C,A,2,R,3,R,4,u,O,A,1,为电压跟随器,A,2,为积分电路,A,3,R,3,R,4,u,O3,R,C,R,f,R,1,R,C,u,O1,D,Z,R,2,C,u,O2,A,2,A,1,10K,20K,0.1,10K,10K,1,2.,如图所示电路为波形发生电路，是说明它是由那些单元电路,组成的，各起什么作用，并定性画出,u,o1,、,u,o2,、,u,o3,各点的波形。,A,1,为正弦波振荡电路,A,2,为过零比较器,A,3,为积分电路,u,o1,u,o2,u,o3,作 业,8.7 8.8 8.11,8.14 8.18 8.19,