信号产生电路与变换电路.ppt

第二章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 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 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 无线电广播与通信 近代生物物理 医学等技术领域及学科研究领域 2 1信号发生器什么是信号发生器 信号发生器 signalgenerator 是指产生所需参数的电测试信号的仪器 按信号波形可分为正弦波发生器和非正弦波发生器两大类 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 无源积分电路构成 信号产生电路 振荡器 Oscillators 分类 正弦波振荡 非正弦波振荡 RC振荡器 1kHz 数百kHz LC振荡器 几百kHz以上 石英晶体振荡器 频率稳定度高 方波 三角波 锯齿波等 主要性要求能 输出信号的幅度准确稳定 输出信号的频率准确稳定 一 正弦波发生器 1正弦波振荡电路的基本概念 2正弦波振荡电路 正反馈放大电路如图示 注意与负反馈方框图的差别 a 振荡条件 若环路增益 则 又 所以振荡条件为 振幅平衡条件 相位平衡条件 1 1正弦波振荡器的振荡条件 起振条件 b 起振过程 振荡电路是单口网络 无须输入信号就能起振 起振的信号源来自何处 电路器件内部噪声 当输出信号幅值增加到一定程度时 就要限制它继续增加 否则波形将出现失真 噪声中 满足相位平衡条件的某一频率 0的噪声信号被放大 成为振荡电路的输出信号 稳幅的作用就是 当输出信号幅值增加到一定程度时 使振幅平衡条件从回到 起振条件 1 Fu Au 1 Fu O ui uo Au uo AuFu 1 AuFu 1 Ui1 Uo1 Uf1 Ui2 Uo2 Uf2 Ui3 Uo3 Uf2 Ui4 Uo4 uf 起振 稳幅 c 稳幅过程 稳幅的作用就是 当输出信号幅值增加到一定程度时 使振幅平衡条件从回到 放大电路 包括负反馈放大电路 基本组成部分 反馈网络 构成正反馈的 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 稳幅环节 1 2正弦波振荡器的组成及分类 分类 RC振荡器 1kHz 数百kHz LC振荡器 几百kHz以上 石英晶体振荡器 频率稳定度高 一 RC文氏桥式振荡电路 RC串并联选频网络 式中 振荡角频率 0 1 RC 当信号频率 0时 0 与零相移放大器配合使用满足起振条件 电路起振 输出正弦波信号 a RC移相式正弦波振荡电路 一节RC环节 移相 90 二节RC环节 移相 180 三节RC环节 移相 270 满足相位平衡条件 优点 结构简单 缺点 选频特性差 输出波形差 输出信号也不稳定 由三节RC超前或滞后移相反馈网络和反相放大器组成 常用于产生低频正弦信号 若适当选择稳幅负反馈网络的反馈电阻 使放大器闭环增益大于一 即满足振荡的振幅平衡条件 就能在输出端得到正弦波振荡信号 提问 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 电压比较器 Comparer 的分类 功能 类型 基本比较器 简单比较器 单门限 窗口比较器 双门限 滞回比较器 施密特触发器 比较电压信号 被测试信号与标准信号 大小 构成 运放组成的电路处于非线性状态 输出与输入的关系uo f ui 是非线性函数 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基本分析方法 2 运放工作在非线性状态的分析方法 若U U 则UO UOM 若U U 则UO UOM 虚断 运放输入端电流 0 简单比较器 1 过零电压比较器 uI 0 uI 0 UOmax UOmax UOH UOL 2 同相输入单门限比较器 UZ uI UREF UZ uI UREF 门限电压UT 特点 1 工作在非线性区 2 不存在虚短 除了uI UREF时 3 存在虚断 门限电压UT UREF 1 电路和门限电压 6 3 3滞回比较器 1 反相型滞回比较器 正反馈 当uI uP时 uO UZ 当uI uP时 uO UZ 当uI uP时 状态翻转 两个阈值 例 R1 30k R2 15k UZ 6V UREF 0 求UT 特点 2 传输特性 R R1 uI UREF R2 R3 UZ P uO uO UT UT UZ UZ 当uI逐渐增大时 只要uI UT 则uO UZ 一旦uI UT 则uO UZ 当uI逐渐减小时 只要uI UT 则uO UZ 一旦uI UT 则uO UZ 上门限 下门限 U UT UT 回差电压 uI上升时与上门限比 uI下降时与下门限比 2 同相型滞回比较器 状态翻转时 uP uN UREF 若UREF 0 两个阈值 传输特性 U UT UT 抗干扰 单门限比较 UT 滞回比较 UT UT uO 在单限比较器中 输入电压在阈值附近的任何微小变化都会引起输出电压的跃变 不管这种电压是来自输入信号还是外部干扰 因此虽然单限比较器很灵敏 但抗干扰能力差 滞回比较器具有滞回的特点 即具有惯性 所以具有一定的抗干扰能力 二 非正弦波振荡电路 1 产生方波振荡的基本原理 当施密特触发器输出高 低 电平时 电容C的充电方向不同 每当uC超过上 下 门限电压时 施密特触发器的输出电平就发生跳变 使电容改变充电方向 于是形成uO周而复始的高 低电平跳变 即方波振荡 2 方波发生器 由运放A及R1 R2构成的滞回比较器和Rf C构成的无源积分器所组成 稳压管Dz及限流电阻R3起限幅作用 使输出电压幅度限于 Vz与 Vz 门限Vth FvVo t Vo t 上下限 工作原理 1 设uo UZ 此时 uO给C充电 uc 则 u UT 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 uo保持 UZ不变 此时 C向uO放电 再反向充电 直至达到下门限 输出电压跳变 2 当uo UZ时 u UT uc达到UT 时 uo上跳 当uo重新回到 UZ后 电路又进入另一个周期性的变化 完整的波形 计算振荡周期T 周期与频率的计算 T T1 T2 2T2 T2阶段uc t 的过渡过程方程为 f 1 T 可推出 3 占空比可调的方波发生器 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 二 三角波发生器 构成 A1构成的同相滞回比较器和A2构成的单时间常数有源积分器组成 A2输出三角波 A1输出对称方波 工作原理 若uo1 UZ uo up 当up 0时 uo1翻转为 UZ 若uo1 UZ uo up 当up 0时 uo1翻转为 UZ 可见 Uo1输出的是方波 而Uo输出为三角波 波形图 三 锯齿波发生器 将三角波发生器中的单时间常数有源积分器改成双时间常数有源积分器 则电路就称为锯齿波发生器 uo1 UZ D2截止 D1导通 Uo放电直至为0 在备反向充电 直至V th 电平跳跃 uo1 UZ D1截止 D2导通 Uo充电 直至V th 电平跳跃 小结 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 第三节电压 电流变换电路在控制系统及测量设备中 通常要利用电压 电流变换电路进行信号的电压 电流之间的变换 一 电流 电压变换电路如右图要求 电流源的内阻必须很大 否则输入失调电压将被放大 1 Ri Rs 倍 会产生很大的误差 电流is要远大于运放输入电流IB A为理想运放 则输出电压正比于输入电流 与负载无关 实现I V变换 二 电压 电流变换电路电压 电流转换即V I转换 是将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号 转换后的电流相当一个输出可调的恒流源 其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化 一 负载不接地V I变换电路如右图 分析电路的负载电流iL和输入电压vi的关系 限制 最大负载电流受到最大运放电流的限制 最小负载电流又受到运放输入电流的限制 而且输出电压vo不能超过运放输出电压范围 如下图 由于输入信号变为直流电压E 为恒流源电路 分析其负载电流大小 因为虚断 IL IR E R 如图 同样为恒流源电路 负载电流IL IE E R1运放输出电流Io IL E 1 R1所以 该电路输出恒定电流 并且比上一个恒流源电路的输出电流扩大了 倍 二 负载接地V I变换电路 如右图 为负载接地V I变换电路 分析输出电流大小 如图 为负载接地恒流源电路 分析输出电压和恒流源输出电流的大小 二 负载接地V I变换电路 正反馈放大电路如图示 注意与负反馈方框图的差别 振荡条件 若环路增益 则 又 所以振荡条件为 振幅平衡条件 相位平衡条件 回顾 起振条件 起振过程 振荡电路是单口网络 无须输入信号就能起振 起振的信号源来自何处 电路器件内部噪声 当输出信号幅值增加到一定程度时 就要限制它继续增加 否则波形将出现失真 噪声中 满足相位平衡条件的某一频率 0的噪声信号被放大 成为振荡电路的输出信号 稳幅的作用就是 当输出信号幅值增加到一定程度时 使振幅平衡条件从回到 起振条件 1 Fu Au 1 Fu O ui uo Au uo AuFu 1 AuFu 1 Ui1 Uo1 Uf1 Ui2 Uo2 Uf2 Ui3 Uo3 Uf2 Ui4 Uo4 uf 起振 稳幅 c 稳幅过程 稳幅的作用就是 当输出信号幅值增加到一定程度时 使振幅平衡条件从回到 电压 频率变换电路将输入的电压信号转换成相应的频率信号 即输出信号频率与输入信号电压值成比例 又称为电压控制振荡器 VCO 用途 电压 频率变换电路 VFC 应用十分广泛 在不同的应用领域有不同的名称 在无线电技术中 它被称为频率调制 FM 在信号源电路中 它被称为压控振荡器 OSC 在信号处理与变换电路中 它又被称为电压 频率变换电路和准模 数转换电路 第四节电压 频率变换电路 电压 频率变换电路与频率 电压变换电路是一对变换电路 经常相伴出现 相对应的频率 电压变换电路也有几种不同的名称 鉴频器 FrequencyDiscrimination 准数 模转换电路和频率 电压变换电路 FVC VFC电路通常由积分器 电压比较器 自动复位开关等三部分组成 各种类型的区别主要在于复位方法和复位时间不同而已 一 运放VFC电路 一 简单的VFC电路Vi 0时 电路为方波发生器 回顾 如何产生方波 vi 0时 运放同相输入端的基准电压由输入电压和反馈电压Fvvo决定 如果vi 0 输出脉冲的频率降低 ff0 所以随着输入信号电压vi的变化 输出信号频率也在变化 实现了V F变换 振荡频率 单结晶体管VFC电路 电压跟随器 当Vi为某一个固定值时 ic也是一个固定值 并且对电容C充电 当C上的电压Vc上升使得加在晶体管T2基极的触发电压达到其触发电平时 T2导通 C通过T2的基极迅速放电 输出端电压V0升高 当C放完电 T2截止 V0下降 ic又对C充电 进入下一个震荡周期 补充 电压跟随器 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 电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1 电压跟随器的显著特点就是 输入阻抗高 而输出阻抗低 一般来说 输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的 输出阻抗低 通常可以到几欧姆 甚至更低 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 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开路 输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用 即使前 后级电路之间互不影响 二 复位型VFC电路采用各种不同形式的模拟电子开关对VFC电路中的积分器进行复位 1 场效应管开关复位型VFC电路 等待状态 该电路的积分器电容C1充电时间放电时间 复位时间 t2 t1脉冲串频率所以 当电路参数固定时 输出脉冲串频率与输入信号的电压值成正比例关系 Vi增大 脉冲串频率升高 Vi减小 脉冲串频率降低 为场效应管导通时的漏源极间电阻 1 电路和门限电压 补充回顾 滞回比较器 1 反相型滞回比较器 正反馈 当uI uP时 uO UZ 当uI uP时 uO UZ 当uI uP时 状态翻转 两个阈值 特点 2 传输特性 R R1 uI UREF R2 R3 UZ P uO uO UT UT UZ UZ 当uI逐渐增大时 只要uI UT 则uO UZ 一旦uI UT 则uO UZ 当uI逐渐减小时 只要uI UT 则uO UZ 一旦uI UT 则uO UZ 上门限 下门限 U UT UT 回差电压 uI上升时与上门限比 uI下降时与下门限比 2 同相型滞回比较器 状态翻转时 uP uN UREF 若UREF 0 两个阈值 传输特性 U UT UT 2 双极型三极管开关复位型VFC电路 等待状态 经积分器后正向线性增长 三 反馈型VFC电路 A1 积分器 A2 比较器 T 开关管 等待状态 当接通电源并且输入为零时 因为负电源VR的影响 A2负向饱和 vo2小于0 T管截止 输出电压为低电平VOL可调节R2 使低电平为 6V 正常工作状态 当输入信号大于零时 输入信号经过A1向C1充电 积分器输出电压负方向线性增加 当其稍小于低电平时 比较器A2输出跃变为高电平 迫使开关管饱和导通 c e之间压降近似为零 所以输出电压Vo变为高电平 近似为零 然后C1通过T快速放电 Vo1随之上升 当vo1 VD时 A2输出又变成低电平 T截止 C1充电 重复上述工作过程 四 恒流源复位型VFC电路恒流源复位 在积分电容放电时 由复位电路产生的电流能使C在短时间内放电的电荷量与较长时间充电所得的电荷量相等 提高了VFC的精度 又称为电荷平衡型 二 集成化VFC电路 特点 精度高 线性度高 温度系数低 功耗低 动态范围宽等 应用 数据采集 自动控制 数字化及智能化测量仪器等 基本电路 恒流源复位型VFC电路 一 LM131系列 右图为LM131系列的功能方框图 组成部分 8个引脚 LM131系列VFC原理电路 输出脉冲的频率与输入信号的电压值成正比例关系 LM131系列FVC原理电路 LM131系列的应用见教材P74 概述采样保持电路 sampleholddevices 简称S H 它用在模拟 数字 A D 转换系统中的一种电路 作用是采集模拟输入电压在某一时刻的瞬时值 并在模数转换器进行转换期间保持输出电压不变 以供模数转换 采样保持电路 S H 电路功能采样 采集输入信号在特定瞬时的值保持 保持采样的值并输出 第五节采样 保持电路 用途补偿失调 漂移瞬态变量的测量模数转换 2 基本原理 ui 高输入阻抗高转换速率低输出阻抗 高输入阻抗低输入偏置电流 采样保持电路的基本组成 模拟开关模拟信号存储电容缓冲放大器 fs fmin fs fmin 采样定律fs fMAX fMAX 采样频率fs应大于被采样的模拟信号的最大频率fmax的2倍 推理fs t E0 E1COS 2 fst E2COS 4 fst f t fs t E0f t E1f t COS 2 fst E2f t COS 4 fst f t Acos2 ftf t E1COS 2 fst AE1 cos2 fs f cos2 fs f 对采样保持电路的主要要求 精度和速度为提高实际电路的精度和速度 可从元件和电路两方面着手解决 输入输出缓冲器 特别需注意的参数 输入偏置电流以及带宽 上升速率和最大输出电流等性能参数 模拟开关模拟开关是一种在数字信号控制下将模拟信号接通或断开的元件或电路 该开关由开关元件和控制 驱动 电路两部分组成 4 元件性能的影响和要求 模拟开关的分类按切换的对象分 电压和电流开关电压模拟开关的特点是 当开关断开时 跨于它两端的电压总与被换接的电压Vx有关 而且通过开关的电流则与负载RL有关 电流模拟开关的特点是 不管负载电阻RL的大小如何 流过开关的电流总是和被换接的电流Ix相等 而且换接的电压则由RL Ix决定 按切换的对象使用的元件 机械触点式和电子式开关机械触点式 干簧继电器 水银继电器及机械振子继电器等 电子式开关 二极管 双极性晶体管 场效应晶体管 光耦合器件及集成模拟开关等 模拟开关的性能参数静态特性 主要指开关导通和断开时输入端与输出端之间的电阻Ron和Roff 此外还有最大开关电压 最大开关电流和驱动功耗等 动态特性 开关动作延迟时间 包括开关导通延迟时间Ton和开关截止延迟时间Toff 通常Ton Toff 理想模拟开关时Ton 0 Toff 0 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流等参数都应小 模拟开关 增强型MOSFET开关电路 绝缘栅型 原理开启电压UT可变电阻区 uGS UTuGS uc ui ui uc UT截止条件uc 0性能特点高输入阻抗约1013 导通电阻Ron随ui改变 模拟开关 CMOS开关电路 N沟道增强型MOSFET与P沟道增强型MOSFET并联在 E ui E范围内 导通电阻Ron随ui改变幅度很小 多路模拟开关 存储电容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器等 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容上的保持电压随时间逐渐减小 降低保持精度 5 采样保持实用电路高精度S H电路减小模拟开关的漏电流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高速S H电路开环式结构选用高速元件增大驱动电流 减小电容器的充电时间 单片集成采样 保持电路在一片集成电路中包括输入输出放大器NMOS模拟开关电路控制电路例 AD582 总结 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 存储电容 要选用介质吸附效应小的和泄漏电阻大的电容 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 输入运放还应具有大的输出电流 分析 一 采样 保持电路基本工作原理及性能 一 S H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K闭合 输出跟随输入变化 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 SHA1144 ADC1130 二 S H电路性能指标1 采样时间和断开时间 采样状态和保持状态之间转换时 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定的误差范围内的数值为止 所需的时间 一般为0 1 10微秒数量级断开时间 从发出保持指令到模拟开关断开 输出稳定下来为止 所需的时间 一般为10 150纳秒数量级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 2 采样精度和保持精度 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 误差就越小 越接近理想化 快速变换的信号 应采用高速S H电路 二 集成运放采样 保持电路 一 反相型S H电路1 简单反相型S H电路精度 速度均不高 适用于要求较低的场合 2 改进的反相型S H电路 采样期 T2截止 保持期 T2饱和导通 使T1源极电压箝位于T2的饱和压降 电压很低 T1的泄漏电流大大减少 从而减小对保持精度的影响 反相型S H电路输入电阻低 其值等于R1 而且精度较低 二 同相型S H电路1 简单同相型A 电压跟随器 T导通 采样状态 T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 电路精度较低 输入电阻比反相型要大 2 改进的同相型 T2截止 T1和T3导通 采样状态 T1和T3截止 T2导通 保持状态 作业 2 32 152 18作业不需要画图 第一章 第二章作业之间空两格