模电阎石第五版第八章波形的发生和信号的转换.ppt

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 在模拟电子电路中 常常需要各种波形的信号 如正弦波 矩形波 三角波和锯齿波等 作为测试信号或控制信号等 为了使所采集的信号能够用于测量 控制 驱动负载或送入计算机 常常要将信号进行转换 本章将讲述有关波形发生和信号转换电路的组成原则 工作原理以及主要参数 第八章波形的发生和信号的转换 8 1正弦波振荡电路 一 正弦波振荡的条件和电路的组成 二 RC正弦波振荡电路 三 LC正弦波振荡电路 四 石英晶体正弦波振荡电路 8 1正弦波振荡电路 8 1 1概述 正弦波振荡电路 在没有外加输入信号的情况下 依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路 放大电路中引入负反馈 可以使电路的许多性能得到改善 并且反馈深度越深 改善效果越好 但是对于多级放大电路而言 反馈深度过深 即使放大电路的输入信号为零 输出端也会出现具有一定频率和幅值的输出信号 这种现象称为放大电路的自激振荡 它使放大电路不能正常工作 失去了电路的稳定性 8 1 1概述 一 负反馈放大电路的自激振荡 知识回顾 负反馈放大电路闭环放大倍数为 在中频时 所以负反馈作用能正常地体现出来 不产生自激振荡 在低频段 因为耦合电容 旁路电容的存在 产生超前相移 在高频段 因为极间电容的存在 将产生滞后相移 8 1 1概述 一 负反馈放大电路的自激振荡 知识回顾 负反馈放大电路闭环放大倍数为 在低频段或高频段 若存在一个频率f0 且当f f0时附加相移为 则 电路变成了正反馈 当输入信号为零时 存在信号输出 XO和Xf互相维持 产生了自激振荡 8 1 1概述 自激振荡的条件 知识回顾 电路产生自激振荡时 幅值平衡条件 相位平衡条件 由于电路通电后输出量有一个从小到大的过程 故起振条件为 当振荡幅度不断增大时 放大器的限幅作用开始体现 此时放大器的输出幅度将维持一定的幅度不变 从而使得振荡器 二 产生正弦波振荡的条件 正弦波振荡电路也可理解为 通过自激振荡产生单一频率的正弦信号的电路 也是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路 分析举例 带通滤波器变换成正弦波振荡电路 负反馈 正反馈 二 产生正弦波振荡的条件 当R4减小时 比例系数 品质因数 通带放大倍数均增大 通频带变窄 当比例系数接近3时 通带放大倍数趋向无穷大 带通滤波器在参数取值合适时可变为正弦波振荡电路 靠R3反馈回来的信号取代输入信号 产生频率为f0的正弦输出电压 振荡频率可以人为确定 二 产生正弦波振荡的条件 图8 1 2正弦波振荡电路的方框图 图中A为放大环节 F为反馈环节 反馈极性为正 当Xi为零时 Xf Xi 有如下过程 XO Xf Xi XO 在正反馈过程中 输出XO不断增加 由于晶体管的非线性 当输出达到一定的值时 终会达到动态平衡 二 产生正弦波振荡的条件 正弦波振荡的平衡条件 电路达到动态平衡时 幅值平衡条件 相位平衡条件 为使输出量有一个从小到大直至平衡的过程 电路的起振条件为 电路把除了f0以外的输出量均逐渐衰减为零 故输出为f f0的正弦波 产生正弦波振荡的条件 1 电路必须引入正反馈 反馈信号能够取代输入信号 2 电路必须有外加的选频网络 用以确定振荡频率 与负反馈放大电路中的自激振荡不同 正弦波振荡电路的振荡频率是人为确定的 三 正弦波振荡电路的组成及分类 正弦波振荡电路由四部分组成 通常将正反馈网络和选频网络 合二为一 在分立元件放大电路中 不另加稳幅环节 而依靠晶体管的非线性来稳幅 放大电路 放大作用选频网络 使电路产生单一频率的振荡 确定电路的振荡频率 正反馈网络 引入正反馈 使放大电路的Xf Xi 稳幅环节 使输出信号幅值稳定 三 正弦波振荡电路的组成及分类 正弦波振荡电路分类 RC振荡电路LC振荡电路石英晶体振荡电路 RC振荡器振荡频率一般在1M赫兹以下 LC振荡器振荡频率一般在1M赫兹以上 石英晶体振荡器的特点是振荡频率非常稳定 四 判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤 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 8 1 2RC正弦波振荡电路 一 RC串并联选频网络 电路组成 将电阻R和电容C串 并联所组成的网络称为RC串并联选频网络 同时兼作正反馈网络 其输入电压为UO 输出电压为Uf 一 RC串并联选频网络 在频率从0 中必有一个频率f0 F 0 Uf与Uo同相 RC串并联选频网络的频率响应 一 RC串并联选频网络 二 RC桥式正弦波振荡电路 1 电路组成 RC串并联选频网络 只要为RC串并联选频网络匹配一个电压放大倍数等于3的放大电路就可以构成正弦波振荡电路 图8 1 6利用RC串并联选频网络构成正弦波振荡电路的方框图 二 RC桥式正弦波振荡电路 1 是否可用共射放大电路 2 是否可用共集放大电路 3 是否可用共基放大电路 4 是否可用两级共射放大电路 放大电路的选择 不满足相位条件 不满足幅值条件 输入电阻小 输出电阻大 影响选频特性 可引入电压串联负反馈 使电压放大倍数大于3 且Ri大 Ro小 对选频特性影响小 应为RC串并联网路配一个Au略大于3 Ri Ro 0的放大电路 二 RC桥式正弦波振荡电路 文氏桥振荡器 1 电路组成 以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络 并引入电压串联负反馈 两个网络构成桥路 一对顶点作为输出电压 一对顶点作为放大电路的净输入电压 构成桥路 二 RC桥式正弦波振荡电路 2 相位平衡条件 放大电路为同相比例运算电路 反馈网络为RC串并联选频网络 满足相位平衡条件 3 起振条件 二 RC桥式正弦波振荡电路 4 稳幅措施 利用元件的非线性实现稳幅 稳定输出电压的幅值 将Rf或R1换成热敏电阻 用二极管稳幅 起振时 R1 正温度系数的热敏电阻Rf 负温度系数的热敏电阻 图8 1 8利用二极管作为非线性环节 4 稳幅环节 利用元件的非线性实现稳幅 稳定输出电压的幅值 将Rf或R1换成热敏电阻 用二极管稳幅 利用电流增大时D动态电阻减小 电流减小时D动态电阻增大的特点 二 RC桥式正弦波振荡电路 图8 1 9振荡频率连续可调的RC串并联选频网络 三 振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路 改变R或C的数值均可调节输出电压的频率f0 RC正弦波振荡电路适合频率较低的情况 当振荡频率较高时应选用LC振荡电路 用同轴电位器作振荡频率细调 用双层波段开关接电容用于振荡频率粗调 例8 1 1 如下图 已知电容的取值分别为0 01 F 0 1 F 1 F 10 F 电阻R 50 电位器RW 10k 试问 f0的调节范围 图8 1 9振荡频率连续可调的RC串并联选频网络 解 8 1 3LC正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路与RC正弦波振荡电路的组成原则在本质上是相同的 选频电路由电感和电容构成 产生高频振荡 1MHZ以上 放大电路一般用分立元件组成 8 1 3LC正弦波振荡电路 一 LC谐振回路的频率特性 中间存在一个f0 使网络呈纯阻性 此时电路阻抗最大 理想情况为无穷大 这时电路产生电流谐振 电场能与磁场能相互转换 图8 1 10 a LC并联网络理想情况下的网络 一 LC谐振回路的频率特性 图8 1 10 b LC并联网络考虑电路损耗时的网络 Q越大 选频特性越好 一 LC谐振回路的频率特性 图8 1 10 b LC并联网络考虑电路损耗时的网络 并联谐振时回路电流比总电流大的多 外界对谐振回路的影响可以忽略 一 LC谐振回路的频率特性 品质因数Q的大小标志着谐振质量的优劣 Q越大 损耗越小 曲线越陡 选频特性越好 图8 1 11LC并联网络电抗的频率特性 图8 1 12选频放大电路 一 LC谐振回路的频率特性 若在电路中引入正反馈 并能用反馈电压取代输入电压 则电路就成为正弦波振荡电路 当f fo时 电压放大倍数最大 且无附加相移 具有选频特性 二 变压器反馈式振荡电路 引入正反馈最简单的方法是采用变压器反馈方式 用反馈电压取代输入电压 得到变压器反馈式振荡电路 1 工作原理 图8 1 13在选频放大电路中引正反馈 图8 1 14变压器反馈式振荡电路 二 变压器反馈式振荡电路 1 工作原理 图8 1 14变压器反馈式振荡电路 分析电路是否可能产生正弦波振荡的步骤 1 是否存在四个组成部分 2 放大电路是否能正常工作 3 是否满足相位条件 瞬时极性法 4 是否可能满足幅值条件 图8 1 15交流通路 为什么用分立元件放大电路 C1的作用 二 变压器反馈式振荡电路 2 振荡频率及起振条件 图8 1 15交流通路 图8 1 16交流等效电路 起振条件 振荡频率 特点 易振 波形较好 输出电压与反馈电压靠磁路耦合 耦合不紧密 损耗大 振荡频率稳定性不高 三 电感反馈式振荡电路 1 电路组成及工作原理 图8 1 17电感反馈式振荡电路 将N1和N2合并为一个线圈 将电容C跨接在整个线圈的两端 便得到电感反馈式振荡电路 分析电路是否可能产生正弦波振荡的步骤 1 是否存在四个组成部分 2 放大电路是否能正常工作 3 是否满足相位条件 瞬时极性法 4 是否可能满足幅值条件 三 电感反馈式振荡电路 图8 1 18交流通路 图8 1 19断开反馈且带载情况下交流等效电路 电感的三个抽头分别接晶体管的三个极 故称之为电感三点式电路 2 振荡频率及起振条件 特点 耦合紧密 易振 振幅大 C用可调电容可获得较宽范围的振荡频率 波形较差 常含有高次谐波 四 电容反馈式振荡电路 1 电路组成 图8 1 20电容反馈式振荡电路 将电感反馈式振荡电路中的电容换成电感电感换成电容并在置换后将两个电容的公共端接地且增加集电极电阻RC可得到电容反馈式振荡电路 因为两个电容的三个端分别接晶体管的三个极 故也称之为电容三点式电路 图8 1 20电容反馈式振荡电路 2 工作原理及振荡频率 四 电容反馈式振荡电路 正弦波振荡的判断方法 1 是否存在四个组成部分 2 放大电路是否能正常工作 3 是否满足相位条件 瞬时极性法 4 是否可能满足幅值条件 若要振荡频率高 则L C1 C2的取值就要小 当电容减小到一定程度时 晶体管的极间电容将并联在C1和C2上 影响振荡频率 特点 波形好 振荡频率调整范围小 适于频率固定的场合 四 电容反馈式振荡电路 3 稳定振荡频率的措施 图8 1 22电容反馈式振荡电路的改进 与放大电路参数无关 具体方法 在电感所在支路串联一个小容量电容C 解 放大电路为共基放大电路 断开反馈 给放大电路加频率为f f0的Ui 极性为上 下 集电极动态电位为 选频网络的电压极性为上 下 从变压器副边获得的反馈电压应为上 下 才满足正弦波振荡的相位条件 例8 1 2 改正下图电路中的错误 使之有可能产生正弦波振荡 要求不能改变放大电路的基本接法 解 Ce为旁路电容 对交流视为短路 应加RC C1 C2和L构成LC并联谐振网络 C2上的电压为输出电压 C1上的电压为反馈电压 因此 电路为电容反馈式振荡电路 图8 1 20电容反馈式振荡电路 电感L造成放大电路的Q点不合适 故应在选频网络与放大电路输入端之间加耦合电容 例8 1 2 改正下图电路中的错误 使之有可能产生正弦波振荡 要求不能改变放大电路的基本接法 图8 1 26改正的电路 8 1 4石英晶体正弦波振荡电路 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 压电振荡 当晶体加交变电压频率为一固有频率时 振幅最大 产生共振 1 压电效应和压电振荡 SiO2结晶体按一定方向切割的晶片 固有频率只决定于其几何尺寸 故非常稳定 图8 1 28石英晶体的等效电路及其频率特性 8 1 4石英晶体正弦波振荡电路 一 石英晶体的特点 感性 静电电容 平行板电容 晶体机械振动惯性 晶体弹性 机械摩擦损耗 二 石英晶体正弦波振荡电路 图8 1 29并联型石英晶体振荡电路 晶体工作在谐振频率fP和fS之间 石英晶体呈电感性 作为振荡器回路的一个电感与电路的其他元件组成三点式振荡器 图8 1 30串联型石英晶体振荡电路 二 石英晶体正弦波振荡电路 利用f fS时石英晶体呈纯阻性 相移为零的特性构成正弦波振荡器 共基放大电路 共射放大电路 小结 概念 平衡条件 组合部分 正弦波振荡电路的判断方法 8 2电压比较器 概述 1 单限比较器 2 滞回比较器 3 窗口比较器 4 8 2 1概述 1 电压比较器的功能 比较电压的大小 输入电压是模拟信号 输出电压表示比较的结果 只有高电平和低电平两种情况 为二值信号 使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压 转折电压 门限电压 用UT表示 广泛用于各种报警电路 2 电压比较器的描述方法 电压传输特性uO f uI 电压传输特性的三个要素 1 输出高电平UOH和输出低电平UOL 2 阈值电压UT 3 输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向 3 几种常用的电压比较器 1 单限比较器 只有一个阈值电压 3 窗口比较器 有两个阈值电压 输入电压单调变化时输出电压跃变两次 2 滞回比较器 具有滞回特性输入电压的变化方向不同 阈值电压也不同 但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次 回差电压 4 集成运放的非线性工作区 电路特征 集成运放处于开环或仅引入正反馈 理想运放工作在非线性区的特点 1 净输入电流为0 2 uP uN时 uO UOMuP uN时 uO UOM 无源网络 5 教学基本要求 1 电路的识别及选用 2 电压传输特性的分析 8 2 2单限比较器 1 阈值电压UT 0 2 UOH UOM UOL UOM 3 uI 0时uO UOM uI 0时uO UOM 一 过零比较器 反相输入过零比较器 为限制集成运放差模输入电压 保护输入极 加二极管限幅电路 1 输入限幅电路 图8 2 4电压比较器输入级保护电路 二极管限幅电路使净输入电压最大值为 UD 一 过零比较器 为满足负载的需要 通常在输出端加入稳压管限幅电路 以得到合适的UOL和UOH 2 输出限幅电路 不可缺少 UI0时 UOL UZ2 UD1 DZ是两只特性相同的稳压管反向串联 UOH UZUOL UZ 一 过零比较器 限幅电路的稳压管可直接跨接在输出端和反相输入端之间 3 稳压管接在反馈通路中 DZ构成负反馈通路 集成运放工作在线性区 uO UZ 优点 1 集成运放净输入量为0 保护输入端 2 工作在线性区 加速集成运放状态的转换 一 过零比较器 二 一般单限比较器 输入端外加参考电压UREF 由叠加原理 分析电压传输特性三个要素的方法 由集成运放输出端的限幅电路来确定 输出端不接DZ限幅时 uo UOM输出端接DZ时 uo UZ 一 输出电压的幅值 写出uP uN的表达式 令uP uN 求解出的输入电压uI即阈值电压UT 对过零比较器 UT 0 二 阈值电压UT的数值 三 输出电压在uI经过UT时的跃变方向 决定于uI作用于集成运放的哪个输入端 例8 2 1 在下图电路中 稳压管的稳定电压UZ 6V 输入电压为如下图所示的三角波 试画出输出电压 uO UZ 单限比较器灵敏度高 但抗干扰能力弱 练习 在下图电路中 稳压管的稳定电压UZ 5V R1 R2 5k 基准电压UREF 2V 输入电压为如下图所示的三角波 试画出输出电压 分析思路 求出阈值电压 求出输出电压 uO UZ 5v 8 2 3滞回比较器 滞回比较器具有滞回特性 具有惯性 与单限比较器相比抗干扰能力较强 滞回比较器引入了正反馈 加快了输出电压的转换速度 一 电路结构及工作原理 二 工作原理及电压传输特性 设uI UT 则uN uP uO UZ 增大uI 直至 UT 再增大 uO才从 UZ跃变为 UZ 设uI UT 则uN uP uO UZ 减小uI 直至 UT 再减小 uO才从 UZ跃变为 UZ 电路有两个阈值电压 输入电压增加时使输出电压跃变的阈值电压和输入电压减小时使输出电压跃变的阈值电压大小不一致 1 若要电压传输特性曲线左右移动 则应如何修改电路 思考 如何改变滞回比较器的电压传输特性 2 若要电压传输特性曲线上下移动 则应如何修改电路 3 若要改变输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向 则应如何修改电路 改变输出限幅电路 例8 2 2 图示电路的阈值电压 UT 3V 稳压管的稳定电压UZ 9V 输入电压波形如图所示 试画出输出电压的波形 解 先画出电压传输特性 抗干扰能力强 例8 2 3 设计一个电压比较器 使其电压传输特性如图所示 要求所用电阻阻值在20K 100K 之间 解 如图阈值电压 UT 3V 稳压管的稳定电压UZ 6V UREF 0 信号从同相输入端输入 电路如图所示 取R1 25K 则R2 50K 取R1 50K 则R2 100K 8 2 4滞回比较器 图8 2 13双限比较器 R1 R2和DZ构成限幅电路 一 电路结构及工作原理 功能 窗口比较器可以比较出输入电压是否在两个给定电压之间 二 工作原理及电压传输特性 当uI URH时 uO1 UOM uO2 UOM D1导通 D2截止 uO UZ 当uI URL时 uO2 UOM uO1 UOM D2导通 D1截止 uO UZ 当URL uI URH时 uO1 uO2 UOM D1 D2均截止 uO 0 电压比较器的分析方法小结 1 输出只有高低电平两种情况 输出端不接DZ时 uo UOM 输出端接DZ限幅时 uo UZ 2 用电压传输特性描述输出与输入电压函数关系 3 电压传输特性的三要素 1 输出电压的高低电平 取决于限幅电路 2 阈值电压 令up uN 求出uI 即UT 3 输出电压的跃变方向 取决于同相输入或反相输入 uP uN时 uo UOH uP uN时 uo UOL 8 3非正弦波发生电路 矩形波发生电路 1 三角波发生电路 2 锯齿波发生电路 3 8 3非正弦波发生电路 重点介绍前两种 8 3 1矩形波发生电路 一 电路组成 矩形波发生电路是其他非正弦波发生电路的基础 在矩形波发生电路的输出端外加积分电路就能获得三角波 如积分电路某一方向积分的时间常数趋于零 就可得到锯齿波 输出无稳态 有两个暂态 若输出为高电平时定义为第一暂态 则输出为低电平为第二暂态 1 开关电路 因为输出只有高电平和低电平两种情况 即两个暂态 故采用电压比较器 2 反馈网络 因需产生振荡 要求输出的两种状态自动的相互转换 故应引入反馈 3 延迟环节 要使两个暂态均维持一定的时间 故采用RC环节实现 从而决定振荡频率 一 电路组成及工作原理 RC回路 滞回比较器 充电 uO UZ R C uN uO UZ 放电 C R uN uO UZ 二 波形分析及主要参数 图8 3 2矩形波发生电路 图8 3 4方波发生电路的波形图 参数计算 对于RC电路充 放电时间 二 波形分析及主要参数 图8 3 4方波发生电路的波形图 三 占空比可调电路 电容充电和放电时间常数可调 占空比就可调 改变电位器的滑动端可以改变占空比 但不能改变周期 8 3 2三角波发生电路 一 电路的组成 用方波发生电路的输出作为积分运算电路的输入 在积分电路的输出端就得到三角波电压 实际电路将两个RC环节合二为一 为什么采用同相输入的滞回比较器 uO要取代uC 必须改变输入端 集成运放应用电路的分析方法 化整为零 分块 分析功能 每块 统观整体 性能估算 8 3 2三角波发生电路 一 电路的组成 8 3 2三角波发生电路 二 工作原理 滞回比较器的电压传输特性的三要素 电压幅值UOH UOL UZ阈值电压UTuI作用于集成运放的同相输入端 求UT 电压跃变方向 8 3 2三角波发生电路 二 工作原理 积分运算电路 当uo1 UZ时 uo表达式 电容反向积分 输出uo下降 一旦uo UT后 再稍减少 uo1将从 UZ变为 UZ uo表达式为 二 工作原理 电容正向积分 输出uo增大 一旦输出uo UT时 再稍增加 uo1将从 UZ跃变为 UZ 之后 电容反向积分 如此循环 产生自激振荡 三 波形分析和振荡频率 参数计算 8 3 3锯齿波发生电路 一 电路的组成 在三角波发生电路中 使积分电路正向积分常数远大于反向积分常数 或者相反 就可获得锯齿波电压 R3的阻值远小于RW 二 工作原理 当uO1 UZ时 D1导通 D2截止 输出电压的表达式为 当uO1 UZ时 D2导通 D1截止 输出电压的表达式为 设二极管导通时的等效电阻可忽略不计 电位器的滑动端移到最上端 三 参数计算 8 4利用集成运放实现的信号转换电路 电压 电流转换电路 1 精密整流电路 2 电压 频率转换电路 3 在控制系统中 为驱动执行机构常需要将电压转换为电流 在监测系统中为了数字化显示等需要 又常需将电流转换为电压 8 4 1电压 电流转换电路 利用集成运放接成电压负反馈可获得稳定的输出电压 接成电流负反馈可获得稳定的输出电流 即可实现信号转换 由于电路中的负载没有接地点 因而不适用于某些应用场合 一 电压 电流转换电路 图8 4 1实用的电压 电流转换电路 电路引入了负反馈A1 同相求和运算电路A2 电压跟随器 二 电流 电压转换电路 图8 4 2电流 电压转换电路 集成运放引入电压并联负反馈即可实现电流 电压转换 实际电路中 电流源内阻RS比输入电阻Rif大的越多 转换精度越高 1 正弦波振荡电路平衡条件 电路组成 类型 RC LC正弦波振荡电路 正弦波振荡的判断方法 2 电压比较器单限比较器 滞回比较器和窗口比较器 电压传输特性三要素 幅值 阈值电压和跃变方向 3 非正弦波发生电路 矩形波和三角波 幅值和振荡周期 频率的计算 4 电压 电流转换电路 本章小结 正弦波振荡的判断方法 1 是否存在四个组成部分 2 放大电路是否能正常工作 3 是否满足相位条件 瞬时极性法 4 是否可能满足幅值条件