《模拟电路》第8章：波形的产生与变换电路.ppt

第八章波形的产生与变换电路 8 1正弦波振荡的基本原理 8 2RC正弦波振荡电路 8 3LC正弦波振荡电路 8 4石英晶体振荡电路 8 5比较器 8 6方波发生器 8 7三角波及锯齿波发生器 一 产生自激振荡的条件 只有正反馈电路才能产生自激振荡 8 1正弦波振荡器的基本原理 反馈信号代替了放大电路的输入信号 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 动画演示 二 起振条件和稳幅原理 起振条件 结果 产生增幅振荡 略大于 1 被动 器件非线性2 主动 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 稳定振荡时 稳幅措施 1 放大电路2 正反馈网络3 选频网络 只对一个频率满足振荡条件 从而获得单一频率的正弦波输出 常用的选频网络有RC选频和LC选频4 稳幅环节 使电路易于起振又能稳定振荡 波形失真小 三 正弦波振荡器的一般组成 8 2RC正弦波振荡电路 一 RC串并联网络的选频特性 R1C1串联阻抗 R2C2并联阻抗 选频特性 1 定性分析 1 当信号的频率很低时 R1 R2 其低频等效电路为 其频率特性为 当 0时 uf 0 F 0 90 当 时 uf F 2 当信号的频率很高时 R1 R2 其高频等效电路为 其频率特性为 当 时 uf 0 F 0 90 当 时 uf F 0 F max 由以上分析知 一定有一个频率 0存在 当 0时 F 最大 且 0 2 定量分析 R1C1串联阻抗 R2C2并联阻抗 频率特性 通常 取R1 R2 R C1 C2 C 则有 式中 可见 当时 F 最大 且 0 F max 1 3 RC串并联网络完整的频率特性曲线 当时 F F max 1 3 二 RC桥式振荡器的工作原理 在f0处 满足相位条件 因为 AF 1 只需 A 3 振幅条件 引入负反馈 选 例题 R 1k C 0 1 F R1 10k Rf为多大时才能起振 振荡频率f0 AF 1 A 3 Rf 2R1 2 10 20k 1592Hz 起振条件 能自动稳幅的振荡电路 起振时Rt较大使A 3 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 A 3 当uo进一步增大时 RT再减小 使A 3 因此uo幅度自动稳定于某一幅值 能自动稳幅的振荡电路 起振时D1 D2不导通 Rf1 Rf2略大于2R1 随着uo的增加 D1 D2逐渐导通 Rf2被短接 A自动下降 起到稳幅作用 将Rf分为Rf1和Rf2 Rf2并联二极管 EWB演示 RC振荡器 K 双联波段开关 切换R 用于粗调振荡频率 C 双联可调电容 改变C 用于细调振荡频率 振荡频率的调节 三 RC移相式振荡电路 1 RC移相电路 1 RC超前移相电路 2 RC滞后移相电路 2 RC移相式振荡电路 在f0处 满足相位条件 1 LC并联谐振回路的选频特性 阻性 LC并联谐振特点 谐振时 总路电流很小 支路电流很大 电感与电容的无功功率互相补偿 电路呈阻性 R为电感和回路中的损耗电阻 8 3LC正弦波振荡器 当时 并联谐振 谐振时 电路呈阻性 Q为谐振回路的品质因数 Q值越大 曲线越陡越窄 选频特性越好 谐振时LC并联谐振电路相当一个大电阻 LC并联谐振回路的幅频特性曲线 互感线圈的极性判别 初级线圈 次级线圈 同名端 在LC振荡器中 反馈信号通过互感线圈引出 同名端 二 变压器反馈式LC振荡电路 工作原理 三极管共射放大器 利用互感线圈的同名端 满足相位条件 振荡频率 判断是否是满足相位条件 相位平衡法 断开反馈到放大器的输入端点 假设在输入端加入一正极性的信号 用瞬时极性法判定反馈信号的极性 若反馈信号与输入信号同相 则满足相位条件 否则不满足 LC正弦波振荡器举例 满足相位平衡条件 LC正弦波振荡器举例 振荡频率 满足相位平衡条件 仍然由LC并联谐振电路构成选频网络 三 三点式LC振荡电路 原理 uf与uo反相 uf与uo同相 电感三点式 电容三点式 uf与uo反相 uf与uo同相 1 电感三点式LC振荡电路 振荡频率 2 电容三点式LC振荡电路 振荡频率 例 试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件 Q值越高 选频特性越好 频率越稳定 8 4石英晶体振荡电路 1 频率稳定问题 频率稳定度一般由来衡量 频率偏移量 振荡频率 LC振荡电路Q 数百 石英晶体振荡电路Q 10000 500000 一 石英晶体 2 基本特性 1 结构 极板间加电场 极板间加机械力 压电效应 交变电压 机械振动的固有频率与晶片尺寸有关 稳定性高 当交变电压频率 固有频率时 振幅最大 3 石英晶体的等效电路与频率特性 等效电路 1 串联谐振 频率特性 晶体等效纯阻且阻值 0 2 并联谐振 通常 所以 二 石英晶体振荡电路 利用石英晶体的高品质因数的特点 构成LC振荡电路 1 并联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在fs与fp之间 相当一个大电感 与C1 C2组成电容三点式振荡器 由于石英晶体的Q值很高 可达到几千以上 所以电路可以获得很高的振荡频率稳定性 2 串联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在fs处 呈电阻性 而且阻抗最小 正反馈最强 相移为零 满足振荡的相位平衡条件 对于fs以外的频率 石英晶体阻抗增大 且相移不为零 不满足振荡条件 电路不振荡 例 分析下图的振荡电路能否产生振荡 若产生振荡 石英晶体处于何种状态 8 5比较器 将一个模拟电压信号与一参考电压相比较 输出一定的高低电平 功能 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 注意 此时不能用虚短 1 过零比较器 门限电平 0 一 单门限电压比较器 例题 利用电压比较器将正弦波变为方波 2 单门限比较器 与参考电压比较 UREF UREF为参考电压 当ui UREF时 uo Uom当ui UREF时 uo Uom 运放处于开环状态 UREF 当uiUREF时 uo Uom 若ui从反相端输入 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 当ui 0时 uo UZ当ui 0时 uo UZ 2 稳幅电路的另一种形式 将双向稳压管接在负反馈回路中 当ui 0时 uo UZ当ui 0时 uo UZ 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 UT 称上门限电压UT 称下门限电压UT UT 称为回差电压 迟滞比较器的电压传输特性 设ui 当ui UT 时 uo从 UZ UZ 这时 uo UZ u UT 设初始值 uo UZ u UT 设ui 当ui UT 时 uo从 UZ UZ 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 1 电路结构 由滞回比较电路和RC定时电路构成 上下限 8 6方波发生器 2 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 方波发生器 uo保持 UZ不变 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 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 动画演示 计算振荡周期T EWB演示 方波发生器 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 8 7三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 一 三角波发生器 工作原理 若uo1 UZ uo2 u 当u 0时 uo1翻转为 UZ 若uo1 UZ uo2 u 当u 0时 uo1翻转为 UZ 波形图 振荡周期 二 锯齿波发生器 改变积分器的正反向充电时间常数 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 R6 R4 本章小结 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