教改模电8章课件

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1、第8章 波形的发生和信号的转换第 8 章 波形的发生和信号的转换第8章 波形的发生和信号的转换v8.1 正弦波振荡电路v8.2 电压比较器v8.3 非正弦波发生电路v8.4 信号转换电路第8章 波形的发生和信号的转换8.1 正弦波振荡电路v8.1.1 概述v8.1.2 RC 正弦波振荡电路v8.1.3 LC 正弦波振荡电路v8.1.4 石英晶体正弦波振荡电路第8章 波形的发生和信号的转换问题:1.为什么电路会没有输入却有输出?怎样实现？2.为什么输出只有单一频率?答:在某一频率上产生自激振荡.8.1.1 概述第8章 波形的发生和信号的转换 工作原理：依靠自激振荡在无输入信号的条件下, 产生一定

2、频率的正弦波。说明:负反馈放大电路的自激振荡(第六章)是由于电容的影响,产生附加相移,在低频段或高频段的某一频率处,负反馈变为正反馈产生正弦波. 对于放大电路是有害的, 而且正弦波频率无法控制.正弦波振荡电路的振荡频率应是人为确定的,方便调节的. 结论：依靠正反馈产生自激振荡第8章 波形的发生和信号的转换1.正弦波振荡的条件 在正弦波振荡电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。在电扰动下，对于某一特定频率f0的信号形成正反馈：由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。第8章 波形的发生和信号的转换一旦产生稳定的振荡，则 电路的输出量自维持，即幅值平衡条件相位

3、平衡条件起振条件：要产生正弦波振荡，必须: 有满足相位条件的f0，合闸通电时对于f= f0信号有从小到大直至稳幅的过程，即满足起振条件。第8章 波形的发生和信号的转换 放大电路：满足自激振荡起振幅值条件 正反馈网络： 满足相位平衡条件 选频网络：确定单一振荡频率 稳幅环节：非线性环节，使输出信号幅值稳定2.正弦波振荡电路的组成及分类 正弦波振荡电路的分类 按选频网络类型RC正弦波振荡电路: 几百千赫以下LC正弦波振荡电路: 几百千赫到几百兆赫石英晶体正弦波振荡电路: 振荡频率稳定常合二为一第8章 波形的发生和信号的转换3. 正弦波振荡电路的分析方法 检查电路是否包含四个基本组成部分 判断放大电

4、路是否具有放大作用 分析是否满足相位条件 瞬时极性法 分析是否满足幅值条件不可能振荡能振荡，但无合适的稳幅措施，输出失真略大于1，可产生正弦波振荡第8章 波形的发生和信号的转换8.1.2 RC 正弦波振荡电路RC正弦波振荡电路: RC桥式正弦波振荡电路或文氏桥振荡电路 1. RC串并联选频网络(定性分析) 反馈网络：输出量作为输入反馈量作为输出 低频：1/C R 高频：1/C 1时,谐振频率化简为第8章 波形的发生和信号的转换 谐振时的输入阻抗谐振回路的外界影响可以忽略.这个结论对分析LC振荡电路是极为有用的. 谐振时,电容中电流的幅值当Q1时,LC并联回路第8章 波形的发生和信号的转换 结论

5、 LC并联回路具有选频特性,在谐振频率处,电路呈纯阻性LC并联回路感性容性阻性Q值越大, 选频效果 越好,谐振时阻抗值也越 大当Q1时,第8章 波形的发生和信号的转换2. 变压器反馈式振荡电路C1是必要的吗？特点：易振，波形较好；耦合不紧密 ，损耗大，频率稳定性不高。分析电路是否可能产生正弦 波振荡的步骤： 1) 是否存在组成部分 2) 放大电路是否能正常工作 3) 是否满足相位条件为使N1、N2耦合紧密，将它们合二为一，组成电感反馈 式电路。必须有合适的同名端！第8章 波形的发生和信号的转换3. 电感反馈式电路相位条件总能满足.在交流通路中,电感的三个 抽头分别接晶体管的三个极 ，故称之为电

6、感三点式电路 。第8章 波形的发生和信号的转换3. 电感反馈式电路特点：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。由于反馈电压取自电感,电感对高频信号呈现较大的电 抗，故波形中含高次谐波，为使振荡波形好，采用电容 反馈式电路。第8章 波形的发生和信号的转换4. 电容反馈式（电容三点式）电路若要振荡频率高，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。与放大电路参数无关第8章 波形的发生和信号的转换 当要求振荡频率在100M

7、Hz以上,一般采用共基放大电路4. 电容三点式正弦波振荡电路电容三点式采用共基放大电路的电容三点式第8章 波形的发生和信号的转换 例 分析变压器的同名端，以使电路产生正弦波振荡 变压器的同名端 同名端：相位相同 异名端：相位相反 放大电路为共基接法第8章 波形的发生和信号的转换解题思路: 判断振荡电路类型, 与标准振荡电路比较例8.1.3 (P420) 修改错误,使电路产生振荡电容三点式第8章 波形的发生和信号的转换8.1.4 石英晶体正弦波振荡电路前面介绍的各种正弦波振荡电路振荡频率的稳定度有时还嫌不够高(如要求稳定度优于0.001%), 则可采用石英晶体作为选频元件构成正弦波振荡电路1.

8、石英晶体的基本知识 结构从SiO2上以一定的方位角切下薄片,在两个对应表面涂上银层作为电极,引出管脚,再加以封装第8章 波形的发生和信号的转换 压电效应 定义: 给晶片两电极加交变电场, 晶片产生一定频率的机械变形,而这种机械振动又会产生交变电场, 该物理现象称为压电效应1. 石英晶体的基本知识 压电振荡: 当交变电场的频率为某一特定值时,振幅骤然增大从而产生共振, 称之为压电振荡. 这一特定频率称为谐振频率(石英晶体的固有频率)第8章 波形的发生和信号的转换容性感性阻性一般LC选频网络的Q为几百，石英晶体的Q可达104 106；前者f/f为105，后者可达10101011。符号与等效电路 谐

9、振频率由左图可知,石英晶体有两个振荡频率 当L C R支路发生串联谐振时, 其等效阻抗最小(等于R). 串联谐振频率为: 当频率高于fs 时, L C R支路呈感性,可与电容C0发生并联谐振时, 并联谐振频率为fp:第8章 波形的发生和信号的转换2. 石英晶体正弦波振荡电路的构成 并联型振荡电路 当频率在 fs 与 fp 之间时, 石英晶体阻抗呈感性, 可将它与两个外接电容构成电容三点式振荡电路电容三点式并联型振荡电路第8章 波形的发生和信号的转换 串联型振荡电路 当石英晶体发生串联谐振时, 它呈纯阻性,相移为零. 若把石英晶体作为放大电路的反馈网络,并起选频作用.只要放大电路的相移也是零,则

10、满足相位条件.第8章 波形的发生和信号的转换8.2 电压比较器v 波形发生电路包括正弦波振荡电路与非正弦波形发生电路v 本节先介绍非正弦波形发生电路的基本单元电路电压比较器v8.2.1 概述v8.2.2 单限比较器v8.2.3 滞回比较器v8.2.4 窗口比较器第8章 波形的发生和信号的转换一、概述1. 电压比较器的功能：比较电压的大小。广泛用于各种报警电路。输入电压是连续的模拟信号；输出电压表示比较的结 果，只有高电平和低电平两种情况。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。2. 电压比较器的描述方法 :电压传输特性 uOf(uI)第8章 波形的发生和信号的转换3、集成运放的非线性工作区电路特

11、征：集成运放处于开环或仅引入正反馈集成运放工作在非线性区的特点1) 净输入电流为0 2) uP uN时， uOUOMuP 0 时 uO UOM; uI 0 时 uO UOM 集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运 放的输入端，需加输入端限幅电路。集成运放的净输入 电压最大值为UD第8章 波形的发生和信号的转换输出限幅电路为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。UOH UZ1 UD2 UOL( UZ2 UD1)UOH UOL UZUOH UZ UOL UD 不可缺少！第8章 波形的发生和信号的转换输出限幅电路uO UZ（1）保护输入端（2）加速集成运放状态的转换电压比较器的分析方法

12、：（1）写出 uP、uN的表达式，令uP uN，求解出的 uI即为UT；（2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；（3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出电压的跃变方向。第8章 波形的发生和信号的转换（1）单限比较器：（3）窗口比较器：（2）滞回比较器：回顾电压比较器第8章 波形的发生和信号的转换电压比较器的分析步骤(三要素)：（1）输出的高、低电平；（2）写出 uP、uN的表达式，令uP uN，求解出的 uI即为UT；（3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出电压的跃变方向。第8章 波形的发生和信号的转换2. 一般单限比较器（1）若要UT 0，则应如何修改电

13、路？（2）若要改变曲线跃变方向，则应如何修改电路？（3）若要改变UOL、UOH呢？作用于反相输入端第8章 波形的发生和信号的转换 单限比较器灵敏度高，但抗干扰能力差 解决方法：单限比较器中引入正反馈，构成滞回比较器UT第8章 波形的发生和信号的转换三、滞回比较器1. 阈值电压第8章 波形的发生和信号的转换uI反相输入,若 uI -uT， uO+UZ。增大 uI，直至+UT，再增大， uO才从+UZ跃变为-UZ。设 uI+UT， uO-UZ。减小 uI，直至 -UT，再减小， uO才从-UZ跃变为+UZ。uIuO UZ-UZ第8章 波形的发生和信号的转换四、窗口比较器第8章 波形的发生和信号的转

14、换8.3 非正弦波发生电路v8.3.1 矩形波发生电路v8.3.2 三角波发生电路v8.3.3 锯齿波发生电路v8.3.4 波形变换电路第8章 波形的发生和信号的转换常见的非正弦波矩形波三角波锯齿波尖顶波阶梯波矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。第8章 波形的发生和信号的转换8.3.1 矩形波发生电路 1.电路组成正向充电：uO（+UZ）RC地 反向放电：地C R uO（UZ）RC 回路滞回比较器第8章 波形的发生和信号的转换2. 工作原理：分析方法方法：方法： 从电压比较器开始分析,假设输出为某一暂态,分析 RC的充放电,最后得到输出电压波形.设合闸通电时电容上电压为0 ，uO上升

15、，则产生正反馈过程：uO uP uO ，直至uOUZ， uP+UT，第一暂态。第8章 波形的发生和信号的转换2. 工作原理：分析电容正向充电，t uN，t ， uN UZ；但当uN +UT时，再增大， uO从+ UZ跃变为-UZ， uP-UT，电路进入第二暂态。电容反向放电，t uN，t ， uN - UZ；但当uN -UT时，再减小， uO从- UZ跃变为+UZ， uP+UT，电路返回第一暂态。第一暂态：uOUZ， uP+UT。第8章 波形的发生和信号的转换脉冲宽度3. 波形分析根据三要素，即起始值、终了值、时间常数，求出第8章 波形的发生和信号的转换正向充电和反向充电时间常数可 调，占空比就可调。4. 占空比可调电路第8章 波形的发生和信号的转换 8.3.2 三角波发生电路1. 电路组成 用积分运算电路可将方波变为三角波。两个RC环节实际电路将两个RC 环节合二为一电路的分析方法： 化整为零（分块），分析功能（每块）,纵观整体第8章 波形的发生和信号的转换2. 工作原理滞回比较器积分运算电路求滞回比较器的电压传输特性：三要素UOH 、 UOL ， UT， uI过UT时曲线的跃变方向。第8章 波形的发生和信号的转换合闸通电，通常C 上电压为0。设uO1 uP1 uO1，直至uO1 UZ（第一暂态）；积分电路反向积分，t