模电第8章波形的发生和信号的转换

《模电第8章波形的发生和信号的转换》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模电第8章波形的发生和信号的转换（74页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、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（自学）,8.4 利用集成运放实现的信号转换电路 （自学）,第四版童诗白,第四版童诗白,本章重点和考点：,1.重点掌握RC正弦波振荡 工作原理。,2.重点掌握电压比较器的传输特性。,3.掌握非正弦波发生电路的原理。,本章教学时数： 6学时,8.1 正弦波振荡电路,正弦波发生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。正弦波发生电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振荡器。,正弦波振荡电路的振荡条件,RC正弦波振荡电路,LC正弦波振荡电路,石英晶

2、体振荡电路,8.1.1概述,一、产生正弦波振荡的条件,正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。,振荡条件,幅度平衡条件,相位平衡条件,n = 0,1,2,动画,二. 起振和稳幅,满足上述条件后，一旦电源接通，随着时间增加输出幅度增大。增大到一定程度后，放大电路中晶体管将进入饱和或截至状态，输出正弦波将失真。应采取稳幅措施。,起振的幅度条件是：,三、正弦波振荡电路的组成及分类,组成：,分类：,RC正弦波振荡电路，频率较低，在1MHz以下。,LC正弦波振荡电路，频率较高，在1MHz以上。,石英晶体振荡电路，频率较高，振荡频率非常稳定。,（1）放大电路 没有放大，不可能产生振

3、荡。 要保证电路具有放大功能,（2）反馈网络 形成正反馈，以满足相位平衡条件,（3）选频网络 以产生单一频率的正弦波(RC、LC),（4）稳幅电路 以保证输出端得到不失真的正弦波,四、判断电路能否产生正弦波振荡的方法和步骤,判断能否产生振荡的一般方法和步骤：,a. 检查电路的组成部分,c. 将电路在放大器输入端断开，利用瞬时极性法 判断电路是否满足相位平衡条件,b. 检查放大电路是否正常工作,8.1.2 RC正弦波振荡电路,1. 电路组成,2. RC串并联选频网络的选频特性,3. 振荡电路工作原理,4. 稳幅措施,8.1.2 RC 正弦波振荡电路,RC串并联网络振荡电路也称RC桥式正弦波振荡电

4、路或称文氏振荡电路(Wien),电路组成：,放大电路 集成运放 A ；,选频与正反馈网络 R、C 串并联电路；,稳幅环节 RF 与 R 组成的负反馈电路。,图8.1.7 RC桥式正弦波振荡电路,图 8.1.4,一、RC 串并联选频网络,Z1,Z2,取 R1 = R2 = R ， C1 = C2 = C ，令,则：,得 RC 串并联电路的幅频特性为：,相频特性为：,最大，F = 0。,1/3,+90,-90,图 81.5,二、振荡频率与起振条件,1. 振荡频率,2. 起振条件,f = f0 时，,由振荡条件知：,所以起振条件为：,同相比例运放的电压放大倍数为,即要求：,三、振荡电路中的负反馈(稳

5、幅环节),引入电压串联负反馈，可以提高放大倍数的稳定性，改善振荡电路的输出波形，提高带负载能力。,反馈系数,改变 RF，可改变反馈深度。增加负反馈深度，并且满足,则电路可以起振，并产生比较稳定而失真较小的正弦波信号。,图 8.1.7,反馈电阻 RF采用负温度系数的热敏电阻，,采用正温度系数的热敏电阻，均可实现自动稳幅。,稳幅的其它措施,电流增大时，二极管动态电阻减小。电流减小时，动态电阻增大，加大非线性环节，从而使输出电压稳定。,在RF回路中串联二个并联的二极管,四、振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路,用双层波段开关接不同电容，作为振荡频率f0的粗调；,用同轴电位器实现f0的微调。,RC串、

6、并联网络中，如何调节频率？,问题：如何提高频率？,动画avi11-2.avi,8.1.3 LC 正弦波振荡电路,LC正弦波振荡电路可产生1000MHz以上的正弦波信号，而一般运放频带较窄，高速运放价格昂贵，所以LC振荡电路中的放大器一般采用分离元件组成。,1. 等效阻抗,一 LC并联谐振回路选频特性,当 时，,电路谐振。,为谐振频率,谐振时,阻抗最大，且为纯阻性,同时有,即,等效损耗电阻,2. 频率响应,一 LC并联谐振回路选频特性,虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的Q值很高，选频特性好，所以仍能选出0的正弦波信号。,二 变压器反馈式LC振荡电路,1. 电路结构,2. 相位平衡条件,3.

7、 幅值平衡条件,4. 稳幅,5. 选频,（定性分析）,注意: 1、 同名短 同相位 异名端 反相位,2、优点：f高，易产生振荡，波形失真不大 缺点：损耗大，f0的稳定性不高,(+),(-),(+),(+),(+),(+),(+),(+),反馈,满足相位平衡条件,满足相位平衡条件,反馈,二 变压器反馈式LC振荡电路,仍然由LC并联谐振电路构成选频网络,A. 若中间点交流接地，则首端与尾端 相位相反。,1. 三点式LC并联电路,中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。,三点的相位关系,B. 若首端或尾端交流接地，则其他两 端相位相同。,三 三点式LC振荡电路,2. 电感三点式振荡电路,三 三点式L

8、C振荡电路,3. 电容三点式振荡电路,三 三点式LC振荡电路,8.2 电压比较器,1.电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较，输出只有两种可能的状态：高电平或低电平。,2.比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于 开环状态或引入正反馈。,3.分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。,8.2.1 概述,4.比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元，在 测量、控制、D/A和A/D转换电路中应用广泛。,一、 电压比较器的传输特性,1.电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系,2.阈值电压： UT,当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。,3.电压传输特性的

9、三要素,(1)输出电压的高电平UOH和低电平UOL的数值。 (2)阈值电压的数值UT。 (3)当uI变化且经过UT时， uO跃变的方向。,二、理想运放的非线性工作区,+UOM,-UOM,集成运放的电压传输特性,在电压比较器中，集成运放不是工作在开环状态，就是工作在正反馈。,8.2.2 单限比较器,一、过零比较器,由于理想运放的开环差模增益为无穷大，所以,当 uI 0 时，uO= + UOM；,当 uI 0 时，uO = - UOM ；,过零比较器的传输特性为：,UOM 为集成运放的最大输出电压。,阈值电压： 当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。,图8.2.3,电路改进

10、：用稳压管稳定输出电压。,问题：过零比较器如图所示，输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？,传输特性,将正弦波变为矩形波,二、单限比较器,单限比较器有一个门限电平，当输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立即发生跳变。,当输入电压 uI 变化，使反相输入端的电位为零时，输出端的状态将发生跳变，门限电平为：,+UZ,-UZ,过零比较器是门限电平为零的单限比较器。,图 8.2.7,存在干扰时单限比较器的 uI、uO 波形,单限比较器的作用：检测输入的模拟信号是否达到 某一给定电平。,缺点：抗干扰能力差。,解决办法： 采用具有滞回 传输特性的比较器。,电压比较器分析方法小结,（1）由限幅电路确

11、定电压比较器的输出高电平UOH 和输出低电平UOL 。,（2）写出up和uN的电位表达式，令up=uN ，解得输 入电压就是阈值电压UT。,（3） u0在uI 过UT时的跃变方向决定于作用于集成运放的哪个输入端。当uI从反向输入端输入时， uIUT ,u0=U0L 。反之，结论相反。,例8.2.1 在图8.2.6所示电路中，UZ=6V ，在图8.2.7中所示电路中， R1= R2 =5k ，基准电压UREF=2V ，稳压管的稳定电压UZ=5V ；它们的输入电压均为图8.2.8（a）所示的三角波。试画出图8.2.6所示电路的输出电压u01和图8.2.7所示电路的输出电压u02,解,图8.2.6为

12、过零比较器,图8.2.7为一般单限比较器。,图8.2.8 例8.2.1波形图,8.2.3 滞回比较器,一、从反相输入端输入的滞回比较器电路,计算阈值电压UT,电压传输特性,uo从+UZ跃变到-UZ的 阈值电压为+UT uo从-UZ跃变到+UZ的 阈值电压为-UT,uI在-UT与+UT之间增加或减小, uO不发生变化,例8.2.2已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。,图8.2.11 例8.2.2波形图, UZ 9V,二. 加上参考电压后的迟滞比较器,加上参考电压后的上下限：,例：R1=10k，R2=20k ，UOM=12V， UR=9V当输入 ui 为如图所示的波形时，画出输出uo的

13、波形。,首先计算上下门限电压：,根据传输特性画输出波形图。,UREF 为参考电压； ；uI 为输入电压；输出电压 uO 为 +UZ 或 -UZ。,当 uP = uN 时，输出电压的状态发生跳变。,比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状。,UT-,UT+,图 8.2.10 滞回比较器,二、加了参考电压的滞回比较器,a. 反相输入滞回比较器,临界状态下有:,二、加了参考电压的滞回比较器,当vI从VT-逐渐增大，增大到vI VT+时， vo=-Vz vP=VT-,当vI VT-时，vo=+Vz vP=VT+,当vI从VT+逐渐减小，减小到vI VT-时， vo=+Vz vP=VT+,(VR

14、=0V),滞回比较器,输入输出波形,(VREF=0V),临界状态下有:,b. 同相滞回比较器,同相滞回比较器电压传输特性,(VREF=0V),滞回比较器应用,为了提高简单电压比较器的抗干扰能力,滞回比较器应用,正弦波变换为矩形波 有干扰正弦波变换为方波,设R1 =R2，则有：,当vIVH时，vO1为高电平，D3导通；vO2为低电平, D4截止，vO= vO1 = VOH。,8.2.4 窗口比较器,能检测出输入电压是否在二个电压之间,窗口比较器,当VH vI VL时，vO1为低电平，vO2为低电平，D3、D4截止，vO为0V；,传输特性,当vI VL时，vO2为高电平，D4导通；vO1为低电平，

15、D3截止，vO= vO2 = VOH 。,分别求解如图所示各电路的电压传输特性,已知三个电压比较器的电压传输特性分别如图试画出uO1、uO2和uO3的波形。,8.2.5 集成电压比较器,一、集成电压比较器的主要特点和分类：,1. 具有较高的开环差模增益；,2. 具有较快的响应速度；,3. 具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高；,4. 具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。,分类：,单、双和四电压比较,通用型、高速型、低电压型和高精度型,普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出型,二、集成电压比较器的基本接法,1.通用型集成电压比较器AD790,2. 集电极开路集成电压比较器LM119

16、,金属封装的管脚图,电路为双限比较器，能实现线与功能,图8.2.16由LM119构成的双限比较器及其电压传输特性,8.3 非正弦波发生电路,非正弦波：矩形波、三角波、尖顶波和阶梯波等,图8.3.1 几种常见的非正弦波,8.3.1 矩形波发生电路,一、电路组成,RC 充放电回路,滞回 比较器,图 8.3.2,滞回比较器：集成运放、R1、R2；,充放电回路：R、C；（延迟环节、反馈网络）,钳位电路：VDZ、R3。（稳幅环节）,动画avi14-1.avi,二、工作原理,设 t = 0 时，uC = 0，uO = + UZ,则,u+,u-,当 u- = uC = u+ 时，,t1,t2,则,当 u- = uC = u+ 时，输出又一次跳变， uO = + UZ,输出跳变， uO = - UZ,图 8