第08章波形的发生和信号的转换1课件.ppt

1、第八章第八章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换8.1 正弦波振荡的基本原理正弦波振荡的基本原理8.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路8.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路8.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路8.5 比较器比较器8.6 方波发生器方波发生器8.7 三角波及锯齿波发生器三角波及锯齿波发生器一一.产生自激振荡的条件产生自激振荡的条件fidXXX-=改成正反馈改成正反馈只有正反馈电路才能产生自激振荡。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正弦波振荡器的基本原理+Xi f基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FX+doXX如果：如果：,dfXX

2、=则去掉则去掉,iX仍有信号输出。仍有信号输出。反馈信号代替了放大反馈信号代替了放大电路的输入信号。电路的输入信号。Xi+f基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FX+doXXXdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXXXd=Xf所以，自激振荡条件也可以写成：所以，自激振荡条件也可以写成：自激振荡的条件：自激振荡的条件：（1）振幅条件：）振幅条件：1|=AF（2）相位条件：）相位条件：pjjnFA2=+n是整数是整数1.=FAAAAj=|因为：因为：FFFj=|.Xdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXX100=XXXXfd.FA二二.起振条件和稳幅原理起振条件和稳幅原理起振

3、条件：起振条件：结果：产生增幅振荡结果：产生增幅振荡1|FA（略大于）（略大于）1 1、被动：器件非线性、被动：器件非线性2 2、主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以、主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节调节放大电路的放大电路的增益增益稳幅过程：稳幅过程：起振时，起振时，1|FA稳定振荡时，稳定振荡时，1|=FA稳幅措施：稳幅措施：起振过程起振过程Xdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXX1.1.放大电路放大电路2.2.正反馈网络正反馈网络3.3.选频网络选频网络只对一个频率满足振荡条件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。，从而获得单一频率的正弦波

4、输出。常用的选频网络有常用的选频网络有RC选频选频和和LC选频选频4.4.稳幅环节稳幅环节使电路易于起振又能稳定振使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小。荡，波形失真小。三三.正弦波振荡器的组成及分类正弦波振荡器的组成及分类正弦波振荡电路的分类：正弦波振荡电路的分类：.1正弦波振荡电路RC.2正弦波振荡电路LC变压器反馈式电容反馈式电感反馈式.3路石英晶体正弦波振荡电串联型并联型四四.判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤（1）观察电路是否包含了）观察电路是否包含了放大电路放大电路、选频网络选频网络、正反馈网络正反馈网络和和稳幅环节稳幅环节四个组成

5、部分。四个组成部分。（2）判断放大电路是否能正常工作。）判断放大电路是否能正常工作。（3）利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡）利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡 的相位条件。的相位条件。（4）判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件。）判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件。正弦波振荡电路的分类：正弦波振荡电路的分类：.1正弦波振荡电路RC.2正弦波振荡电路LC变压器反馈式电容反馈式电感反馈式.3路石英晶体正弦波振荡电串联型并联型8.2 RC正弦波正弦波振荡电路振荡电路一一.RC 串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性R1C1 串联阻抗：串联阻抗：212ofZZZUUF+=)j/1(1

6、11CRZ+=)j/1/(222CRZ=R2C2 并联阻抗：并联阻抗：选频特性：选频特性：+Ru+-o-fu+12RC12C222j1CRR+=212ZZZF+=通常，取通常，取R1R2R，C1C2C，则有：，则有：)1j(31RCRCF-+=令：令：RC10=)j(3100ffff-+=RCfp210=)1j()1(112212112CRCRRRCC-+=22211222j1j1j1CRRCRCRR+=)j(3100-+=F=F2002)(31ffff-+幅频特性幅频特性相频特性相频特性)(31arctan00Fffff-=j可见：当可见：当 时，时，F最大，且最大，且 =0RCffp210

7、=Fj Fmax=1/3RC串并联网络完整的频率特性曲线：串并联网络完整的频率特性曲线：当当 时，时，F=Fmax=1/30F=jRCffp210=RCfp p210=二二.RC桥式振荡器的工作原理：桥式振荡器的工作原理：31=F11f+=RRA1f2RR=只需：只需：A=3输出正弦波频率输出正弦波频率：RCfp210=振幅条件：振幅条件：引入负反馈：引入负反馈：选：选：1=FAuRf1RRRCCufA+o例题例题:R=1k=1k，C=0.1=0.1 F F，R1 1=10k=10k。Rf f为多大时才为多大时才能起振？振荡频率能起振？振荡频率f0 0=？AF=1，31=F11f+=RRAA=

8、3Rf=2R1=2 10=20k k RCfp210=1592 Hz起振条件：起振条件：uRf1RRRCCufA+o能自动稳幅的振荡电路能自动稳幅的振荡电路半导体热敏电阻半导体热敏电阻(负温度系数）负温度系数）u0.1u10k0.1u+Afu10k10k39k100kotR11f+=RRAK：双联波段开关，：双联波段开关，切换切换R，用于，用于粗调振荡频率。粗调振荡频率。C：双联可调电容，改变双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。，用于细调振荡频率。振荡频率的调节：振荡频率的调节：_+RfuoRCCR1 1KKR1R1R2R2R3R3振荡振荡频率：频率：RCfp210=图8.1.9 振荡频率

9、连续可调的RC 串并联选频网络1.LC并联谐振回路的选频特性并联谐振回路的选频特性RCLZ=0(阻性阻性)R为电感和回路中的损耗电阻为电感和回路中的损耗电阻 8.3 LC正弦波振荡器正弦波振荡器LC10=当当 时，时，并联谐振。并联谐振。谐振时，电路呈阻性：谐振时，电路呈阻性：-+LCRiCiLiu Q Q为谐振回路的品为谐振回路的品质因数，质因数，Q Q值越大，值越大，曲线越陡越窄，选曲线越陡越窄，选频特性越好。频特性越好。CLQCQLQRCLZ=000 谐振时谐振时LC并联谐振电路并联谐振电路相当一个大电阻。相当一个大电阻。LC并联谐振回路的幅频特性曲线并联谐振回路的幅频特性曲线互感线圈的

10、极性判别互感线圈的极性判别1234初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈同名端同名端1234+在在LC振荡器中，反馈信号通振荡器中，反馈信号通过互感线圈引出过互感线圈引出-+uiLCfu同名端：同名端：二二.变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 工作原理：工作原理：满足相位条件。满足相位条件。振荡频率振荡频率:LCfp210+-+ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU(+)(-)(+)(+)(+)(+)(+)(+)LC正弦波振荡器举例正弦波振荡器举例满足相位平衡条件满足相位平衡条件Vb221eLCeccCbb1RRRLC(-)(+)（+）（+）（）（+）LC正弦波振荡器举例正弦波振荡器

11、举例振荡频率振荡频率:（）LCfp210满足相位平衡条件满足相位平衡条件VRReb1ccLCCeC2RcC1Rb2振荡频率：振荡频率：LCfp210=三三.电感反馈式电感反馈式LC振荡电路振荡电路uf与与uo反相反相uuCLL12fouuo1LC2Lfuf与与uo同相同相（+）（-）（+）（+）CMLL)2(2121+=p振荡频率：振荡频率：LCfp210=VRccCbcRb1Rb2eLe2CRC1L（+）（+）（-）VCbRLb2b1ccL1eR2CeCR（+）（+）（+）CMLL)2(2121+=p（+）（+）四、四、电容反馈式电容反馈式LC振荡电路振荡电路振荡频率：振荡频率：LCfp21

12、0=uuf2o1CCLuf与与uo反相反相uuLCoC12fuf与与uo同相同相212121CCCCL+=p（+）（+）（+）（-）振荡频率：振荡频率：LCfp210=VRRReb21eCcc2CLbb1CC（+）（+）（+）212121CCCCL+=p（+）图8.1.22 电容反馈式振荡电路的改进CCCC111121+=21,CCCCCC11LCfp210例例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。位平衡条件。V21CCL+A+RRuo1Rf（+）（+）（-）（+）例例8.1.2为使电路产生正弦波振荡，试说明变压器为使电路产生正弦波振荡，试

13、说明变压器原边线圈和副边线圈的同名端。原边线圈和副边线圈的同名端。（+）（+）（+）例例8.1.3 改正图示电路中的错误，使之有可能产生正弦改正图示电路中的错误，使之有可能产生正弦波振荡。要求不改变放大电路的基本接法。波振荡。要求不改变放大电路的基本接法。Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。值越高，选频特性越好，频率越稳定。8.4 石英晶体正弦波石英晶体正弦波振荡电路振荡电路1.频率稳定问题频率稳定问题频率稳定度一般由频率稳定度一般由 来衡量来衡量0ff 频率偏移量。频率偏移量。f 0f振荡频率。振荡频率。LC振荡电路振荡电路 Q 数百数百石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 Q 10000 50

14、0000一一.石英晶体石英晶体2.基本特性基本特性1.结构：结构：极板间加电场极板间加电场极板间加机械力极板间加机械力晶体机械变形晶体机械变形晶体产生电场晶体产生电场压电效应：压电效应：交变电压交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高。机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高。当交变电压频率当交变电压频率=固有频率时，振幅最大固有频率时，振幅最大 符号符号压电谐振压电谐振3.石英晶体的等效电路与频率特性石英晶体的等效电路与频率特性等效电路：等效电路：LCfp p21s=（1）串联谐振）串联谐振频率特性：频率特性：晶体等效纯阻且阻值晶体等效纯阻且阻值=

15、R0p121CCLCf+=p p（2）并联谐振）并联谐振通常通常0CC 0s1CCf+=所以所以很很接接近近与与 psffuu石英晶体uuLCCoRfX感性感性0fsfp容性容性二二.石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路利用石英晶体的高品质因数的特点，构成利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。振荡电路。1.并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器2.串联型石英晶体振荡器串联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在石英晶体工作在fs s处，处，呈电阻性，而且阻抗最小，正反馈呈电阻性，而且阻抗最小，正反馈最强，相移为零最强，相移为零,满足振荡的相位平衡条件。满足振荡的相位平衡条件。对于对于f fs

16、 s以外的频率，石英晶体阻抗增大以外的频率，石英晶体阻抗增大,且相移不为零，不且相移不为零，不满足振荡条件，电路不振荡。满足振荡条件，电路不振荡。fX感性感性0fsfp容容性性（+）（+）（+）（+）8.5 8.5 电压比较器电压比较器 将一个模拟电压信号与一将一个模拟电压信号与一参考电压参考电压相比较，输相比较，输出一定的高低电平。出一定的高低电平。功能：功能：构成：构成：运放组成的电路处于运放组成的电路处于非线性状态非线性状态，输出与输入，输出与输入的关系的关系uo=f(ui)是非线性函数。是非线性函数。uuu-+ui+OA+uoui0+UOM-UOM1.1.运放工作在运放工作在非线性状态

17、非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。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运放工作在非线性状态基本分析方法2.2.运放工作在运放工作在非线性状态非线性状态的分析方法：的分析方法：若若U+U-则则UO=+UOM；若若U+U-则则UO=-UOM。虚断（运放输入端电流虚断（运放输入端电流=0）注意：此时注意：此时不能用虚短！不能用虚短！uuu-+ui+OA+uoui0+UOM-UOMuoui0+UOM-UOM1.过零比较器过零比较器:（门限电平（门限电平=0）uoui0+UOM-UOM一一.单门限电压比较器单门限电压比较器uuu-+ui+OA+uu-u+iOu+Atuit

18、uo+Uom-Uom例题：利用电压比例题：利用电压比较器将正弦波变为较器将正弦波变为方波。方波。uuu-+ui+OA+2.单门限比较器（与参考电压比较）单门限比较器（与参考电压比较）uoui0+Uom-UomUREFUREF为参考电压为参考电压当当ui UREF时时,uo=+Uom当当ui UREF时时,uo=-Uom 运放处于运放处于开环状态开环状态uuU+i-uuAOREFuoui0+Uom-UomUREF当当ui UREF时时,uo=-Uom 若若ui从反相端输入从反相端输入uuU+i-uuAOREF+-uoui0+UZ-UZ（1）用稳压管稳定输出电压）用稳压管稳定输出电压忽略了忽略了U

19、D3.限幅电路限幅电路使输出电压为一稳定的确定值使输出电压为一稳定的确定值uuZ+O+-AuZ+DuRi当当ui 0时时,uo=+UZ当当ui 0时时,uo=-UZ当当ui 0时时,uo=+UZ 二二.迟滞比较器迟滞比较器1.工作原理工作原理两个门限电压。两个门限电压。特点特点:电路中使用正反馈电路中使用正反馈运放工作在非线性区。运放工作在非线性区。（1）当）当uo=+UZ时，时，（2）当）当uo=-UZ时，时，REFZURRRURRRUu2ff2f2T+=+REFZURRRURRRUuf2ff22T+-=-+UT+称上门限电压称上门限电压UT-称下门限电压称下门限电压(UT+-UT-)称为回

20、差电压称为回差电压uuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2迟滞比较器的电压传输特性：迟滞比较器的电压传输特性：uoui0+UZ-UZUT+UT-设设ui ,当当ui=UT+时时,uo从从+UZ -UZuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2同相滞回比同相滞回比较器电压传较器电压传输特性输特性反相滞回比反相滞回比较器电压传较器电压传输特性输特性从运放的反相从运放的反相输入端输入输入端输入从运放的同相从运放的同相输入端输入输入端输入例题：例题：Rf=10k，R2=10k ，UZ=6V，UREF=10V。当输入当输入ui为如图所示的波形时，画为如图所示的波形时，画 出输出出输出u

21、o的波形。的波形。上下限电压：上下限电压：V82ff2f2T=+=+REFZURRRURRRUV22ff2f2T=+-=-REFZURRRURRRUuoui08V2V传输特性传输特性+6V-6VuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R22V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V2V传输特性传输特性+6V-6VuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2第8章 作业8.7 8.9 8.11 8.12 8.13 8.15 8.16 8.20本章小结本章小结1正弦波振荡的条件：正弦波振荡的条件：AF=1 （振幅条件）（振幅条件）（相位条件（相位条件pjjn2FA=+正弦波振荡电路由放大

22、器、反馈网络、选频网络和稳幅环节构成。正弦波振荡电路由放大器、反馈网络、选频网络和稳幅环节构成。2正弦波振荡电路主要有正弦波振荡电路主要有RC振荡电路和振荡电路和LC振荡电路两种。振荡电路两种。RC振荡电振荡电路主要用于中低频场合，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。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：方法为：若若U U+U U-则则U UO O=+U=+UOMOM；若若U U+U U-则则U UO O=-U=-UOMOM。虚断（运放输入端电流虚断（运放输入端电流=0=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。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。作在非线性状态。电路由比较器、积分器等环节组成。