第3章信号产生与变换电路的分析与制作 2

1、信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章模拟电子技术的实践模拟电子技术的实践宁波职业技术学院吴志荣宁波职业技术学院吴志荣办公室联系电话：办公室联系电话：86894208邮箱：邮箱： 第第3章章 信号产生与变换电路的分析与制作信号产生与变换电路的分析与制作2教学互动平台网：教学互动平台网：50:5481/50:5483/信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章3.1 学习指南学习指南 3.2 信号产生与变换电路的分析信号产生与变换电路的分析 3.3 信号产生与变换电路的制作信号产生与变换电路的制作 3.4

2、 项目实施效果的评价项目实施效果的评价 本章本章小结小结信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章 通过上述集成运放的性能特性认识与应用电路的分析后，我们已经对如图3.2.1所示的信号产生与变换电路的所有器件有了一定的认识。本学习单元开始分析信号产生与变换电路，除了掌握对电路的整体功能分析方法，进一步学习集成运放的各种应用电路，加深对集成运放的理解。3.2.2 信号产生与变换电路的分析信号产生与变换电路的分析 正弦波振荡电路由放大器和反馈网络等组成，其电路原理框图如图3.6.23所示。介绍介绍1：正弦波振荡电路结构与振荡条件正弦波振荡电路结构与振荡条件图3.6.23 反馈振荡电路组成

3、结构信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章iouUUAofuUUFiuuoufUAFUFU1fauuuuFAFA 根据图3.6.23可知 所以 由此可得振荡的平衡条件为 为反馈系数式中uAa、为放大倍数uA的模和相角； uFf、 uF的模和相角。信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章1uuFA 因此，振荡的平衡条件应当包括振幅平衡条件和相位平衡条件两个方面。振幅平衡条件 上式说明，放大器与反馈网络组成的闭合环路中，环路总的传输系数应等于l，使反馈电压与输入电压大小相等。 相位平衡条件 上式说明，放大器和反馈网络的总相移必须等于2的整数倍，使反馈电压与输入电压相位相同

4、，以保证正反馈。af2n（n0，1，2）信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章Uo.Obac起振稳幅t 振荡建立振荡建立过程仿真过程仿真信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章 iouuAu ofuuFu 1/FuAu = 1/FuOuiuoAuuoAu Fu 1Au Fu R111CR221C其低频等效电路为：其低频等效电路为：其频率特性为：其频率特性为：当当=0时，时， uf=0，F=0 =+90F当当时，时， uf=，F F+fo-+R21u-uC+0 |F|0 F90定性分析：定性分析：信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章当信号的频率很高时。当

5、信号的频率很高时。R111CR221C其高频等效电路为：其高频等效电路为：其频率特性为：其频率特性为：当当=时，时， uf=0，F=0 =-90F当当时，时， uf=，F F+ou-f-u+2C+1R0 |F|0 F-90信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章0=？ Fmax=？由以上分析知：一定有一个频率由以上分析知：一定有一个频率0存在，存在， 当当=0时，时，F最大，且最大，且 =0F0 |F|0 F900 |F|0 F-90信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章定量分析定量分析)j/1(111CRZ 222222j1 )j/1/(CRRCRZ R1C1 串联

6、阻抗：串联阻抗：R2C2 并联阻抗：并联阻抗：212ofZZZUUF 频率特性：频率特性：+Ru+-o-fu+12RC12C信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章)1j()1(1j1j1j11221211222211222CRCRRRCCCRRCRCRRF 通常，取通常，取R1R2R，C1C2C，则有：，则有：)j(3100 F式中：式中：RC10 可见：当可见：当 时，时， F最大，且最大，且 =0RC10F Fmax=1/3信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章RC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：RC10 0F当当 时，时，RC10

7、Fo +90o |F|1/3RCf210F= Fmax=1/3串并联选串并联选频特性频特性信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章RC桥式振荡器的工作原理：桥式振荡器的工作原理：0A在在 f0 处处,0F满足相位条件：满足相位条件：因为：因为：AF=131F11fRRA1f2RR 只需：只需：A=3输出正弦波频率输出正弦波频率：RCf2100FA振幅条件：振幅条件：uRf1RRRCCufA+o引入负反馈：引入负反馈：选：选：信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章例题例题: :R=1k=1k ，C=0.1=0.1 F F，R1 1=10k=10k 。Rf f为多大时才能

8、为多大时才能起振？振荡频率起振？振荡频率f0 0= =？ AF=1，31F11fRRAA=3Rf=2R1=2 10=20k k =1592 Hz起振条件：起振条件：uRf1RRRCCufA+oRCf210信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章RC文氏桥振荡电路的稳幅过程文氏桥振荡电路的稳幅过程RC文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻R4实现的。实现的。R4是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，R4上所加的电上所加的电压升高，即温度升高，压升高，即温度升高，R4的阻值增加，负反馈增强，输出幅的阻值增加，负反馈

9、增强，输出幅度下降。反之输出幅度增加。若热敏电阻是负温度系数，应放度下降。反之输出幅度增加。若热敏电阻是负温度系数，应放置在置在R3的位置。见下图。的位置。见下图。信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章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）起振时起振时Rt较大较大 使使A3,易起振。易起振。 当当uo幅度自激增长幅度自激增长时，时， Rt减小，减小，A减减小。小。 当当uo幅度达某一值幅度达某一值时，时， A3。 当当uo进一步增大时，进一步增大时， RT再减小再减小 ,使使A3。 因此因此uo幅度自动幅度自动稳定于某一幅

10、值。稳定于某一幅值。u0.1u10k0.1u+Afu10k10k39k100kotR信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章能自动稳幅的振荡电路能自动稳幅的振荡电路 起振时起振时D1、D2不导通，不导通，Rf1+Rf2略大于略大于2R1。随着。随着uo的增加，的增加， D1、D2逐渐逐渐导通，导通，Rf2被短接，被短接，A自动自动下降，起到稳幅作用。下降，起到稳幅作用。 将将Rf分为分为Rf1 和和Rf2 ， Rf2并联二极管并联二极管u12ARCo1RR+C.+D1D2Rf1f2REWB演示演示RC振荡器振荡器信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章K：双联波段开关，

11、：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：RCf210信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章文氏桥振荡器电路形式很多。如图示出了一种用两级共文氏桥振荡器电路形式很多。如图示出了一种用两级共射组态放大器级联和射组态放大器级联和RC串并联网络构成的文氏桥振荡器电路。串并联网络构成的文氏桥振荡器电路。 RC桥式振荡器桥式振荡器 6.2 kt3 k4.7 k RFRE

12、12.7 k 20 F100 k33 k 4.7 k 1.3 k12 V50 F3.9 k 50 F100 F100 k68 k5.6 k 0.033 F30 F0.033 F5.6 k Z1UfUiUo信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章1. RC移相电路移相电路 +uofuRRRCCC+uouf+RRRCCC（1 ）RC超前移相电路超前移相电路 （2）RC滞后移相电路滞后移相电路 Ao +90+180+2700 Ao -90-180-2700RC移相移相电路电路RC移相振移相振荡电路荡电路（2）RC移相式振荡电路移相式振荡电路信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5

13、章章u+A+/ /= =/oR2R1R0RRCCCufRRR01R2. RC移相式振荡电路移相式振荡电路 180A在在 f0 处处,180F满足相位条件：满足相位条件：0FARCf 6210 29uA振幅起振条件为振幅起振条件为 RC移相式振荡电路具有结构简单、移相式振荡电路具有结构简单、 经济方便等优点。经济方便等优点。 其缺点是选频性能较差其缺点是选频性能较差, 频率调节不方便频率调节不方便, 由于输出幅度不够由于输出幅度不够稳定稳定, 输出波形较差输出波形较差, 一般只用于振荡频率固定、一般只用于振荡频率固定、 稳定性要稳定性要求不高求不高的场合。的场合。 谐振频率为谐振频率为信号产生与

14、变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章电源接入电路方波产生电路RC桥式振荡电路波形变换电路 图3.2.1 信号产生与变换电路原理图信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章 RC桥式振荡电路如图3.2.16所示，以集成运放为核心器件，有两个反馈网络：一个是由RP1、R8等元器件组成的深度负反馈网络，与集成运放组成同相比例电路，电路工作在线性区；一个是R1、C1等元器件组成的RC串并联反馈网络，当RC参数确定后，一定频率范围内满足正反馈条件，构成正反馈网络。任务任务1：RC桥式振荡电路的分析桥式振荡电路的分析信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章RC串并联电路，也是正

15、反馈选频网络。该电路作用是把输出电压反馈到同相输入端。负反馈网络与集成运放一起构成同相比例运算电路。该电路作用是电压放大。 图3.2.16 RC桥式振荡电路信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章HzRCf1561101020101 . 5212112330HzRCf8 471 . 5(212112330 由相同的RC组成的串并联电路具有选频特性，根据前面的分析，当RC串并联电路中电阻最小时，振荡频率为 当RC串并联电路中电阻最大时，振荡频率为 由此可见，RC串并联电路的振荡频率范围：1521561Hz（1）RC串并联电路的选频特性分析串并联电路的选频特性

16、分析信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章 如果不考虑RC串并联正反馈网络，图3.2.16所示电路就是一个同相比例电路，其输出电压与输入电压同相，大小成比例。 图3.2.18 同相比例运算电路任务任务2：同相比例运算电路的电压放大倍数分析：同相比例运算电路的电压放大倍数分析信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章1890pOORRuuRuIffOuRRuRRu)1 ()1 (119181RRRuuApiouf 分析：分析：根据运放输入端“虚断”和“虚短”，可得i0，故有i1iF，可得由于uuui，所以可求得输出电压uO与输入电压uI的关系为其电压放大倍数信号产生与变换

17、电路的分析与制作21学时学时第第5章章35. 31 . 521011918RRRuuApiouf96. 21 . 51011918RRRuuApiouf当可变电阻RP1阻值最大时 当可变电阻RP1阻值最小时 可见，其电压放大倍数变化范围为：2.963.35信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章R3、R10与集成运放组成了正反馈网络，使集成运放工作在非线性区域。W3、R11、C8与集成运放组成微分电路，当输出电压一定时，对电容C8充电或放电，引起集成运放反向输入端电位的变化。R7、C3、R6与集成运放组成了波形变换电路，通过对C3的充电或放电，起到改变输出电压的作用。 图3.2.1

18、9 方波产生与变换电路任务任务3：方波产生与变换电路的分析：方波产生与变换电路的分析信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章 如图3.2.20（a）所示。它是从输出端引出一个反馈电阻到同相输入端，使同相输入端电位随输出电压而变，达到移动过零点的目的。分析分析1：迟滞比较器的分析（a） （b）图3.2.20 迟滞比较器信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章TOMfUURRRu22TOMfUURRRu)(22 当输出电压为正最大UOM时，同相端电压为 只要uIUT，输出总是UOM。一旦uI从小于UT加大到刚大于UT，输出电压立即从UOM变为UOM。 此后，当输出为UOM时

19、，同相端电压为只要uIUT，输出总是UOM。一旦uI从大于UT减小到刚刚小于UT，输出电压立即从UOM变为UOM。信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章 结论结论1：输出电压从正变负，又从负变正，其参考电压UT，与UT是不同的两个值。这就使比较器具有迟滞特性，传输特性具有迟滞回线的形状，如图3.2.20（b）所示。两个参考电压之差U = UT（UT），称为“回差电压”。故该电路称迟滞比较器，又称“滞回比较器”。 结论结论2：这种迟滞比较器是一种集成运算放大器的非线性应用。信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章 集成运放还可以作正弦波、方波、矩形波、三角波、锯齿波等波

20、形发生器。这里分析其中一种方波发生发生器。 图3.2.21 方波发生电路 图3.2.22 电容充放电与输出波形分析分析2：方波发生电路的分析信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章ZRTURRRuU3101010 上图为方波发生器，它由R10和R3组成正反馈电路组成迟滞比较器与R11、W3和C8负反馈电路组成RC充放电回路。稳压管D1和D2使输出电压幅度限制在其稳压值UZ之内。 接入电源后，由于正反馈的作用，输出电压将迅速达到饱和值UZ，因此，运放同相端的电位（即比较器的参考电压）为 。电容C8两端电压uC是加到反相端的电压，uC与UT相比较的结果决定着输出电压uO的极性。 设电路

21、某时输出达到uOUZ，则ZORTURRRuRRRuU310103101010信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章ZRURRRu3101010ZRURRRu3101010此时uCuR10，uO经R11、W3向C8充电，使uC按指数规律上升。在C充电期间，只要uCuR10，输出电压就维持UZ不变。当uC升到略大于 时，输出电压突然由UZ变为UZ。相应地，uR10也变为负值，即 。信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章ZRURRRu3101010ZURRR31010ZURRR31010ZURRR31010ZURRR31010因uO变为负值，电容C将通过R11、W3放电，

22、使uC按指数规律下降。在放电期间，只要uCuR10，输出电压就维持UZ不变。直到C被反充电至uC略低于 时，输出电压便突然由UZ变为UZ。此后，电容又要正向充电。如此，周期性的变化下去。电容不断地充电、放电，其端电压uC在与之间变化。当uC充电到时，比较器输出发生负跳变，从UZ变为UZ；而当uC反向充电到 时，比较器输出发生正跳变，从UZ变为UZ。因此，电容电压uC为三角形波，而比较器输出uO为矩形波，如图3.2.22所示。信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章 结论结论1：迟滞比较器与积分电路可以组成方波信号发生器。电路接通电源后，通过对积分支路的电容不停地充放电，改变运算放大

23、器反向输入端的电位，使输出获得方波信号。)21ln(2310RRRCT。式中R即为电路中R11和W3支路的电阻值，C即为电容C8。 结论结论2：方波信号发生电路的周期为期信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章 分析分析3：三角波产生电路的分析：三角波产生电路的分析 图3.2.23 波形变换电路 图3.2.24 输入输出波形信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章dtuCRuIO37137CRUtuO 如图3.2.23所示电路是一个积分电路，其电路的功能起波形变换作用。根据分析可知输出电压uO为正比于输入电压uI对时间t的积分：37CR如果输入电压uI=U且变化周期较小

24、于时间常数 时，可得： 显然，当输入为方波信号时，输出为三角波信号。如图3.2.24所示。信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章 时，输出电压的变化近似与时间成正比。输入电压在正负电压跳变时，RC电路不断充放电，使输出为三角波形电压。 结论结论2：输出信号的周期和频率由输入信号的频率所决定。故输出三角波电压的周期与输入方波电压的周期相同。 结论结论3：在一定的时间常数 结论结论1：当输入方波信号频率很小于时间常数 的条件下，适当减小或者增大方波周期，可以使输出电压幅度变化。适当减小方波周期，可以使输出电压幅度减小，适当增大方波周期，可以使输出电压幅度增大。信号产生与变换电路的分析

25、与制作21学时学时第第5章章 经过对正弦波振荡电路、方波产生电路和三角波产生电路的分析，我们运用仿真软件MULTISIM进行电路仿真分析，可以比较形象直观地分析检验我们所学。任务任务4：信号产生与变换电路的仿真分析：信号产生与变换电路的仿真分析 打开仿真软件，按所给的电路原理图，绘制信号产生与变换电路的原理图，如图3.2.25所示。步骤步骤1：绘制信号发生与变换电路仿真电路图：绘制信号发生与变换电路仿真电路图信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章R15.1k R55.1k R45.1k C10.02uF 50%W2Key = A 47k 350%W1Key = A 47k 45C

26、20.02uF 6VCC12VVCCVDD-12VVDD0R95.1k R810k 50%RP1Key = B 2k 20D4BZV55-B3V0D3BZV55-B3V09C410uF R102k 0R111k R310k C50.01uF XSC1ABExt Trig+_+_0XSC2ABExt Trig+_+_J1Key = Space050%W3Key = A 47k 130D1BZV55-B3V0D2BZV55-B3V0U1ATL074ACD32114118716J2Key = SpaceR710k R210k 170R610M C30.1uF U1BTL074ACD561147101

27、112141518U1CTL074ACD10911480RC桥式振荡电路方波产生电路波形变换电路 图3.2.25 信号产生与变换电路信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章 步骤步骤2：RC桥式振荡电路起振过程观察桥式振荡电路起振过程观察图3.2.26 RC桥式振荡电路起振过程信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章 测试振荡频率：选定文氏电桥电路中RC的参数，观察记录振荡信号的幅度和频率。分别在示波器上读出电压峰峰值Vp-p和周期T（见图3.2.27）。把结果记录于表3.2.2中。表3.2.2正弦波振荡电路的测量次序R1R2/ kC1C2/FVp-p/VT /ms理论

28、值T/msf /kHz128.60.0210.053.593.5920.2782380.02104.8974.770.21319.20.02102.52.410.415 根据测量结果周期T=3.671ms，计算出输出电压Uo和振荡频率f。步骤步骤3：正弦波振荡电路的测试：正弦波振荡电路的测试信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章图3.2.27 RC桥式振荡电路频率测量信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章 图3.2.28 RC桥式振荡电路电压测量信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章 把双踪示波器联接到方波振荡电路输出端和三角波输出端，观察示波器的波形，如图3.2.29所示，可以看到方波的起振过程。图3.2.29 方波起振过程步骤步骤4：方波、三角波电路的频率和幅度的测试：方波、三角波电路的频率和幅度的测试信号产生与变换电路的分析与制作21学时学时第第5章章)21ln(2310RRRCT33647. 0)10221ln( 然后检