波形的发生和信号的转换课件

本章讨论的问题●在模拟电子电路中需要哪些波形的信号作为测试信号和控制信号？●什么是自激振荡？波形发生电路中必须在输入信号作用下才产生振荡吗？波形发生电路中必须有放大电路吗？●正弦波振荡电路所产生的自激振荡和负反馈放大电路中所产生的自激振荡有区别吗？为什么正弦波振荡电路中必须有选频网络？选频网络可由哪些元件组成？●产生正弦波振荡电路的条件是什么？怎样组成正弦波振荡电路，它必须包含哪些部分？如何判断电路是否是正弦波振荡电路？第八章波形的发生和信号的转换●为什么说矩形波发生电路是产生其它非正弦波信号的基础？为什么非正弦波发生电路中几乎都含有电压比较器？●电压比较器与放大电路有什么区别？集成运放在电压比较器电路和运算电路中的工作状态一样吗？为什么？如何判断电路中集成运放的工作状态？●如何组成矩形波、三角波和锯齿波发生电路？●为什么需要将输入信号进行转换？有哪些基本的转换？●什么是锁相环？什么是调制和解调？利用锁相环可以实现调制或解调吗？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8.4利用集成运放实现的信号转换电路8.5锁相环及其在信号转换电路中的应用一、产生正弦波振荡的条件同相比例运算电路的比例系数电路品质因数中心频率通带放大倍数截止频率A－＋CR1=RRfUi(s)Uo(s)CR4R2=2RR3=R在正弦波振荡电路中，一要反馈信号取代输入信号，即电路中必须引入正反馈；二要有外加的选频网络，用以确定振荡频率。ff0Q大Q小++Xo↑→Xf↑(X’i↑)→Xo↑↑（n为整数）正弦波振荡的平衡条件为写成模和相角的形式为起振条件电路把除f=f0以外的输出量均衰减为零，因此输出量为f=f0的正弦波。二、正弦波振荡电路的组成及分类正弦波振荡电路由四部分组成：（1）放大电路：保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，使电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制。（2）选频网络：确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。（3）正反馈网络：引入正反馈，使放大电路的输入信号等于反馈信号。（4）稳幅环节：即非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。分类：RC正弦波振荡电路、LC正弦波振荡电路和石英晶体正弦波振荡电路。8.1.2RC正弦波振荡电路一、RC串并联选频网络RRCC++--RC++--RC++--00整理可得令代入上式，得幅频特性相频特性RRCC++--+900fF-90000f0ff0RRCCA－＋RfR1RRCCRfR1+-二、RC桥式正弦波振荡电路放大电路+-8.1.3LC正弦波振荡电路一、LC谐振回路的频率特性CLCLR令式中虚部为零，就可求出谐振角频率式中Q为品质因数当Q>>1时，谐振频率选频网络的损耗愈小，谐振频率相同时，电容容量愈小，电感数值愈大，品质因数愈大，将使得选频特性愈好。8.1.3LC正弦波振荡电路一、LC谐振回路的频率特性CLCLR当Q>>1时，|Z0|≈Q2R当f=f0时，电抗当网络的输入电流为I0时，电容和电感的电流约为QI0。由上式可得适用于频率从零到无穷大时LC并联网络电抗的表达式ff0Q值大Q值小+900f-90000f0Q值大Q值小CLRb1Rb2+-ReCe+VCCTCbRb2Rb1RiCN1N2rbeRL1L2+-ABCR’L’1AB在变压器原边在副边，电流整理可得其中2.振荡频率及起振条件CRb2Rb1ReCe+VCCTC1RLN2N1-++P+-ui+-品质因数当Q>>1时，振荡频率若0L2<<Ri电路的起振条件即将代入，则得出起振条件3.优缺点Rb2Rb1RiCN1N2rbeRL1L2+-ABCRb2Rb1ReCe+VCCTC1RLN2N1-++P+-ui+-Rb2Rb1TRLN1CN2三、电感反馈式振荡电路1.电路组成2.工作原理3.振荡频率和起振条件振荡频率反馈系数的数值RiN1(L1)N2(L2)ABRb2Rb1Crbe+-+-++--+-R’’L四、电容反馈式振荡电路1.电路组成2.工作原理3.振荡频率和起振条件反馈系数的数值电压放大倍数式中集电极等效负载因为起振条件为所以Rb2Rb1ReCe+VCCTC3RcC2C1-+++-ui+-LC2C1LC3ceb4.稳定振荡频率的措施具体方法：在电感所在支路串联一个小电容C，而且C<<C1，C<<C2，这样总电容为C，电路的振荡频率LRb2Rb1Re+VCCTCb-+++-ui+--ufRb2Rb1ReCe+VCCTC3RcC2C1LCoCiC8.1.4石英晶体正弦波振荡电路一、石英晶体的特点晶片敷银层管脚管脚１.压电效应和压电振荡概念1：在石英晶体两个管脚加交变电场时，它将会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，该现象称为压电效应。概念2：当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称为压电振荡。2.石英晶体的等效电路和振荡频率LRC0CX0ffsfp谐振频率由于C<<C0，所以fp≈fs。品质因数的表达式由于Ｃ和Ｒ的数值都很小，Ｌ数值很大，所以Ｑ值高达104～106。Rb2Rb1ReCe+VCCTCRcC2C1二、石英晶体正弦波振荡电路1.并联型石英晶体正弦波振荡电路二、集成运放的非线性工作区A－＋uOuPuNuOA－＋uPuN反馈通路uOUOM-UOM0uP-uN三、电压比较器的种类1.单限比较器uOUOHUOL0uI2.滞回比较器3.窗口比较器uOUT1UT20uIuOUOHUOL0uIUT1UT28.2.2单限比较器一、过零比较器A－＋uOuIuO+UOM-UOM0uIA－＋uOuID1D2R8.2.2单限比较器一、过零比较器A－＋uOuIDZ1DZ2Ru’OA－＋uOuIDZ±UZRA－＋uOuIDZR二、一般单限比较器A－＋uOuIDZ±UZR1R2RUREFu’O利用叠加原理，集成运放反相输入端的电位为令uP=uN=0，求出阈值电压当uI<UT时，uN<up，所以u’O=+UOM，uO=UOH=+UZ；当uI>UT时，uN>up，所以u’O=-UOM，uO=UOL=-UZ。uO+UZ-UZ0uIUT分析电压传输特性三个要素的方法是：(1)通过研究集成运放输出端所接的限幅电路来确定电压比较器的输出低电平UOL和输出高电平UOH；(2)写出集成运放同相输入端、反相输入端电位up和uN的表达式，令uN=up，解得的输入电压就是阈值电压UT；(3)uO在uI过UT时的跃变方向决定于uI作用于集成运放的哪个输入端。当uI从反相输入端输入(或通过电阻接反相输入端)时，uI<UT，uO=UOH；uI>UT，uO=UOL。当uI从同相输入端输入(或通过电阻接同相输入端)时，uI<UT，uO=UOL；uI>UT，uO=UOH。[例8.2.1]在图(a)所示的电路中，稳压管的稳定电压UZ=±6V；在图(b)所示电路中，R1=R2=5k，基准电压UREF=2V，稳压管的稳定电压UZ=±5V；它们的输入电压为图(c)所示的三角波。试画出图(a)所示电路的输出电压UO1和图(b)所示电路的输出电压UO2。uI/V50-2-5t图(c)解：由图可知，当uI<0时，uO1=+UZ=6V；当uI>0时，uO1=-UZ=-6V。当uI<-2V时，uO1=+UZ=5V；当uI>2V时，uO1=-UZ=-5V。图(b)A－＋uO2uIDZ±UZR1R2RUREFu’O图(a)A－＋uO1uIDZRuI/V50-5tuO1/Vt60-6t50-5uO2/V-2A－＋uOuIR1DZ±UZR2R8.2.3滞回比较器令uP=uN=0，求出阈值电压uO=±UZ。集成运放反相输入端的电位uN=uI，同相输入端的电位+UZ-UZuO0uI+UT-UTA－＋uOuIDZ±UZR1R2RUREF同相输入端的电位令uP=uN=0，求出阈值电压uOUT2UT10uIuO/V9-90t[例8.2.2]在图(a)所示的电路中，已知R1=50k，R2=100k，稳压管的稳定电压±UZ=±9V，输入电压uI的波形如图(b)所示，试画出uO的波形。解：输出高电平和低电平分别为±UZ=±9V，阈值电压uI/V3-30t图（b）图（a）A－＋uOuIR1DZ±UZR2RuO9-90uI+3-38.2.4窗口比较器uOuID1A1－＋D2R1A2＋－URHURLuO1uO2R2DZuOUOHUOL0URLURHuI结论：(1)在电压比较器中，集成运放多工作在非线性区，输出电压只有高电平和低电平两种可能的情况。(2)一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。(3)电压传输特性的三个要素是输出电压的高、低电平，阈值电压和输出电压的跃变方向。输出电压的高、低电平决定于限幅电路；令uP=uN所求出的uI就是阈值电压；uI等于阈值电压时输出电压的跃变方向决定于输入电压作用于同相输入端还是反相输入端。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

－＋12348765正电源同相输入反相输入负电源锁存控制地输出逻辑电源

－＋uOuNuP234675815100.1F0.1F+5V+12V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

－＋uOuNuP234675815100.1F0.1F+5V-5V

－＋uOuNuP234675810.1F0.1F+5V+15V0.1F-15V8.3非正弦波发生电路8.3.1矩形波发生电路一、电路组成及工作原理A－＋uOuN(uC)DZ±UZR1R2R4R3C

RC电路（起反馈延迟作用）滞回比较器（起开关作用）uO+UZ-UZ0uI+UT-UT

RC电路（起反馈延迟作用）A－＋uOuN(uC)DZ±UZR1R2R4R3C滞回比较器（起开关作用）TuC0-UTtuot0+UT-UZ+UZTkA－＋uOuN(uC)DZ±UZR1R2R4R3C滞回比较器（起开关作用）三、占空比可调的矩形波电路A－＋uOuN(uC)DZ±UZR1R2R4R3CRW1D1D2RW2uC0-UTtuot0+UT-UZ+UZT1T2当uO=+UZ时，uO通过RW1、二极管D1、R3；对电容C充电，若忽略二极管导通时的等效电阻，则时间常数当uO=-UZ时，uO通过RW2、二极管D2、R3；对电容C放电，若忽略二极管导通时的等效电阻，则时间常数三、占空比可调的矩形波电路uC0-UTtuot0+UT-UZ+UZT1T2[例8.3.1]在图中所示电路中，已知R1=R2=25k，R3=5k，RW=100k，C=0.1F，±UZ=±8V。试求：（1）输出电压的幅值和振荡频率约为多少？（2）占空比的调节范围约为多少？A－＋uOuN(uC)DZ±UZR1R2R4R3CRW1D1D2RW2解：(1)输出电压uO=±8V。振荡周期振荡频率f=1/T≈83Hz(2)矩形波的宽度占空比T1/T≈0.045～0.958.3.2三角波发生电路A1－＋uO1uN(uC)DZ±UZR1R2R4R3CA2－＋RuORCuO10tuot0一、电路的组成二、工作原理令uP1=uN1=0，求出阈值电压uO+UZ-UZ0uI+UT-UTA1－＋uO1DZ±UZR1R2R4A2－＋RuORC同相输入滞回比较器积分运算电路uP1滞回比较器的输出电压集成运放A1同相输入端的电位积分电路的输入电压是滞回比较器的输出电压uO1，而uO1不是+UZ，就是-UZ，所以输出电压的表达式uO10tuot0+UZ-UZ-UT+UTA1－＋uO1DZ±UZR1R2R4A2－＋RuORC同相输入滞回比较器积分运算电路uP1uO10tuot0+UZ-UZ-UT+UT三、振荡频率积分电路正向积分时，uO1=-UZ，起始值为-UT，终了值为+UT，积分时间为二分之一周期，A1－＋uO1DZ±UZR1R2R4A2－＋RuOCRWR3D1D28.3.3锯齿波发生电路uO1tuot0+UZ-UZ-UT+UTt1t2T2t0T1设二极管导通时的等效电阻可忽略不计，电位器的滑动端移到最上端。当uO1=+UZ时，D1导通，D2截止，输出电压的表达式当uO1=-UZ时，D2导通，D1截止，输出电压的表达式8.3.3锯齿波发生电路uO1tuot0+UZ-UZ-UT+UTt1t2T2t0T1uItuot0+UIM-UIM0Au=1Au=-18.3.4波形变换电路一、三角形变锯齿波电路A－＋R5=

RuoRf=

RR3=

R/2uIuCR2=

R/2R1=

RR4=

R/2

NPMuItuot0+UIM-UIM0Au=1Au=-1A－＋R5=

RuoRf=

RR3=

R/2uIuCR2=

R/2R1=

RR4=

R/2

NPM当开关断开，uI同时作用于集成运放的反相输入端和同相输入端，根据虚短和虚断的概念uItuot0+UIM-UIM0Au=1Au=-1A－＋R5=

RuoRf=

RR3=

R/2uIuCR2=

R/2R1=

RR4=

R/2

NPM当开关闭合时，集成运放的反相输入端和同相输入端为虚地，uN=uP=0，电阻R2中电流为零，等效电路是反相比例运算电路，因此uCM20pF100k二、三角波变正弦波电路1.滤波法低通滤波电路uouIuItuot00将三角波按傅立叶级数展开u/UImaxt00.11.00.90.80.70.60.50.40.30.2002505007009002.折线法应采用比例系数可以自动调节的运算电路uIA－＋R7uoRRfD1D2D3D1’D2’D3’R1R2R3R1’R2’R3’R4R5R6R4’R5’R6’-VCC(-15V)+VCC(+15V)u1u2u3u1’u2’u3’u/UImaxt00.11.00.90.80.70.60.50.40.30.2002505007009002.折线法当|uI|<0.3Um时，uo=-uI，比例系数的值uIA－＋R7uoRRfD1D2D3D1’D2’D3’R1R2R3R1’R2’R3’R4R5R6R4’R5’R6’-VCC(-15V)+VCC(+15V)u1u2u3u1’u2’u3’uI(uI<0)A－＋R7uo(uo>0)RRfD1R1R4-VCC(-15V)iRiD1iR1iR4当0.3Um<|uI|<0.56Um时，D1导通，等效电路如图所示。若忽略二极管的正向电阻，则N点的电流方程为u/UImaxt00.11.00.90.80.70.60.50.40.30.200250500700900根据曲线所示，|uo|≈0.89uI。合理选择R4，使选择R4≈0.89R，就可得到|uo|≈0.89uI。从而比例系数随着uI逐渐降低，uo逐渐升高，D2、D3依次导通，等效反馈电阻逐渐减小，比例系数的数值依次约为0.77、0.63。当uI从负的峰值逐渐增大时，D3、D2、D1依次截止，比例系数的数值依次约为0.63、0.77、0.89、1。8.3.5函数发生器一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路。C电压比较器I电压比较器II三角波变正弦波电路缓冲电路I缓冲电路II触发器I2IIS2IS1uCuO4uO5S+VCC-VEERL③②⑨⑩⑥11ICL8038一、电路结构S/RQ/Q000101保持不变保持不变1110C电压比较器I电压比较器II三角波变正弦波电路缓冲电路I缓冲电路II触发器I2IIS2IS1uCuO4uO5S+VCC-VEERL③②⑨⑩⑥11ICL8038一、电路结构uOUOHU0L0uI1/3VCCuIuOUOHU0L02/3VCCC电压比较器I电压比较器II三角波变正弦波电路缓冲电路I缓冲电路II触发器I2IIS2IS1uCuO4uO5S+VCC-VEERL③②⑨⑩⑥11ICL8038二、工作原理uC0Uo5(/R)0+1/3VCCUOLUOH+2/3VCCUo4(S)UOH0UOLQUOH0UOLtttt三、性能特点四、常用接法正弦波失真度调整正弦波输出三角波输出占空比及频率调整矩形波输出{+VCC调频偏置电压调频电压输入端外接电容-VEE或地正弦波失真度调整1234147685913121110ICL8038ICL80381011122396547883kRL10kRBRA+VCC-VEE/地u9u3u2u2u3u9ICL803810111223965478100kRL10kRBRA+VCC-VEE/地u9u3u2RW1ku3u9u2ICL803810111223965478100kRL10k+VCC-VEEu9u3u2RW11k110k10k100kRW2RA4.7kRB4.7k10k20k0.1F8.4利用集成运放实现的信号转换电路8.4.1电压—电流转换电路A－＋uOuIR’RLRiLi1一、电压—电流转换电路由于电路引入负反馈，uN=uP=0，负载电流A1－＋uO1uIR4R2R3iOR1A2－＋ROuO2N1P1N2P2RLR1=R2=R3=R4=R二、电流—电压转换电路A－＋uORRfRSiFiSRLRi8.4.2精密整流电路概念：将交流电转换为直流电，称为整流。精密整流电路的功能是将微弱的交流电压转换成直流电压。DR++--uIuO0iu0tUon0tuIuO10tuO20t0tuIuO0tA－＋uOR’RfRuID1D2u’O当uI>0时，必然使集成运放的输出u’O<0，从而导致二极管D2导通，D1截止，电路实现反相比例运算，输出电压当uI<0时，必然使集成运放的输出u’O>0，从而导致二极管D1导通，D2截止，Rf中电流为零，输出电压uO=0。如果设二极管的导通电压为0.7V，集成运放的开环差模放大倍数为50万倍，为使二极管D1导通，集成运放的净输入电压可见，只要输入电压uI使集成运放的净输入电压产生非常微小的变化，就可以改变D1和D2工作状态，从而达到精密整流的目的。0tuIuO0tA－＋uOR’RfRuID1D2u’OA1－＋R12RRuID1D2uO1A