第6章 波形发生和信号转换电路.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,6,章,波形发生与信号转换电路,小结,6.2,正弦波振荡电路,6.4,非正弦波发生电路,6.1,概述,6.3,电压比较器,6.5,信号转换,信号产生电路,(,振荡器,Oscillators,),分类：,正弦波振荡,:,非正弦波振荡：,RC,振荡器,(,1,k,Hz,数百,kHz,),LC,振荡器,(,几百,kHz,以上,),石英晶体振荡器,(,频率稳定度高,),方波、,三角波、,锯齿波等,主要性,要求能：,输出信号的,幅度准确稳定,输出信号的,频率准确稳定,6.1,概 述,6.2,正弦波发生电路,6.2.1,正弦波振荡的条件,6.2.2,RC,正弦波振荡电路,6.2.3,LC,正弦波振荡电路,6.2.4,石英晶体正弦波振荡电路,7.2.1,正弦波振荡的条件,一、振荡条件,放大器,反馈网络,U,i,A,u,F,u,U,o,U,f,R,L,微弱的电扰动中，某一频率成分通过正反馈逐渐放大，则产生正弦振荡。,振幅平衡条件,相位平衡条件,n,=0,1,2,二、,起振条件,起振条件,放大器,A,u,反馈网络,F,u,U,o,U,f,U,i,1/,F,u,A,u,=1/,F,u,O,u,i,u,o,A,u,u,o,A,u,F,u,1,A,u,F,u,R,1,R,2,其低频等效电路为：,其频率特性为：,当,=0,时，,u,f,=0,，,F,=0,=+90,当,时，,u,f,=,，,F,0,|,F,|,0,F,90,（,2,）当信号的频率很高时。,R,1,R,2,其高频等效电路为：,其频率特性为：,当,=,时，,u,f,=0,，,F,=0,=-90,当,时，,u,f,=,，,F,0,|,F,|,0,F,-90,0,=？,F,max,=？,由,以上分析知：一定有一个频率,0,存在，,当,=,0,时，,F,最大，且,=0,0,|,F,|,0,F,90,0,|,F,|,0,F,-90,2.,定量分析,R,1,C,1,串联阻抗：,R,2,C,2,并联阻抗：,频率特性：,通常，取,R,1,R,2,R,，,C,1,C,2,C,，,则有：,式中：,可见：当 时，,F,最大，且,=0,F,max,=1/3,RC,串并联网络完整的频率特性曲线：,当 时，,F,=,F,max,=1/3,F,+90,|,F,|,1,),相位条件,2,),振荡条件,R,f,不能太大，否则,正弦波将变成方波,应使：,三、,RC,串并联网络振荡电路,3,),振荡频率,在,f,0,处,满足相位条件：,因为：,4,),稳幅措施,为使电,A,u,为非线性，起振时，应使,A,u,3,，,稳幅后,A,u,=3,。,C,R,1,R,f,R,C,R,正温度系数,负温度系数,热敏电阻稳幅,R,1,R,2,V,1,V,2,R,3,A,u,1+,R,2,/,R,1,=3,为使失真小：,R,2,2,R,1,-,R,3,A,u,1+(,R,2,+,R,3,)/,R,1,3,起振时信号小，,二极管电阻大,12.4 k,R,2,7.1 k,f,0,=1.94 kHz,二极管稳幅,7.2 k,6.2 k,22 k,4.3 k,0.01,F,7.2 k,0.01,F,6.2.3,LC,正弦波振荡电路,类型：,变压器反馈式、电感三点式、电容三点式,一、变压器反馈式,LC,振荡电路,L,R,C,I,s,.,(,一,),LC,并联回路的选频特性,Z,1.,谐振频率,f,0,2.,谐振阻抗,Z,0,3.,回路品质因数,Q,4.,频率特性,0,Z,Z,0,Q,大,Q,小,0,f,90,-,90,Q,增大,幅频特性,相频特性,Q,为谐振回路的品质因数，,Q,值越大，曲线越陡越窄，选频特性越好。,5.,阻抗与相位,(,二,),变压器反馈式振荡电路,L,C,+V,CC,T,R,E,R,B1,R,B2,C,E,C,B,满足相位平衡条件,同名端同极性,1.,电感三点式和电容三点式,LC,正弦波发生器,把并联,LC,回路中的,C,或,L,分成两个，则,LC,回路就,有三个端点。把这三个端点分别与三极管的三个,极相连，就形成了,LC,三点式正弦波发生电路。,它们又分为电感三点式和电容三点式两类。,LC,三点式正弦波发生电路图,a,）,电感三点式,b,）,电容三点式,二、三点式,LC,振荡电路,2.,组成,LC,三点式正弦波发生电路的规律,LC,三点式正弦波发生电路的一般结构如下图所示。,图,LC,三点式正弦波发生电路的一般结构,a,）,反相放大,b,）,同相放大,图,a,）,为中点接地，图,b,）,为一端接地,结论,：在,LC,三点式正弦波发生电路中，为了,判断相位平衡条件，有：,3.,电感三点式 振荡电路,C,+V,CC,T,R,E,R,B1,R,B2,C,E,C,B,L,1,L,2,C,1,M,1,2,3,优点：,缺点：,易起振,(,L,间耦合紧,),；,易调节,(,C,可调,),。,输出取自电感，对,高次谐波阻抗大,，,输出波形差。,4.,电容三点式振荡电路,考毕兹振荡器,(,Colpitts,),+V,CC,T,R,E,R,B1,R,B2,C,E,C,B,L,C,1,C,2,1,2,3,L,C,3,优点：波形较好,缺点：,2,),T,极间电容影响,f,0,1,),调频时易停振,C,3,的改进,6.2.4,石英晶体,(,Crystal,),振荡电路,(,一,),石英晶体谐振器的阻抗特性,1.,结构和符号,化学成分,SiO,2,结构,晶片,涂银层,焊点,符号,2.,压电效应,形变,形变,机械振动,外力,压电谐振,外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，机械振动幅度急剧加大的现象。,3.,等效电路,r,C,0,C,L,L,晶体的动态电感,(,10,-,3,10,2,H,),(,大,),C,晶体的动态电容,(,0.1,pF,),(,小,),r,等效摩擦损耗电阻,(,小,),C,o,晶片静态电容,(,几,几十,pF,),大,小,小,大,4.,频率特性和谐振频率,f,X,f,P,f,S,容性,容性,感性,5.,使用注意,2,),要有合适的激励电平。过大会影响,频率稳定度、振坏晶片；过小会使,噪声影响大，还能停振。,1,),要,接,一定的负载电容,C,L,(,微调,),，,以,达标称频率。,(,二,),石英晶体谐振电路,1.,串联型,f,=,f,s,，,晶体,呈纯阻,+V,CC,V,R,E,R,B1,R,B2,C,B,L,C,2.,并联型,f,s,f,f,p,，,晶体,呈感性,+V,CC,V,R,E,R,B1,R,B2,C,E,C,3,C,1,C,2,R,C,6.3,电压比较器,6.3.1,简单比较器,6.3.2,窗口比较器,6.3.3,滞回比较器,电压比较,器,(,Comparer,),的分类,功能：,类型,基本比较器,简单比较器,(,单门限,),窗口比较器,(,双门限,),滞回比较器,(,施密特触发器,),比较电压信号,(,被测试信号与标准信号,),大小,构成：,运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系,u,o,=,f,(,u,i,),是非线性函数。,1.,运放工作在非线性状态的判定：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,2.,运放工作在非线性状态的分析方法：,若,U,+,U,-,则,U,O,=+,U,OM,；,若,U,+,U,-,则,U,O,=-,U,OM,。,虚断（运放输入端电流,=0,）,注意：此时不能用虚短！,u,o,u,i,0,+,U,OM,-,U,OM,6.3.1,简单比较器,O,u,I,u,O,1.,过零电压比较器,u,I,0,U,Omax,-,U,Omax,U,OH,U,OL,u,O,u,I,电压比较器基本特性,1,）高电平和低电平,U,oH,=3.4,，,U,oL,=0.4,2,）鉴别灵敏度,A,ud,越大，鉴别灵敏度越高,3,）转换速率 与压摆率,S,R,有关,O,u,I,u,O,2.,同相输入单门限比较器,U,Z,U,REF,u,I,U,REF,门限,电压,U,T,特点,:,1,),工作在非线性区,2,),不存在虚短,(,除了,u,I,=,U,REF,时,),3,),存在虚断,门限电压,U,T,=,U,REF,6.3.2,窗口比较器,u,O,U,1,U,2,u,I,D,1,D,2,u,O1,u,O2,设,U,1,U,2,，,比较器采用单电源,u,I,u,O1,u,O2,D,1,D,2,u,O,U,1,U,2,u,I,U,1,U,Omax,截止 导通,U,Z,0,U,Omax,0,导通 截止,U,Z,0,0,截止 截止,0,U,Z,O,u,I,u,O,U,1,U,2,应用举例,三极管,值分选电路,50,100,，,LED,不,亮。,分析电路是否满足要求：,100,，,LED,亮，,5 V,2.5 V,V,1,V,2,V,+15 V,10 k,20 k,20 k,430 k,1 M,5 k,1.5 k,3CG,解,I,B,=(15,-,0.7)/1430,=0.01,mA,当,50,时，,I,C,0.5,mA,，,U,C,100,时，,I,C,1,mA,，,U,C,5 V,V,1,导通，,LED,亮,当,50,100,时，,2.5 V,U,C,u,P,时,，,u,O,=,-,U,Z,当,u,I,u,P,时,，,u,O,=+,U,Z,当,u,I,=,u,P,时,，,状态翻转,u,I,R,R,1,U,REF,R,2,R,3,U,Z,P,u,O,例：,R,1,=30 k,，,R,2,=15 k,U,Z,=,6 V,U,REF,=0,求,U,T,。,特点：,2,),传输特性,R,R,1,u,I,U,REF,R,2,R,3,U,Z,P,u,O,O,u,I,u,O,U,T+,U,T,-,U,Z,-,U,Z,当,u,I,逐渐增大时,只要,u,I,U,T+,，,则,u,O,=,-,U,Z,当,u,I,逐渐减小时,只要,u,I,U,T,-,，,则,u,O,=,-,U,Z,一旦,u,I,U,T,-,，,则,u,O,=,U,Z,上门限,下门限,U=U,T+,-,U,T,-,U,回差,电压,u,I,上升时与上门限比,u,I,下降时与下门限比。,2.,同相型,滞回,比较器,状态翻转时，,u,P,=,u,N,=,U,REF,若,U,REF,=0,R,1,R,u,I,U,REF,R,2,R,3,U,Z,N,P,u,O,传输特性,O,u,I,u,O,U,T+,U,T,-,U,Z,-,U,Z,U=U,T+,-,U,T,-,抗,干,扰,O,u,I,t,单门限比较,U,T,u,O,U,OH,U,OL,O,t,滞回比较,O,u,I,t,U,T,-,U,T+,U,OH,U,OL,O,t,u,O,整,形,O,u,I,t,U,T+,U,T,-,O,u,O,t,U,OH,U,OL,O,u,I,t,U,T+,U,T,-,O,u,O,t,U,OH,U,OL,6.4.1,矩形波产生电路,(,Astable,Multivibrator,),1.,电路组成和输出波形,-,U,Z,u,O,u,C,t,U,T+,U,T-,U,Z,R,1,C,R,2,R,3,U,Z,u,O,R,积分,电路,滞回比较器,6.4,非正弦波发生电路,2.,振荡频率,占空比,=,50%,3.,占空比可调的矩形波电路,为了改变输出方波的占空比，应改变电容器,C,的充电和放电时间常数。占空比可调的矩形波电路如下图。,一、信号产生电路的分类：,正弦波振荡,:,非正弦波振荡：,RC,振荡器,(,低频,),LC,振荡器,(,高频,),石英晶体振荡器,(,振荡频率精确,),方波、,三角波、,锯齿波等。,小 结,二、,正弦波振荡,条件、电路结构和选频电路,1.,振荡条件,振幅平衡条件,相位平衡条件,n,=0,1,2,判断电路是否起振采用,瞬时极性法，,即断开反馈,网络，加一信号，如果信号极性逐级变化后，,返回后与原信号同极性，则满足相位平衡条件。,2.,振荡电路的两种结构,放大器,选频正,反馈网络,U,o,U,f,U,i,选频,放大器,正反馈,网络,U,o,U,f,U,i,3.,选频电路及其特性,1,),RC,串并联式,幅,频,特,性,0,F,u,.,相,频,特,性,0,f,90,90,当,=,0,=1/,RC,时,F,u,=1/3,.,=0,电,路,2,),LC,并联谐振回路,L,u,C,r,+,i,i,L,i,C,阻抗幅频特性,电路,0,Z,Z,0,阻抗相频特性,0,f,90,90,谐振频率,谐振阻抗,回路品质因数,三、,正弦波振荡,电路,1.,RC,桥氏振荡电路,C,R,1,R,f,R,C,R,振荡频率,振荡条件,即,自动稳幅措施：,使电,A,u,成为非线性,R,f,串接,二极管,(,图略,),R,f,串接负,温度系数热敏电阻,R,1,采用正温度系数热敏电阻,3.,LC,振荡电路,变压器反馈式,L,C,+V,CC,V,R,E,R,B1,R,B2,C,E,C,B,电感三点式,C,+V,CC,V,R,E,R,B1,R,B2,C,E,C,B,L,1,L,2,C,1,电容三点式,+V,CC,V,R,E,R,B1,R,B2,C,E,C,B,L,C,1,C,2,1,2,3,四、,石英晶体振荡,电路,1.,等效电路和频率特性,符号,等效电路,r,q,C,0,C,q,L,q,频率特性,f,X,f,P,f,S,串联谐振频率,并联谐振频率,2.,石英晶体谐振电路,串联型,f,=,f,s,，,晶体,呈纯阻,并联型,f,s,f,f,p,，,晶体,呈感性,五、,比较器,O,u,I,u,O,U,Z,U,REF,U,Z,1.,单限电压比较器,传,输,特,性,O,u,I,u,O,U,Z,U,REF,U,Z,特点：,1,),工作在非,线性,区,2,),不存在虚短,(,除了,u,I,=,U,REF,时,),3,),存在虚断,门限电压,U,T,=,U,REF,六、,非正弦波振荡电路,1.,产生,方波,振荡的基本原理,C,u,O,R,施密,特,触发器,当施密特触发器输出高,(,低,),电平时，电容,C,的充电方向不同，每当,u,C,超过上,(,下,),门限,电压时，施密特触发器的输出电平就发生跳变，使电容改变充电方向，于是形成,u,O,周而复始的高、低电平跳变，即,方波,振荡。,施密特触发器的构成：,迟滞,比较器,(,运放接成正反馈,),555,定时器,的施密特触发器形式,集成施密特触发器,2.,获得三角,波,的基本方法,方波,积分电路,三角,波,2.,滞回,比较器,(,施密特触发器,),反相型,滞回,比较器,u,I,R,R,1,U,REF,R,2,R,3,U,Z,P,u,O,O,u,I,u,O,U,T+,U,T,U,Z,U,Z,传输特性,同相型,迟滞,比较器,R,1,R,u,I,U,REF,R,2,R,3,U,Z,N,P,u,O,传输特性,O,u,I,u,O,U,T+,U,T-,U,Z,U,Z,门限电压的求法：,根据叠加定理求出同相端电压,u,P,的表达式，当输出状态,变化时,，,与反相端电压,u,N,相等,此时的输入电压,u,I,即,为,门限电压,U,T+,和,U,T,。,