1、,第八章波形的發(fā)生與信號的轉(zhuǎn)換,8.1正弦波振蕩器的基本原理,本章目錄,總目錄,點擊即可進(jìn)入學(xué)習(xí),8.2RC正弦波振蕩電路,8.3LC正弦波振蕩電路,8.4石英晶體振蕩電路,8.5電壓比較器,8.6非正弦波發(fā)生電路,習(xí)題解答,一.產(chǎn)生自激振蕩的條件,只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。,8.1正弦波振蕩器的基本原理,反饋信號代替了放大電路的輸入信號。,Xd=Xf,所以，自激振蕩條件也可以寫成：,自激振蕩的條件：,1、振幅條件：,二.起振條件和穩(wěn)幅原理,起振條件：,結(jié)果：產(chǎn)生增幅振蕩,（略大于）,1、被動穩(wěn)幅：器件非線性2、主動穩(wěn)幅：在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)放大電路的增益。,穩(wěn)幅過程

2、：,起振時，,穩(wěn)定振蕩時，,穩(wěn)幅措施：,1.放大電路實現(xiàn)能量控制。2.正反饋網(wǎng)絡(luò)滿足起振條件。3.選頻網(wǎng)絡(luò)只有一個頻率滿足振蕩條件，從而獲得單一頻率的正弦波輸出。常用的選頻網(wǎng)絡(luò)有RC選頻和LC選頻4.穩(wěn)幅環(huán)節(jié)使電路易于起振又能穩(wěn)定振蕩，波形失真小。,三.正弦波振蕩器的一般組成,8.2RC正弦波振蕩電路,一.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性,R1C1串聯(lián)阻抗：,R2C2并聯(lián)阻抗：,選頻特性：,1.定性分析,（1）當(dāng)信號的頻率很低時。,R1,R2,其低頻等效電路為：,其頻率特性為：,當(dāng)=0時，uf=0，F(xiàn)=0=+90,當(dāng)時，uf=，F(xiàn),（2）當(dāng)信號的頻率很高時。,R1,R2,其高頻等效電路為：,其頻率特性

3、為：,當(dāng)=時，uf=0，F(xiàn)=0=-90,當(dāng)時，uf=，F(xiàn),0=？Fmax=？,由以上分析知：一定有一個頻率0存在，當(dāng)=0時，F(xiàn)最大，且=0,頻率很低,頻率很高,2.定量分析,R1C1串聯(lián)阻抗：,R2C2并聯(lián)阻抗：,通常，取R1R2R，C1C2C，則有：,式中：,可見：當(dāng)時，F(xiàn)最大，且=0,Fmax=1/3,RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)完整的頻率特性曲線：,當(dāng)時，F(xiàn)=Fmax=1/3,二.RC橋式振蕩器的工作原理,在f0處,滿足相位條件：,因為：,AF=1,只需：A=3,振幅條件：,引入負(fù)反饋：,選：,RC橋式正弦波振蕩電路,反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成橋路,EWB仿真,例題:R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf為多大

4、時才能起振？振蕩頻率f0=？,AF=1，,A=3,Rf=2R1=210=20k,=1592Hz,起振條件：,能自動穩(wěn)幅的振蕩電路,起振時Rt較大使A3,易起振當(dāng)uo幅度自激增長時，Rt減小，A減小。當(dāng)uo幅度達(dá)某一值時，A3當(dāng)uo進(jìn)一步增大時，RT再減小,使A3。因此uo幅度自動穩(wěn)定于某一幅值。,能自動穩(wěn)幅的振蕩電路,起振時D1、D2不導(dǎo)通，Rf1+Rf2略大于2R1。隨著uo的增加，D1、D2逐漸導(dǎo)通，Rf2被短接，A自動下降，起到穩(wěn)幅作用。,將Rf分為Rf1和Rf2，Rf2并聯(lián)二極管,K：雙聯(lián)波段開關(guān)，切換R，用于粗調(diào)振蕩頻率。,C：雙聯(lián)可調(diào)電容，改變C，用于細(xì)調(diào)振蕩頻率。,振蕩頻率的調(diào)節(jié)

5、：,一、LC并聯(lián)諧振回路的選頻特性,(阻性),LC并聯(lián)諧振特點：諧振時，總路電流很小，支路電流很大，電感與電容的無功功率互相補償，電路呈阻性。,R為電感和回路中的損耗電阻,8.3LC正弦波振蕩器,當(dāng)時，,產(chǎn)生并聯(lián)諧振。,諧振時，電路呈阻性：,Q為諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，Q值越大，曲線越陡越窄，選頻特性越好。,諧振時LC并聯(lián)諧振電路相當(dāng)一個大電阻。,LC并聯(lián)諧振回路的幅頻特性曲線,互感線圈的極性判別,初級線圈,次級線圈,在LC振蕩器中，反饋信號通過互感線圈引出,同名端：,二.變壓器反饋式LC振蕩電路,工作原理：,三極管共射放大器:,利用互感線圈的同名端：,滿足相位條件。,振蕩頻率:,判斷是否是滿足相

6、位條件相位平衡法：,斷開反饋到放大器的輸入端點，假設(shè)在輸入端加入一正極性的信號，用瞬時極性法判定反饋信號的極性。若反饋信號與輸入信號同相，則滿足相位條件；否則不滿足。,(+),(-),(+),(+),(+),(+),(+),LC正弦波振蕩器舉例,滿足相位平衡條件,（+）,（+）,（）,（+）,LC正弦波振蕩器舉例,振蕩頻率:,（）,滿足相位平衡條件,例有以下三個變壓器反饋式的電路，試分析能否滿足相位平衡條件？,都能滿足相位平衡條件,仍然由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò),三.三點式LC振蕩電路,原理：,uf與uo反相,uf與uo同相,電感三點式：,電容三點式：,uf與uo反相,uf與uo同相,uf

7、與uo反相,uf與uo同相,電感三點式：,電容三點式：,uf與uo反相,uf與uo同相,中間點交流接地，則首尾端相位相反,首端或尾端交流接，則余下不接地兩點相位相同,1.電感三點式LC振蕩電路,振蕩頻率：,滿足相位平衡條件,滿足相位平衡條件,2.電容三點式LC振蕩電路,振蕩頻率：,例：試判斷下圖所示三點式振蕩電路是否滿足相位平衡條件。,滿足相位平衡條件,Q值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。,8.4石英晶體振蕩電路,頻率穩(wěn)定問題,頻率穩(wěn)定度一般由來衡量,頻率偏移量。,振蕩頻率。,LC振蕩電路Q數(shù)百,石英晶體振蕩電路Q10000500000,一.石英晶體,2.基本特性,1.結(jié)構(gòu)：,極板間加電場,極

8、板間加機械力,壓電效應(yīng)：,交變電壓,機械振動的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高。,當(dāng)交變電壓頻率=固有頻率時，振幅最大,3.石英晶體的等效電路與頻率特性,等效電路：,靜電電容（平行板電容）約幾幾十皮法,模擬晶體機械振動慣性10-310-2H,晶體彈性電容10-410-1pF,模擬機械振動摩擦損耗，很小,又因加工精度很高，所以能獲得很高的頻率穩(wěn)定度。,因L大，C、R小，則,等效電路：,（1）串聯(lián)諧振,頻率特性：,晶體等效純阻且阻值0,（2）并聯(lián)諧振,通常,所以,二.石英晶體振蕩電路,利用石英晶體的高品質(zhì)因數(shù)的特點，構(gòu)成LC振蕩電路。,1.并聯(lián)型石英晶體振蕩器,石英晶體工作在fs與fp之間，相當(dāng)一

9、個大電感，與C1、C2組成電容三點式振蕩器。由于石英晶體的Q值很高，可達(dá)到幾千以上，所以電路可以獲得很高的振蕩頻率穩(wěn)定性。,2.串聯(lián)型石英晶體振蕩器,石英晶體工作在fs處，呈電阻性，而且阻抗最小，正反饋最強，相移為零,滿足振蕩的相位平衡條件。對于fs以外的頻率，石英晶體阻抗增大,且相移不為零，不滿足振蕩條件，電路不振蕩。,思考：下圖的振蕩電路能否產(chǎn)生振蕩，若產(chǎn)生振蕩,石英晶體處于何種狀態(tài)？,8.5電壓比較器,將一個模擬電壓信號與一參考電壓相比較，輸出一定的高低電平。,功能：,構(gòu)成：,運放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關(guān)系uo=f(ui)是非線性函數(shù)。,1.運放工作在非線性狀態(tài)的判定：電

10、路開環(huán)或引入正反饋。,運放工作在非線性狀態(tài)基本分析方法,2.運放工作在非線性狀態(tài)的分析方法：若U+U-則UO=+UOM；若U+U-則UO=-UOM。虛斷（運放輸入端電流=0）注意：此時不能用虛短！,1.過零比較器:（門限電平=0）,一.單門限電壓比較器,例題：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā?2.單門限比較器（與參考電壓比較）,UREF,UREF為參考電壓,當(dāng)uiUREF時,uo=+Uom當(dāng)uiUREF時,uo=-Uom,運放處于開環(huán)狀態(tài),UREF,當(dāng)uiUREF時,uo=-Uom,若ui從反相端輸入,（1）用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓,忽略了UD,3.限幅電路使輸出電壓為一穩(wěn)定的確定值,當(dāng)ui0時,

11、uo=+UZ當(dāng)ui0時,uo=-UZ,（2）穩(wěn)幅電路的另一種形式：將雙向穩(wěn)壓管接在負(fù)反饋回路中,當(dāng)ui0時,uo=-UZ當(dāng)ui0時,uo=+UZ,二.遲滯比較器,1.工作原理兩個門限電壓。,特點:電路中使用正反饋運放工作在非線性區(qū)。,（1）當(dāng)uo=+UZ時，,（2）當(dāng)uo=-UZ時，,UT+稱上門限電壓UT-稱下門限電壓(UT+-UT-)稱為回差電壓,遲滯比較器的電壓傳輸特性：,設(shè)ui,當(dāng)ui=UT-時,uo從-UZ+UZ,這時,uo=-UZ,u+=UT-,設(shè)初始值:uo=+UZ,u+=UT+設(shè)ui,當(dāng)ui=UT+時,uo從+UZ-UZ,EWB仿真,同相滯回比較器電壓傳輸特性,反相滯回比較器電

12、壓傳輸特性,從運放的反相輸入端輸入,從運放的同相輸入端輸入,例題：Rf=10k，R2=10k，UZ=6V，UREF=10V。當(dāng)輸入ui為如圖所示的波形時，畫出輸出uo的波形。,上下限電壓：,三、窗口電壓比較器,三態(tài)電壓比較器,D2導(dǎo)，D1截，,D2截，D1導(dǎo)，,D2截，D1截，,四、集成比較器,1.LM311型集成比較器,特點：電源電壓可以單組+5V，也可15V，適應(yīng)范圍寬；輸出與TTL或CMOS平兼容；可以直接驅(qū)動多種負(fù)載（燈泡、繼電器等）。,LM311的幾種實際連接,集電極輸出連接,集電極輸出連接,發(fā)射極輸出連接,2.MC14574（CMOS）集成四電壓比較器,MC14574比較器電路原理

13、圖,MC14574比較器引腳排列圖,1.電路結(jié)構(gòu),由滯回比較電路和RC定時電路構(gòu)成,上下限:,8.6非正弦波發(fā)生電路,一、方波（矩形波）發(fā)生器,EWB仿真,2.工作原理：,(1)設(shè)uo=+UZ,此時，uO給C充電,uc，,則：u+=UT+,一旦ucUT+,就有u-u+,uo立即由UZ變成UZ。,在ucUT+時，,u-u+,設(shè)uC初始值uC(0+)=0,方波發(fā)生器,uo保持+UZ不變,此時，C向uO放電,再反向充電,(2)當(dāng)uo=-UZ時，,u+=UT-,uc達(dá)到UT-時，uo上跳。,當(dāng)uo重新回到UZ后，電路又進(jìn)入另一個周期性的變化。,完整的波形：,如何計算振蕩周期T？,周期與頻率的計算：,T

14、=T1+T2=2T2,T2階段uc(t)的過渡過程方程為:,令t=0,t=T/2,周期與頻率的計算：,令t=0,t=T/2,代如可推出:,f=1/T,3、占空比可調(diào)的方波發(fā)生器,改變電位器RW的滑動端，就改變了沖放電的時間，從而使方波的占空比可調(diào)。,可見：調(diào)節(jié)電位器可改變占空比，不可改變周期。,二、三角波及鋸齒波信號發(fā)生器,電路結(jié)構(gòu)：遲滯比較器+反相積分器,1.三角波發(fā)生器,工作原理：,對輸出有上下限電壓：,EWB仿真,若uo1=+UZ，uo2。,當(dāng)u02-UT時，uo1由+UZ翻轉(zhuǎn)為-UZ,若uo1=-UZ，uo2。,當(dāng)u02+UT時，uo1由-UZ翻轉(zhuǎn)為+UZ,同相滯回,波形圖,同相滯回,

15、當(dāng)u02-UT時,uo1由+UZ翻轉(zhuǎn)為-UZ,當(dāng)u02+UT時,uo1由-UZ翻轉(zhuǎn)為+UZ,若uo1=-UZ，uo2。,若uo1=+UZ，uo2。,波形圖,振蕩周期：,振蕩頻率：,2.鋸齒波發(fā)生器,改變積分器的正反向充電時間常數(shù)，從而改變占空比。,uo1=+UZ，D截止，充電時間常數(shù)：R4C。,uo1=-UZ，D導(dǎo)通，充電時間常數(shù)：(R6R4)CR6C。,R6R4,R6R4,波形圖,T1,同相滯回,當(dāng)u02-UT時,uo1由+UZ翻轉(zhuǎn)為-UZ,當(dāng)u02+UT時,uo1由-UZ翻轉(zhuǎn)為+UZ,若uo1=-UZ，uo2。,若uo1=+UZ，uo2。,三、單片集成多功能函數(shù)發(fā)生器,一、單片集成ICL8038型多功能函數(shù)發(fā)生器,特點：有正弦波、矩形波、三角波（鋸齒波）三種波形輸出；矩形波的占空比任意調(diào)節(jié)，頻率范圍為0.001Hz1MHz，失真度0.1%。,ICL8038的引腳圖,電路外形為雙