模拟电子技术基础-第8章-波形的产生和信号的转换.ppt

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1、第第 八八 章章 信号产生电路信号产生电路作业8.18.28.68.88.108.118.128.148.158.208.21 在实践中，广泛采用各种类型的信号产生电路，在实践中，广泛采用各种类型的信号产生电路，就其波形来说，可能是就其波形来说，可能是正弦波正弦波或或非正弦波非正弦波。在通信、广播、电视系统中，都需要射频在通信、广播、电视系统中，都需要射频(高频高频)发射，这里的射频波就是载波，把音频发射，这里的射频波就是载波，把音频(低频低频)、视、视频信号或脉冲信号运载出去，这就需要能产生高频频信号或脉冲信号运载出去，这就需要能产生高频信号的振荡器。信号的振荡器。在工业、农业、生物医学等领

2、域内，如高频感应在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火，超声波焊接，超声诊断，核磁加热、熔炼、淬火，超声波焊接，超声诊断，核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。可见，的振荡器。可见，正弦波振荡电路在各个科学技术正弦波振荡电路在各个科学技术领域的应用是十分广泛的领域的应用是十分广泛的。非正弦信号非正弦信号(方波、锯齿波等方波、锯齿波等)发生器在测量设备、发生器在测量设备、数字系统及自动控制系统中的应用也日益广泛。数字系统及自动控制系统中的应用也日益广泛。学习指导学习指导信号发生器正弦信号发生器RCLC石英晶体非正

3、弦信号发生器方波三角波锯齿波信号发生器,即自激振荡电路,不用外加输入信号直流能源 交流能源(具有一定频率、一定幅度、一定波形（正弦波、非正弦波）)第一节第一节 产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件回忆负反馈放大电路的自激振荡的条件负反馈放大电路有可能自激振荡，这与本章要讨论的振荡有原则区别由于在高频区、低频区放大电路中不可避免（必须考虑三极管的结电容、隔直电容、旁路电容的影响）地存在附加相移，使放大电路在中频区人为引入地负反馈，在高频区、低频区转化为正反馈，当满足一定的幅值和相位条件时，便产生了持续的自激振荡。破坏了系统的正常工作，必须加以消除。对中频信号而言的负反馈向量之差就是正反馈就是

4、负反馈即即在放大电路中人为引入正反馈（对放大电路的中频区而言），并使之满足一定的幅值和相位条件而产生自激振荡。要创造条件使自激振荡出现。自激振荡是正反馈的一个特例二、正弦波电压振荡电路的四个二、正弦波电压振荡电路的四个组成部分组成部分基本电压放大电路 正反馈网络 选频网络 稳幅环节 RC RC 振荡器振荡器 低频低频1MHZ1MHZ1MHZ石英晶体 稳稳幅幅的的作作用用就就是是，当当输输出出信信号号幅幅值值增增加加到到一一定定程程度度时时，使使振振幅平衡条件幅平衡条件从起振时的从起振时的AF1 到稳定振荡时的到稳定振荡时的AF=1由于放大电路的非线性特性，随着由于放大电路的非线性特性，随着ui

5、d的增加，的增加，A在减小（因在减小（因为为uid的增加使三极管的动态工作范围进入饱和区和截止区，的增加使三极管的动态工作范围进入饱和区和截止区，输出波形被削顶、削底，电压放大倍数减小）当输出波形被削顶、削底，电压放大倍数减小）当AF=1时，输时，输出达到稳定，这时输出波形有失真。出达到稳定，这时输出波形有失真。起振与稳幅起振与稳幅电路如何从起振到稳幅？电路如何从起振到稳幅？稳定的稳定的振幅振幅非线性环节非线性环节的必要性！的必要性！也可以使F降低，这样可以保证输出不失真还可以在基本放大电路中引入负反馈（由非线性电阻引入），使放大倍数可以根据输出变化而调整，而放大电路中的三极管的动态工作范围一

6、直处在放大区正弦波信号发生器根据选频网络的分类正弦波信号发生器根据选频网络的分类常用选频网络所用元件分类：常用选频网络所用元件分类：1)RC正弦波振荡电路：几百正弦波振荡电路：几百千赫千赫以下以下2)LC正弦波振荡电路：几百正弦波振荡电路：几百千赫千赫几百几百兆赫兆赫3)石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定稳定1.电路组成电路组成反馈网络兼做选频网络反馈网络兼做选频网络反馈系数反馈系数2.RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性幅频响应幅频响应又又且令且令则则相频响应相频响应当当幅频响应有最大值幅频响应有最大值相频响应相频响应在所有频率范围内，在+9

7、0和-90之间三、判断电路是否满足相位平衡条件的方法三、判断电路是否满足相位平衡条件的方法对于 的正弦信号而言，可以成立 四、四、RC正弦波电压振荡电路自激正弦波电压振荡电路自激振荡的建立过程和振幅的稳定振荡的建立过程和振幅的稳定五、稳幅的其它措施五、稳幅的其它措施（一）采用热敏元件稳幅（一）采用热敏元件稳幅（二）采用场效应管稳幅（二）采用场效应管稳幅（三）采用二极管稳幅（三）采用二极管稳幅采用非线性元件采用非线性元件4热敏元件热敏元件热敏电阻热敏电阻起振时，起振时，即即热敏电阻的作用热敏电阻的作用稳幅稳幅采用非线性元件采用非线性元件4场效应管（场效应管（JFETJFET）稳幅原理稳幅原理稳幅

8、稳幅整流滤波整流滤波T 压控电阻压控电阻可变电阻区，斜率可变电阻区，斜率随随vGS不同而变化不同而变化整流滤波整流滤波第第10章章4二极管二极管 当当输出幅值很小时输出幅值很小时，二极，二极管管D1、D2接近开路，由接近开路，由D1、D2和和R3组成的并联支路的等组成的并联支路的等效电阻近似为效电阻近似为2.7千欧，千欧，A约约3.3，3，有利于起振。，有利于起振。当当输出幅值较大时输出幅值较大时，二极，二极管管D1或或D2导通，由导通，由D1、D2和和R3组成的并联支路的等效组成的并联支路的等效电阻减小，电阻减小，A随之下降，输随之下降，输出幅值趋于稳定。出幅值趋于稳定。频率可调的频率可调的

9、文氏桥振荡器文氏桥振荡器 改变电容以粗调，改变电改变电容以粗调，改变电位器滑动端以微调。位器滑动端以微调。加稳压管可以限制输出电加稳压管可以限制输出电压的峰压的峰-峰值。峰值。同轴同轴电位器电位器作业 8.7讨论一：讨论一：合理连接电路，组成文氏桥振荡电路合理连接电路，组成文氏桥振荡电路8.1.3 LC正弦波振荡电路1.1.等效阻抗等效阻抗LC并联谐振回路选频特性并联谐振回路选频特性等效损耗电阻等效损耗电阻一般有一般有则则即即 时，时，电路发生电路发生谐振谐振。为谐振频率为谐振频率谐振时阻抗最大且为纯阻性谐振时阻抗最大且为纯阻性其中其中为为品品质质因因数数，评评价价回回路路损损耗耗大小的指标大

10、小的指标同时有同时有即即外界对谐振回路的影响可忽略VO与IS同相2.频率响应频率响应LC并联谐振回路选频特性并联谐振回路选频特性谐振回路具谐振回路具有选频特性有选频特性变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 电感反馈式电感反馈式LC振荡电路，电感三点式振荡电路，电感三点式电容反馈式LC振荡电路，电容三点式电容三点式电容三点式电容三点式电感三点式电感三点式谐振回路的三个谐振回路的三个引出端与三极管引出端与三极管的三个电极相连的三个电极相连(指交流连接指交流连接),其其中两个同性质电中两个同性质电抗的公共点与发抗的公共点与发射极相连射极相连,而另一而另一个异性电抗则连个异性电抗则连在集电极与

11、基极在集电极与基极间。间。总结：对分立元件放大电路电容三点式电容三点式电感三点式电感三点式谐振回路的三个引谐振回路的三个引出端与集成运放的出端与集成运放的三个端子三个端子(同相端、同相端、反相端、输出端反相端、输出端)相相连连(指交流连接指交流连接),),其其中两个同性质电抗中两个同性质电抗的公共点与同相端的公共点与同相端相连，而另一个异相连，而另一个异性电抗则连在反相性电抗则连在反相端与输出端之间。端与输出端之间。总结：对运放作为放大电路一般情况下，不用一般情况下，不用运放，只用分立元运放，只用分立元件，因为运放的上件，因为运放的上限截止频率低限截止频率低例题讨论三讨论三同名端？同名端？能产

12、生正弦能产生正弦波振荡吗？波振荡吗？注意事项：注意事项：1.放大电路必须能够正常工作，放大电路的基本接法；放大电路必须能够正常工作，放大电路的基本接法；2.断开反馈，在断开处加断开反馈，在断开处加 f=f0的输入电压；的输入电压；3.找出在哪个元件上获得反馈电压，是否能取代输入电压。找出在哪个元件上获得反馈电压，是否能取代输入电压。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。石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路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 来衡量来衡量频率偏移量。频率偏移量。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

13、电路石英晶体振荡电路 Q 10000 500000石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路2.2.石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效电路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。压电谐振压电谐振石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路2.石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效电路等效电路等效电路

14、A.串联谐振串联谐振特性特性 晶晶体体等等效效阻阻抗抗为纯阻性为纯阻性B.并联谐振并联谐振通常通常所以所以电路电路 石英晶体工作在哪个区？石英晶体工作在哪个区？是哪种典型的正弦波振荡是哪种典型的正弦波振荡电路？电路？石英晶体工作在哪个区？石英晶体工作在哪个区？两级放大电路分别为哪种两级放大电路分别为哪种基本接法？基本接法？C1的作用？的作用？（1）并联型电路）并联型电路（2）串联型电路）串联型电路8.2 电压比较器一、概述二、单限比较器三、滞回比较器四、窗口比较器五、集成电压比较器一、概述一、概述1.电压比较器的功能：比较电压的大小。电压比较器的功能：比较电压的大小。广泛用于各种报警电路。广泛

15、用于各种报警电路。输入电压是连续的模拟信号；输出电压表示比较的结输入电压是连续的模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况。果，只有高电平和低电平两种情况。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。2.电压比较器的描述方法电压比较器的描述方法:电压传输特性电压传输特性 uOf(uI)电压传输特性的三个要素：电压传输特性的三个要素：（1）输出高电平）输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL（2）阈值电压阈值电压UT（3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向3.几种常用的电压比较器几种常用的电压比较器

16、（1）单限比较器：只有一个阈值电压）单限比较器：只有一个阈值电压（3）窗口比较器：）窗口比较器：有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。（2）滞回比较器：具有滞回特性）滞回比较器：具有滞回特性 输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。回差电压单调变化使输出电压只跃变一次。回差电压4 4、集成运放的非线性工作区、集成运放的非线性工作区电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈集成运放工作在非线性区的特点集成

17、运放工作在非线性区的特点1)净输入电流为净输入电流为0（虚断）（虚断）2)uP uN时，时，uOUOM uP 0 时时 uO UOM;uI 0 时时 uO UOM 集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运放的输入端，需加输入端限幅电路。放的输入端，需加输入端限幅电路。集成运放的净输入集成运放的净输入电压最大值为电压最大值为UD 输输入入为为正正负负对对称称的的正正弦弦波波时，输出为方波。时，输出为方波。电压传输特性电压传输特性（同相过零比较器）（同相过零比较器）思考思考 1.1.若若过过零零比比较较器器如如图图所所示示，则则它它的电压传输特性

18、将是怎样的？的电压传输特性将是怎样的？2.2.输输入入为为正正负负对对称称的的正正弦弦波波时时，输出波形是怎样的？输出波形是怎样的？（同相过零比较器）（同相过零比较器）反相过零比较器反相过零比较器门限电压不为零的比较器门限电压不为零的比较器电压传输特性电压传输特性 输输入入为为正正负负对对称称的的正正弦弦波波时，输出波形如图所示。时，输出波形如图所示。门限电压门限电压Vth VREFVREF可正可负可正可负输出限幅电路输出限幅电路 为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。UOH UZ1 UD2 UOL(UZ2 UD1)UOH UOL UZUO

19、H UZ UOL UD 不可缺少！不可缺少！输出限幅电路输出限幅电路uO UZ（1）保护输入端）保护输入端（2）加速集成运放状态的转换）加速集成运放状态的转换电压比较器的分析方法：电压比较器的分析方法：（1 1）写出写出 uP、uN的表达式，的表达式，令令uP uN，求解出的求解出的 uI即为即为UT；（2 2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；（3 3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出输出电压电压的跃变方向。的跃变方向。2.一般单限比较器一般单限比较器（1）若要）若要UTURH时，

20、时，uO1=uO2=UOM，D1导通，导通，D2截止；截止；uO=UZ。当当uIURH时，时，uO2=uO1=UOM，D2导通，导通，D1截止；截止；uO=UZ。当当URLuI URH时，时，uO1=uO2=UOM，D1、D2均截止；均截止；uO=0。特点：特点：1.无需限幅电路，根据电源电压确定所需高、低电平；无需限幅电路，根据电源电压确定所需高、低电平；2.可直接驱动集成数字电路；可直接驱动集成数字电路；3.响应速度快；响应速度快；4.可具有选通端；可具有选通端；5.电源电压升高，工作电流增大，工作速度加快。电源电压升高，工作电流增大，工作速度加快。五、集成比较器五、集成比较器某型号集成比

21、较器的等效电路某型号集成比较器的等效电路讨论二讨论二 已知某型号集成电压比较器内部等效电路如图（已知某型号集成电压比较器内部等效电路如图（a）所示，所示，试求解图（试求解图（b）（）（e）各电路的电压传输特性。各电路的电压传输特性。讨论三讨论三 已知各电压比较器的电压传输特性如图所示，说出它已知各电压比较器的电压传输特性如图所示，说出它们各为哪种电压比较器；输入电压为们各为哪种电压比较器；输入电压为5sint(V)，画出各画出各电路输出电压的波形。电路输出电压的波形。你你能能分别组成具有图分别组成具有图示电压传输特性的电压示电压传输特性的电压比较器电路吗？比较器电路吗？同相输入同相输入单限比较

22、器单限比较器反相输入反相输入滞回比较器滞回比较器窗口窗口比较器比较器讨论四：讨论四：求解图示各电路的电压传输特性。求解图示各电路的电压传输特性。8.3 8.3 非正弦波发生电路非正弦波发生电路一、常见的非正弦波二、矩形波发生电路三、三角波发生电路四、锯齿波发生电路五、波形变换电路一、常见的非正弦波一、常见的非正弦波矩形波矩形波三角波三角波锯齿波锯齿波尖顶波尖顶波阶梯波阶梯波矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。二、矩形波发生电路 输出无稳态，有两个暂态；若输出为高电平时输出无稳态，有两个暂态；若输出为高电平时定义为第一暂态，则输出为低电平为

23、第二暂态。定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。1.基本组成部分基本组成部分 （1）开关电路：输出只有高电平和低电平两种）开关电路：输出只有高电平和低电平两种情况，称为两种状态；因而采用电压比较器。情况，称为两种状态；因而采用电压比较器。（2）反馈网络：自控，在输出为某一状态时孕）反馈网络：自控，在输出为某一状态时孕育翻转成另一状态的条件。应引入反馈。育翻转成另一状态的条件。应引入反馈。（3）延迟环节：使得两个状态均维持一定的时）延迟环节：使得两个状态均维持一定的时间，决定振荡频率。间，决定振荡频率。利用利用RC电路实现。电路实现。2.电路组成电路组成正向充电：正向充电：uO（+UZ）RC

24、地地反向充电：反向充电：地地C R uO（UZ）RC 回路回路滞回比较器滞回比较器3.工作原理：分析方法工作原理：分析方法方法一：方法一：方法一：方法一：设电路已振荡，且在某一暂态，看是否能自动翻设电路已振荡，且在某一暂态，看是否能自动翻转为另一暂态，并能再回到原暂态。转为另一暂态，并能再回到原暂态。方法二：方法二：方法二：方法二：电路合闸通电，分析电路是否有两个暂态，而无电路合闸通电，分析电路是否有两个暂态，而无稳态。稳态。设合闸通电时电容上电压为设合闸通电时电容上电压为0，uO上升，则产生正反馈过程：上升，则产生正反馈过程：uO uN uO，直至直至 uOUZ，uP+UT，第一暂态。第一暂

25、态。3.工作原理：分析工作原理：分析 电容正向充电，电容正向充电，t uN，t，uN UZ；但当但当uN+UT时，再时，再增大，增大，uO从从+UZ跃变为跃变为-UZ，uPUT，电路进入第二暂态。电路进入第二暂态。电容反向充电，电容反向充电，t uN，t，uN-UZ；但当但当uN UT时，再减小，时，再减小，uO从从-UZ跃变为跃变为+UZ，uP+UT，电路返回电路返回第一暂态。第一暂态。第一暂态：第一暂态：uOUZ，uP+UT。脉冲宽度脉冲宽度4.波形分析波形分析 正向充电和反向充电时间常数可正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。调，占空比就可调。5.占空比可调电路占空比可调电路为了

26、占空比调节范围大，为了占空比调节范围大，R3应如何取值？应如何取值？三、三角波发生电路 1.电路组成电路组成 用积分运算电路可将方波变为三角波。用积分运算电路可将方波变为三角波。两个两个RC环节环节实际电路将两个实际电路将两个RC 环节合二为一环节合二为一为什么采用同相输为什么采用同相输入的滞回比较器？入的滞回比较器？uO要取代要取代uC，必须改变输入端。必须改变输入端。集成运放应用电路的分析方法：集成运放应用电路的分析方法：化整为零（分块），分析功能（每块），统观整体，性能估算化整为零（分块），分析功能（每块），统观整体，性能估算2.工作原理工作原理滞回比较器滞回比较器积分运算电路积分运算电

27、路求滞回比较器的电压传输特性：三要素求滞回比较器的电压传输特性：三要素 UOH、UOL，UT，uI过过UT时曲线的跃变方向。时曲线的跃变方向。合闸通电，通常合闸通电，通常C 上电压为上电压为0。设。设uO1 uP1 uO1，直至直至uO1 UZ（第一暂态）；积分电路反向积分，第一暂态）；积分电路反向积分，t uO，一旦一旦uO过过 UT，uO1从从 UZ跃变为跃变为 UZ（第二暂态）第二暂态）。积分电路正向积分，积分电路正向积分，t uO，一旦一旦uO过过 UT，uO1从从 UZ跃变为跃变为 UZ，返回第一暂态。重复上述过程，产生周期性的返回第一暂态。重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。变

28、化，即振荡。电路状态翻转时，电路状态翻转时，uP1=?三角波发生电路的振荡原理三角波发生电路的振荡原理3.波形分析波形分析 如何调整三角波的幅值和频率？如何调整三角波的幅值和频率？为什么为三角波？怎样获得锯齿波？为什么为三角波？怎样获得锯齿波？“理性地调试理性地调试”：哪：哪些参数与幅值有关？哪些参数与幅值有关？哪些参数与频率有关？先些参数与频率有关？先调哪个参数？调哪个参数？四、锯齿波发生电路四、锯齿波发生电路1.R3应大些？应大些？小小些？些？2.RW的滑动端在最上的滑动端在最上端和最下端时的波形？端和最下端时的波形？T3.R3短路时的波形？短路时的波形？讨论一已知已知uO1和和uO2的峰的峰-峰值均为峰值均为12V，二极管为理想二极管。二极管为理想二极管。1.求出稳压管的稳压值求出稳压管的稳压值UZ和和R4的阻值；的阻值；2.定性画出定性画出uO1、uO2的波形图；的波形图；3.求解求解的表达式。的表达式。讨论二讨论二现有频率为现有频率为1kHz的正弦波的正弦波ui，实现下列变换：实现下列变换：1kHz的正弦波的正弦波ui2kHz的正弦波的正弦波2kHz的的方波方波2kHz的的三角波三角波稳压管和电阻稳压管和电阻R4R4构成稳幅构成稳幅电路，使输出电压为电路，使输出电压为10V10V。R1R1、R2R2构成正反馈电路构成正反馈电路,使使 阈值电压阈值电压