第8章波形的发生和信号的转换.

第八章波形的发生和信号的转换8.1正弦波振荡的基本原理8.2RC正弦波振荡电路8.3LC正弦波振荡电路8.4石英晶体振荡电路8.5比较器8.6方波发生器8.7三角波及锯齿波发生器作业：8.2,8.15,8.16,8.17一.产生自激振荡的条件fidXXX-=改成正反馈只有正反馈电路才能产生自激振荡。8.1正弦波振荡器的基本原理+Xi–f基本放大器A反馈网络FX+doXX如果：,dfXX=则去掉,iX仍有信号输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号。Xi+f基本放大器A反馈网络FX+doXXXdof基本放大器A反馈网络FXXXd=Xf所以，自激振荡条件也可以写成：自激振荡的条件：（1）振幅条件：1||=AF（2）相位条件：pjjnFA2=+n是整数1..=FAAAAj=||因为：FFFj=||..Xdof基本放大器A反馈网络FXX100==XXXXfd..FA二.起振条件和稳幅原理起振条件：结果：产生增幅振荡1||FA（略大于）1、被动：器件非线性2、主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益稳幅过程：起振时，1||FA稳定振荡时，1||=FA稳幅措施：起振过程Xdof基本放大器A反馈网络FXX1.放大电路2.正反馈网络3.选频网络——只对一个频率满足振荡条件，从而获得单一频率的正弦波输出。常用的选频网络有RC选频和LC选频4.稳幅环节——使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小。三.正弦波振荡器的组成及分类正弦波振荡电路的分类：.1正弦波振荡电路RC.2正弦波振荡电路LC变压器反馈式电容反馈式电感反馈式.3路石英晶体正弦波振荡电串联型并联型四.判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤（1）观察电路是否包含了放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节四个组成部分。（2）判断放大电路是否能正常工作。（3）利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相位条件。（4）判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件。8.2RC正弦波振荡电路一.RC串并联网络的选频特性R1C1串联阻抗：212ofZZZUUF+==)j/1(111CRZ+=)j/1//(222CRZ=R2C2并联阻抗：选频特性：++++Ru+-o-fu+12RC12C222j1CRR+=212ZZZF+=通常，取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，则有：)1j(31RCRCF-+=令：RC10=)j(3100ffff-+=RCfp210=)1j()1(112212112CRCRRRCC-+++=22211222j1j1j1CRRCRCRR++++=)j(3100-+=F=F2002)(31ffff-+幅频特性相频特性)(31arctan00Fffff--=j可见：当时，│F│最大，且=0°RCffp210==Fj│F│max=1/3RC串并联网络完整的频率特性曲线：当时，│F│=│F│max=1/30F=jRCffp210==RCfp210=二.RC桥式振荡器的工作原理：0=Aj在f0处,0=Fj满足相位条件：因为：AF=131=F11f+=RRA1f2RR=只需：A=3输出正弦波频率：RCfp210=0=+FAjj振幅条件：引入负反馈：选：uRf1RRRCCuf－A++∞o例题:R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf为多大时才能起振？振荡频率f0=？AF=1，31=F11f+=RRAA=3Rf=2R1=210=20kRCfp210==1592Hz起振条件：uRf1RRRCCuf－A++∞o能自动稳幅的振荡电路半导体热敏电阻(负温度系数）起振时Rt较大使A3,易起振。当uo幅度自激增长时，Rt减小，A减小。当uo幅度达某一值时，A→3。当uo进一步增大时，RT再减小,使A3。因此uo幅度自动稳定于某一幅值。u0.1u10k0.1u－++A∞fu10k10k39k100kotR11f+=RRA能自动稳幅的振荡电路起振时D1、D2不导通，Rf1+Rf2略大于2R1。随着uo的增加，D1、D2逐渐导通，Rf2被短接，A自动下降，起到稳幅作用。将Rf分为Rf1和Rf2，Rf2并联二极管u12ARCo1RR+∞C.+－D1D2Rf1f2RK：双联波段开关，切换R，用于粗调振荡频率。C：双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。振荡频率的调节：_++RfuoRCCR1KKR1R1R2R2R3R3振荡频率：RCfp210=图8.1.9振荡频率连续可调的RC串并联选频网络三.RC移相式振荡电路1.RC移相电路+－－+uofuRRRCCC+－uouf+－RRRCCC（1）RC超前移相电路（2）RC滞后移相电路φAo+90°+180°+270°0°φAo-90°-180°-270°0°u++A∞－+－/=//oR2R1R0RRCCCufRRR01R2.RC移相式振荡电路180=Aj在f0处,180=Fj满足相位条件：0=+FAjjRCfp6210=1.LC并联谐振回路的选频特性RCLZ=0(阻性)LC并联谐振特点：谐振时，总路电流很小，支路电流很大，电感与电容的无功功率互相补偿，电路呈阻性。R为电感和回路中的损耗电阻8.3LC正弦波振荡器LC10=当时，并联谐振。谐振时，电路呈阻性：-+LCRiCiLiuQ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。CLQCQLQRCLZ====000谐振时LC并联谐振电路相当一个大电阻。LC并联谐振回路的幅频特性曲线RLQ0=互感线圈的极性判别1234初级线圈次级线圈同名端1234+–+–在LC振荡器中，反馈信号通过互感线圈引出-+uiLCfu同名端：二.变压器反馈式LC振荡电路工作原理：三极管共射放大器。利用互感线圈的同名端：180=Aj180=Fj360=+FAjj满足相位条件。振荡频率:LCfp210+-++++－－ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU(+)(-)(+)(+)(+)(+)(+)(+)LC正弦波振荡器举例满足相位平衡条件Vb221eLCeccCbb1RRRLC(-)(+)（+）（+）（–）（+）LC正弦波振荡器举例振荡频率:（–）LCfp210满足相位平衡条件VRReb1ccLCCeC2RcC1Rb2振荡频率：LCfp210=三.电感反馈式LC振荡电路uf与uo反相uuCLL12fouuo1LC2Lfuf与uo同相（+）（-）（+）（+）CMLL)2(2121++=p振荡频率：LCfp210=VRccCbcRb1Rb2eLe2CRC1L（+）（+）（-）VCbRLb2b1ccL1eR2CeCR（+）（+）（+）CMLL)2(2121++=p（+）（+）四、电容反馈式LC振荡电路振荡频率：LCfp210=uuf2o1CCLuf与uo反相uuLCoC12fuf与uo同相212121CCCCL+=p（+）（+）（+）（-）振荡频率：LCfp210=VRRReb21eCcc2CLbb1CC（+）（+）（+）212121CCCCL+=p（+）图8.1.22电容反馈式振荡电路的改进CCCC111121++=21,CCCCCC11LCfp210例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。V21CCL+－A∞+RRuo1Rf（+）（+）（-）（+）例8.1.2为使电路产生正弦波振荡，试说明变压器原边线圈和副边线圈的同名端。（+）（+）（+）例8.1.3改正图示电路中的错误，使之有可能产生正弦波振荡。要求不改变放大电路的基本接法。电容反馈Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。8.4石英晶体正弦波振荡电路1.频率稳定问题频率稳定度一般由来衡量0ff——频率偏移量。f0f——振荡频率。LC振荡电路Q——数百石英晶体振荡电路Q——10000500000RLQ0=一.石英晶体2.基本特性1.结构：极板间加电场极板间加机械力晶体机械变形晶体产生电场压电效应：交变电压机械振动交变电压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=固有频率时，振幅最大符号压电谐振3.石英晶体的等效电路与频率特性等效电路：LCfp21s=（1）串联谐振频率特性：晶体等效纯阻且阻值=R0p121CCLCf+=p（2）并联谐振通常0CC0s1CCf+=所以很接近与psffuu石英晶体uuLCCoRfX感性0fsfp容性二.石英晶体振荡电路利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。1.并联型石英晶体振荡器C1,C2与石英的C0并联。谐振频率fp2.串联型石英晶体振荡器石英晶体工作在fs处，呈电阻性，而且阻抗最小，正反馈最强，相移为零,满足振荡的相位平衡条件。对于fs以外的频率，石英晶体阻抗增大,且相移不为零，不满足振荡条件，电路不振荡。fX感性0fsfp容性（+）（+）（+）（+）例：分析下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振荡,石英晶体处于何种状态？VbecRccReb1Rb2CCRCC石英晶体12ccbbee8.5电压比较器将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一定的高低电平。功能：构成：运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。uuu-+－ui+OA∞+uoui0+UOM-UOM1.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UO=+UOM；若U+＜U-则UO=-UOM。虚断（运放输入端电流=0）注意：此时不能用虚短！uuu-+－ui+OA∞+uoui0+UOM-UOMuoui0+UOH-UOL1.过零比较器:（门限电平=0）uoui0+UOH-UOL一.单门限电压比较器uuu-+－ui+OA∞+uu∞-u++iOu－+Atuituo+Uom-Uom例题：利用电压比较器将正弦波变为方波。uuu-+－ui+OA∞+2.单门限比较器（与参考电压比较）uoui0+Uom-UomUREFUREF为参考电压当uiUREF时,uo=+Uom当uiUREF时,uo=-Uom运放处于开环状态uuU+∞++i-uu－AOREFuoui0+Uom-UomUREF当uiUREF时,uo=+Uom当uiUREF时,uo=-Uom若ui从反相端输入uoui0+Uom-UomUREFuuu-+－ui+OA∞+REFuuoui0+UZ-UZ（1）用稳压管稳定输出电压忽略了UD3.限幅电路——使输出电压为一稳定的确定值uuZ+O+-AuZ+DuR－∞i当ui0时,uo=+UZ当ui0时,uo=-UZ（2）稳幅电路的另一种形式：将双向稳压管接在负反馈回路中uoui0+UZ-UZuu+∞+-－u+uAOiDZRR当ui0时,uo=-UZ当ui0时,uo=+UZ二.一般单门限电压比较器0=+uIuRRRu211+=-ITuu=REFuRRR212++-+=uu0212211=+++REFIuRRRuRRRouIuoTuZu+Zu-REFuRR12-=阈值电压：Up=Un时的Ui（a）（b）例8.2.1.图（a）所示电路中，；图（b）所示电路中，，，；输入电压如图示的三角波，画出两个电路的输出电压波形。==KRR521VUz5=VuREF2=VUz6=REFTuRRu12-=VV2)255(-=-=二.滞回比较器1.工作原理——两个门限电压。特点:电路中使用正反馈——运放工作在非线性区。0211uRRRu+=+Iuu=-REFURRR212++-+=uuIuu=-ZREFURRRURRRU2112121T+-+=ZREFURRRURRRU2112122T+++=IUU=T0211212URRRURRRUREF+++=+0211212URRRURRRREF+++=ouIuo1Tu2TuZu+Zu-例8.2.2在如图所示电路中，已知R1=50KΩ,R2=100KΩ,±uz=±9V,输入电压的波形如图所示，试画出输出电压的波形。（a）（b）-+=uuIuu