信号产生电路

Home8.1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内容简介1.正弦波振荡电路的振荡条件++AFoXiXdXfXAFoXdXfXfidXXX若环路增益1FA则，XXfd又fafaAFFAFA去掉，iXoX仍有稳定的输出。所以振荡条件为：1FA1)()(FA振幅平衡条件n2)()(fa相位平衡条件即1)()(ωFωA起振条件问题1：振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？电路器件内部噪声。振荡电路中的选频网络，只使噪声中某一频率0满足相位平衡条件，形成正反馈，成为振荡电路的输出信号；而其它频率的信号，则不满足相位平衡条件，逐渐被抑制掉。问题2：电路器件的内部噪声不是单一频率噪声，而电路输出的是单一频率的正弦波，如何实现？问题3：起振条件是否意味着输出电压将越来越大，趋于无穷？1)()(ωFωA振荡电路中的稳幅环节，将限制输出信号幅度无限增长，当输出信号达到一定值后，将使其稳定。一是可以另加稳幅电路；二是直接依靠放大电路中晶体管的非线性作用实现。正弦波振荡电路的组成：•放大电路：能量控制，保证输出信号的幅度；•选频网络：确定输出信号为单一频率的正弦信号；•反馈网络：引入正反馈；•稳幅环节：使输出信号幅值稳定。其中选频网络往往与反馈网络合二为一；振荡电路中的稳幅环节，在分立元件放大电路中常依靠放大电路中晶体管的非线性作用实现，而不另加稳幅电路。oXdXfX放大电路反馈与选频网络2.RC正弦波振荡电路R1RfCCRoUfUA-+RCCRoUfURffffjRCRCjCjRCjRCjRUUFof00311311//11//200231ffffFffffF0031arctan200231ffffFffffF0031arctan31F0ffo90F0ffo90o0031FoFff，时，当荡。条件，电路能够产生振和幅度平衡同时满足相位平衡条件，此时，则若13FAA3A起振条件：即为振荡频率，RCfo21原因：要提高其振荡频率，必须减小R和C的值，放大器的输出电阻和晶体管的极间电容将影响其选频特性，输出频率不稳定。何限制？的取值有和则电路中，根据起振条件：13RRAfR1RfCCRoUfUA-+R11231RRRRAff，和幅度？如何调节振荡器的频率仿真RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于1MHz的正弦波。R1RTCCRoUfUA-+R稳幅措施热敏元件：RT二极管R1RfCCRoUfUA-+RTPUTRoTuRAUouodDodfuAUriURrRA113.LC正弦波振荡电路(1)LC并联谐振回路选频特性2222)()(j1jLRLCjLRRLRCYLCQLCLR11111112200谐振频率:10RLQ品质因数:LC10CLRRCQ110)()1j(j1)j(1RLCLRCLLRCjLRCjZCLXQXQRQCLRZLC2220011时，当谐振时，阻抗最大，且为纯阻性，无附加相移。(2)变压器反馈式LC正弦波振荡电路虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的Q值很高，选频特性好，所以仍能选出0的正弦波信号。(1)相位平衡条件(2)幅值平衡条件(3)稳幅(4)选频通过选择高值的BJT和调整变压器的匝数比，可以满足，1FA电路可以起振。BJT进入非线性区，波形出现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目的。仿真优点：易于产生振荡，输出波形失真不大。缺点：耦合不紧密，损耗较大，振荡频率的稳定性不高。(3)电感反馈式正弦波振荡电路优点：耦合紧，振幅大；振荡频率高，调节范围宽。缺点：输出波形不够好，含有高次谐波。L2L1Cecb电感三点式优点：输出波形好；振荡频率高。缺点：频率调节范围窄。(4)电容反馈式正弦波振荡电路C2C1Lecb电容三点式C3仿真•“三点式”振荡电路相位平衡条件的简单判别方法C2C1LecbL2L1CecbX2X1XecbX1、X2为同性质的电抗元件，与X为不同性质的电抗元件，则满足振荡的相位平衡条件。或：发射极e接两个同性质的电抗元件，基极b和集电极c接两个不同性质的电抗元件，则满足振荡的相位平衡条件。(5)石英晶体正弦波振荡电路•石英晶体的基本特性与等效电路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。压电谐振压电效应LC1s串联谐振频率：)(110000pCCfCCfCCCCLss并联谐振频率：因为fs和fp越接近，石英晶体呈感性的区域（fsffp）就越窄，其选择性就越好。石英晶体的品质因数很高，Q=104106；振荡频率取决于石英晶体的固有频率，具有很高的频率稳定度。•石英晶体正弦波振荡电路JTC2C1C并联型石英晶体振荡电路Rc+VccRb2TRb1ReCeT2RfJTCb串联型石英晶体振荡电路Rc+VccRb2T1Rb1Re1Re2小结本讲主要介绍了以下基本内容：正弦波振荡电路：重点掌握正弦波振荡的平衡条件，并能够依据相位平衡条件正确判断电路是否可能产生振荡；非正弦波发生电路：正确理解由集成运放构成的矩形波、三角波和锯齿波发生电路的工作原理、波形和参数。信号转换电路：了解信号转换电路的工作原理。1.理想集成运放工作于非线性区电路中没有引入负反馈或引入的是正反馈，理想运放工作于非线性区。因其放大倍数趋于无穷大，所以输出电压只有两种可能：uuUuuUuoOLOH0所以，,因为iiriduoUOLUOHu+-u-OA-+u+uou-i+i-i+A+-u-uou+i-反馈网络2.过零比较器0)0(0)0(uuuuUuuuuUuiiiioOLOHuoUOLUOHuiOA+-uiuouiRUzA-+uoRUzA+-uiuouoUOLUOHuiO+UZ-UZ+UZ-UZ保护二极管双向稳压管限幅线性区负反馈•I+=I-=0，U+=U-，保护了输入级。•提高了输出电压的转换速度。3.任意电压比较器REF12TTTURRUUuU-UuUuiioZZUT+UZ-UZuouiOUREFuiRUzA-+uoR2R1仿真•I+=I-=0，写出u+、u-表达式，令u+=u-，求阈值电压UT;•确定输出电压的高、低电平UOH和UOL;•根据u+是否大于u-确定uiUT及uiUT的输出电压值。4.滞回比较器):():(ZZZZZZUUuUuUuU-U-UuUuUuUuoiioiioTTTT-UT+UT+UZ-UZuouiOuiRUzA-+uoR2R1Z211TURRRU•滞回比较器和单限比较器哪个灵敏度高？哪个抗噪能力强？•在滞回比较器中引入的是正反馈还是负反馈？有何好处？•若要求滞回比较器的两个门限电压均大于0，电路如何改进？UTH1UTH2+UZ-UZuouiO例：某温度控制电路如图所示。设R1=R3=10k，R=100，UR1=6V，RT为热敏电阻，常温下（27oC）的阻值为10k，温度系数为+200/oC。若要求温度在100oC以上时，电路输出-3V；温度在90oC以下时，电路输出+3V，试确定UZ、R1和UR1的值。UT1UT2+UZ-UZuouiOUREFuiRUzA-+uoR2R1仿真Z211REF212T1URRRURRRUZ211REF212T2URRRURRRUUR1uiRTR1RUzA-+uoR2R3UR2)(164620)2790(101020)2790(1011311V...URRRURTTT已知：R1=R3=10k，UR1=6V，RT=10k+（T-27oC）200/oC，T1=90oC，T2=100oC，uo=3V解：16.4101010222221122121ZRZRTURURRURRRURRRU)(274620)27100(101020)27100(1012322V...URRRURTTT27.4101010222221122122ZRZRTURURRURRRURRRUUR1uiRTR1RUzA-+uoR2R3UR2)(3.4)(535322VUkRVURZuC，当uC=-UT时，uO=+UZ，则u+=+UT，uO通过R3向C充电。uC，当uC=+UT时，uO=-UZ，则u+=-UT，uO通过R3向C反向充电（放电）。CR3uCR4UzA-+uoR2R1工作原理：设初态uC=u-=0，uO=+UZ，则u+=+UT，uO通过R3向C充电。电路中C的正反向充电时间常数是否相等？正反向充电时间是否相等？为何？仿真1.矩形波发生器因为电容C的正、反反向充电时间相等，所以其占空比为50%，即输出方波信号。波形分析及主要参数：uC(0)=-UT，uC()=+UZ，=R3C，则：tO+UT-UTuCtO+UZ-UZuOTwTTCRtTZCτtCCCUeUUueuutu31)0(1)0()()(ZTURRRU211TCUTu)2/(TfRRCRT121ln2213Rw1Rw2D1D2RwCR3uCR4UzA-+uoR2R1改变电路中C的正反向充电时间常数，从而改变占空比。仿真占空比可调电路：CRRτw311CRRτw322211121lnRRτT212221lnRRτT2132121ln)2(RRCRRTTTwRRCuoA2-+C1R3uCR4UzA1-+uo1R2R1tO+UZ-UZuO1tOuo积分电路可将方波变为三角波，所以三角波电路=方波电路+积分电路。2.三角波发生器++RCuoA2-R3R4UzA1-uo1R2R1实用电路中，一般采用三角波-方波发生电路，可以同时获得三角波和方波信号。工作原理：滞回比较器的RC充、放电回路用积分电路取代，积分电路和滞回比较器的输出互为另一个电路的输入，当电路极性配合适当时，可以在滞回比较器输出方波信号，在积分电路输出三角波信号。+UT-UTtO+UZ-UZuO1tOuo+UT-UT+UZOuo1-UZuO++RCuoA2-R3R4UzA1-uo1R2R1振荡频率：)dt(1)(13tuCRtuoo231344RCRRCRUUTZTTTZUtuUtuUtuTtt)()()(2010000110考察半个周期：)()dt(1)(013110tutuCRtuottooTZTUTUCRU213故UT为多少？如何求？仿真RwD2D1++RCuoA2-R3R4UzA1-uo1R2R1在三角波发生电路中，改变积分电路RC充、放电时间常数，即可改变输出电压上升和下降的斜率，当其中一个时间常数远大于另一个时，便可在滞回比较器输出矩形波，在积分电路得到锯齿波。+UT-UTtO+UZ-UZuO1tOuo3.锯齿波发生器