模电-8-波形的发生和信号的转换

《模拟电子技术基础》第八章波形的发生和信号的转换§8.1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信号的转换《模拟电子技术基础》§8.1正弦波振荡电路一、正弦波振荡的条件和电路的组成二、RC正弦波振荡电路三、LC正弦波振荡电路四、石英晶体正弦波振荡电路《模拟电子技术基础》8.1、正弦波振荡的电路8.1.1概述正弦波振荡电路是在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路带通滤波电路变换成正弦波振荡电路4ufupRAQA频带变窄《模拟电子技术基础》当Auf趋近于3时，Aup趋于无穷，电路会产生自己振荡，会有频率为f0的输出电压。由于输出为单一频率，所以输出为正弦波。可见带通滤波器在参数取值合适时可以变成正弦波振荡电路。因此，要产生正弦波振荡，电路中应满足：一、反馈信号能够取代输入信号，即电路必须引入正反馈；二、要有外加的选频网络，用以确定振荡频率。选频网络只对所选频率放大，对其他频率则迅速衰减掉。与负反馈放大电路振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。《模拟电子技术基础》在电扰动下，对于某一特定频率f0的信号形成正反馈：ofioXXXX由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，Xo增大到一定程度，放大倍数将减小，最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。通常，将正弦波振荡电路分解为下图所示的方框图，它由放大电路和正反馈网络（具有选频作用）组成1.起振和稳幅一、产生正弦波振荡的条件《模拟电子技术基础》π211FAnFAFA一旦产生稳定的振荡，则电路的输出量自维持，即ooXFAX幅值平衡条件相位平衡条件1FA起振条件：要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的f0，且在合闸通电时对于f=f0信号有从小到大直至稳幅的过程，即满足起振条件。2.振荡平衡条件《模拟电子技术基础》1)放大电路：放大作用，保证能够从起振到动态平衡的过程，使电路获得一定的幅值的输出2)正反馈网络：使Ui=Uf，满足相位条件3)选频网络：确定f0，保证电路产生正弦波。4)稳幅环节：非线性环节，使输出信号幅值稳定常合二为一二、正弦波振荡电路的组成及分类2.分类：RC正弦波振荡电路，频率较低，在1MHz以下。LC正弦波振荡电路，频率较高，在1MHz以上。石英晶体振荡电路，频率较高，振荡频率非常稳定。1.组成《模拟电子技术基础》三、判断电路能否产生正弦波振荡的方法和步骤1.检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分；2.检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正常工作；3.分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件判断相位平衡条件的方法是：瞬时极性法。5.估算振荡频率4.判断是否满足振幅平衡条件和起振条件。《模拟电子技术基础》相位条件的判断方法：瞬时极性法断开反馈，在断开处给放大电路加f＝f0的信号Ui，且规定其极性，然后根据Ui的极性→Uo的极性→Uf的极性若Uf与Ui极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不可能产生自激振荡。在多数正弦波振荡电路中，输出量、净输入量和反馈量均为电压量。iU极性？《模拟电子技术基础》三、判断电路能否产生正弦波振荡的方法和步骤1.检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分；2.检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正常工作；3.分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件判断相位平衡条件的方法是：瞬时极性法。5.估算振荡频率和起振条件4.判断是否满足振幅平衡条件。注：只有在相位条件满足的条件下，判断幅值条件才有意义《模拟电子技术基础》电路组成：放大电路——集成运放A；选频与正反馈网络——R、C串并联电路；稳幅环节——RF与R1组成的负反馈电路。8.1.2RC正弦波振荡电路用RC电路构成选频网络的振荡电路即所谓的RC振荡电路，可选用的RC选频网络有多种，这里只介绍文氏桥选频电路。《模拟电子技术基础》一、RC串并联选频网络如图所示，RC串并联选频网络，在正弦波振荡电路中既是选频网络，也是正反馈网络，其输入电压为Uo，输出电压为Uf。低频段9000Ff，，UfUo.Uf.I.高频段900Ff，，UfUo.Uf.I.在频率从0～∞中必有一个频率f0，φF＝0º。《模拟电子技术基础》CRCRCRUUFj1j1j1of∥＋∥)1(j31RCRCFRC串并联选频网络的频率响应当f=f0时，不但φ=0，且最大，为1/3。F)(j31π21000ffffFRCf，则令可见，具有选频特性《模拟电子技术基础》1)是否可用共射放大电路？2)是否可用共集放大电路？3)是否可用共基放大电路？4)是否可用两级共射放大电路？1.电路组成应为RC串并联网路配一个电压放大倍数略大于3、输入电阻趋于无穷大、输出电阻趋于0的放大电路。不符合相位条件不符合幅值条件输入电阻小、输出电阻大，影响f0可引入电压串联负反馈，使电压放大倍数大于3，且Ri大、Ro小，对f0影响小二、RC桥式正弦波振荡电路《模拟电子技术基础》2.RC桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡器）用同相比例运算电路作放大电路。因同相比例运算电路有非常好的线性度，故R或Rf用热敏电阻，或加二极管作为非线性环节。文氏桥振荡器的特点？1f2RR以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络、并引入电压串联负反馈，两个网络构成桥路，一对顶点作为输出电压，一对顶点作为放大电路的净输入电压，就构成文氏桥振荡器。《模拟电子技术基础》3、频率可调的文氏桥振荡器同轴电位器RCfo21双层波段开关：切换C，用于粗调振荡频率。同轴电位器Rw：可调电阻，用于细调振荡频率。通过调整R或/和C来调整频率。《模拟电子技术基础》《模拟电子技术基础》讨论一：合理连接电路，组成文氏桥振荡电路《模拟电子技术基础》讨论二：判断图示电路有可能产生正弦波振荡吗？RC移相式电路RC双T选频网络iU选频网络和正反馈网络是两个网络。1)RC移相电路有几级才可能产生正弦波振荡？2)若R和C互换呢？正反馈网络选频网络结构简单，选频特性差，输出波形差0ff0270º180º90º选频特性差《模拟电子技术基础》8.1.3、LC正弦波振荡电路1.LC并联网络的选频特性理想LC并联网络在谐振时呈纯阻性，且阻抗无穷大，电路能量无损耗。LCfπ210谐振频率为(a)(b)实际的LC并联谐振是有损耗的，如图（b）所示，其LC并联谐振的损耗用电阻R来表示，主要是电感的电阻损耗。下面分析它的谐振：从物理概念上看，两个并联支路所呈现的特性由阻抗低的那一个支路决定；当频率低时，容抗大，感抗小，并联电路特性由电感支路决定，呈感性；同理，当频率高时，并联电路由电容支路决定，呈容性。oU损耗《模拟电子技术基础》所以无论频率低还是高，LC并联电路均呈现低阻抗，其端电压较低，只有处于中间某一频率f=f0时，LC并联电路呈现高的阻抗，其端电压会较高，所以具有选频特性。/1j()LCZRLC并联电路的阻抗谐振频率012fLCLLZQRCC1LQRC纯阻性，且阻抗最大0Q选频特性愈好Z0ff时《模拟电子技术基础》构成正弦波振荡电路最简单的做法是通过变压器引入反馈。附加相移LC选频放大电路→正弦波振荡电路当f=f0时，电压放大倍数的数值最大，且附加相移为0。放大电路反馈网络Uo共射电路φA=-π《模拟电子技术基础》采用变压器反馈方式，反馈电压与输入电压同相，引入正反馈用反馈电压取代输入电压，则可得到变压器反馈式的振荡电路《模拟电子技术基础》2.变压器反馈式电路)(0iffUfUC1是必要的吗？特点：易振，波形较好；耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。分析电路是否可能产生正弦波振荡的步骤：1)是否存在四个组成部分2)放大电路是否能正常工作3)是否满足相位条件4)是否可能满足幅值条件为使N1、N2耦合紧密，将它们合二为一，组成电感反馈式电路。必须有合适的同铭端！Ce呢？《模拟电子技术基础》3.电感反馈式电路反馈电压取自哪个线圈？反馈电压的极性？)(0iffUfU必要吗？电感的三个抽头分别接晶体管的三个极，故称之为电感三点式电路。电路特点？靠电感上反馈回去《模拟电子技术基础》3.电感反馈式电路特点：耦合紧密，易振，振幅大，C用可调电容可获得较宽范围的振荡频率。由于反馈取自电感，对高频具有较大的感抗，容易接受到高次谐波，输出波形较差；常用在对波形要求不高的设备中，如收音机的本机振荡器中。减小。增大，，则具有相关性；若增大与故阻就是它自身的负载，因为放大电路的输入电FANFA1由于电感对高频信号呈现较大的电抗，故波形中含高次谐波，为使振荡波形好，采用电容反馈式电路。《模拟电子技术基础》4.电容反馈式（电容三点式）电路iUfU)(π2121210CCCCLf若要振荡频率高，则L、C1、C2的取值就要小。当电容减小到一定程度时，晶体管的极间电容将并联在C1和C2上，影响振荡频率。LCfCCCCπ21021，则且若特点：波形好，振荡频率调整范围小，适于频率固定的场合。C与放大电路参数无关作用？《模拟电子技术基础》若要求电容反馈式振荡电路的振荡频率高达100MHz，怎么办？采用共基放大电路《模拟电子技术基础》8.1.4石英晶体正弦波振荡电路SiO2结晶体按一定方向切割的晶片。压电效应和压电振荡：机械变形和电场的关系固有频率只决定于其几何尺寸，故非常稳定。容性感性阻性LCffCCπ21ps0，故因一般LC选频网络的Q为几百，石英晶体的Q可达104～106；前者Δf/f为10－5，后者可达10－10～10－11。1.石英晶体的特点《模拟电子技术基础》2.电路①石英晶体工作在哪个区？②是哪种典型的正弦波振荡电路？①石英晶体工作在哪个区？②两级放大电路分别为哪种基本接法？③C1的作用？（1）并联型电路（2）串联型电路《模拟电子技术基础》讨论三：改错，使电路有可能产生正弦波振荡同名端对吗？放大电路能放大吗？各电容的作用？《模拟电子技术基础》清华大学华成英[e-mail]讨论四同铭端？iU能产生正弦波振荡吗？“判振”时的注意事项：1.放大电路必须能够正常工作，放大电路的基本接法；2.断开反馈，在断开处加f=f0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。三个电路有什么相同之处？这样的电路形式有什么好处？《模拟电子技术基础》§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《模拟电子技术基础》一、概述1.电压比较器的功能：比较电压的大小。输入电压是模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况，为二值信号。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元，在测量、控制、D/A和A/D转换电路和各种报警电路中应用广泛。2.电压比较器的描述方法:电压传输特性uO＝f(uI)电压传输特性的三个要素：（1）输出高电平UOH和输出低电平UOL（2）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《模拟电子技术基础》3、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理想运放工作在非线性区的特点：1)净输入电流为02)uPuN时，uO＝＋UOMuPuN时，uO＝－UOM无源网络不存在“虚短”，但“虚断”仍然存在《模拟电子技术基础》4.几种常用的电压比较器（1）单限比较器：只有一个阈值电压（3）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。（2）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，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。T2T1UUU回差电压：5、教学基本要求1)电路的识别及选用；2)电压传输特性的分析。《模拟电子技术基础》二、单限比较器（1）UT＝0（2）UOH＝＋UOM，U