第八章--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教学内容：1．RC、LC和石英晶体正弦波振荡电路；2．单限、滞回、窗口电压比较器电路；3．矩形波、三角波、锯齿波等非正弦波发生电路；4．利用集成运放实现的信号转换电路。教学要求：1．掌握RC、LC和石英晶体正弦振荡电路的组成、起振条件和振荡频率的计算；2．理解矩形波、三角波、锯齿波等非正弦波发生电路的基本组成、工作原理和特点。3．了解信号转换电路的工作原理。教学建议：1．正弦振荡电路的组成、工作原理振荡频率及其应用是本章的重点；2．讲清电压比较器的结构和工作原理，它是非正弦波发生电路发生电路的重要组成部分。8.1正弦波振荡电路8.1.1概述正弦波发生电路能产生正弦波输出，它是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的，它是各类波形发生器和信号源的核心电路。正弦波发生电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振荡器。一、正弦波产生条件1.正弦波振荡电路为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反馈，因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分。但是，这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波，这是由于很难控制正反馈的量。如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能停振，为此振荡电路要有一个稳幅电路。为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络，选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一。选频网络由R、C和L、C等电抗性元件组成。正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。因此,正弦波振荡电路由放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅电路组成。2.振荡平衡条件产生正弦波的条件与负反馈放大电路产生自激的条件十分类似。只不过负反馈放大电路中是由于信号频率达到了通频带的两端，产生了足够的附加相移，从而使负反馈变成了正反馈。在振荡电路中加的就是正反馈，振荡建立后只是一种频率的信号，无所谓附加相移。(a)负反馈放大电路(b)正反馈振荡电路负反馈放大电路和正反馈振荡电路框图比较正反馈一般表达式：FAAA1f振荡条件为：1FA包括振幅平衡条件：1FA，相位平衡条件：AF=A+F=2n3.起振条件和稳幅原理振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈强一些，即要求1||FA。既然1||FA，起振后就要产生增幅振荡，需要靠三极管大信号运用时的非线性特性去限制幅度的增加，这样电路必然产生失真。这就要靠选频网络的作用，选出失真波形的基波分量作为输出信号，以获得正弦波输出。也可以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，从而达到稳幅的目的。这在下面具体的振荡电路中加以介绍。8.1.2RC正弦波振荡电路1.RC网络的频率响应1）RC串并联网络的电路如图所示。RC串联臂的阻抗用Z1表示，RC并联臂的阻抗用Z2表示。其频率响应如下:图RC串并联网络)j/1(111CRZ222222j1)j/1//(CRRCRZ0iXfi'XX比较图上两图可以明显地看出负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区别。正反馈一般表达式的分母项变成负号，而且振荡电路的输入信号，所以2）频率特性(1)幅频特性表达式:（2）相频特性表达式:3arctg11arctg0012211221FCCRRCRCR频率特性曲线如图(a)幅频特性曲线(b)相频特性曲线频率特性曲线振荡频率为RCffπ210时，幅频值最大为1/3，相位F=0因此该网络有选频特性。2.RC文氏桥振荡器当f=f0时的反馈系数F31,且与频率f0的大小无关。此时的相角F=0。即改变频率不会影响反馈系数和相角，在调节谐振频率的过程中，不会停振，也不会使输出幅度改变。(1)RC文氏桥振荡电路的构成RC文氏桥振荡电路如图9.2.3所示，RC串并联网络是正反馈网络，另外还增加了R3和R4负反馈网络。C1、R1和C2、R2正反馈支路与R3、R4负反馈支路正好构成一个桥路，称为文氏桥。如图9.2.3文氏桥式振荡电路。可导出：3143fRRA文氏桥式振荡电路为满足振荡的幅度条件FA=1，所以Af≥3。加入R3、R4支路，构成串联电压负反馈。(2)RC文氏桥振荡电路的稳幅过程RC文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻R4实现的。R4是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，R4上所加的电压升高，即温度升高，R4的阻值增加，负反馈增强，输出幅度下降。反之输出幅度增加。若热敏电阻是负温度系数，应放置在R3的位置。采用反并联二极管的稳幅电路如图所示：二极管工作在A、B点，电路的增益较大，引起增幅过程。当输出幅度大到一定程度，增益下降，最后达到稳定幅度的目的。反并联二极管的稳幅电路8.1.3LC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路的构成与RC正弦波振荡电路相似，包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。这里的选频网络是由LC并联谐振电路构成，正反馈网络因不同类型的LC正弦波振荡电路而有所不同。1.LC并联谐振电路的频率响应LC并联谐振电路如图所示。显然输出电压是频率的函数：)]([)(ioVfV输入信号频率过高，电容的旁路作用加强，输出减小；反之频率太低，电感将短路输出。并联谐振曲线如图所示。图LC并联谐振电路并联谐振曲线2.变压器反馈LC振荡器变压器反馈LC振荡电路如图所示。LC并联谐振电路作为三极管的负载，反馈线圈L2与电感线圈Ｌ相耦合,将反馈信号送入三极管的输入回路。交换反馈线圈的两个线头，可使反馈极性发生变化。调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度，以使正反馈的幅度条件得以满足。变压器反馈LC振荡电路的振荡频率与并联LC谐振电路相同，为LCfO21。3.电感三点式LC振荡器4.石英晶体LC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，如图9.3.12(见教材P414)所示由于石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。8.2比较器一、比较器比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。常用的幅度比较电路有电压幅度比较器、窗口比较器和具有滞回特性的比较器。这些比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。1.固定幅度比较器1)过零比较器和电压幅度比较器过零电压比较器是典型的幅度比较电路，它的电路图和传输特性曲线如图9.4.1所示(见教材P416)将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到一个电压值VREF上,就得到电压幅度比较器，它的电路图和传输特性曲线如图9.4.2见(教材P416-417)所示:2)比较器的基本特点(1)工作在开环或正反馈状态。(2)开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。(3)非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。2.滞回比较器从输出引一个电阻分压支路到同相输入端，电路如图所示。当输入电压vI从零逐渐增大，且TIVv≤omOVv时,TV称为上限触发电平。om21221REF1TVRRRRRVRV当输入电压TIVv≥时，omOVv，此时触发电平变为T'V，T'V称为下限阈值(触发)电平。om21221REF1T'VRRRRRVRV滞回比较器3.窗口比较器