模拟电子技术波形的发生和信号的转换

波形的发生和信号的转换本章中电压比较器是集成运放的基本应用，是课程的重点；集成运放应用电路的分析方法是需掌握的内容。一、电压比较器二、非正弦波发生电路的工作原理、波形分析和主要参数的分析方法三、正弦波振荡电路的组成、种类和分析方法四、波形变换的方法五、几种信号转换电路电压比较器一、概述1.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。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。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UOL2)阈值电压UT3)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1)单限比较器：只有一个阈值电压2)滞回比较器：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。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。4.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集成运放工作在非线性区的特点1)净输入电流为02)uPuN时，uO＝＋UOM；uPuN时，uO＝－UOM。二、单限比较器1.过零比较器1)UT＝02)UOH＝＋UOM，UOL＝－UOM3)uI0时uO＝－UOM，uI0时uO＝＋UOM。集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运放的输入端，需加输入端限幅电路。集成运放的净输入电压最大值为±UD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。UOH＝＋UZ1＋UD2UOL＝－(UZ2＋UD1)uO＝±UZ1)保护输入端2)加速集成运放状态的转换UOH＝－UOL＝UZUOH＝UZUOL＝－UD不可缺少！电压比较器的分析方法：1.写出uP、uN的表达式，令uP＝uN，求解出的uI即为UT；2.根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；3.根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定uO的跃变方向。2.一般单限比较器。时，时得令ZOLTIZOLTIZOLZOHREF12TPNI211REF212N,0UUUuUUUuUUUUURRUuuuRRRURRRu1)若要UT0，则应如何修改电路？2)若要改变曲线跃变方向，则应如何修改电路？3)若要改变UOL、UOH呢？三、滞回比较器，得令PNO211PINuuuRRRuuuZOHZOLUUUU设uI＜－UT，则uN＜uP，uO＝+UZ。此时uP＝+UT，增大uI，直至+UT，再增大，uO才从+UZ跃变为－UZ。设uI＞+UT，则uN＞uP，uO＝－UZ。此时uP＝－UT，减小uI，直至－UT，再减小，uO才从－UZ跃变为+UZ。Z211TURRRU1.若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？2.若要电压传输特性曲线上下移动，则应如何修改电路？3.若要改变电压传输特性曲线跃变方向，则应如何修改电路？四、窗口比较器P417～P418自学如何改变滞回比较器的电压传输特性①②③④⑧⑦CCVEEV②③①⑦③②①⑦特点：1.可无需限幅电路，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；3.响应速度快；4.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。五、集成比较器AuouIUREF读图：求解电压传输特性非正弦波发生电路矩形波三角波锯齿波尖顶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。非正弦波发生电路一、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1)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。2)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。3)延迟环节：使得两个状态均维持一定的时间，决定振荡频率。利用RC电路实现。2.电路组成Z211TURRRU正向充电：uO（+UZ）→R→C→地反向充电：地→C→R→uO（－UZ）RC回路ZU滞回比较器ZU3.工作原理分析方法：方法一：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。方法二：电路合闸通电，分析电路是否有两个暂态，而无稳态。设合闸通电时电容上电压为0，uO上升，则产生正反馈过程：uO↑→uN↑→uO↑↑，直至uO＝UZ，uP＝+UT，第一暂态。3.工作原理电容正向充电，t↑→uN↑，t→∞，uN→UZ；但当uN＝+UT时，再增大，uO从+UZ跃变为-UZ，uP＝－UT，电路进入第二暂态。电容反向充电，t↑→uN↓，t→∞，uN→-UZ；但当uN＝－UT时，再减小，uO从-UZ跃变为+UZ，uP＝+UT，电路返回第一暂态。第一暂态：uO＝UZ，uP＝+UT。4.波形分析求出、终了值、时间常数，根据三要素，即起始值)21ln(2213RRCRT%50kTT占空比脉冲宽度5.占空比可调电路为了占空比调节范围大，R3应如何取值？正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。二、三角波发生电路1.电路组成用积分运算电路可将方波变为三角波。两个RC环节实际电路将两个RC环节合二而一为什么采用同相输入的滞回比较器？ZUuO要取代uC，必须改变输入端。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2.工作原理滞回比较器积分运算电路求滞回比较器的电压传输特性：三要素UOH、UOL，UT，uI过UT时曲线的跃变方向。)()(11O12O13OtuttuCRu代入，求出，将令ZO1N1P1O212O1211P10UuuuuRRRuRRRuZ21TURRU三角波发生电路的振荡原理)()(11O12O13OtuttuCRu合闸通电，通常C上电压为0。设uO1↑→uP1↑→uO1↑↑，直至uO1＝UZ（第一暂态）；积分电路反向积分，t↑→uO↓，一旦uO过－UT，uO1从＋UZ跃变为－UZ（第二暂态）。积分电路正向积分，t↑→uO↑，一旦uO过＋UT，uO1从－UZ跃变为＋UZ，返回第一暂态。重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。O212O1211P1uRRRuRRRu电路状态翻转时，uP1=?3.波形分析)(21TZ3TUTUCRU2314RCRRT如何调整三角波的幅值和频率？“理性地调试”：哪些参数与幅值有关？哪些参数与频率有关？先调哪个参数？为什么为三角波？怎样获得锯齿波？三、锯齿波发生电路1.R3应大些？小些？2.RW的滑动端在最上端和最下端时的波形？≈T3.R3短路时的波形？若T2决定于外加电压，则电路的振荡频率就几乎仅仅受控于外加电压，实现了u→f的转换。四、压控振荡器（u－f转换电路）15RRZI213121UuCRRRTf若uI＞0，则如何改动？单位时间内脉冲个数表示电压的数值，故实现A/D转换小结一、非正弦波发生电路以矩形波发生电路为基础，故必有电压比较器；且电压比较器在输出为低电平时，电路内部一定孕育使之变为高电平的条件（过渡过程）；反之，输出为高电平时，电路内部一定孕育使之变为低电平的条件。两个暂态自动地相互转换。非正弦波发生电路的组成：矩形波发生电路→三角波发生电路→锯齿波发生电路→压控振荡电路二、集成运放应用电路的分析方法三、压控振荡器是A/D转换器传感器→信号处理→压控振荡器→数字频率计放大、滤波、整流……五、波形变换电路1.利用基本电路实现波形变换正弦波变方波、变矩形波，方波变三角波，三角波变方波，固定频率的三角波变正弦波。2.三角波变锯齿波如何得到？3.三角波变正弦波若输入信号的频率变化不大，则可用滤波法实现。范围是什么？若输入信号的频率变化不大，则可用折线法实现。三角波用傅立叶级数展开，除基波外，还含有3次、5次……谐波。信号的转换•信号的发送：调幅、调频、调相•信号的接收：解调•信号对负载的驱动：i－u，u－i•信号的预处理：AC－DC（整流、检波、滤波）DC－AC（斩波）•信号的接口电路：A－D（如u－f），D－A一、概述二、u－i转换电路iIORRuiRRRuiiIL在负载需接地时上述两电路均不符合要求。豪兰德电流源电路OP3PO2OP1PIO321iRuRuuRuuRuuiiiiiRRRR，，RuiRRRRIO312，则若为什么一般的整流电路不能作为精密的信号处理电路？设R＝Rf。导通，截止，，时，IO21'OIDD00uuuu。导通，截止，，时，0DD00O12'OIuuu对于含有二极管和晶体管的集成运放应用电路，一般可认为它们是电子开关；在分析电路时，首先应判断管子的相当于开关闭合还是断开，它们的状态往往决定于输入信号或输出信号的极性。三、精密整流电路全波精密整流电路)0(0)0(2IO1IIO1uuuuuIO1Ouuu。时，IOI0uuu。时，IOI0uuuIOuu二倍频三角波绝对值运算电路四、电压－频率转换电路（压控振荡器）1.电荷平衡式R1R5TUTUZUZU2.复位式)0(REFU正弦波振荡电路一、正弦波振荡的条件和电路的组成1、正弦波振荡的条件无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。与负反馈放大电路的振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。在电扰动下，对于某一特定频率f0的信号形成正反馈：o'ioXXXnFAFAXFAXFA211oo达到动态平衡。引入正反馈2.起振与稳幅：非线性环节的作用1FA为了在通电后f=f0的输出信号有一个从小到大的过程，起振条件为：oX)(ifXXooXFAAFAF稳定的振幅能振吗？3.基本组成部分1)放大电路：放大作用2)正反馈网络：满足相位条件3)选频网络：确定f0，保证电路产生正弦波振荡4)非线性环节（稳幅环节）：稳幅合二而一4.分析方法1)是否存在主要组成部分；2)放大电路能否正常工作，即是否有合适的Q点，信号是否可能正常传递；3)是否满足相位条件，即是否存在f0，是否可能振荡；4)是否满足幅值条件，即是否一定振荡。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。5.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kHz以下2)LC正弦波振荡电路：几百kHz～几百MHz3)石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定二、RC正弦波振荡电路1.RC串并联选频网络低频段高频段。，，9000FfUf。，，900FfUf在频率从0～∞中必有一个频率f0，φF＝0o。CRCRCRUUFj1j1j1of∥＋∥)(j31π21)1(j31000ffffFRCfRCRCF，则令RC串并联选频网络的频率响应。出电阻应趋于电阻应趋于无穷大，输，其输入放大电路的参数不影响电压放大电路。为了使的略大于，所以应配一个时因为0000331fAFffu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？2.电路组成3.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可用热敏电阻，或加二极管作为非线性环节。改变电容以粗调，改变电位器滑动端以微调。加稳压管可以限制输出电压的峰-峰值。文氏桥振荡器的特点？同轴电位器三、LC正弦波振荡电路1.LC并联网络的选频特性LCfLCπ210谐振频率且阻抗无穷大。阻性，并联网络在谐振时呈纯理想。，数在损耗较小时，品质因为损耗。非理想情