模拟电子电路课件学chaper08

40 八、波形发生与信号转换八、波形发生与信号转换 ?在生产和实践中广泛采用各种类型的信号，就其波形来说， 可能是正弦波或非正弦波 在生产和实践中广泛采用各种类型的信号，就其波形来说， 可能是正弦波或非正弦波 ?正弦波信号产生电路又称正弦波振荡电路，是一种基本的 模拟电子电路。广泛用于测量、自动控制、通讯和热处理等 领域 正弦波信号产生电路又称正弦波振荡电路，是一种基本的 模拟电子电路。广泛用于测量、自动控制、通讯和热处理等 领域. 如实验用的低频信号发生器如实验用的低频信号发生器; 高频加热炉的高频电源高频加热炉的高频电源 ?同样非正弦波同样非正弦波(方波、锯齿波等方波、锯齿波等)信号发牛器在测量、数字系 统及自动控制系统的应用也日益广泛 信号发牛器在测量、数字系 统及自动控制系统的应用也日益广泛 ?信号转换则是指电压信号转换则是指电压(流流)转换为电流转换为电流(压压)等的转换电路等的转换电路 八、波形发生与信号转换八、波形发生与信号转换 ?8.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 ?8.2 电压比较器电压比较器 ?8.3 非正弦波发生电路非正弦波发生电路 ?8.4 信号转换电路信号转换电路 本章重点本章重点: 正弦滤振荡的条件与组成，正弦波振荡电路的分析方 法，比较器与非正弦波发生电路的结构与分析方法 : 正弦滤振荡的条件与组成，正弦波振荡电路的分析方 法，比较器与非正弦波发生电路的结构与分析方法 8.1.1 概述概述 ?自激振荡自激振荡(第六章第六章P282)对于放大电路是有害的对于放大电路是有害的, 但对于波形发 生电路却是要加以利用的 但对于波形发 生电路却是要加以利用的 ?放大电路中放大电路中, 应破坏自激振荡条件；而在波形电路中应破坏自激振荡条件；而在波形电路中,则是要 利用自激振荡产生波形 则是要 利用自激振荡产生波形, 因此要设法满足自激振荡条件因此要设法满足自激振荡条件 ?两种电路的自激振荡条件本质上一致两种电路的自激振荡条件本质上一致,但在表述上稍有区别但在表述上稍有区别 1. 产生振荡的条件产生振荡的条件 ?自激振荡条件在放大电路与振荡电路中的各自表述 负反馈放大电路方块图 自激振荡条件 1AF = ? ? 正反馈电路方块图 自激振荡条件1AF = ? ? ?通常接成正反馈产生正弦波振荡更容易一些, 所以本节中振荡 电路均接成正反馈形式 1. 产生振荡的条件产生振荡的条件 自激振荡平衡条件 1AF = ? ? ?将振荡平衡条件写成模与相角形式 (幅值平衡条件幅值平衡条件) (相位平衡条件相位平衡条件) | 1 2 AF AF n = += ? ? 注注: 幅值平衡条件是指正弦波已经产生且电路已进入稳态而言幅值平衡条件是指正弦波已经产生且电路已进入稳态而言 有了振荡的平衡条件,还需要有一个外加激励,电路才能正常振荡 (即起振), 那么激励如何得到(即如何起振)? 2. 起振与稳幅起振与稳幅 ?激励的来源激励的来源: 放大电路中存在噪声(或瞬态振动), 它的频谱很 宽, 其中必然包含振荡频率f0的成分 ?激励的挑选激励的挑选: 采用选频网络将频率为f0的成分从噪声中“挑选” 出来, 并使f0以外其它频率的成分衰减下去 ?起振的条件起振的条件: 令振荡电路则会自行起振(自激). 同时相位平衡条件仍然要满足 | 1AF ? ? ?稳幅环节稳幅环节: 在起振条件下,输出幅值将会一直增大直到输出波 形失真,因此要有稳幅环节,使得,使输出幅度稳定,波 形又基本不失真 | 1AF = ? ? 3. 正弦波振荡电路的基本组成正弦波振荡电路的基本组成 ?放大电路放大电路: 没有放大就不可能产生正弦波振荡 ?正反馈网络正反馈网络: 形成正反馈, 以满足相位平衡条件 ?选频网络选频网络: 只让单一频率满足振荡条件, 以产生单一频率的正 弦波, 实际电路中通常与反馈网络合在一起. ?稳幅环节稳幅环节: 非线性环节, 使输出信号幅值稳定且波形较好 4. 正弦波振荡电路的分类正弦波振荡电路的分类(按组成选频网络的元件类型分按组成选频网络的元件类型分) ?RC正弦波振荡电路 ?LC正弦波振荡电路 ?石英晶体正弦波振荡电路 5. 正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的分析方法 ?检查电路是否包含四个基本组成部分 ?判断放大电路是否具有放大作用 ?分析是否满足相位条件(瞬时极性法) ?分析是否满足幅值条件 判断产生正弦波振荡的一般方法与步骤: | 1AF ? ?能振荡,但若没有合适的稳幅措施,输出失真 可产生正弦波振荡, 振荡稳定后| | 1AF = ? ? |AF ? ? 略大于1 8.1.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 ?本节介绍常见的本节介绍常见的RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路: RC串并联式正弦波振 荡电路 串并联式正弦波振 荡电路(也称也称RC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路或或文氏桥振荡电路文氏桥振荡电路) ?特点特点: 采用采用RC串并联网络作为选频与反馈网络串并联网络作为选频与反馈网络 ?为了分析为了分析RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路, 我们首先分析我们首先分析RC串并联网络串并联网络 41 1. RC串并联选频网络的频率特性串并联选频网络的频率特性(定性分析定性分析) 低频简化 高频简化 ?显然，该选频网络必存在使输入/输出同相的频率 ?因为是反馈网络, 所以输出量作为输入,反馈量作为输出 ?当信号频率足够低时, 即电路简化为1CR ?当信号频率足够高时, 即电路简化为1CR= 3 u A = ? 1 f o u p R U A UR = + ? ? ? 4. 振荡频率估算振荡频率估算 ?振荡频率即为RC串并联网络的 f0 0 1 2 f RC = 按图接好电路运行, 一段时间后, 输出波形将出现失真或消失 5. 稳幅措施稳幅措施 ?原因(自激振荡平衡条件被破坏) 波形消失 | 1AF ? ? 进入非线性工作 状态,波形失真 ?解决方法(稳幅措施): 使与输出幅值增减的变化相反|AF ? ? 1 uf ARR= + ? Rf与R1选用负(正)温度系数的热敏电阻 ?振荡频率 f0 与 RC 有关, 为使f0 , 则RC的数值应 ?RC的数值的 是有限度的 ?通常RC正弦波振荡电路的振荡频率一般不超过1MHz ?如果希望产生更高频率的正弦波,可采用LC正弦波振荡电路 6. RC正弦波振荡电路适用的频率范围正弦波振荡电路适用的频率范围 0 1 2 f RC = 8.1.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 ?LC正弦波振荡电路可产生频率高达正弦波振荡电路可产生频率高达1000MHz以上弦波信号以上弦波信号 ?一般采用分立元件组成一般采用分立元件组成 ?根据反馈形式不同根据反馈形式不同,LC振荡电路分为振荡电路分为: ?变压器反馈式变压器反馈式 ?电容三点式电容三点式 ?电感三点式电感三点式 ?三种电路的共同特点三种电路的共同特点: 用用LC谐振回路作为选频网络谐振回路作为选频网络, 且一般采 用 且一般采 用LC并联回路并联回路, 因此先介绍因此先介绍LC并联回路的一些基本特性并联回路的一些基本特性 ?谐振频率 f0 (LC回路呈电阻特性时的频率) LC回路的复数导纳 1 Yj C Rj L =+ + 1. LC并联回路的基本特性并联回路的基本特性(谐振频率谐振频率与谐振时的输入阻抗与谐振时的输入阻抗) LC并联回路 虚部为零时,发生并联谐振，得到谐振角频率 2222 ()() RL YjC RLRL =+ + 分解为实部与虚部之和 0 2 0 11 1 () RLC L = + 2 11 1 1 LC Q = + 品质因数品质因数,通常Q1式中 0 QL R= 当Q1时,谐振频率化简为0 1 LC 0 1 2 f LC ?谐振时的输入阻抗 ?结论 谐振时LC并联回路的阻抗呈纯阻性 R越小或Q值越大,谐振时阻抗值也越大 Q值越大, 选频效果越好 22 0 0 1()RL Z YR + = 2 RQ R=+ L RC = 1. LC并联回路的基本特性并联回路的基本特性(谐振频率与谐振频率与谐振时的输入阻抗谐振时的输入阻抗) LC并联回路 42 2. 变压器反馈式变压器反馈式LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路(定性分析定性分析) 采用采用LC并联电路作为三极管的集电极负载并联电路作为三极管的集电极负载(起选频作用起选频作用). 反馈由 变压器副边绕组 反馈由 变压器副边绕组N2来实现来实现, 因此称为变压器反馈式因此称为变压器反馈式 ?共射电路在谐振时 180 A = ? ?为满足相位平衡条件 180 F = ? ?只要幅值条件也能满足,即能产 生正弦波振荡 ?当Q值较高时, 振荡频率基本等 于LC并联回路的谐振频率 0 1 2 f L C L: 谐振回路的等效电感.(P399) 变压器反馈式 ?起振的幅值条件| | | fi UU ? ?分析方法分析方法: 瞬时极性法 ?变压器的同变压器的同(异异)名端相位关系名端相位关系: 同名端, 相位相同 异名端, 相位相反 ?优缺点: ?易于产生振荡,输出电压的波形 失真不大 ?振荡频率的稳定性不高 2. 变压器反馈式变压器反馈式LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路(定量分析定量分析) ?相位分析(满足相位平衡条件) 变压器反馈式 ?对于交流而言, N1接电源端与 N2接地端是等效的 ?为制造方便, 将两者连在一起接VCC ,同时将C 跨接在线圈的 两端,与绕组N1 N2构成谐振回路 2. 变压器反馈式变压器反馈式LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 变压器反馈式 电感三点式 ?该电路即成为电感三点式正弦波振荡电路 ?优点: 制造方便,避免同名端易搞错的问题,(此时N1 N2按同一 方向绕制) ?带中间抽头的电感与电容组成LC并 联回路, 通常起振幅值条件总是能满足, 只要满足相位条件即可起振 ?对于谐振频率对于谐振频率,电感三个端点的相位关系为电感三个端点的相位关系为: 首端或尾端交流接地时,则其它两个端点相位相同 中间抽头交流接地时,则首端与尾端的相位相反 3. 电感三点式正弦波振荡电路电感三点式正弦波振荡电路 电感三点式 ?相位分析 (满足相位平衡条件) ?电路的振荡频率 (基本等于LC并联回路的谐振频率) 0 1 2 f L C 12 (2)LLLM = + ?优缺点: ?易起振,适于需要常改变频率的场合(收 音机,信号发生器) ?由于反馈电压取自电感, 输出波形中含 有高次谐波, 波形较差 3. 电感三点式正弦波振荡电路电感三点式正弦波振荡电路 电感三点式 ?为抑制高次谐波,改善波形做如下改 进 (将反馈电压取自电容) ?将电感N1N2换成电容C1C2 ?将电容C换成电感L ?加入Rc(给集电极提供直流通路) ?改进后的电路构成电容三点式正弦波振荡电路 电容三点式 4. 电容三点式正弦波振荡电路电容三点式正弦波振荡电路 ?与电感三点式比较: ?均具有LC并联电路的基本特性 ?区别在于两个LC并联电路分别为 电容三点式与电感三点式 ?两电路三个端点相位关系一样两电路三个端点相位关系一样 ?振荡频率(约等于LC并联回路的谐振频率) 0 1 2 f LC 12 12 () C C C CC = + ?实际电路中为便于频率调节, 在选频网 络中加入可调电容可调电容 频率可调 电容三点式 4. 电容三点式正弦波振荡电路电容三点式正弦波振荡电路 电容三点式改进型 ?由于管子的极间电容随温度等因素变化, 将对振荡频率产生影响 ?为减小影响, 在电感L支路中串联电容C ?改进型电路的振荡频率0 1 2 f LC ?由于振荡频率与C1C2及极间电容关 系很小, 因此振荡频率的稳定度较高 电容三点式 ?谐振频率主要由L与C决定, 而C1C2只起 分压和使上下两端对地“倒相”的作用 ?改进后的电路被称为电容三点改进型正 弦波振荡电路 ?当要求振荡频率在100MHz以上,一般采用共基放大电路 共基放大电路的电容三点式 电容三点式 4. 电容三点式正弦波振荡电路电容三点式正弦波振荡电路 8.1.4 石英晶体正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路 前面介绍的各种正弦波振荡电路振荡频率的稳定度有时还嫌 不够高 前面介绍的各种正弦波振荡电路振荡频率的稳定度有时还嫌 不够高(如要求稳定度优于如要求稳定度优于0.001%), 则可采用石英晶体作为选频 元件构成正弦波振荡电路 则可采用石英晶体作为选频 元件构成正弦波振荡电路 1. 石英晶体的基本知识石英晶体的基本知识 ?结构 从SiO2上以一定的方位角切下薄片, 在两个对应表面涂上银层作为电极, 引出管脚,再加以封装 43 ?压电效应 ?定义定义: 给晶片两电极加交变电场, 晶片产生一定频率的机械变形, 而这种机械振动又会产生交变电场, 该物理现象称为压电效应压电效应 1. 石英晶体的基本知识石英晶体的基本知识 ?压电振荡压电振荡: 当交变电场的频率为某一特定值时,振幅骤然增大从 而产生共振, 称之为压电振荡压电振荡. 这一特定频率称为谐振频率谐振频率(石英晶 体的固有频率) ?符号与等效电路 1. 石英晶体的基本知识石英晶体的基本知识 ?C0 : 静态电容 ?L : 表征机械振动的惯性 ?C : 表征晶片的弹性 ?R : 表征晶片的磨擦损耗 ?谐振频率 由左图可知,石英晶体有