模电阎石第五版第八章波形的发生和信号的转换.ppt

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 利用集成运放实现的信号转换电路,在模拟电子电路中，常常需要各种波形的信号，如正弦波、矩形波、三角波和锯齿波等，作为测试信号或控制信号等为了使所采集的信号能够用于测量、控制、驱动负载或送入计算机，常常要将信号进行转换本章将讲述有关波形发生和信号转换电路的组成原则、工作原理以及主要参数第八章 波形的发生和信号的转换,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,8.1 正弦波振荡电路,8.1.1 概述,正弦波振荡电路：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放大电路中引入负反馈，可以使电路的许多性能得到改善， 并且反馈深度越深，改善效果越好但是对于多级放大电路而言， 反馈深度过深，即使放大电路的输入信号为零， 输出端也会出现具有一定频率和幅值的输出信号，这种现象称为放大电路的自激振荡，它使放大电路不能正常工作，失去了电路的稳定性8.1.1 概述,一、负反馈放大电路的自激振荡,知识回顾,负反馈放大电路闭环放大倍数为：,在中频时：,所以负反馈作用能正常地体现出来，不产生自激振荡。

在低频段：因为耦合电容、旁路电容的存在,产生超前相移；在高频段：因为极间电容的存在, 将产生滞后相移；,8.1.1 概述,一、负反馈放大电路的自激振荡,知识回顾,负反馈放大电路闭环放大倍数为：,在低频段或高频段，若存在一个频率f0，且当 f＝ f0 时附加相移为±π，则,电路变成了正反馈当输入信号为零时，存在信号输出， XO和Xf 互相维持，产生了自激振荡8.1.1 概述,自激振荡的条件,知识回顾,电路产生自激振荡时,,,幅值平衡条件,相位平衡条件,由于电路通电后输出量有一个从小到大的过程，故起振条件为：,,,当振荡幅度不断增大时，放大器的限幅作用开始体现，此时放大器的输出幅度将维持一定的幅度不变，从而使得振荡器,二、产生正弦波振荡的条件,正弦波振荡电路也可理解为：通过自激振荡产生单一频率的正弦信号的电路； 也是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路分析举例：带通滤波器变换成正弦波振荡电路,负反馈,正反馈,二、产生正弦波振荡的条件,当R4减小时，比例系数、品质因数、通带放大倍数均增大，通频带变窄，当比例系数接近3时，通带放大倍数趋向无穷大带通滤波器在参数取值合适时可变为正弦波振荡电路。

靠R3反馈回来的信号取代输入信号产生频率为f0的正弦输出电压振荡频率可以人为确定,二、产生正弦波振荡的条件,图8.1.2 正弦波振荡电路的方框图,图中A为放大环节，F为反馈环节，反馈极性为正，当Xi为零时, Xf = Xi '，有如下过程：,XO↑→ Xf ↑ ( Xi '↑) → XO ↑ ↑,在正反馈过程中，输出XO不断增加，由于晶体管的非线性，当输出达到一定的值时，终会达到动态平衡二、产生正弦波振荡的条件,正弦波振荡的平衡条件,电路达到动态平衡时,,,幅值平衡条件,相位平衡条件,为使输出量有一个从小到大直至平衡的过程，电路的起振条件为：,电路把除了f0以外的输出量均逐渐衰减为零，故输出为f=f0的正弦波产生正弦波振荡的条件：1. 电路必须引入正反馈，反馈信号能够取代输入信号2. 电路必须有外加的选频网络，用以确定振荡频率与负反馈放大电路中的自激振荡不同，正弦波振荡电路的振荡频率是人为确定的三、正弦波振荡电路的组成及分类,正弦波振荡电路由四部分组成：,通常将正反馈网络和选频网络“合二为一”，在分立元件放大电路中，不另加稳幅环节，而依靠晶体管的非线性来稳幅放大电路： 放大作用选频网络：使电路产生单一频率的振荡,确定电路的振荡 频率。

正反馈网络：引入正反馈，使放大电路的Xf = Xi '稳幅环节：使输出信号幅值稳定三、正弦波振荡电路的组成及分类,正弦波振荡电路分类：,RC振荡电路LC振荡电路石英晶体振荡电路,RC振荡器振荡频率一般在1M赫兹以下LC振荡器振荡频率一般在1M赫兹以上石英晶体振荡器的特点是振荡频率非常稳定四、判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤,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，没有被短路或断路；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8.1.2 RC正弦波振荡电路,一、 RC 串并联选频网络,电路组成：将电阻R和电容C串、并联所组成的网络称为RC串并联选频网络，同时兼作正反馈网络其输入电压为UO，输出电压为Uf一、RC 串并联选频网络,在频率从0～∞中必有一个频率f0，φF＝0º Uf与Uo同相RC串并联选频网络的频率响应,一、RC 串并联选频网络,二、RC 桥式正弦波振荡电路,1、电路组成：,RC串并联选频网络,,只要为RC串并联选频网络匹配一个电压放大倍数等于3的放大电路就可以构成正弦波振荡电路。

图8.1.6利用RC串并联选频网络构成正弦波振荡电路的方框图,二、RC 桥式正弦波振荡电路,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？,放大电路的选择,不满足相位条件,不满足幅值条件,输入电阻小、输出电阻大，影响选频特性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,对选频特性影响小应为RC 串并联网路配一个Au略大于3, Ri=∞ , Ro=0的放大电路二、RC 桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡器）,1、电路组成：,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.,构成桥路,二、RC 桥式正弦波振荡电路,2、相位平衡条件：,放大电路为同相比例运算电路：,反馈网络为RC串并联选频网络：,满足相位平衡条件,3、起振条件,二、RC 桥式正弦波振荡电路,4、稳幅措施：,利用元件的非线性实现稳幅（稳定输出电压的幅值）将Rf 或 R1换成热敏电阻;用二极管稳幅起振时：,R1：正温度系数的热敏电阻Rf：负温度系数的热敏电阻,图8.1.8 利用二极管作为非线性环节,4、稳幅环节：,利用元件的非线性实现稳幅（稳定输出电压的幅值）。

将Rf 或 R1换成热敏电阻;用二极管稳幅利用电流增大时D动态电阻减小,电流减小时D动态电阻增大的特点二、RC 桥式正弦波振荡电路,图8.1.9 振荡频率连续可调的RC串并联选频网络,三、振荡频率可调的RC 桥式正弦波振荡电路,改变R或C的数值均可调节输出电压的频率f0RC正弦波振荡电路适合频率较低的情况，当振荡频率较高时应选用LC振荡电路用同轴电位器作振荡频率细调用双层波段开关接电容用于振荡频率粗调[例8.1.1]如下图，已知电容的取值分别为0.01μF、0.1μF、1μF、10μF，电阻R=50Ω，电位器RW=10kΩ试问：f0的调节范围？,图8.1.9 振荡频率连续可调的RC串并联选频网络,解：,8.1.3 LC正弦波振荡电路,LC正弦波振荡电路与RC正弦波振荡电路的组成原则在本质上是相同的：选频电路由电感和电容构成，产生高频振荡(1MHZ以上)，放大电路一般用分立元件组成8.1.3 LC正弦波振荡电路,一、LC谐振回路的频率特性,中间存在一个 f0 ，使网络呈纯阻性此时电路阻抗最大，理想情况为无穷大这时电路产生电流谐振，电场能与磁场能相互转换图8.1.10(a) LC并联网络理想情况下的网络,一、LC谐振回路的频率特性,图8.1.10(b) LC并联网络考虑电路损耗时的网络,Q越大，选频特性越好,一、LC谐振回路的频率特性,图8.1.10(b) LC并联网络考虑电路损耗时的网络,并联谐振时回路电流比总电流大的多,外界对谐振回路的影响可以忽略。

一、LC谐振回路的频率特性,品质因数Q的大小标志着谐振质量的优劣Q越大→损耗越小，曲线越陡，选频特性越好图8.1.11 LC并联网络电抗的频率特性,图8.1.12 选频放大电路,一、LC谐振回路的频率特性,若在电路中引入正反馈，并能用反馈电压取代输入电压，则电路就成为正弦波振荡电路当f= fo 时，电压放大倍数最大，且无附加相移→具有选频特性二、变压器反馈式振荡电路,引入正反馈最简单的方法是采用变压器反馈方式,用反馈电压取代输入电压，得到变压器反馈式振荡电路1、工作原理,图8.1.13 在选频放大电路中引正反馈,图8.1.14 变压器反馈式振荡电路,二、变压器反馈式振荡电路,1、工作原理,图8.1.14 变压器反馈式振荡电路,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(瞬时极性法)(4) 是否可能满足幅值条件,图8.1.15 交流通路,为什么用分立元件放大电路？,C1的作用？,二、变压器反馈式振荡电路,2、振荡频率及起振条件,图8.1.15 交流通路,图8.1.16 交流等效电路,起振条件：,振荡频率：,特点： 易振，波形较好；输出电压与反馈电压靠磁路耦合，耦合不紧密，损耗大，振荡频率稳定性不高。

三、电感反馈式振荡电路,1、电路组成及工作原理,图8.1.17 电感反馈式振荡电路,将N1和N2合并为一个线圈,将电容C跨接在整个线圈的两端，便得到电感反馈式振荡电路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(瞬时极性法)(4) 是否可能满足幅值条件,三、电感反馈式振荡电路,图8.1.18 交流通路,图8.1.19断开反馈且带载情况下交流等效电路,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2、振荡频率及起振条件,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；波形较差，常含有高次谐波四、电容反馈式振荡电路,1、电路组成,图8.1.20 电容反馈式振荡电路,将电感反馈式振荡电路中的电容换成电感电感换成电容并在置换后将两个电容的公共端接地且增加集电极电阻RC可得到电容反馈式振荡电路.,因为两个电容的三个端分别接晶体管的三个极，故也称之为电容三点式电路图8.1.20 电容反馈式振荡电路,2、工作原理及振荡频率,四、电容反馈式振荡电路,正弦波振荡的判断方法：(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(瞬时极性法)(4) 是否可能满足幅值条件,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,影响振荡频率特点：波形好,振荡频率调整范围小,适于频率固定的场合四、电容反馈式振荡电路,3、稳定振荡频率的措施,图8.1.22 电容反馈式振荡电路的改进,与放大电路参数无关,具体方法：在电感所在支路串联一个小容量电容C解：放大电路为共基放大电路断开反馈，给放大电路加频率为f=f0的Ui，极性为上“+”下“-”；集电极动态电位为“+”，选频网络的电压极性为上“-”下“+”；从变压器副边获得的反馈电压应为上“+”下“-”，才满足正弦波振荡的相位条件[例8.1.2]改正下图电路中的错误，使之有可能产生正弦波振荡要求不能改变放大电路的基本接法解：Ce为旁路电容，对交流视为短路应加RCC1、C2和L构成LC并联谐振网络C2上的电压为输出电压；C1上的电压为反馈电压；因此，电路为电容反馈式振荡电路图8.1.20 电容反馈式振荡电路,电感L造成放大电路的Q点不合适，故应在选频网络与放大电路输入端之间加耦合电容 。