信号发生器原理



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滞回电压比较器

滞回电压比较器

  更新时间：2007年05月10日  

　

从输出引一个电阻分压支路到同相输入端，组成如图11-4-4(a)所示电路。 

(a) 电路图                   (b) 传输特性 

图11-4-4 滞回电压比较器   

工作原理

当ui从零逐渐增大，且ui ≤UTH1时，u0=U+om，UTH1称为上限触发电平，或称为上限阈值。UTH1可用叠加原理求出 

                 

   

当输入电压ui ≥UTH1时，u0=U-om。此时触发电平变为UTH2，称为下限触发电平，或下限阈值。 

   

当ui 逐渐减小，且ui=UTH2以前，u0始终等于U-om。当输入电压变化到ui ≤UTH2以后，u0=U+om。因此出现了如图11-4-4(b)所示的滞回特性曲线。 

定义二阈值之差△U=UTH1-UTH2为回差电压。 

2007-5-15 8:55:13

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建立比较器的外部滞回电压

长期以来, 模拟比较器的使用一直处在它的“同伴”——运算放大器的阴影之中。运算放大器是广泛使用的电子器件, 设计人员发表了大量针对运算放大器的应用笔记, 而关于比较器的应用笔记较少。正是由于缺少比较器的应用资料, 很多用户希望Maxim应用部能够在如何建立比较器滞回电压方面提供帮助。本文针对这一需求, 介绍在一些常用的比较器电路中建立滞回电压的方法, 并且讨论了提高噪声抑制能力和系统稳定性有关措施。  关于比较器滞回的讨论需要从“滞回”的定义开始, 与许多其它技术术语一样, “滞回”源于希腊语, 含义是“延迟”或“滞后”, 或阻碍前一状态的变化。工程中, 常用滞回描述非对称操作, 比如, 从A到B和从B到A是互不相同。在磁现象、非可塑性形变以及比较器电路中都存在滞回。 绝大多数比较器中都设计带有滞回电路, 通常滞回电压为5mV到10mV。内部滞回电路可以避免由于输入端的寄生反馈所造成的比较器输出振荡。但是内部滞回电路虽然可以使比较器免于自激振荡, 却很容易被外部振幅较大的噪声淹没。这种情况下需要增加外部滞回, 以提高系统的抗干扰性能。 首先, 看一下比较器的传输特性。图1所示是内部没有滞回电路的理想比较器的传输特性, 图2所示为实际比较器的传输特性。从图2可以看出, 实际电压比较器的输出是在输入电压(VIN)增大到2mV时才开始改变。

运算放大器在开环状态下可以用作比较器, 但是一旦输入信号中有少量的噪声或干扰, 都将会在两个不同的输出状态之间产生不期望的频繁跳变(图3)。用带有内部滞回电路的比较器代替开环运算放大器能够抑制输出的频繁跳变和振荡。或在比较器的正反馈电路中增加外部滞回电路, 正反馈的作用是确保输出在一个状态到另一个状态之间快速变化, 使比较器的输出的模糊状态时间达到可以忽略的水平, 如果在正反馈中加入滞回电路可减缓这种频繁跳变。 

举个例子, 考虑图4所示简单电路, 其传输特性如图5所示。比较器的反相输入电压从0开始线性变化, 由分压电阻R1、R2构成正反馈。当输入电压从1点开始增加(图6), 在输入电压超过同相阈值VTH+ = VCCR2/(R1 + R2)之前, 输出将一直保持为VCC。在阈值点, 输出电压迅速从VCC跳变为VSS, 因为, 此时反相端输入电压大于同相端的输入电压。输出保持为低电平, 直到输入经过新的阈值点5 , VTH- = VSSR2/(R1 + R2)。在5点, 输出电压迅速跳变回VCC, 因为这时同相输入电压高于反相输入电压。 

图4所示电路中的输出电压VOUT与输入电压VIN的对应关系表明, 输入电压至少变化2VTH时, 输出电压才会变化。因此, 它不同于图3的响应情况(放大器无滞回), 即对任何小于2VTH的噪声或干扰都不会导致输出的迅速变化。在实际应用中, 正、负电压的阈值可以通过选择适合的反馈网络设置。 

其它设置可以通过增加不同阈值电压的滞回电路获得。图7电路使用了两个MOSFET和一个电阻网络调节正负极性的阈值。与图4所示比较器不同, 电阻反馈网络没有加载到负载环路, 图8给出了输入信号变化时的输出响应。

比较器内部的输出配置不同, 所要求的外部滞回电路也不同。例如, 具有内部上拉电阻的比较器, 可以在输出端和同相输入端直接加入正反馈电阻。输入分压网络作用在比较器的同相输入端, 反相输入电压为一固定的参考电平(如图9)。 

如上所述, 具有内部滞回的比较器提供两个门限：一个用于检测输入上升电压(VTHR),一个用于检测输入下降电压(VTHF), 对应于图8的VTH1和VTH2。两个门限的差值为滞回带(VHB)。当比较器的输入电压相等时, 滞回电路会使一个输入迅速跨越另一输入, 从而使比较器避开产生振荡的区域。图10所示为比较器反相输入端电压固定, 同相输入端电压变化时的工作过程, 交换两个输入可以得到相似波形, 但是输出电压极性相反。 

根据输出电压的两个极限值(两个电源摆幅), 可以很容易地计算反馈分压网络的电阻值。 

内部有4mV滞回和输出端配有上拉电阻的比较器 -- 如Maxim公司的MAX9015、MAX9017和MAX9019等。这些比较器设计用于电压摆幅为VCC和0V的单电源系统。可以按照以下步骤, 根据给定的电源电压、电压滞回(VHB)和基准电压(VREF), 选择并计算需要的元件：

第1步 

选择R3, 在触发点流经R3的电流为(VREF - VOUT)/R3。考虑到输出的两种可能状态, R3由如下两式求得：

R3 = VREF/IR3和R3 = (VCC - VREF)/IR3.

取计算结果中的较小阻值, 例如, VCC = 5V, IR3 = 0.2μA, 使用MAX9117比较器(VREF = 1.24V), 则计算结果为6.2M和19M, 选则R3为6.2M。

最后, 开漏结构的比较器内部滞回电压为4mV (MAX9016、MAX9018、MAX9020), 需要外接上拉电阻, 如图11所示。外加滞回可以通过正反馈产生, 但是计算公式与上拉输出的情况稍有不同。滞回电压 = VTHR - VTHF = 50mV。按如下步骤计算电阻值： 

第1步

选择R3, 在IN_+端的漏电流小于2nA, 所以通过R3的电流至少为0.2μA, 以减小漏电流引起的误差。R3可由R3 = VREF/IR3或R3 = [(VCC - VREF)/IR3] - R4两式求得, 取其较小值。例如, 使用MAX9118 (VREF=1.24V), VCC = 5V, IR3 = 0.2μA, R4 = 1M, 计算结果为6.2M欧姆和18M欧姆, 则R3选6.2M欧姆。

2007-5-15 9:03:13

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窗比较器

作者：佚名    来源：不详    点击数： 32    更新时间：2007年02月10日  (document.title.substring(0,76))+'&iu='+encodeURIComponent(location.href)+'&fr=ien#nw=1','_blank','scrollbars=no,width=600,height=450,left=75,top=20,status=no,resizable=yes'); target="_blank" > 添加到百度搜藏

由运放构成的电压比较器电路如图(a)所示。此电路为同相比较器，即当输人信号的值Vi大于参考电压的值VREF时，运放的输出接近于正电源电压+VCC。，当Vi小于参考电压VREF时，运放的输出接近于负电源电压-VEE。其中，限流电阻R与稳压二极管DZ组成限幅电路，可使输出Vo为所需要的电压值。

图(b)所示电路为窗比较器电路，它由同相比较器A1、反相比较器A2，及二极管D1、D2组成。该电路的功能是，可以判别输入电压的值Vi是否介于下参考电压VRL与上参考电压VRH之间(所谓的窗)。如果VRLVRH，则输出电压Vo将等于运放的饱和输出电压+VSAT (+VSAT 比+Vcc小1 4V左右)。可以用发光二极管判别窗比较器的输出电平。窗比较器广泛用于信号的电平监测与报警。

2007-5-15 9:08:10

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第九章 波形产生和变换

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§9.2 电压比较器

电压比较器功能

　　

电压比较器中运放的工作特点

　　1. 工作在开环或正反馈状态

　　2. 大多数情况下工作在非线性区域, 输出与输入不成线性关系,只有在临界情况下才能使用虚短,虚断概念

　　3. 输出高电平或者低电平,呈现为开关状态

　　　 V+ < V–时, Vo 为低 

　　　 V+ > V–时, Vo 为高 

比较器的分析方法

　　1.求出阈值: 输出从一个电平跳变到另一个电平时（这时运放的两个输入端之间可视为虚短虚断）所对应的输入电压值。

　　2. 分析输入与输出的关系,画出传输特性 

9.2.1 简单电压比较器

　　过零比较器：

　　 

　　电压幅度比较器：

　　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所示。 

　　 

　　过零比较器：

　　 

　　限幅比较器

　　 

9.2.2 滞回比较器

　　

　　

　　

　　

　　

　　滞回比较器应用

　　 

　　

9.2.3 窗口比较器

　　

　　　　 

9.2.4 三态比较器　　

2007-5-15 9:11:13

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§9.1 正弦波振荡电路 

9.1.1 振荡基础知识

　1. 振荡条件--(动画)

　　 反馈电路的方框图：

　　　　　 　 　　

　　　

　　 　　 　　　　

　2. 起振和稳幅

　　 　

　　满足上述条件后，一旦电源接通，随着时间增加输出幅度增大。增大到一定程度后，放大电路中晶体管将进入饱和或截至状态，输出正弦波将失真。——应采取稳幅措施。

　　　　　　　 

　3. 振荡电路的基本组成部分

　　 振荡电路的基本组成部分: 

（1）放大电路—— 没有放大，不可能产生振荡。要保证电路具有放大功能

（2）反馈网络—— 形成正反馈，以满足相位平衡条件 

（3）选频网络—— 以产生单一频率的正弦波(RC、LC)

（4）稳幅电路—— 以保证输出端得到不失真的正弦波 

　 　振荡电路的分析方法:

　　 判断能否产生振荡的一般方法和步骤：

　a. 检查电路的组成部分 

　b. 检查放大电路是否正常工作 

　c. 将电路在放大器输入端断开，利用瞬时极性法判断电路是否满足相位平衡条件 

　d. 分析是否满足振荡产生的幅度条件。一般AF应略大于1

9.1.2 RC正弦振荡电路

　1. RC桥式振荡电路

　　桥式RC振荡电路结构:

　　　　　　　 

　　RC串并联网络的频率特性

　　　

　　　

　　 

　　

　　 

　　RC桥式振荡电路

　　

　　稳幅措施

　　 

　　RC桥式振荡电路仿真

　　 　

　　仿真电路结果

　　　　　　 

　　场效应管稳幅音频信号发生器

　　　　

　2. 移相式选频网络和移相式式振荡电路

　　 移相式选频网络:

　　 

　　　　　　 

　　超前移相仿真

　　 

　　滞后移相仿真

　　 

　　超前移相式RC振荡器

　　　　 

　　滞后移相式RC振荡器

　　　　 

　　双T式选频网络

　　

　　双T式选频网络仿真(R’　　　　　　　　　　

　　双T式选频网络仿真(R’≥R/2)

　　　　　 　　　

　例1: 判断电路能否产生振荡

　　

　　

9.1.3 LC正弦波振荡电路

　　

　　LC正弦波振荡电路可产生1000MHz以上的正弦波信号,而一般运放频带较窄,高速运放价格昂贵,所以LC振荡电路中的放大器一般采用分离元件组成。

　1. LC 并联回路的基本特性

　　 

　　

　　

　　

　2. 选频放大器

　　

　3.变压器反馈式正弦波振荡器

　　

　　变压器反馈式正弦振荡器分析方法

　　 

　例2: 判断电路能否产生振荡

　　　　　　

　　　　　　

　4. 三点式正弦振荡器

　　三点式振荡器的一般结构

　　　　 

　　

　　

　　　 

　　　

　　所以：X1 ，X2 必须是同类电抗元件，

　　　　　X3 与X1 或X2 是不同类电抗元件

　　结论: 对于上述电路（反相放大），X1 、X2 必须是同类电抗元件，X3 与X1 或X2 是不同类电抗元件；对于同相放大电路，X1 、X2 必须是不同类电抗元件，X3 与X1 或X2 是同类电抗元件。 

　　电容三点式

　　

　　 

　　

　　常见的电感三点式电路

　

　　　　

　　两种改进型电容三点式振荡电路

　　

　例3: 判断三点式电路能否产生振荡

　　　

　　　

　　　　

　　　　　　

9.1.4 石英晶体正弦波振荡电路

　　基本知识

　　 

　　石英晶体谐振分析

　　 

　　串联谐振时有最小阻抗，且相移为0。

　　并联谐振时有最大阻抗，相移不为0。

　　　　　　　

　　串联

　　　　 

　　并联

　　　　　　 

　　　　　串联型 f0 =fs　　　　　　　并联型 fs 　　　　　　　 

　例4：判断石英晶体振荡电路

　　分析图示电路能否产生振荡，若产生振荡,石英晶体处于何种状态？

　　　 

2007-5-15 9:46:24

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§9.3 非正弦波产生电路

非正弦波

　　

矩形波发生电路的基本工作原理

　　

　　方波经积分变为三角波, 矩形波积分变为锯齿波

9.3.1 方波发生电路

　　

　　工作原理--

(动画)

　　

　　输出波形

　　

　　

波形周期计算

　　

　　

占空比可调的矩形波电路

　　

　

　　思考题：正弦振荡与非正弦振荡的原理有什么不同之处？

9.3.2 三角波方波发生电路

　　三角波发生器的电路如图所示。它是由滞回比较器和积分器闭环组合而成的。积分器的输出反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的VREF。

　　　　　　

　　工作原理

　　1.当VO1=+VZ时,则电容C充电, 同时VO按线性逐渐下降，当使A1的VP 略低于VN 时，VO1 从 +VZ跳变为-VZ。

　　2.在VO1=-VZ后，电容C开始放电，VO按线性上升，当使A1的VP略大于零时VO1从-VZ跳变为+VZ ，如此周而复始，产生振荡。VO的上升时间和下降时间相等，斜率绝对值也相等，故VO为三角波。

　　输出波形

　　

　

　

　

锯齿波发生电路

　　为了获得锯齿波，应改变积分器的充放电时间常数。锯齿波发生器的电路如图所示。图中的二极管D和R'将使充电时间常数减为(R∥R')C，而放电时间常数仍为RC。

　　　　　　

　　锯齿波电路的输出波形

　　

　　

压控锯齿波脉冲波发生器

　　　　　　 

　　利用VP控制三角波的直流电平(offset