波形的发生与信号的转换

1、Analog Electronic Technology包宋建包宋建重庆文理学院重庆文理学院 电子电气工程学院电子电气工程学院第八章第八章 波形发生与信号的转换波形发生与信号的转换8.1 正弦波振正弦波振荡电路荡电路8.2 三角波发生器三角波发生器8.3 锯齿波发生器锯齿波发生器8.4 压频转换压频转换8.5 正弦波发生器正弦波发生器8-028.1 正弦波发生器正弦波发生器8-038.1.1 产生自激振荡的原理产生自激振荡的原理fidXXX改成正反馈改成正反馈只有正反馈电路才能产生自激振荡。只有正反馈电路才能产生自激振荡。基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电路FiX+ dXoXfX8-0

2、4如果：如果：,ifXX则去掉则去掉,iX仍有信号输出。仍有信号输出。基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电路FdXoXfX反馈信号代替了放大反馈信号代替了放大电路的输入信号。电路的输入信号。基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电路FiX+ +dXoXfX8-05自激振荡条件的推导自激振荡条件的推导fidofdooXXXXFXXAXFAAXXAooioF1基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电路FiX+ dXoXfX8-06FAo=1自激振荡的条件自激振荡的条件基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电路FdXoXfXoffdXFXXX,oodooXFAXAX8-07FAAAooF

3、1如果：如果：FoAFA:01则(1) 正反馈足够强正反馈足够强,输入信号为输入信号为 0 时仍有信号输时仍有信号输出，这就是产生了自激振荡。出，这就是产生了自激振荡。(2) 要获得非正弦自激振荡要获得非正弦自激振荡,反馈回路中必须有反馈回路中必须有RC积分电路。例如后面将介绍的方波发生积分电路。例如后面将介绍的方波发生器、三角波发生器、锯齿波发生器等。器、三角波发生器、锯齿波发生器等。)()(FA、(3) 要获得正弦自激振荡要获得正弦自激振荡,反馈回路中必须有选频反馈回路中必须有选频电路。所以将放大倍数和反馈系数写成：电路。所以将放大倍数和反馈系数写成：8-08自激振荡的条件：自激振荡的条件

4、：1)()(FA因为：因为：AAA|)(FFF|)(所以，自激振荡条件也可以写成：所以，自激振荡条件也可以写成：（1）振幅条件：）振幅条件：1|AF（2）相位条件：）相位条件：nFA2n是整数是整数相位条件：相位条件：意味着振荡电路必须是正反馈；意味着振荡电路必须是正反馈；振幅条件：振幅条件：可以通过调整放大电路的放大倍数达到。可以通过调整放大电路的放大倍数达到。8-09问题问题1：如何起振？如何起振？ Uo 是振荡器的电压输出幅度，是振荡器的电压输出幅度，B是要求输出的是要求输出的幅度。起振时幅度。起振时Uo=0，达到稳定振荡时，达到稳定振荡时Uo=B。 放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰

5、动可放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分解为各种频率的分量，其中也包括有分解为各种频率的分量，其中也包括有fo分量。分量。选频网络：选频网络：把把fo分量选出，把其他频率的分量分量选出，把其他频率的分量衰减掉。这时，只要：衰减掉。这时，只要：|AF|1，且，且 A+ B =2n ，即可起振。即可起振。8-10问题问题2：如何稳幅？如何稳幅？ 起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这时若这时若|AF|仍大于仍大于1，则输出将会饱和失真。，则输出将会饱和失真。达到需要的幅值后，将参数调整为达到需要的幅值后，将参数调整为AF=1，即可稳幅。即可稳幅。具体方

6、法将在后面具体电路中介绍。具体方法将在后面具体电路中介绍。起振并能稳定振荡的条件：起振并能稳定振荡的条件：111AFBUAFBUAFBUooo时，时，时，8-118.1.2 RC振荡电路振荡电路 用用RC 电路构成选频网络的振荡电路即所谓的电路构成选频网络的振荡电路即所谓的 RC振荡电路，可选用的振荡电路，可选用的 RC 选频网络有多种，这选频网络有多种，这里只介绍里只介绍文氏桥选频电路文氏桥选频电路。R1C1R2C2iUoU一、选频电路一、选频电路8-12)1( j)1 (112211221CRCRCCRRUUio1221212CRfCRfoo时，相移为时，相移为0 0。R1C1R2C2iU

7、oU8-13212121CCRRfo如果：如果：R1=R2=R，C1=C2=C，则：，则：RCfo21)( j31ffffUUooio)(31arctgffffoo22)(31ffffUUooio传递函数：传递函数：相频特性：相频特性：幅频特性：幅频特性：fofioUU31+90 90 f08-14二、用运放组成的二、用运放组成的RC振荡器振荡器0A所以，要满足相位所以，要满足相位条件，只有在条件，只有在 fo 处处0F因为：因为：1AF122RR uo_+ + R2RCRCR1121RRA31112FRRA8-15能自行启动的电路（能自行启动的电路（1）uotRtA半导体半导体热敏电阻热敏电

8、阻起振时，起振时，RT略大于略大于2R1，使使|AF|1，以便起振；，以便起振；_+ + RTRCRCR1t uo起振后，起振后，uo逐渐增大则逐渐增大则RT逐渐减小，使得输出逐渐减小，使得输出uo为某值时，为某值时，|AF|=1，从而稳幅。从而稳幅。8-16能自行启动的电路（能自行启动的电路（2）R22为一小电阻，为一小电阻，使使(R21+R22)略大于略大于2R1，|AF|1，以，以便起振；便起振；_+ + R21RCCR1R22D1D2随着随着uo的增加，的增加，R22逐渐被短接，逐渐被短接，A自动自动下降到使下降到使|AF|=1，使，使得输出得输出uo稳定在某值。稳定在某值。8-17输

9、出频率的调整：输出频率的调整：RCfo21通过调整通过调整R或或/和和C来调整频率。来调整频率。_+ + RFuoRCCRKKR1R1R2R2R3R3C：双联可调电双联可调电容，改变容，改变C，用于细调振用于细调振荡频率。荡频率。K：双联波段开：双联波段开关，切换关，切换R，用于粗调振用于粗调振荡频率。荡频率。8-18电子琴的振荡电路电路：电子琴的振荡电路电路：2121RRCfo_+ + RF1uoR1CCRD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R218-19三、用分立元件组成的三、用分立元件组成的RC振荡器振荡器RCRC+UCCR1C2C3R3R2RE2C1RC2T1RE1

10、CET2RC1RF+ube RC网络正反馈，网络正反馈，RF、RE1组成负反馈，调整组成负反馈，调整到合适的参数则可产生振荡。到合适的参数则可产生振荡。8-208.1.3 LC振荡电路振荡电路LC 振荡电路的选频电路由电感和电容构成，可振荡电路的选频电路由电感和电容构成，可以产生高频振荡。由于高频运放价格较高，所以一般以产生高频振荡。由于高频运放价格较高，所以一般用分离元件组成放大电路。本节只对用分离元件组成放大电路。本节只对 LC振荡电路做振荡电路做一简单介绍，重点掌握相位条件的判别。一简单介绍，重点掌握相位条件的判别。首先介绍一下首先介绍一下 LC 选频网络。选频网络。8-21LCo1RC

11、LZoiCLQIIIRLQoLCfo21 谐振时回路电谐振时回路电流比总电流大的流比总电流大的多，外界对谐振多，外界对谐振回路的影响可以回路的影响可以忽略！忽略！CLRiUILI8-22+ 例例1：正反馈正反馈+UCCCC1C2频率由频率由LC谐振网络决定。谐振网络决定。8-23例例2：正反馈正反馈频率由频率由C 、 L1 、 L2谐振谐振网络决定。网络决定。+UCCCC1L1L2C2uL1uL2uC设设uB uC uD uB uL2 ube uL1 D8-24例例3：正反馈正反馈设设uB uC uC1 uC2 uB 频率由频率由 L 、 C1 、 C2 组成的谐振网络决定。组成的谐振网络决定

12、。+UCCC1LC2ABC+uLuC1 tuCtuCiCCdddd2211uC1减小时，减小时， uC2如何变化？如何变化？设设L 、 C1 、 C2 组成的谐振组成的谐振网络中的电流为网络中的电流为i ，则，则ii8-25例例4：正反馈正反馈+UCCC1C2设设uB uC uE ube uA AECBube +uC1 频率由频率由 L 、 C1 、 C2 组成的谐振网络决定。组成的谐振网络决定。8-268.2 电压器电压器8-27非线性应用：非线性应用： 是指由运放组成的电路处于非线性状态，输出是指由运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系与输入的关系 uo=f( ui ) 是非线性函

13、数。是非线性函数。由运放组成的非线性电路有以下三种情况：由运放组成的非线性电路有以下三种情况：8.2.1 概述概述8-281. 电路中的运放处于非线性状态。电路中的运放处于非线性状态。+Auo比如：运放开环应用比如：运放开环应用uo运放电路中有正反馈，运放处于非线性状态。运放电路中有正反馈，运放处于非线性状态。8-292. 电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非线性元件（二极管、三极管、稳压管等）。线性元件（二极管、三极管、稳压管等）。ui0时时：iFouRRu11ui UR时时 , uo = +Uom当当ui UR时时 , uo = -Uom 一、一

14、、若若ui从同相端输入从同相端输入8.2.3 电压比较器电压比较器8-36+uouiURuoui0+Uom-UomUR当当ui UR时时 , uo = -Uom 二、二、 若若ui从反相端输入从反相端输入8-37uoui0+UOM-UOM+uoui三、过零比较器三、过零比较器: (UR =0时时)+uouiuoui0+UOM-UOM8-38+uouitui例：例：利用电压比较器将正利用电压比较器将正弦波变为方波。弦波变为方波。uot+Uom-Uom8-39+uiuoui0+UZ-UZ电路改进：电路改进：用稳压管稳定输出电压。用稳压管稳定输出电压。+uiuo UZRR uo UZ电压比较器的另一

15、种形式电压比较器的另一种形式 将双向稳压管接在将双向稳压管接在负反馈回路上负反馈回路上8-40比较器的特点比较器的特点1. 电路简单。电路简单。2. 当当Ao不够大时，不够大时， 输出边沿不陡。输出边沿不陡。3. 容易引入干扰。容易引入干扰。tuiuot过零附近仍过零附近仍处于放大区处于放大区8-41一、下行迟滞比较器一、下行迟滞比较器分析分析1. 因为有正反馈，所以因为有正反馈，所以输出饱和。输出饱和。2. 当当uo正饱和时正饱和时(uo =+UOM) ：U+HomUURRRU2113. 当当uo负饱和时负饱和时(uo =UOM) ：LomUURRRU211+uoRR2R1ui参考电压由参考

16、电压由输出电压决定输出电压决定特点：特点：电路中使用正反馈，电路中使用正反馈， 运放处于非线性状态。运放处于非线性状态。1. 没加参考电压的下没加参考电压的下行迟滞比较器行迟滞比较器8.2.4 迟滞比较器迟滞比较器8-42omHURRRU211omLURRRU211分别称分别称UH和和UL上下门限电压上下门限电压。称。称(UH - UL)为为回差回差。当当ui 增加到增加到UH时，输出时，输出由由Uom跳变到跳变到-Uom；+uoRR2R1ui当当ui 减小到减小到UL时，输出时，输出由由-Uom跳变到跳变到Uom 。传输特性：传输特性：uoui0Uom-UomUHUL小于回差的干扰不会引起小

17、于回差的干扰不会引起跳转。跳转。跳转时，正反馈加跳转时，正反馈加速跳转。速跳转。8-43tuiUom-UomtuiUHUL例：例：下行迟滞比较器的下行迟滞比较器的输入为正弦波时，输入为正弦波时，画出输出的波形。画出输出的波形。+uoRR2R1ui8-44RomHURRRURRRU212211RomLURRRURRRU2122112. 加上参考电压后的下行迟滞比较器加上参考电压后的下行迟滞比较器加上参考电压后的上下限：加上参考电压后的上下限：+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL8-45下行迟滞比较器两种电路下行迟滞比较器两种电路传输特性传输特性的比较的比较:+uoRR2R1u

18、iuoui0Uom-UomUHUL+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL8-46例：例：R1=10k ，R2=20k ，UOM=12V， UR=9V当输入当输入 ui 为如图所示的波形时，画出输出为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。的波形。+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL5V10Vuit08-47首先计算上下门限电压：首先计算上下门限电压：+uoRR2R1uiURV10212211RomHURRRURRRUV2212211RomLURRRURRRU8-48+UOM-UOM根据传输特性画输出波形图。根据传输特性画输出波形图。+uoRR2R1uiURu

19、oui0Uom-UomUHULuiuott10V5V002V8-490211212omiURRRuRRRu+=0 时翻转，可以求出上下门限电压。时翻转，可以求出上下门限电压。0211212omiURRRuRRR二、上行迟滞比较器二、上行迟滞比较器+uoRR2R1uiHomiUURRu21LomiUURRu21当当u+ u- =0 时时, uo= +UOM当当u+ UH , 就有就有 u- u+ ,在在 uc UH 时，时， u- u+ , uo 保持保持 + UOM 不变；不变；uo 立即由立即由UOM 变成变成UOM +RR1R2C+ucuo8-57此时，此时，C 经输出端放电。经输出端放电

20、。2. 当当uo = -UOM 时，时，u+=ULuc降到降到UL时，时，uo上翻上翻。UHuctUL当当uo 重新回到重新回到UOM 以后，电路又进入另一个以后，电路又进入另一个周期性的变化。周期性的变化。+RR1R2C+ucuo8-580UHuctULUOMuo0t- UOMT输出波形：输出波形：+RR1R2C+ucuo8-59RC电路：电路：起反馈和延迟作用，获得一定的频率。起反馈和延迟作用，获得一定的频率。下行迟滞比较器：下行迟滞比较器：起开关作用，实现高低电平的起开关作用，实现高低电平的转换。转换。+RR1R2C+ucuo方波发生器各部分的作用：方波发生器各部分的作用：8-60三、周

21、期与频率的计算三、周期与频率的计算RCtOMLOMceUUUtu)()(f=1/T)21ln(221RRRCTRCtOMHOMceUUUtu)()(uc上升阶段表示式上升阶段表示式:uc下降阶段表示式下降阶段表示式:uc0UHtULT1T2RCTOMLOMHeUUUU2)(RCTOMHOMLeUUUU1)()21ln(2121RRRCTTOMLHURRRUU2118-61方波发生器电路的改进：方波发生器电路的改进：+RR1R2C+ucuo+RR1R2C+ucuo UZ8-62思考题：思考题：点点 b 是电位器是电位器 RW 的中点，点的中点，点 a 和点和点 c 是是 b 的上方和下方的某点的

22、上方和下方的某点 。试定性画。试定性画出点电位器可动端分别处于出点电位器可动端分别处于 a、b、c 三三点点时的时的 uo - uc 相对应的波形图。相对应的波形图。-+RWR1R2CucuoD1D2abc8-63反向积分电路反向积分电路方波发生器方波发生器电路一：电路一：方波发生器方波发生器 矩形波矩形波积分电路积分电路三角波三角波+RR1R2C+uc-+RR2Cuo此电路要求前后电路的时间常数配合此电路要求前后电路的时间常数配合好，不能让积分器饱和。好，不能让积分器饱和。8.3.2 三角波发生器三角波发生器8-64tuRCuood11+RR1R2C+uc-+RR2Cuouo1uo三角波的周

23、期由方波发生器确定，其幅值也由三角波的周期由方波发生器确定，其幅值也由周期周期T和参数和参数R、C决定。决定。0uo1tUom-Uom8-65电路二：电路二：电路一的改型电路一的改型+A1A2uouo1R02R01RCR2R1反向积分电路反向积分电路上行迟滞上行迟滞比较器比较器特点：特点：由由上行的迟滞比较器上行的迟滞比较器和和反相积分器反相积分器级联构成，级联构成，迟滞比较器的输出作为反相积分器的输入，反相迟滞比较器的输出作为反相积分器的输入，反相积分器的输出又作为迟滞比较器的输入。积分器的输出又作为迟滞比较器的输入。8-66+uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL上行的迟滞比较

24、器上行的迟滞比较器回顾回顾:omHURRU21omLURRU21上下门限电压：上下门限电压：8-67回顾回顾:反相积分器反相积分器tuRCuiod1ui-+RR2Cuoui=-Uui=+Utuo0+Uom-Uom8-68omHURRU21omLURRU21+A1A2uouo1R02R01RCR2R100uo1tUOMUOMuotUHULtuRCuood118-69周期和频率的计算：周期和频率的计算：tuoUHULT+A1A2uouo1R02R01RCR2R1RCRRf124214RRCRT T1T2LHTOMUUtURC10d1HLTOMUUtURC20d1TTT5 . 021omTOMURR

25、tURC215 . 002d18-70电路三：电路三：是电路二的改型电路是电路二的改型电路调整电位器调整电位器 RW 可以使三角波上下移可以使三角波上下移动。即给纯交流的三角波叠加了一个动。即给纯交流的三角波叠加了一个直流分量。直流分量。+E-ERW+A1A2uouo1R02R01RCR2R18-71tuoT1T2-+R2R1+R R2CuoR+T1 时间段，电容时间段，电容 C 通过通过 R 放电放电T2 时间段，电容时间段，电容 C 通过通过 R 充电充电充放电的充放电的 时间时间T1、T2可可通过通过 R、R调整。调整。当当R=0时，则为锯齿波发生器。时，则为锯齿波发生器。电路四：电路四：是电路二的改进电路是电路二的改进电路uo1被嵌位被嵌位于于Uz8-72uot-+R2R1+R4CuoR+R3改变三角波发生器中改变三角波发生器中积分电路的充放