模电第八章 波形的发生和信号的转换

1、第八章第八章波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换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利用集成运放实现的信号转换电路利用集成运放实现的信号转换电路8.5锁相环及其在电路中的运用锁相环及其在电路中的运用第第四四版版华华成成英英8.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路8.1.1概述概述iU放大电路放大电路AioUAU 反馈网络反馈网络FtUU sin2ii OfUFU 如果反馈电压如果反馈电压 uf 与原输入信号与原输入信号 ui 完全相等，则即使完全相等，则即使无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号无外输入信号，放大电路

2、输出端也有一个正弦波信号自激振荡自激振荡。(电路要引入正反馈电路要引入正反馈)图图 8.1.2 8.1.2正弦波振荡电路的方框图正弦波振荡电路的方框图一、产生正弦波振荡的条件一、产生正弦波振荡的条件动画动画avi11-1.avi由此知放大电路产生自激振荡的条件是：由此知放大电路产生自激振荡的条件是：ifUU 即：即：iiofUUAFUFU 所以产生正弦波振荡的条件是：所以产生正弦波振荡的条件是：1 FA1 FA幅度平衡条件幅度平衡条件2argFAnFA 相位平衡条件相位平衡条件, 2 , 1 , 0 n电路起电路起振的条件：振的条件：1FA二、正弦波振荡电路的组成及分类二、正弦波振荡电路的组成

3、及分类组成组成：放大电路：放大电路：集成运放集成运放选频网络：选频网络：确定电路的振荡频率确定电路的振荡频率反馈网络：反馈网络：引入正反馈引入正反馈稳幅环节：稳幅环节：非线性环节，使输出信号幅值稳定非线性环节，使输出信号幅值稳定分类：分类：RC正弦波振荡电路，频率较低，在正弦波振荡电路，频率较低，在1MHz以下。以下。LC正弦波振荡电路，频率较高，在正弦波振荡电路，频率较高，在1MHz以上。以上。石英晶体振荡电路，频率较高，振荡频率非常稳定。石英晶体振荡电路，频率较高，振荡频率非常稳定。三、判断电路能否产生正弦波振荡的方法和步骤三、判断电路能否产生正弦波振荡的方法和步骤1. 检查电路是否具备正

4、弦波振荡的组成部分；检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分；2. 检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正常工作；常工作；3. 分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件判断相位平衡条件的方法是：判断相位平衡条件的方法是：瞬时极性法瞬时极性法。5.估算振荡频率和起振条件估算振荡频率和起振条件4.判断是否满足振幅平衡条件。判断是否满足振幅平衡条件。8.1.2RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路RCRC串并联网络振荡电路也称串并联网络振荡电路也称RCRC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路或称文氏振荡电路或称文氏振荡电路

5、( (Wien)Wien)电路组成：电路组成：放大电路放大电路 集成运放集成运放 A ；选频与正反馈网络选频与正反馈网络 R、C 串并联电路；串并联电路；稳幅环节稳幅环节 RF 与与 R 组成的负反馈电路。组成的负反馈电路。图图 8.1.4一、一、RC 串并联选频网络串并联选频网络Z1Z2)1)1(1111122112212211222212CRCRCCRRCRCRCRRUUF j(j1jjf取取 R1 = R2 = R ， C1 = C2 = C ，令令 RC10 则：则： )j(3100 F得得 RC 串并联电路的幅串并联电路的幅频特性为：频特性为：2002)(31 F3arctg00F

6、相频特性为：相频特性为：时，时，当当RC10 31 F最大，最大， F = 0。 0 0 F0 F 01/3+90- -90图图 8.1.5二、振荡频率与起振条件二、振荡频率与起振条件1. 振荡频率振荡频率RCf 2102. 起振条件起振条件1 FAf = f0 时，时，31 F由振荡条件知：由振荡条件知：所以起振条件为：所以起振条件为：3 A同相比例运放的电压放大倍数为同相比例运放的电压放大倍数为即要求：即要求：RRAu Ff1RR 2F三、振荡电路中的负反馈三、振荡电路中的负反馈(稳幅环节稳幅环节)引入电压串联负反馈，可以提高放大倍数的稳定性，引入电压串联负反馈，可以提高放大倍数的稳定性，

7、改善振荡电路的输出波形，提高带负载能力。改善振荡电路的输出波形，提高带负载能力。反馈系数反馈系数改变改变 RF，可改变反馈深度。可改变反馈深度。增加负反馈深度，并且满足增加负反馈深度，并且满足3 A则电路可以起振，并产生比较稳定而失真较小的正则电路可以起振，并产生比较稳定而失真较小的正弦波信号。弦波信号。图图 8.1.7RRRF F反馈电阻反馈电阻 RF采用负温度系数采用负温度系数的热敏电阻，的热敏电阻，R采用正温度系数采用正温度系数的热敏电阻，均可实现的热敏电阻，均可实现自动稳幅自动稳幅。稳幅的其它措施稳幅的其它措施电流增大时，二极管动态电电流增大时，二极管动态电阻减小。电流减小时，动态阻减

8、小。电流减小时，动态电阻增大，加大非线性环节，电阻增大，加大非线性环节，从而使输出电压稳定。从而使输出电压稳定。在在RF回路中串联二个并联的二极管回路中串联二个并联的二极管RrRAdFu1四、振荡频率可调的四、振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路用双层波段开关接不同电容，用双层波段开关接不同电容，作为振荡频率作为振荡频率f0的的粗调粗调；用同轴电位器实现用同轴电位器实现f0的的微调微调。RC串、并联网络中，串、并联网络中，如何调节频率？如何调节频率？问题：如何提高频率？问题：如何提高频率？RCf 210动画动画avi11-2.avi*其他形式的其他形式的 RC 振荡电路振荡电

9、路(略略)8.2电压比较器电压比较器1.电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电 压 进 行 比 较 ， 输 出 只 有 两 种 可 能 的 状 态 ： 高电 压 进 行 比 较 ， 输 出 只 有 两 种 可 能 的 状 态 ： 高电平或低电平。电平或低电平。2.比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于开环状态或引入正反馈。开环状态或引入正反馈。3.分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。8.2.1概述概述4.比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元，在比较器是组成

10、非正弦波发生电路的基本单元，在 测量、控制、测量、控制、D/A和和A/D转换电路中应用广泛。转换电路中应用广泛。一、一、 电压比较器的传输特性电压比较器的传输特性1.电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系)(OIufu2.阈值电压阈值电压： UT当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。对应的输入电压。3.电压传输特性的三要素电压传输特性的三要素(1)输出电压的高电平输出电压的高电平UOH和低电平和低电平UOL的数值。的数值。(2)阈值电压的数值阈值电压的数值UT。(3)当当

11、uI变化且经过变化且经过UT时，时， uO跃变的方向。跃变的方向。二、理想运放的非线性工作区二、理想运放的非线性工作区+UOMuOuP uN NO UOM集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性在电压比较器中，集成运放不是工作在开环在电压比较器中，集成运放不是工作在开环状态，就是工作在正反馈。状态，就是工作在正反馈。8.2.2单限比较器单限比较器一、过零比较器一、过零比较器由于理想运放的开环差模由于理想运放的开环差模增益为无穷大，所以增益为无穷大，所以当当 uI 0 时，时，uO = - - UOM ；过零比较器的过零比较器的传输特性传输特性为：为：uIuO+UOM- -UOMOUOM 为

12、集成运放的最大输出电压。为集成运放的最大输出电压。图图8.2.3利用稳压管限幅的过零比较器利用稳压管限幅的过零比较器设任何一个稳压管被反向设任何一个稳压管被反向击穿时，两个稳压管两端总的击穿时，两个稳压管两端总的的稳定电压为的稳定电压为 UZ UOMuIuO+UOM - -UOMO+UZ- -UZ当当 uI 0 时，右边的稳压管时，右边的稳压管被反向击穿，被反向击穿，uO = - - UZ ；图图 8.2.6利用稳压管限幅的过零比较器利用稳压管限幅的过零比较器(二二)电路图电路图传输特性传输特性uIuO+UOpp - -UOppO+UZ- -UZ问题：如将输入信号加在问题：如将输入信号加在“+

13、”端，传输特性如何？端，传输特性如何？问题：问题：过零比较器如图所示，过零比较器如图所示，输入为正负对称的正弦波时，输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？输出波形是怎样的？vIOT 2 3 4 ttvOVOHOVOL传输特性传输特性uIuO+UOpp - -UOppO+UZ- -UZ将正弦波变为矩形波将正弦波变为矩形波二、单限比较器二、单限比较器单限比较器有一个门限单限比较器有一个门限电平，当输入电压等于此门电平，当输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立限电平时，输出端的状态立即发生跳变。即发生跳变。REF21TURRuUI当输入电压当输入电压 uI 变化，使反相变化，使反相输入端的电

14、位为零时，输出端的输入端的电位为零时，输出端的状态将发生跳变，门限电平为：状态将发生跳变，门限电平为：uIuO+UOM- -UOMO+UZ- -UZREF12URR过零比较器是门限电平为零过零比较器是门限电平为零的单限比较器。的单限比较器。图图 8.2.7R1R2存在干扰时单限比较器的存在干扰时单限比较器的 uI、uO 波形波形单限比较器的单限比较器的作用作用：检测输入的模拟信号是否达到：检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。某一给定电平。缺点缺点：抗干扰能力差。：抗干扰能力差。解决办法解决办法： 采用具有采用具有滞回滞回 传输特性的比较器。传输特性的比较器。电压比较器分析方法小结电压比较器

15、分析方法小结（1）由限幅电路确定电压比较器的输出高电平）由限幅电路确定电压比较器的输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL 。（2）写出）写出up和和uN的电位表达式，令的电位表达式，令up=uN ，解得输解得输入电压就是阈值电压入电压就是阈值电压UT。（3） u0在在uI 过过UT时的跃变方向决定于作用于集时的跃变方向决定于作用于集成运放的哪个输入端。成运放的哪个输入端。当当uI从反向输入端输入时，从反向输入端输入时，uIUT ,u0=U0L 。反之，结论相反反之，结论相反。例例8.2.1在图在图8.2.6所示电路中，所示电路中，UZ=6V ，在图在图8.2.7中中所示电路中，所示电路

16、中， R1= R2 =5k ，基准电压基准电压UREF=2V ，稳压稳压管的稳定电压管的稳定电压UZ=5V ；它们的输入电压均为图它们的输入电压均为图8.2.8（a）所示的三角波。试画出图所示的三角波。试画出图8.2.6所示电路的输出电压所示电路的输出电压u01和和图图8.2.7所示电路的输出电压所示电路的输出电压u02 解解图图8.2.6为过零比较器为过零比较器图图8.2.7为一般单限比较器。为一般单限比较器。VURRU2REF21T图图8.2.8例例8.2.1波形图波形图R1R28.2.3滞回比较器滞回比较器一、从反相输入端输入的滞回比较器电路一、从反相输入端输入的滞回比较器电路计算阈值电

17、压计算阈值电压UTZ211TURRRU电压传输特性电压传输特性uo从从+ +UZ跃变到跃变到- -UZ的的 阈值电压为阈值电压为+UTuo从从- -UZ跃变到跃变到+ +UZ的的 阈值电压为阈值电压为-UTuI在在-UT与与+UT之间增加或减小之间增加或减小, uO不发生变化不发生变化UREF 为参考电压；为参考电压； ；uI 为输入电压；输出电为输入电压；输出电压压 uO 为为 +UZ 或或 - -UZ。当当 uP = uN N 时，输出电压时，输出电压的状态发生跳变。的状态发生跳变。ZF22REFF2FuRRRURRRuP比较器有两个不同的门限电平，比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈

18、滞回形状。故传输特性呈滞回形状。 +UZuIuO - -UZOUT- -UT+ +图图 8.2.10滞回比较器滞回比较器二、加了参考电压的二、加了参考电压的滞回比较器滞回比较器若若 uO= UZ ，当当 uI 逐渐减小逐渐减小时，使时，使 uO 由由 UZ 跳跳变为变为 UZ 所需的门限电平所需的门限电平 UT ZF22REFF2FTURRRURRRU 回差回差( (门限宽度门限宽度) ) UT ：ZF22TTT2URRRUUU 若若 uO = UZ ，当当 uI 逐渐增大逐渐增大时，使时，使 uO 由由 + +UZ 跳变跳变为为 - -UZ 所需的门限电平所需的门限电平 UT+ZF22REF

19、F2FTURRRURRRU 例例8.2.2已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。图图8.2.11例例8.2.2波形图波形图 UZ 9VV3URRRUZ211T图图8.2.9滞回比较器电路滞回比较器电路uO /Vt0+9-98.2.4 窗口比较器窗口比较器参考电压参考电压 UREF1 UREF2若若 uI 低于低于 UREF2 ，运放运放 A1 输出低电平，输出低电平，A2 输出高电平，二输出高电平，二极管极管 VD1 截止，截止，VD2导通，输出导通，输出电压电压 uO 为高电平；为高电平；若若 uI 高于高于 UREF1 ，运放运放

20、A1 输出高电平，输出高电平，A2 输出低电输出低电平，二极管平，二极管 VD2 截止，截止，VD1 导通，输出电压导通，输出电压 uO 为高电平；为高电平；图图 8.2.13双限比较器双限比较器( (a) )前面的比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃前面的比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。变一次，因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。当当 uI 高于高于 UREF2 而低于而低于 UREF1 时时 ，运放，运放 A1、 A2 均输出均输出低电平，二极管低电平，二极管 VD1 、VD2 均均截止，输出电压截止，输出电压 u

21、O 为低电平；为低电平；上门限电平上门限电平 UTH = UREF1 ；下门限电平下门限电平 UTL = UREF2 。uIuOOUTHUTL综上所述，双限比较器在输入信号综上所述，双限比较器在输入信号 uI UREF1 时，输出为高电平；而当时，输出为高电平；而当 UREF2 uI UREF1 时，输时，输出为低电平。出为低电平。图图 8.2.13( (b) )8.2.5集成电压比较器集成电压比较器一、集成电压比较器的主要特点和分类：一、集成电压比较器的主要特点和分类：1. 具有较高的开环差模增益；具有较高的开环差模增益；2. 具有较快的响应速度；具有较快的响应速度；3. 具有较高的共模抑制

22、比和允许共模输入电压较高；具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高；4. 具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。分类：分类：单、双和四电压比较单、双和四电压比较通用型、高速型、低电压型和高精度型通用型、高速型、低电压型和高精度型普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出型普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出型8.3非正弦波发生电路非正弦波发生电路非正弦波非正弦波：矩形波、三角波、尖顶波和阶梯波等矩形波、三角波、尖顶波和阶梯波等图图8.3.1几种常见的非正弦波几种常见的非正弦波8.3.1矩形波发生电路矩形波发生电路一、电路组成一、电路组成RC 充

23、放电充放电回路回路滞回滞回比较器比较器图图 8.3.2滞回比较器：集成运放、滞回比较器：集成运放、R1、R2；充放电回路：充放电回路：R、C；（；（延迟环节、反馈网络）延迟环节、反馈网络）钳位电路：钳位电路：VDZ、R3。（。（稳幅环节）稳幅环节）动画动画avi14-1.avi二、工作原理二、工作原理设设 t = 0 时，时，uC = = 0，uO = + UZ则则Z211URRRu tOuCZ211URRR Z211URRR OuOZU ZU tu+u 当当 u = uC = u+ 时，时，t1t2Z211URRRu 则则当当 u = uC = u+ 时，输出又时，输出又一次跳变，一次跳变，

24、 uO = + UZ输出跳变，输出跳变， uO = UZ图图 8.3.42T2T三、振荡周期三、振荡周期电容的充放电规律：电容的充放电规律： )(e)()0()( CtCCCuuutu 对于放电，对于放电，Z211) 0(URRRuC Z)(UuC RC 解得：解得：)21ln(221RRRCT 结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电阻，即可改变振荡周期。阻，即可改变振荡周期。t1t22T2TtOuCZ211URRR Z211URRR OuOZU ZU tt3图图 8.3.4振荡频率振荡频率f=1/TZ211)2(URRRTuC四、占空比可

25、调的矩形波发生电路四、占空比可调的矩形波发生电路图图 8.3.5a使电容的充、放电时间常数不使电容的充、放电时间常数不同且可调，即可使矩形波发生器的同且可调，即可使矩形波发生器的占空比可调。占空比可调。tOuCuOtOT1T2T充电时间充电时间 T1放电时间放电时间 T2)21ln()(221W1RRCRRT )21ln()(221W2RRCRRT 占空比占空比 DWW12RRRRTTD 图图 8.3.5b8.5.2三角波发生电路三角波发生电路一、电路组成一、电路组成图图8.3.6采用波形变换的方法得到三角波采用波形变换的方法得到三角波uO1为方波为方波电路分析电路分析uO2为三角波为三角波)()( )(d1OO01IOOIOtuttRCUtutuRCu二、工作原理二、工作原理当当 u+ = u = 0 时，滞回比较时，滞回比较器的输出发生跳变。器的输出发生跳变。