第8章 波形发生和信号转换

1、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 第一节第一节 正弦波振荡电路正弦波振荡电路第二节第二节 电压比较器电压比较器第三节第三节 非正弦波发生电路非正弦波发生电路第四节第四节 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重点掌握：重点掌握：利用正弦波振荡条件及分析方法能够分析利用正弦波振荡条件及分析方法能够分析讨论振荡电路的有关问题，掌握电压比较器、非讨论振荡电路的有关问题，掌握电压比较器、非正弦波发生电路的工作原理正弦波发生电路的工作原理 。2 fidXXX基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FiX+ dXoXfXdoXAX1oFiXAAXAF |

2、ofXFXfidXXX正反馈电路能正反馈电路能产生自激振荡产生自激振荡正弦波振荡电路正弦波振荡电路是在没有外加输入信号的情况下，依靠是在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡产生正弦波输出的电路。电路自激振荡产生正弦波输出的电路。则去掉则去掉如果：如果：d,fXX,iX仍有信号输出。仍有信号输出。fdXX 改成正反馈改成正反馈8.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路3一一. . 产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件fidXXX所以振荡条件为：所以振荡条件为：1FA引入正反馈引入正反馈ooXFAXdfXX让ofXFXofdoXFAXAXAXFAAAF1FAFA:01则正反馈足够强，输入信号为

3、正反馈足够强，输入信号为 0 0 时仍有信号输出，产生自激时仍有信号输出，产生自激振荡振荡 基本放大基本放大电路电路A A反馈电路反馈电路F FdXoXfX则去掉输入信号则去掉输入信号,iX仍有信号输出。仍有信号输出。doXAXfdXX4)()(FA、要获得要获得一定频率一定频率的正弦自激振荡的正弦自激振荡, ,反馈回路中必须有反馈回路中必须有选频电路选频电路。所以将放大倍数和反馈系数写成：。所以将放大倍数和反馈系数写成：1 FA振幅平衡条件振幅平衡条件 n2FA 相位平衡条件相位平衡条件自激振荡的自激振荡的平衡平衡条件：条件：1)()(FA因为：因为：AAA|)(FFF|)(所以，自激振荡条

4、件也可以写成：所以，自激振荡条件也可以写成：n n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。问题：问题：如何起振？如何稳幅？如何起振？如何稳幅？1 FA1FA5Uo 是振荡器的电压输出幅度，是振荡器的电压输出幅度，B是要求输出的幅度。是要求输出的幅度。起振时起振时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，这些扰动可分解为各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，其中也包括有种频率的分量，其中也包括有fo分量

5、。分量。选频网络选频网络：把：把fo分量选出，把其他频率的分量衰减掉。这时，分量选出，把其他频率的分量衰减掉。这时，只要：只要：且且 A+ B =2n ，即可即可起振起振。1 FA起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这时若起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，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。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，6dfX X1FA |等幅振荡等幅振荡增幅振荡增幅振荡fdAF1 XX|fdA

6、F1 XX| 减幅振荡减幅振荡 基本放大基本放大电路电路A A反馈电路反馈电路F FdXoXfX71振荡电路无须输入信号就能起振，起振的信号源来振荡电路无须输入信号就能起振，起振的信号源来自电路器件内部噪声；自电路器件内部噪声；2电路器件的内部噪声不是单一频率，但振荡电路中电路器件的内部噪声不是单一频率，但振荡电路中的选频网络，只使噪声中某一频率的选频网络，只使噪声中某一频率f0 满足相位平衡满足相位平衡条件，形成正反馈，成为振荡电路的输出信号；而条件，形成正反馈，成为振荡电路的输出信号；而其它频率的信号，则不满足相位平衡条件，逐渐被其它频率的信号，则不满足相位平衡条件，逐渐被抑制掉抑制掉;3

7、. 振荡电路中的稳幅环节，将限制输出信号幅度的无限振荡电路中的稳幅环节，将限制输出信号幅度的无限增长，当输出信号达到一定值后，将使其稳定。增长，当输出信号达到一定值后，将使其稳定。总结：总结：8正弦波振荡电路的组成：正弦波振荡电路的组成：放大电路放大电路：能量控制，保证输出信号有一定的幅度；：能量控制，保证输出信号有一定的幅度；选频网络选频网络：确定输出信号为单一频率的正弦波信号；：确定输出信号为单一频率的正弦波信号；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：使输出信号幅值稳定。：使输出信号幅值稳定。 其中选频网络往往与反馈网其中选频网络往往与反馈网络合二为一络合二为一,

8、, 稳幅环节用非线性稳幅环节用非线性元件实现。元件实现。 oXdXfX放大电路 反馈与 选频网络 根据选频网络所用元件分类：根据选频网络所用元件分类：（1）RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 （f1MHz) （3）石英晶体正弦波振荡电路）石英晶体正弦波振荡电路 (f稳定，类似稳定，类似LC电路电路）9判断电路是否可能产生正弦波振荡的步骤：判断电路是否可能产生正弦波振荡的步骤：电路是否由四个部分组成：放大、选频、反馈和稳电路是否由四个部分组成：放大、选频、反馈和稳幅幅放大电路是否能正常工作：静态工作点是否合适，放大电路是否能正常工作：静态工作点是否合适，动态信号能不能放大动态信号能不能放大判断电路

9、是否引入正反馈：利用瞬时极性法判断电路是否引入正反馈：利用瞬时极性法判断电路是否满足起振条件：计算和，是否判断电路是否满足起振条件：计算和，是否1 FA10低频段低频段高频段高频段900 0Ff，Uf900 Ff，UfUo.Uf.I.Uo.Uf.I. 在频率从在频率从0中必有一个频率中必有一个频率f0，F0。8.1.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路1.RC串并联选频网络串并联选频网络11CjRCjRCjRUUFof 1/11/ RCRCjF 131RCf 210 ffffjF0031200231| ffffF ffffac0031tan 整理可得整理可得令令RC10代入上式，得代入上式，得

10、幅频特性幅频特性相频特性相频特性+90+900 0f f F F-90-900 00 00 0f f0 0f ff f0 0|F31122. RC2. RC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路（振荡频率较低）（振荡频率较低）1FA正弦波振荡的平衡条件：正弦波振荡的平衡条件：f=f0时，时，F1/3则：则：AAu=31|FA考虑起振条件：考虑起振条件：311 RRUUAfpou12RRf 13 R1 RT C C R oUfUA - - + R 稳幅措施稳幅措施（利用非线性元件来稳幅）（利用非线性元件来稳幅）4热敏元件热敏元件：RT(负温负温度系数度系数)，R1（正温（正温度系数）度系数）4二极

11、管二极管（电流增大电阻（电流增大电阻减小）减小） R1 Rf C C R oUfUA - - + R 11RrRAdfu14原因：原因：要提高其振荡频率，必须减小要提高其振荡频率，必须减小 R R 和和 C C 的值，放大器的值，放大器的输出电阻和晶体管的极间电容将影响其选频特性，的输出电阻和晶体管的极间电容将影响其选频特性，输出频率不稳定。输出频率不稳定。：调调节节振振荡荡器器频频率率的的办办法法RCRC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 1 MHz 的正弦波的正弦波RCfo 21 15振荡频率可调的选频网络振荡频率可调的选频网络例：例：已知电容

12、的取值分别为已知电容的取值分别为0.01F, 0.1F, 1F, 10F, R=50, RW=10k.求求: f0的调节范围的调节范围.解：解：RCfo 21 maxmin21CRRfWo minmax21RCfo Hz59. 110101010502163 kHz3181001. 050216 双联波段开关，双联波段开关，切换切换C，用于粗，用于粗调振荡频率。调振荡频率。双联可调电阻双联可调电阻用于细调振荡用于细调振荡频率。频率。16RCfo21通过调整通过调整R或或C来调整频率。来调整频率。C：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

13、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。178.1.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路与正弦波振荡电路与RC正弦波振荡电路的组成原则在正弦波振荡电路的组成原则在本质上是相同的，只是本质上是相同的，只是选频网络由电感选频网络由电感L和电容和电容C构成构成，可，可以产生高频振荡。由于高频运放价格较高，所以一般用分以产生高频振荡。由于高频运放价格较高，所以一般用分立元件组成放大电路。本节只对立元件组成放大电路。本节只对 LC振荡电路做一简单介绍，振荡电路做一简单介绍，重点掌握相位条件的判别。重点掌握相位条件的判别。LC并联谐振回路并联谐振回路CjLjCjL

14、jZAB11iULIABCLCI总I理想电路理想电路CLjCL1谐振频率谐振频率LCf21018谐振频率与谐振电阻谐振频率与谐振电阻 1、谐振的概念谐振的概念：AB间的阻抗最大，且呈纯电阻的状态间的阻抗最大，且呈纯电阻的状态谐振状态。谐振状态。2、谐振频率谐振频率：LC10LCf21001CL当当 时呈谐振状态，此时时呈谐振状态，此时或或iULIABCLRCI总I3、谐振电阻谐振电阻02020)(1)(RRCRLRCLZAB)1(CLjRCLZABCjLjRCjLjRZAB11)(RL LCO12损耗损耗电阻电阻CLoo119谐振曲线谐振曲线1、谐振曲线、谐振曲线fofABZ+90 90 f0

15、R0)1(CLjRCLZAB)(11)1(1100000CRRLjRRCRLjRCLZAB)ffff(jQ1RffQffQj1R0000000002、通用谐振方程、通用谐振方程iULIABCLRCI总I20选频放大电路选频放大电路RCbeurZA当当f= fo 时，电压放大时，电压放大倍数最大，且无附加相移。倍数最大，且无附加相移。具有选频特性。具有选频特性。若在电路中引入正反若在电路中引入正反馈，并能用反馈电压取代馈，并能用反馈电压取代输入电压，则电路就成为输入电压，则电路就成为正弦波振荡电路。正弦波振荡电路。根据在电路中引入反馈的方式不同，有根据在电路中引入反馈的方式不同，有变压器反馈变压

16、器反馈式、式、电电感反馈感反馈式、式、电容反馈式电容反馈式三种电路。三种电路。21例例1：变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路+正反馈正反馈22+ 例例2：电感反馈式振荡电路电感反馈式振荡电路正反馈正反馈+UCCCC1C2频率由频率由LC谐振网络决定。谐振网络决定。23例例3：电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路+正反馈正反馈+24例例4：电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路正反馈正反馈频率由频率由 L 、 C1 、 C2 组成的谐振网络决定。组成的谐振网络决定。+UCCC1LC2+258.1.4. 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石英晶体的基本特性石英晶体的基本

17、特性极板间加交变电场极板间加交变电场极板间机械振动极板间机械振动晶体产生机械变形晶体产生机械变形晶体产生电场晶体产生电场交变电压交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压压电效应压电效应当交变电压频率为一固有频率时，振幅最大当交变电压频率为一固有频率时，振幅最大, ,称为称为压电振荡压电振荡。机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性非常高。机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性非常高。26NPNPuuUuuUuoOLOH电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，是组电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路，在测量和控制中有着成非正弦波发生电路的基本单元

18、电路，在测量和控制中有着相当广泛的应用。本节主要讲述各种相当广泛的应用。本节主要讲述各种电压比较器的特点和电电压比较器的特点和电压传输特性压传输特性，同时阐明其组成特点和分析方法。，同时阐明其组成特点和分析方法。8.2.1概述概述一、电压比较器的电压传输特性一、电压比较器的电压传输特性IOf uu uo与与uI的关系曲线称为电压传输特性的关系曲线称为电压传输特性uo发生跃变时的输入电压称为发生跃变时的输入电压称为阈值电压或转折电压，记作阈值电压或转折电压，记作UT三要素：三要素：1、确定输出电压的高、低电平确定输出电压的高、低电平UOH和和UOL ; 2、求阈值电压求阈值电压UT ; 3、 u

19、I 经过经过UT 时时uO跃变的方向。跃变的方向。8.2 电压比较器电压比较器27二、二、 理想集成运放工作于非线性区理想集成运放工作于非线性区 电路中没有引入负反馈电路中没有引入负反馈（开环或引入的是正反馈）（开环或引入的是正反馈），理，理想运放工作于非线性区。想运放工作于非线性区。0 0所所以以，, ,因因为为, ,iiruuidNP uo -UOM UOM uP- uN O A - - + u+ uo u- i+ i- i+ A + + - u- uo u+ i- 反馈网络 电压传输特性电压传输特性NPNPuuU-uuUuoOMOM因其放大倍数趋于无穷大，所因其放大倍数趋于无穷大，所以输

20、出电压只有两种可能：以输出电压只有两种可能：28由于处于线性与非线性状态的运放的分析方法不同，所以由于处于线性与非线性状态的运放的分析方法不同，所以分析电路前，首先确定运放工作在线性区还是非线性区。分析电路前，首先确定运放工作在线性区还是非线性区。确定运放工作区的方法：确定运放工作区的方法：判断电路中有无负反馈。判断电路中有无负反馈。若有负反馈，则运放工作在线性区；若有负反馈，则运放工作在线性区；若无负反馈，或有正反馈，则运放工作在非线性区。若无负反馈，或有正反馈，则运放工作在非线性区。处于非线性状态运放的特点：处于非线性状态运放的特点：1. 1. 虚短路不成立。虚短路不成立。 2. 2. 输

21、入电阻仍可以认为很大。输入电阻仍可以认为很大。3. 3. 输出电阻仍可以认为是输出电阻仍可以认为是0 0。三、三、 电压比较器的种类电压比较器的种类单限比较器单限比较器滞回比较器滞回比较器窗口比较器窗口比较器29一、一、 过零比较器过零比较器000TiiouuU-uUuOMOM uo -UOM UOM ui O A + + - ui uo 8.2.2. 8.2.2. 单限比较器单限比较器电压传输特性电压传输特性 uo -UOM UOM ui O A + + - ui uo t tu ui i例：例：利用电压比较器将利用电压比较器将正弦波变为方波正弦波变为方波u uo ot t+U+Uomom-

22、 -U Uomom30 uo -UOM UOM ui O 过零比较器限幅电路过零比较器限幅电路 A + + - ui uo ui R Uz A - - + uo R R Uz A + + - ui uo uo UOL UOH ui O +UZ-UZ保护保护二极管二极管双向稳压双向稳压管限幅管限幅线性区线性区 I+=I-=0， U+=U-， 保护了输入级。保护了输入级。 提高了输出电压的转换速度。提高了输出电压的转换速度。电压传输特性电压传输特性+UZ-UZ31 R Uz A + + - ui uo 例例:如图所示电路如图所示电路,稳压管的稳定电压稳压管的稳定电压UZ=6V,输入电压为输入电压为

23、如图所示三角波如图所示三角波,试画出输出电压的波形试画出输出电压的波形. 解解:ui0 时时,uo=UZ=6V ui UT 及及ui 2V时时,uo=UZ=5Vui 2V时时,uo= +UZ=5V -2V +5V -5V uo ui O 358.2.3. 8.2.3. 滞回比较器滞回比较器 -UT +UT +UZ -UZ uo ui O ui R Uz A - - + uo R2 R1 Z211PZOURRRu Uu 就就是是阈阈值值电电压压PPNu uu Z211TURRRU 即即也也称称为为上上下下门门限限电电压压TU 滞回比较器灵敏度低滞回比较器灵敏度低,但抗干扰能力强但抗干扰能力强电压

24、传输特性电压传输特性Z211T2URRRUZ211T1URRRU36例例:图示电路的上下门限电图示电路的上下门限电压压UT=3V, 稳压管的稳压管的稳定电压稳定电压UZ=9V,输入电输入电压波形如图所示压波形如图所示,试画出试画出输出电压的波形输出电压的波形. ui R Uz A - - + uo R2 R1 解解:先画出电压传输特性先画出电压传输特性抗干扰能力强抗干扰能力强37 若要求滞回比较器的上下门限电压均大于若要求滞回比较器的上下门限电压均大于0，电路应改进，电路应改进 UREF ui R Uz A - - + uo R2 R1 上上下下门门限限电电压压 NPuuZ211REF212T

25、2URRRURRRUZ211REF212PURRRURRRU 得得由由叠叠加加原原理理，Z211REF212T1URRRURRRU 电压传输特性电压传输特性 UT1 UT2 +UZ -UZ uo ui O Z211REF212TURRRURRRU38例例:如图如图R1=10k, R2=30k, UREF=8V, 稳压管的稳定电压稳压管的稳定电压UZ=12V.求求:上下门限电压并画出电压传上下门限电压并画出电压传输特性输特性 UREF ui R Uz A - - + uo R2 R1 解解:Z211REF212T1URRRURRRU Z211REF212T2URRRURRRUV312301010

26、8301030 V9123010108301030 电压传输特性电压传输特性39例例8.2.3设计一个电压比较器，使其电压传输特性如设计一个电压比较器，使其电压传输特性如图所示，要求所用电阻阻值在图所示，要求所用电阻阻值在20K 100K之间之间解解:上下门限电压上下门限电压UT=3V, 稳压管的稳定电压稳压管的稳定电压UZ=6V, UREF=0，信号从同相输入端输入。电路如图所示：，信号从同相输入端输入。电路如图所示：Z21TURRUVV3621RR12RR2取取R1= 25K，则，则R2= 50K取取R1= 50K，则，则R2= 100K2Z1TRURU408.2.4 窗口比较器及其电压传

27、输特性窗口比较器及其电压传输特性RHIUuRLIUuOMO2OMO1UUuuD1导通，导通，D2截止，截止，uO=+UZRLIUuRHIUuOMO2OMO1UUuuD1截止，截止，D2导通，导通，uO=+UZRLIRHUU uOMO2O1U uuD1、D2截止，截止，Uo=041几种常见的非正弦波几种常见的非正弦波矩形波矩形波三角波三角波锯齿波锯齿波尖顶波尖顶波阶梯波阶梯波本节主要讲述模拟电路中常用的矩形波、三角波、锯本节主要讲述模拟电路中常用的矩形波、三角波、锯齿波三种非正弦波发生电路的组成、工作原理、波形分析齿波三种非正弦波发生电路的组成、工作原理、波形分析和主要参数的计算。和主要参数的计算。8.3 8.3 非正弦波发生电路非正弦波发生电路42 uC ，当，当 uC = -UT 时，时， uO = +UZ ，则，则u+ = +UT ，uO 通过通过R3向向C充电充电 。 uC ，当，当 uC = +UT 时，时， uO = - UZ ，则，则