波形的发生和信号的转换电压比较器

1、模拟电子技术模拟电子技术基础课件基础课件8 - 3 - 21、LC选频网络选频网络LCf210电路的谐振频率理想时电路的谐振频率理想时2、 变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路内容回顾内容回顾8 - 3 - 33.电感反馈式振荡电路电感反馈式振荡电路uf4.电容反馈式振荡电路电容反馈式振荡电路8 - 3 - 4 电压比较器：电压比较器：是对是对输入信号输入信号进行鉴幅与进行鉴幅与比较的电路，将输入电压和一个参考电压进行比比较的电路，将输入电压和一个参考电压进行比较并将比较的结果对外输出的电路，较并将比较的结果对外输出的电路，是组成产生是组成产生非正弦波电路的基本单元电路。非正弦波电路的基本

2、单元电路。8.2 8.2 电压比较器电压比较器REFIUu 例：例：OMOUuREFIUu OMOUu模拟量模拟量数字量数字量8 - 3 - 5一一、电压比较器的电压传输特性、电压比较器的电压传输特性： 即：电压比较器即：电压比较器uO与与uI 的关系曲线的关系曲线 uO= f( uI ) 用曲线来描述，称为用曲线来描述，称为电压传输特性。电压传输特性。注意注意：在电压比较器中，：在电压比较器中，uI 可以是模拟信号，可以是模拟信号，而而uO 只有两种可能的状态：只有两种可能的状态： UOH和和UOL，用以表，用以表示比较的结果。示比较的结果。8 - 3 - 6 当当uO 从从UOH 跃变为跃

3、变为UOL，或从，或从UOL跃变为跃变为UOH时，对应的时，对应的输入电压输入电压uI 称为称为阈值电压阈值电压，或，或转折电压转折电压，记作，记作UT 。描述电压传输特性的描述电压传输特性的三要素三要素:1. uO 高、低电压高、低电压UOH 、UOL ；2. 阈值电压阈值电压UT 的值的值当当uO 从从UOH 跃变为跃变为UOL，或从，或从UOL跃跃变为变为UOH时，（即时，（即uO =0时）时）对应的对应的uI ；3. uI 经过经过UT 时时uO 的跃变方向。的跃变方向。 8 - 3 - 7 为了正确画出电压传输特性，为了正确画出电压传输特性，必须求出电压必须求出电压比较器三个要素：比

4、较器三个要素：（1）输出电压）输出电压uO 高电平高电平UOH 和低电平和低电平UOL的数的数值值 ；（一般有限幅）；（一般有限幅）（2）求出阈值电压的数值）求出阈值电压的数值UT （即（即uO =0时对应时对应的的uI ） （3）正确判断当）正确判断当uI 变化且经过变化且经过UT 时，时， uO 的的跃变方向，即跃变方向，即是从是从UOH跃变为跃变为UOL ，还是还是UOL跃跃变为变为UOH 。8 - 3 - 8二、集成运放的非线性工作区：二、集成运放的非线性工作区：1.工作条件：电路开环或引入正反馈。工作条件：电路开环或引入正反馈。2.电路工作特点：电路工作特点：1) ) A , 即即：

5、uO 只有只有UOH 和和 UOL 。+uI-+uI-2) 2) iP= iN =0uO= A uI= A( uP uN )8 - 3 - 9只要只要 uP uN +uI-+uI-uP uN , uO =+UOMuP 0 , uO = - - UOM , uI 0 , uO = +UOM .电压传输特性电压传输特性UT8 - 3 - 14同相输入端输入信号，同相输入端输入信号，反相输入端接地。反相输入端接地。电压传输特性电压传输特性uI 0 , uO = + UOM .阈值电压阈值电压(转折电压转折电压)UT = 0 V 。UT8 - 3 - 15UT = 0 V例例1 电路如图所示，运放输出

6、电压为电路如图所示，运放输出电压为6V，输入信号，输入信号如图，试画出它的输出电压波形。如图，试画出它的输出电压波形。+6V-6V8 - 3 - 161、电压比较器输入级的保护电路、电压比较器输入级的保护电路为了保护电路的输入级，限制集成运放的差模输为了保护电路的输入级，限制集成运放的差模输入电压为入电压为UD，可加二极管限幅电路。，可加二极管限幅电路。uI 0 , uO= - - UOM , uI 0 时，时， uO = - - UOM， DZ1工作在正向导通状态，工作在正向导通状态，DZ2工作在稳压状态，所以工作在稳压状态，所以 uO =UOL=- -(UZ2 +UD )；uI0 时时，

7、uO =UOL=- -UZ；uI 0 时时， uO=UOH= + +UZ 。 限幅电路的稳压管还可限幅电路的稳压管还可以跨接在集成运放的输出以跨接在集成运放的输出端与反相输入端。端与反相输入端。8 - 3 - 19 对于任何比较器的分析就是得到其电压传对于任何比较器的分析就是得到其电压传输特性：输特性：即即 uO 、 uI的关系的关系。二、二、 一般单限比较器一般单限比较器:阈值电压阈值电压UT = UREF 。UREF如图：如图：UREF为外加参考为外加参考电压，又为基准电压。电压，又为基准电压。 8 - 3 - 20如图：如图：UREF为外加参考电压，又为基准电压。为外加参考电压，又为基准

8、电压。 根据比较器的根据比较器的电压传输特性要点，电压传输特性要点，只要分析出三要素，只要分析出三要素，就可以得到电压传就可以得到电压传输特性。输特性。（1）uO 的高、低电平的高、低电平UOH 和和UOL ；（2）求）求UT ；（3）确定）确定uI = UT 时，时，uO的跃变方向。的跃变方向。描述电压传输描述电压传输特性的三要素：特性的三要素：8 - 3 - 211、uO 的高、低电平的高、低电平如图电路很明显：如图电路很明显： up =0，根据电路：根据电路：UOH=UZ ;UOL=- -UZ .2、求、求UT指指uO由高到低、或由低到高变化时，对应的由高到低、或由低到高变化时，对应的

9、uI 。对于运放而言，对于运放而言， uO 跃变时，对应的跃变时，对应的uD=0，即，即up= uN。根据电路画出比较器的电压传输特性根据电路画出比较器的电压传输特性8 - 3 - 22REFINURRRuRRRu212211求出阈值电压令, 0PNuuREFTURRU12如果如果 UREF 0 ； 反之，反之， UT UT 时时, uN uP , uO= - -UZ，当当uI UT 时时, uN UT 时时, uN uP , uO= - -UZ，当当uI UT 时时, uN uP , uO= + +UZ，4、画出、画出uO、uI 的电压传输特性。的电压传输特性。通过以上分析得到电压传输特性。

10、通过以上分析得到电压传输特性。设设 UREF 08 - 3 - 24uO 、 uI 的电压传输特性。的电压传输特性。8 - 3 - 25综上所述，综上所述，分析电压传输特性三要素的方法。分析电压传输特性三要素的方法。P413P413（1）通过集成运放输出端所接的限幅电路来确通过集成运放输出端所接的限幅电路来确定电压比较器的输出低电平定电压比较器的输出低电平 UOL和输出高电平和输出高电平UOH ；（2）写出集成运放同相、反相输入端电位写出集成运放同相、反相输入端电位uP 和和uN 的表达式，的表达式，令令uP = uN，解得输入电压就是阈解得输入电压就是阈值电压值电压UT；8 - 3 - 26

11、（3） uO 在在uI 过过UT 时的跃变方向决定于时的跃变方向决定于uI 作用作用于集成运放的哪个输入端。于集成运放的哪个输入端。 若若uI 从反相输入端输入（或通过电阻接从反相输入端输入（或通过电阻接反相输入端），反相输入端），当当uI UT 时，时， uO= UOL 。 若若uI 从同相输入端输入（或通过电阻接从同相输入端输入（或通过电阻接同相输入端），同相输入端），当当uI UT时，时， uO= UOH 。8 - 3 - 27UT+UZ-UZ将三角波变换成矩形波将三角波变换成矩形波利用电压比较器可以实现波形变换利用电压比较器可以实现波形变换如图：如图：8 - 3 - 28 在在uI单向

12、变化时，单向变化时， uO 有一定的惯性，提有一定的惯性，提高了比较器的抗干扰高了比较器的抗干扰能力。能力。如图：从反相输入端输入信号，电路引入正反馈。如图：从反相输入端输入信号，电路引入正反馈。=施密特触发器施密特触发器8 - 3 - 29根据电路分析电压传输特性：根据电路分析电压传输特性：1、uO 的高、低电平的高、低电平根据电路：根据电路：UOH =UZ ;UOL=- -UZ .2、求、求UTINuu根据电路：根据电路：Z211o211PURRRuRRRuZOUu8 - 3 - 30Z211TIURRRUu求出阈值电压令,PNuu UT 有有两两个个值值Z211T1URRRUZ211T2

13、URRRU8 - 3 - 313、确定、确定uI = UT 时，时， uO 的跃变方向。的跃变方向。1)如果如果uO = + +UZ，则：，则：TZ211T1PUURRRUUUT18 - 3 - 32输入信号由小到大输入信号由小到大 如果如果uI = uN UT1 uO= - -UZ，12+UZ-UZUT1跳变点为跳变点为：UT18 - 3 - 332)如果如果uO= - -UZ，则：，则：TZ211T2PUURRRUUUT28 - 3 - 34即：输入信号由大到小即：输入信号由大到小+UZ-UZUT1UT2跳变点为跳变点为：UT2 如果如果uI = uN - -UT2 u uO=- -UZu

14、I= uN =- -UT2 , uO= 0 0uI= uN - -UT2 uO= + +UZ，注意：注意：uO 从从+ +UZ 到到- -UZ 和从和从- -UZ 到到+ +UZ 的的变化过程中对应的变化过程中对应的UT不同。不同。8 - 3 - 35 当当-UT uI +UT 时，时， uO 可能是可能是+UZ，也可能是，也可能是-UZ。4 4、画出电路的电压传输特性、画出电路的电压传输特性具体为哪一个，决定于具体为哪一个，决定于uO的取值以及的取值以及uI 的变的变化方向。化方向。8 - 3 - 36波形分析波形分析+UZ-UZUT+UT-注意：不是所有阈值电压和输注意：不是所有阈值电压和

15、输入电压的交点都是输出跳变点。入电压的交点都是输出跳变点。8 - 3 - 37加参考电压的滞回比较器，加参考电压的滞回比较器，在同相输入端加参考电压。在同相输入端加参考电压。Z211REF212PURRRURRRuZ211REF212TIURRRURRRUu1、uO 的高、低电平的高、低电平根据电路：根据电路：UOH =UZ ;UOL=- -UZ .2、求、求UTINuu根据电路：根据电路：PNuu令8 - 3 - 38Z211REF212T1URRRURRRUZ211REF212T2URRRURRRUUT 有有两两个个值值3、确定、确定uI = UT 时，时，uO的跃变方向。的跃变方向。1)

16、 如果如果uO= + +UZ，则：，则：1TTUU 如果如果uI = uN UT1 uO= - -UZ，8 - 3 - 392) 如果如果uO = - -UZ，则：，则：T2TUU 如果如果uI = uN - -UT2 u uO= -= -UZuI = uN =- -UT2 , uO= 0 0uI = uN - -UT2 uO= + +UZ，4、画出电压传输特性。、画出电压传输特性。8 - 3 - 40例例2:已知电路已知电路,R1=50k, R2=100k,稳压管稳压管UZ= 9V,输入电压输入电压uI 的波形的波形如图所示如图所示,试画出试画出uO波形。波形。解：解：1、 输出高电平和低电

17、输出高电平和低电平分别为平分别为 UZ= 9V；VVURRRU3)9(1005050)(Z211T2、阈值电压、阈值电压8 - 3 - 413、确定、确定uI = UT 时，时，uO 的跃的跃变方向；画出电压传输特性。变方向；画出电压传输特性。4、画出输出电压波形。、画出输出电压波形。作业作业 P473-475： 8.14(a、d)， 8.15（uo3不画）不画） 8 - 3 - 42 在实用电路中除了常见的正弦波外，还用矩形在实用电路中除了常见的正弦波外，还用矩形波、三角波、锯齿波、尖顶波、阶梯波等。波、三角波、锯齿波、尖顶波、阶梯波等。几种常见的非正弦波几种常见的非正弦波8 - 3 - 4

18、3矩形波发生电路矩形波发生电路今天主要简单介绍矩形波发生器。今天主要简单介绍矩形波发生器。矩形波发生器矩形波发生器是其他非正弦波发生器电路的基础。是其他非正弦波发生器电路的基础。对应电路电压传输特性对应电路电压传输特性8 - 3 - 44对应方波发生电路的对应方波发生电路的波形图波形图8 - 3 - 45例例3： 设计一个电压比较器设计一个电压比较器,使其电压传输特性如下使其电压传输特性如下图所示，要求所用电阻阻值在图所示，要求所用电阻阻值在20100k之间。之间。 UZ = 6V， UT = 3V,解：根据电压传输特性，电路为滞回电压比较器，且解：根据电压传输特性，电路为滞回电压比较器，且输

19、入电压应作用于同相输入端。输入电压应作用于同相输入端。0211212NOIuuRRRuRRRUPVVRRURRUZT3)6(21218 - 3 - 46如果如果R1取取25k， R2取取50k即可。即可。VVRRURRUZT3)6(2121要求所用电阻阻值在要求所用电阻阻值在20100k之间之间得到得到: R2 =2 R18 - 3 - 47作业作业 P473-475： 8.14(a、d)， 8.15（uo3不画）不画） 8 - 3 - 48电压传输特性的三个要素：电压传输特性的三个要素：（1）输出电压高电平和低电平的数值）输出电压高电平和低电平的数值 UOH和和UOL；（2）求出阈值电压的数

20、值）求出阈值电压的数值UT ；（3）正确判断当）正确判断当uI 变化且经过变化且经过UT 时，时， uO 的跃变方的跃变方向，即向，即是从是从UOH跃变为跃变为UOL ，还是还是UOL跃变为跃变为UOH 。1. 单限比较器单限比较器2. 滞回比较器滞回比较器3. 窗口比较器：窗口比较器：ui 单一方向变化时，单一方向变化时，uo 跃变两次。跃变两次。有有两两个个UTui 单一方向变化时，单一方向变化时， uo 跃变一次跃变一次,只有一个只有一个UT。内容回顾内容回顾8 - 3 - 49一、一、 过零比较器过零比较器 UT = 08 - 3 - 50二、二、 一般单限比较器一般单限比较器:REF

21、TURRU128 - 3 - 51三、三、 滞回比较器滞回比较器UT 有有两两个个值值ZTURRRU2111ZTURRRU21128 - 3 - 52例例1、 电路如图所示，图中稳压管的稳定电压电路如图所示，图中稳压管的稳定电压uZ= 6V；输入电压为图所示的三角波，试画出它的输出电压波形。输入电压为图所示的三角波，试画出它的输出电压波形。解：解： UOL = -6V,UOH = 6V; UT = 0, 当当uI 0时，时，uO= - -UZ=- -6V。UT8 - 3 - 53例例2、 电路如图所示，图中电路如图所示，图中R1=R2=5k，基准电压，基准电压UREF=2V，稳压管的稳定电压，

22、稳压管的稳定电压UZ= 5V；输入电压为；输入电压为图所示的三角波，试画出输出电压波形。图所示的三角波，试画出输出电压波形。VVURRUREFT2)255(12当当uI - -2V时，时， uO=- -UZ=- -5V。UT8 - 3 - 54两种电路输出电压波形比较两种电路输出电压波形比较8 - 3 - 558.2.4 窗口比较器窗口比较器当当uI URH 时，时， uO1= +UOM ， uO2= -UOM ，使使D1导通导通, D2截止。截止。稳压管稳压管DZ工作在稳压状态，工作在稳压状态， uO= +UZ 。当当uI URL 时，时， uO1= -UOM ， uO2= +UOM ，使使

23、D2导通导通, D1截止。截止。稳压管稳压管DZ工作在稳压状态，工作在稳压状态， uO= +UZ 。8 - 3 - 56当当URL uI URH 时，时， uO1= uO2= -UOM ，使使D1和和 D2均截止。均截止。稳压管稳压管DZ截止，截止， uO=0 。URL 和和 URH分别为比较器的两个阈值电压。分别为比较器的两个阈值电压。8 - 3 - 57（1）在电压比较器中，集成运放多工作在非线性区，）在电压比较器中，集成运放多工作在非线性区，输出电压只有高电平和低电平两种可能的情况。输出电压只有高电平和低电平两种可能的情况。（2）一般用电压传输特性来描述输出电压和输入电压）一般用电压传输

24、特性来描述输出电压和输入电压的函数关系。的函数关系。（3） 电压传输特性的三个要素是输出电压的高、低电压传输特性的三个要素是输出电压的高、低电平，阈值电压和输出电压的跃变方向。输出电压的电平，阈值电压和输出电压的跃变方向。输出电压的高、低电平决定于限幅电路；令高、低电平决定于限幅电路；令uP= uN所求出的所求出的uI就就是阈值电压是阈值电压UT； uI等于阈值电压时输出电压的的跃变等于阈值电压时输出电压的的跃变方向决定于方向决定于uI作用于集成运放的同相输入端还是反相作用于集成运放的同相输入端还是反相输入端。输入端。小结：小结：8 - 3 - 587.9 电路如图所示电路如图所示 （1）写出

25、）写出uO与与uI1、uI2的的运算关系式；运算关系式； （2）当）当RW的滑动端在最的滑动端在最上端时，若上端时，若uI110mV， uI220mV， 则则uO？（3）若）若uO的最大幅值为的最大幅值为14V， 输入电压最大值输入电压最大值 uI1max10mV，uI2max20mV， 最小值均为最小值均为0V，则为了保证集成运放工作在线性区，则为了保证集成运放工作在线性区， R2的最大值为多少？的最大值为多少？8 - 3 - 59解：（解：（1）写出）写出uO与与uI1、uI2的运算关系式；的运算关系式；)( 10)(I1I2I1I2fN2P2uuuuRRuu)(1 (10)1 (I1I2

26、12P212OuuRRuRRu)(10I1I21WOuuRRuA2同相输入端电位同相输入端电位输出电压输出电压 或或 up2uN2+Up28 - 3 - 60（2）当）当RW的滑动端在最的滑动端在最上端时，若上端时，若uI110mV， uI220mV，则则uO？解：将解：将uI110mV， uI220mV 代入代入)(10)(10I1I2I1I21WOuuuuRRu得得uO100mV8 - 3 - 61（3）若）若uO的最大幅值为的最大幅值为14V，输入电压最大值，输入电压最大值 uI1max10mV，uI2max20mV，最小值均为，最小值均为0V，为保，为保证集成运放工作在线性区，证集成运放工作在线性区，R2的最大值为多少？的最大值为多少？解：根据题目所给参数，（解：根据题目所给参数，（uI2 uI1 ）的最大值为）的最大值为20mV。若。若R2最大最大, ,则则R1为最小值，则为保证集成运放为最小值，则为保证集成运放工作在线性区，工作在线性区， （uI2 uI1 ） 20mV时集成运放的时集成运放的输出电压应为输出电压应为14V，写成表达式为，写成表达式为14