第8章 波形的发生和信号的转换

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 （6学时）学时）n第一节第一节 正弦波振荡电路正弦波振荡电路n第二节第二节 电压比较器电压比较器n第三节第三节 非正弦波发生电路非正弦波发生电路n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n第五节第五节 锁相环及其在信号转换电路中的应用（了解锁相环及其在信号转换电路中的应用（了解重点掌握：重点掌握：利用正弦波振荡条件及分析方法能够分析讨论利用正弦波振荡条件及分析方法能够分析讨论RC、LC振荡电路和石英晶体正弦波振荡电路的有关问题振荡电路和石英晶体正弦波振荡电路的有关问题（如是否可能振荡，振荡频率等），

2、掌握（如是否可能振荡，振荡频率等），掌握电压比较器、电压比较器、非正弦波发生电路非正弦波发生电路的工作原理的工作原理 。2 fidXXX基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FiX+ dXoXfXdoXAXFAAXXAioF1|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正弦波振荡振荡电路电路是是在没有外加输入信号的情况下，在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡依靠电路自激振荡产生正弦波输出的电路。产生正弦波输出的电路。则去掉则去掉如果：如果：,ifXX,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 8.1 概述概述3一一. .

3、 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，输入信号为正反馈足够强，输入信号为 0 时仍有信号输出，产生自激振荡时仍有信号输出，产生自激振荡 基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路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：。

4、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条件：自激振荡的条件：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：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：如何如何起振起振？如何稳幅？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

5、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。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 ，即可起振。即可起振。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

6、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，61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

7、抑制掉抑制掉;3. 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：7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络合二其中选频网络往往与反

8、馈网络合二为一为一, 稳幅环节用非线性元件实现稳幅环节用非线性元件实现. oXdXfX放大电路 反馈与 选频网络 判断电路是否可能产生正弦波振荡的判断电路是否可能产生正弦波振荡的步骤：步骤：电路是否由四个部分组成：放大、选频、反馈和稳幅电路是否由四个部分组成：放大、选频、反馈和稳幅放大电路是否能正常工作：静态工作点是否合适，动态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信号能不能放大判断电路是否引入正反馈：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 FA8RC正弦波振荡电路也叫正弦波振荡

9、电路也叫RC桥式桥式正弦波振荡电路正弦波振荡电路或或文氏文氏桥桥振荡电路振荡电路构成桥路构成桥路+8.1.2. 8.1.2. RC RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 放大电路放大电路选频网络选频网络 反馈网络反馈网络-根据选频网络所用元件的不同，分为根据选频网络所用元件的不同，分为RC、LC和石英晶体正和石英晶体正弦波振荡电路三种类型。弦波振荡电路三种类型。9 R1 Rf C C R oUfUA - - + R C C R oUfUR CjRCjRCjRUUFof 1/11/ 200231 ffffF ffffF0031arctan RCRCj 131 ffffj0031，为为振振荡荡频频率

10、率RCfo 21 10200231 ffffF ffffF0031arctan 31F0ff o90F0ffo90o0，无相移，时，当031FoFff荡荡。条条件件，电电路路能能够够产产生生振振和和幅幅度度平平衡衡同同时时满满足足相相位位平平衡衡条条件件，此此时时，则则若若13 FAA，为为振振荡荡频频率率RCfo 21 11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。：RRAf的关系和可得电路中，根据起

11、振条件：13 R1 Rf C C R oUfUA - - + R 311RRAf：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12 RRfRCfo 21 12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 kHz3

12、181001. 050216 双联波段开关，双联波段开关，切换切换C C，用于粗，用于粗调振荡频率。调振荡频率。双联可调电双联可调电阻阻用于细调振荡用于细调振荡频率。频率。13RCfo21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。+ARFuoRCCRKKR1R1R2R2R3R314电子琴振荡电路电子琴振荡电路2121RRCfo_+ARF1uoR1CCRD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R2115 R1 R

13、T 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(负温度负温度系数系数)4二极管二极管（电流增大电阻（电流增大电阻减小）减小） R1 Rf C C R oUfUA - - + R TPUTRo TuRAUo uoAU dDoriU11RrRAdfu168.1.3 LC8.1.3 LC正弦波正弦波振荡电路振荡电路LC正弦波正弦波振荡电路与振荡电路与RC正弦波正弦波振荡电路的组成原则在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

14、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，所以一般用分立立元件组成放大电路。本节只对元件组成放大电路。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。首先介绍一下首先介绍一下 LC LC 选频网络。选频网络。LC并联谐振回路并联谐振回路CjLjCjLjZAB11iULIABCLCI总I理想电路理想电路CLjCL1谐振频率谐振频率LCf21017一、谐振频率与谐振电阻一、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

15、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CLoo118LCf210RCULRURUIABABOAB2020)()(总LjRUIABL总IRLLULRUIABABL00202)(CjUIABC/1总ICRCUIABC0015、特点特点（1）谐振频率：）谐振频率：（2）谐振时总的容抗等于感抗：）谐振时总的容抗等于感抗：CL1两端呈纯电阻。两端呈纯电阻。（3）谐振时总电流与总

16、电压同相，支路电流比总电流大。）谐振时总电流与总电压同相，支路电流比总电流大。电感支路：电感支路：电容支路：电容支路：iULIABCLRCI总I02020)(1)(RRCRLRCLZAB19二、谐振回路的品质因数二、谐振回路的品质因数CLRCRRLQ11000C10定义定义：谐振时电路的电抗（：谐振时电路的电抗（0L或或 ）与等效损耗电阻与等效损耗电阻R之比称为之比称为品质因数品质因数。Q0的大小标志着谐振质量的优劣。的大小标志着谐振质量的优劣。Q0越大越大损耗越小。损耗越小。Q0通常在通常在30200之间。之间。谐振时回路电流比总电流大的多，外界对谐振回路谐振时回路电流比总电流大的多，外界对

17、谐振回路的影响可以忽略！的影响可以忽略！总IQIICL总总IQIRLIL0总总IQICRIC01iULIABCLRCI总I20三、谐振曲线三、谐振曲线1、谐振曲线、谐振曲线fofABZ+90 90 f0R0)1(CLjRCLZAB)(11)1(1100000CRRLjRRCRLjRCLZAB)ffff(jQ1RffQffQj1R0000000002、通用谐振方程、通用谐振方程iULIABCLRCI总I21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

18、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，有变压器反馈式、电根据在电路中引入反馈的方式不同，有变压器反馈式、电感反馈式、电容反馈式三种电路。感反馈式、电容反馈式三种电路。22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23+ 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。24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+25例例4：电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路频率由频率由C

19、 、 L1 、 L2谐振网络决定。谐振网络决定。+UCCCC1L1L2C2+正反馈正反馈26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+278.1.4. 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

20、,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。28石英晶体的等效电路石英晶体的等效电路感感性性容容性性容性容性LC0C R|Z|f等效电路等效电路阻抗特性阻抗特性 fpfSC0静态电容。静态电容。即即两极板之间的电容，两极板之间的电容，与晶片的几何尺寸、与晶片的几何尺寸、极板面积有关，极板面积有关， 几几PF几十几十PF。L机械振荡的惯性等效为电感机械振荡的惯性等效为电感L。 10-3102H C晶片的弹性等效为电容晶片的弹性等效为电容C. 10-410-1PF R晶片振动时因摩擦而造成的损耗等效为电阻晶片振动时因摩

21、擦而造成的损耗等效为电阻R 102 L大，大，C小，小，R小小 CLR1Q 很大很大 104106另一方面，晶片本身的固有频率只与晶片的几何尺寸有关，另一方面，晶片本身的固有频率只与晶片的几何尺寸有关，所以很稳定，而且可以做得很精确。所以很稳定，而且可以做得很精确。 29石英晶体的谐振频率石英晶体的谐振频率感感性性LC0C R|Z|ffpfSCLjCjZ/1110000121CCfCCCCLfsP容容性性容性容性特点：特点：（1）一个晶体有两个谐振频率。一个晶体有两个谐振频率。CL1时时当当LC21fS即即串联谐振频率（阻抗最小）串联谐振频率（阻抗最小）CLC110时时当当00PCCCCL21

22、f即即并联谐振频率并联谐振频率（阻抗最大）（阻抗最大）（2）fPfS，但由于，但由于C0 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 单限比较器灵敏度高单限比较器灵敏度高,但抗干扰能力弱。但抗干扰能力弱。418.2.3. 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

23、 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传输特性电压传输特性Z211T2URRRUZ211T1URRRU42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43 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 - - + u

24、o R2 R1 上上下下门门限限电电压压 NPuuZ211REF212T2URRRURRRUZ211REF212PURRRURRRU 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 Z211REF212TURRRURRRU44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:Z211REF212T1URRRU

25、RRRU Z211REF212T2URRRURRRUV3123010108301030 V9123010108301030 电压传输特性电压传输特性45例例8.2.3设计一个电压比较器，使其电压传输特性如图所示，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

26、，则R2= 100K2Z1TRURU468.2.4 窗口比较器及其电压传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=047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

27、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。48 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u+ = -UT ，uO 通过通过R3向向C反向充电（放反向充电（放电）电） 。 C R3 uC R4 Uz A - - + uo R2 R1 工作原理：工作原理： 设初态设初态 uC = u- = 0，uO = +UZ ，则，则u+ = +UT ，uO 通过通过R3向向C充电充电 。8.3.1、 矩形波发生器矩形波

28、发生器由由反向输入反向输入滞回比较器滞回比较器和和RC电路电路组成组成滞滞回回比比较较器器49波形分析及主要参数：波形分析及主要参数： C R3 uC R4 Uz A - - + uo R2 R1 0UTuct-UTUZuo0t- UZTRC电路：电路：起反馈和延迟作起反馈和延迟作用，获得一定的频率。用，获得一定的频率。滞回比较器：滞回比较器：起开关作用，起开关作用，实现高低电平的转换。实现高低电平的转换。方波发生器各部分的作用：方波发生器各部分的作用：T1T2CR32150 )1 (RCtcetu )1 (32CRTTZTTeUUUU周期与频率的计算周期与频率的计算f=1/T)21ln(22

29、13RRCRT)21ln(21321RRCRTTZTURRRU211221TTTCR321占空比可调的占空比可调的矩形波发生电路矩形波发生电路CRRW311CRRW322)21ln(2111RRT)21ln(2122RRT)21ln(2213RRCRRTW51 R R C uo A2 - - + C1 R3 uC R4 Uz A1 - - + uo1 R2 R1 t O +UZ -UZ uO1 t O uo 积分电路可将方波变为积分电路可将方波变为三角波，所以只要将矩形波三角波，所以只要将矩形波电路的输出（方波）作为积电路的输出（方波）作为积分电路的输入，在积分电路分电路的输入，在积分电路的输出端就可以得到三角波的输出端就可以得到三角波电压输出。电压输出