第八章 波形的发生与信号的转换

第八章波形的发生和信号的转换模拟电子技术1第八章波形的发生和信号的转换§8.1正弦波发生器§8.1方波发生器§8.2三角波发生器§8.3锯齿波发生器§8.4压频转换2根据所产生的波形，可以分为：正弦波发生电路非正弦波发生电路（矩形波、三角波、锯齿波等）3§8.1.1产生自激振荡的原理改成正反馈基本放大电路A反馈电路F+–§8.1正弦波发生器（正弦波振荡器）4基本放大电路A反馈电路F基本放大电路A反馈电路F++5可以写成：（1）振幅条件：（2）相位条件：n是整数相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。6问题1：如何启振？Uo是振荡器的电压输出幅度，B是要求输出的幅度。起振时Uo=0，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种频率的分量，其中也包括有fo分量。选频网络：把fo分量选出，把其他频率的分量衰减掉。这时，只要：|AF|>1，且A+B=2n，即可起振。7问题2：如何稳幅？起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这时若|AF|仍大于1，则输出将会饱和失真。达到需要的幅值后，将参数调整为AF=1，即可稳幅。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：8用RC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RC选频网络有多种，这里只介绍文氏桥选频电路。R1C1R2C2一、选频电路§8.1.2RC正弦波振荡电路9R1C1R2C2时，相移为0。10如果：R1=R2=R，C1=C2=C，则：传递函数：相频特性：幅频特性：fof+90–90f11二、用运放组成的RC振荡器所以，要满足相位条件，只有在fo

处因为：uo_++R2RCRCR112能自行启动的电路（1）uotRtA半导体热敏电阻起振时，RT略大于2R1，使|AF|>1，以便起振；_++RTRCRCR1tuo起振后，uo逐渐增大则RT逐渐减小，使得输出uo为某值时，|AF|=1，从而稳幅。13能自行启动的电路（2）R22为一小电阻，使(R21+R22)略大于2R1，|AF|>1，以便起振；_++R21RCCR1R22D1D2随着uo的增加，R22逐渐被短接，A自动下降到使|AF|=1，使得输出uo稳定在某值。14输出频率的调整：通过调整R或/和C来调整频率。_++RFuoRCCRKKR1R1R2R2R3R3C：双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。K：双联波段开关，切换R，用于粗调振荡频率。15电子琴的振荡电路电路：_++RF1uoR1CCRD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R2116三、用分立元件组成的RC振荡器RCRC+VCCR1C2C3R3R2RE2C1RC2T1RE1CET2RC1RF++++–+++–––+ubeRC网络正反馈，RF、RE1组成负反馈，调整到合适的参数则可产生振荡。17LC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，所以一般用分离元件组成放大电路。本节只对LC振荡电路做一简单介绍，重点掌握相位条件的判别。首先介绍一下LC选频网络。§8.1.3LC正弦波振荡电路18LC并联谐振回路的选频特性(阻性)LC并联谐振特点：谐振时，总路电流很小，支路电流很大，电感与电容的无功功率互相补偿，电路呈阻性。R为电感和回路中的损耗电阻当时，产生并联谐振。谐振时，电路呈阻性：19为谐振回路的品质因数，Q值越大，曲线越陡越窄，选频特性越好。谐振时LC并联谐振电路相当一个大电阻。LC并联谐振回路的幅频特性曲线|Z|Q小Q大20++––+一、变压器反馈式正反馈+UCCCC1C2频率由LC谐振网络决定。21二、电感反馈式正反馈频率由C、L1、

L2谐振网络决定。+VCCCC1L1L2C2++–+–+–22正反馈频率由L、C1、

C2组成的谐振网络决定。L+VCCC1C2++–+–+–三、电容反馈式23(+)(+)(+)(+)满足相位平衡条件举例：24正反馈频率由L、C1、

C2组成的谐振网络决定。+VCCC1C2++++–+–25§8.1.4石英晶体正弦波振荡电路石英晶体谐振器（简称石英晶体）一、选频电路C0LRC26电压比较器：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电压比较器中，集成运放开环使用，或者引入正反馈uouP-uN运放处于非线性状态。§8.2电压比较器++AuouPuN27确定运放工作区的方法：判断电路中有无负反馈。若有负反馈，则运放工作在线性区；若开环，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：1.虚短路不成立。2.输入电阻仍可以认为很大。3.输出电阻仍可以认为是0。28uoui0+UOM-UOMUT=UR传输特性UR：参考电压ui：被比较信号

++uouiUR–uP=uiuN=UR

运放处于开环状态。当ui>UR时,uo=+UOM当ui<UR时,uo=-UOM

一、同相型§8.2.2单限比较器门限UT=UR29++uouiURuoui0+UOM-UOMUT=UR当ui<UR时,uo=+UOM当ui>UR时,uo=-UOM

二、反相型uP=URuN=ui

30uoui0+UOM-UOM++uoui三、过零比较器:(UR=0时)++uouiuoui0+UOM-UOM31++uiuoui0+UZ-UZ输出限幅电路：uoUZ电压比较器的另一种形式

——将双向稳压管接在负反馈回路上-+uiuoUZRR´+32四、一般单限比较器++uiuoUZ-URR1R2Ruoui0+UZ-UZUT33++uouitui例：利用电压比较器将正弦波变为方波。uot+Uom-Uom34单限比较器的特点1.电路简单。2.当Ao不够大时，输出边沿不陡。3.容易引入干扰。tuiuot过零附近仍处于放大区35一、下行迟滞比较器分析1.因为有正反馈，所以输出饱和。2.uP3.－++uoRR2R1ui特点：电路中使用正反馈，运放处于非线性状态。1.没加参考电压的下行迟滞比较器§8.2.3滞回（迟滞）比较器36分别称UT2和UT1上下门限电压。称(UT2–UT1)为回差。当ui增加到UT2时，输出由UOM跳变到-UOM；－++uoRR2R1ui当ui减小到UT1时，输出由-UOM跳变到UOM。传输特性：uoui0UOM-UOMUT2UT1小于回差的干扰不会引起跳转。跳转时，正反馈加速跳转。37tuiUom-UomtuiUT2UT1例：下行迟滞比较器的输入为正弦波时，画出输出的波形。－++uoRR2R1ui382.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：－++uoRR2R1uiURuoui0UOM-UOMUT2UT139下行迟滞比较器两种电路传输特性的比较:－++uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUT2UT1－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUT2UT140例：R1=10k，R2=20k，UOM=12V，UR=9V当输入ui为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUT2UT15V10Vuit041首先计算上下门限电压：－++uoRR2R1uiUR42+UOM-UOM根据传输特性画输出波形图。－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUT2UT1uiuott10V5V002V43令uP-uN

=0

，可以求出上下门限电压。二、上行迟滞比较器－++uoRR2R1ui1.没加参考电压的上行迟滞比较器uN

=044uoui0UOM-UOM传输特性曲线UT2UT1－++uoRR2R1ui45－++uoRR2R1uiUR上下门限电压：当uo=+UOM时：当uo=-UOM时：2.加上参考电压后的上行迟滞比较器46传输特性：UT2UT1uoui0Uom-Uom－++uoRR2R1uiUR－++uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUT2UT1对照47为了稳定输出电压，可以在输出端加上双向稳压管。uoUZ－++RR2R1ui488.2.4窗口比较器时,VO1=VO2=VOL，VO=0；由此画出电压传输特性如图所示。电路有两个参考电压VRH和VRL，当＞VRH时，VO1=VOH，VO2=VOL，VO=VOH；当＜VRL时，VO1=VOL，VO2=VOH，VO=VOH；当498.2.5集成比较器1.LM311型集成比较器特点：电源电压可以单组+5V，也可±15V，适应范围宽；输出与TTL或CMOS平兼容；可以直接驱动多种负载（灯泡、继电器等）。50LM311的几种实际连接集电极输出连接集电极输出连接发射极输出连接512.MC14574（CMOS）集成四电压比较器MC14574比较器电路原理图MC14574比较器引脚排列图52一、电路结构上下门限电压：下行的迟滞比较器，输出经积分电路再输入到此比较器的反相输入端。－++RR1R2C+ucuo–§8.3.1方波（矩形波）发生器53二、工作原理1.设uo

=

+UOM此时，输出给C充电!则：uP=UT20tuoUOM-UOMUT2uc0t一旦uc>UT2

,就有uN>uP,在uc<UT2时，uN

<uP,uo保持+UOM不变；uo

立即由＋UOM

变成－UOM

－++RR1R2C+ucuo–54此时，C

经输出端放电。2.当uo

=

-UOM时，uP=UT1uc降到UT1时，uo上翻。UT2uctUT1当uo

重新回到＋UOM

以后，电路又进入另一个周期性的变化。－++RR1R2C+ucuo–550UT2uctUT1UOMuo0t-UOMT输出波形：－++RR1R2C+ucuo–56RC电路：起反馈和延迟作用，获得一定的频率。下行迟滞比较器：起开关作用，实现高低电平的转换。－++RR1R2C+ucuo–方波发生器各部分的作用：57三、周期与频率的计算f=1/Tuc上升阶段表示式:uc下降阶段表示式:uc0UHtULT1T258方波发生器电路的改进：－++RR1R2C+ucuo–－++RR1R2C+ucuoUZ–59思考题：点b是电位器RW

的中点，点a和点c是b的上方和下方的某点。试定性画出点电位器可动端分别处于

a、b、c

三点时的uo-uc

相对应的波形图。－-+++RWR1R2CucuoD1D2abc60反向积分电路方波发生器电路一：方波发生器矩形波积分电路三角波－++RR1R2C+uc-++RR2Cuo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。§8.3.2三角波发生器61－++RR1R2C+uc-++RR2Cuouo1uo三角波的周期由方波发生器确定，其幅值也由周期T和参数R、C决定。0uo1tUom-Uom62电路二：电路一的改型－++－++A1A2uouo1R02R01RCR2R1反向积分电路上行迟滞比较器特点：由上行的迟滞比较器和反相积分器级联构成，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。63－++uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL上行的迟滞比较器回顾:上下门限电压：64回顾:反相积分器ui-++RR2Cuoui=-Uui=+Utuo0+Uom-Uom65－++－++A1A2uouo1R02R01RCR2R100uo1t＋UOM－UOMuotUHUL66周期和频率的计算：tuoUHULT－++－++A1A2uouo1R02R01RCR2R1T1T267电路三：是电路二的改型电路调整电位器RW可以使三角波上下移动。即给纯交流的三角波叠加了一个直流分量。+E-ERW－++－++A1A2uouo1R02R01RCR2R168tuoT1T2-－++R2R1++R´R2CuoR+–T1

时间段，电容C通过R´

放电T2

时间段，电容C通过R充电充放电的时间T1、T2可通过R、R'调整。当R'=0时，则为锯齿波发生器。电路四：是电路二的改进电路uo1被嵌位于±Uz69uot-－++R2R1++R4CuoR+–R3改变三角波发生器中积分电路的充放电时间常数，使放电的时间常数为0，即把三角波发生器转换成了锯齿波发生器。uct§8.3.3锯齿波发生器70-－++R2R1++R4CuoR+–R