章波形发生信号转换

波形的发生和信号的转换第8章第8章波形的发生

和信号的转换发生:产生正弦波、矩形波、三角波等转换:V/I、I/V、V/f

等测试信号或控制信号等用于测量、控制、送入计算机等要点§8.1正弦波振荡电路§8.2电压比较器正弦波振荡电路是在没有外加输入信号的情况下，依靠电路的自激振荡而产生一定频率f0，一定幅值正弦波输出的电路。（没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路）？自激振荡8·1正弦波振荡电路

正弦波振荡电路正弦波直流电源8·1·1概述一、产生正弦波振荡的条件问题：没有外加输入，怎样产生正弦波？？正反馈选频网络---确定振荡频率---反馈信号取代输入信号+

输出量via反馈网络产生反馈量作为放大电路的输入

反馈量via放大电路维持着输出量基本放大电路A反馈网络F反向传输正向传输－在电扰动下，对于某一特定频率f0的信号形成正反馈：正弦波振荡平衡条件：幅值平衡条件相位平衡条件基本放大电路本身的相移反馈网络的相移n为整数首要条件正弦波振荡电路方框图起振条件：二.起振条件和稳幅原理起振过程稳幅过程稳幅过程：起振时，稳定振荡时，稳幅措施：被动：器件非线性主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，

用以调节放大电路的增益。正弦波振荡电路方框图三、正弦波振荡的组成及分类(1)放大电路

保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，使电路获得一定幅值的输出量，(2)选频网络

确定电路的振荡频率f0

，使电路产生单一频率的振荡。实现能量的控制。→负反馈放大电路CRf-+RRCR1(3)正反馈网络

引入正反馈，用反馈信号取代输入信号，通常选频网络兼正反馈网络。(4)稳幅环节非线性环节，使输出信号幅值稳定。

分类：正弦波振荡电路用选频网络所用元件来命名RC正弦波振荡电路：

振荡频率较低，几百kHz以下；LC正弦波振荡电路：

振荡频率较高，1MHZ以上；石英晶体正弦波振荡电路：

等效为LC正弦振荡电路，振荡频率非常稳定。CRf-+RRCR1由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。四、判断是否可能产生正弦波振荡的步骤(1)观察包含放大、选频、正反馈

和稳幅四个部分？(2)判断放大电路是否能够正常工作。是否有合适的静态工作点；动态信号是否能够输入、输出和放大；(3)判断电路是否满足正弦波振荡的相位平衡条件；+–+–则满足相位条件不满足相位条件(4)判断电路是否满足正弦波

振荡的幅值条件(起振条件)；分别求解出电路的然后判断是否大于1。瞬时极性法频率f0

Ui的极性→Uo的极性→Uf的极性低频段等效电路及其相量图高频段等效电路及其相量图RC串并联选频网络8·1·2RC桥式正弦波振荡电路一、RC串并联选频网络

在频率从0～∞中必有一个频率f0，φF＝0º。

一阶RC高通或低通电路的最大相移绝对值小于90

，试从相位平衡条件出发，判断电路能否振荡。[例题]Rs

T1

T2

C

R

CR

Rd

Re2

+VCC

+––––不能振荡RCR2-+ACRR1+++可以振荡RC桥式正弦波振荡电路CCRRZ1Z2CRf-+RRCR1幅频响应1/310.1100相频响应10.110090°-90°

Uf与Uo同相位。..令幅值条件相位条件起振：稳态：CRf-+RRCR1二、RC桥式正弦波振荡电路

放大电路串联电压负反馈放大电路，具有高输入阻抗和低输出阻抗。选频网络—兼作正反馈网络稳幅环节振荡频率是由相位平衡条件所决定的，建立振荡条件：一开始要求达到稳态平衡状态时

接通电源后，产生热噪声，选频网络将其中筛选出来，送至放大电路：选频

放大

再选频

再放大

……输出幅度越来越大——振荡的建立过程。CRf-+RRCR1稳幅措施：

在负反馈放大电路的负反馈电路中，采用非线性元件，来自动调节反馈的强弱，以维持输出电压的稳定。

用具有负(或正)温度系数的热敏电阻代替Rf(R1

)，适当调整负反馈使放大电路的的强弱，放大倍数略大于3回顾：产生正弦波振荡的条件+AF幅值平衡条件相位平衡条件n为整数判断是否能产生正弦波振荡的步骤(1)观察包含放大、选频、正反馈

和稳幅四个部分？(2)放大电路是否能够正常工作?(3)电路是否满足正弦波振荡的相位平衡条件?(4)电路是否满足正弦波

振荡的幅值条件(起振条件)?瞬时极性法RcRb2Rb1C1TC1Re+VCCCeLC2C2uo+–+–++RC桥式正弦波振荡电路CRf-+RRCR1CCRRZ1Z21/310.110010.110090°-90°建立振荡条件：一开始要求达到稳态平衡状态时[例题]R-+CCRR1D1R3D2R2A电路,已知A为运放741,其最大输出电压为

14V。图示电路为RC桥式正弦波振荡解：(1)图中用二极管D1,D2作为自动稳幅元件，试分析它的稳幅原理；当uo幅值很小时，D1,D2截止，相当于开路有利于起振；当uo幅值较大时，D1或D2导通，减小，A随之下降，当rD达到1.86kΩ时，uo趋于稳定；[例题]电路,已知A为运放741,其最大输出电压为

14V。图示电路为RC桥式正弦波振荡解：(2)设电路已产生正弦波稳幅振荡,当输出电压达到正弦波峰值时，二极管的正向压降约为0.6V，试粗略估算出电压的峰值Uom；稳幅时根据得0.6Vi于是R-+CCRR1D1R3D2R2A[例题]电路,已知A为运放741,其最大输出电压为

14V。图示电路为RC桥式正弦波振荡解：(3)试定性说明因不慎使R2短路时,输出电压uo的波形；电路停振；(4)电路正常工作时，振荡频率？0.6ViR-+CCRR1D1R3D2R2A

作业：自测题二，8.68·1·3LC正弦波振荡电路

LC振荡器的选频网络是由L和C组成的LC并联网络多采用分立元件电路，必要时还应采用共基电路。一、LC谐振回路的频率特性RCL谐振频率ZQ小Q大Q小Q大品质因数QQ值愈大，选频特性愈好。二、选频放大电路以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载。TCLRb1ReC1Ce+VCCRb2电路的电压放大倍数当f=fo

时，电压放大倍数的数值最大，且无附加相移。

正反馈网络根据引入反馈的方式不同变压器反馈式电感反馈式电容反馈式三、变压器反馈式振荡电路CCe+VCCReRLN1N2Rb2Rb1C1T①四个组成部分②放大电路是典型的工作点稳定电路:Q，交流信号

LC并联谐振网络作为管子的集电极负载，反馈信号通过变压器传送到基极回路。TRb1Rb2CN1N2③相位平衡条件++–++–+④只要合理选择变压器原、副边线圈的匝数比以及其它电路参数，电路很容易满足幅值条件。幅值平衡条件优点：易于产生振荡，输出电压的波形失真不大，应用范围广泛。缺点：输出电压与反馈电压靠磁路耦合，因而耦合不紧密，损耗较大，并且振荡频率的稳定性不高。CCe+VCCReRLN1N2Rb2Rb1C1T四、电感反馈式振荡电路CCe+VCCReRLN1N2Rb2Rb1C1TTRb1Rb2N1N2C③++–++–++–+–++满足相位平衡条件；④只要电路参数选择得当，电路就可满足幅值条件。电感三点式电路①四个组成部分②放大电路能够正常工作CCe+VCCReRLN1N2Rb2Rb1C1T优点：N2与N1之间耦合紧密，振幅大，改变电容，可获得调节范围较宽的振荡频率；缺点：反馈电压取自电感，对高频信号具有较大的电抗，输出电压波形中常含有高次谐波。五、电容反馈式振荡电路RcRb2Rb1C1TC1Re+VCCCeLC2C2uo

两个电容的三个端子分别接晶体管的三个电极，又称电容三点式电路。①四个组成部分：放大电路，选频网络，正反馈网络，非线性元件；②放大电路能够正常工作：可以设置合适的静态工作点；TRb1Rb2RcC1C2L

交流信号传递过程中无开路或短路现象；RcRb2Rb1C1TC1Re+VCCCeLC2C2uoTRb1Rb2RcC1C2L

③+–+–+++–+–++满足相位平衡条件；④只要电路参数选择得当，电路就可满足幅值条件。振荡频率起振条件集电极总负载

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。一、集成运放的非线性工作区电压比较器电路中，集成运放处于开环状态或引入正反馈–+AuP

uN

uo

反馈通路–+AuP

uN

uo

ouP-uNuo-UOM

+UOM

虚短？虚断？8·2·1概述8·2电压比较器二、电压比较器的电压传输特性电压传输特性:uO从一种状态向另一种状态跳变时的uI阈值电压UT:又称转折电压uO

电压比较器

UOMuI模拟信号uO=f(uI)ouIuOUT+UOM

-UOM

①输出电压高电平和低电平的数值②阈值电压的数值③输出电压从一个状态向另一个状态跳变时的方向电压比较器中，集成运放处于开环状态或引入正反馈

回顾：–+AuP

uN

uo

反馈通路–+AuP

uN

uo

电压比较器的电压传输特性需要确定哪些信息？输出电压、阈值电压、

跃变方向。ouIuOUT+UOM

-UOM

电压比较器的分类三、电压比较器的种类1、单限比较器一个阈值电压ouIuOUT增大或减小的过程中只要通过UT，uO都会发生跃变。+UOH

-UOL

2、滞回比较器两个阈值电压ouIuOUT1UT2uI↑和↓过程中，uO发生跃变对应的阈值电压不同。+UOH

-UOL

3、窗口比较器两个阈值电压uI单方向变化时，在通过不同的阈值电压时，uO产生两次跃变。ouIuOUT1UT2+UOH

8·2·2单限比较器一、过零比较器

阈值电压UT=0

ui

uo

–+Aouiuo+UOM

-UOM

ui

uo

–+Aouiuo-UOM

+UOM

反相输入同相输入输入输出端加保护电路ui

uo

–+ARui

uo

–+ADZRui

uo

–+ADZRui

uo

–+ADZR输出限幅电路：引入了负反馈，但仍具有电压比较器的基本特征uO＝±UZ优点：（1）保护输入级（2）加速集成运放状态的转换输入输出端加保护电路二、一般单限比较器ui

uo

–+ADZRR1R2UREFNP参考电压当uN=uP=0时，输出电压会发生跃变，这时的ui就是阈值电压UT。ouiuoUT+UZ-UZ[例题]

在图所示(a)(b)两电路中，稳压管的稳定电压UZ=6V，R1=R2=5k，UREF=2V，输入电压为图示三角波。试画出输出电压的波形。ui

uo

–+ADZR(a)ui

uo

–+ADZRR1R2UREF(b)oui/V

t

5

-5

oui/Vuo/V+6-6ouo/V

t

-6

6

ui/V

uo/V-2

+6-6ouo/V

t

-2

-6

6

分析电压比较器传输特性的方法：求三个要素（1）写出uP、uN的表达式，令uP＝uN，求解出的uI即为UT；（2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；（3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出电压的跃变方向。总结8·2·3滞回比较器单限比较器，电路简单，灵敏度高，抗干扰能力差。ui﹢﹣uoUREFuiotUREFuoouiUOHUOL

滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因而具有一定的扰干扰能力。一、参考电压为零的滞回比较器ui

uo

–+ADZRR2R1

UZNP令uN=uP，求出的ui就是阈值电压。ouiuoUT1UT2+UZ

-UZ

ui<UT1则ui<uPuo=+UZui=UT2负跳变ui>UT2uo=–UZui>UT2则ui>uPuo=-UZui=UT1正跳变ui<UT1uo=+

UZ电压传输特性具有方向性uiuP=UT2uP=UT1ui二、参考电压不为零的滞回比较器ui

uo

–+ADZRR2R1UREF

UZNP当uN=uP时，输出电压会发生跃变，这时的ui就是阈值电压UT。ouiuoUT1UT2+UZ

-UZ

[例题]uiotUT2UT1电路和参数如图所示，输入信号ui是受到干扰的矩形波，

试画出传输特性和输出电压uo的波形。

ui﹢﹣DZuoR4R1R2UZ

10V解：同相输入参考电压为零的滞回比较器①求阈值电压NP当uN=uP时，输出电压会发生跃变，这时的ui就是阈值电压UT。②画传输特性uo/Vui/Vo10-10-1010+10V–10V[例题]uoot10V-10VuiotUT2UT1电路和参数如图所示，输入信号ui是受到干扰的矩形波，

试画出传输特性和输出电压uo的波形。

ui﹢﹣DZuoR4R1R2UZ

10V①求阈值电压②画传输特性uo/Vui/Vo10-10-10108·2·4窗口比较器

可以检测出输入电压是否在两个给定电压之间。A1

A2

单限比较器

且URH>URL

R1、R2、DZ构成限幅电路ui>URH

A1

uo1=+UOM

A2

uo2=–UOM

D1导通D2截止uo=+UZ

ui<URL

A1

uo1=–UOM

A2

uo2=+UOM

D1截止D2导通uo=+UZ

URL<ui<URH

A1

uo1=–UOM

A2

uo2=–UOM

D1截止D2截止uo=0ouiuoURLURH+UZ

窗口URHURLuo2uo1uoui–+A2

–+A1

DZD2D1R2R1(1)在电压比较器中，集成运放多工作在非线性区

(开环或正反馈)，输出电压只有高电平和低电平两种情况。(2)通常用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的的函数关系。输出电压、阈值电压、

跃变方向。(3)输出电压的高低决定于限幅电路；输出电压发生跃变的位置决定于阈值电压；运放输入端uP=uN时对应的输入电压ui就是阈值电压UT

输出电压跃变方向决定于输入电压作用于反相输入端还是同相输入端。电压比较器总结特点：1.无需限幅电路，根据电源电压确定所需高、低电平；2.可直接驱动集成数字电路；3.响应速度快；4.可具有选通端；5.电源电压升高，工作电流增大，工作速度加快。某型号集成比较器的等效电路*集成电压比较器作业：8.148.15

8.16

已知各电压比较器的电压传输特性如图所示，说出它们各为哪种电压比较器。你能分别组成具有图示电压传输特性的电压比较器电路吗？同相输入单限比较器反相输入滞回比较器窗口比较器讨论uIt052uo6-6

已知电压比较器的电压传输特性如图所示，输入电压为5sinωt(V)，画出各电路输出电压的波形。

课堂练习反相输入滞回比较器uIt05uo-662

已知电压比较器的电压传输特性如图所示，输入电压为5sinωt(V)，画出各电路输出电压的波形。

课堂练习uIt05窗口比较器uo

课堂练习同相输入单限比较器过零比较器同相输入滞回比较器窗口比较器－3V＋3V讨论：求解图示各电路的电压传输特性。8·3非正弦波发生电路常见的非正弦波矩形波三角波锯齿波尖顶波阶梯波矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。模拟电子电路中常用

输出无稳态，有两个暂态；若输出为高电平时定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。1.基本组成部分（1）开关电路：输出只有高电平和低电平两种情况，称为两种状态；因而采用电压比较器。（2）反馈网络：自控，在输出为某一状态时孕育翻转成另一状态的条件。应引入反馈。（3）延迟环节：使得两个状态均维持一定的时间，决定振荡频率。利用RC电路实现。8.3.1矩形波发生电路是其它非正弦波发生电路的基础2.电路组成反向充电：地→C→R→uO（－UZ）RC回路滞回比较器3.工作原理分析

电容反向充电，t↑→uN↓，t→∞，uN→－UZ；但当uN＝－UT时，再减小，uO从－

UZ跃变为+UZ，uP＝+UT，电路返回第一暂态。第一暂态：uO＝UZ，uP＝+UT。

电容正向充电，t↑→uN↑，t→∞，uN→UZ；但当uN＝+UT时，再增大，uO从+UZ跃变为－UZ，uP＝－UT，电路进入第二暂态。脉冲宽度4.波形分析

正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。5.占空比可调电路为了占空比调节范围大，R3应如何取值？

1.电路组成

用积分运算电路可将方波变为三角波。两个RC环节实际电路将两个RC环节合二为一为什么采用同相输入的滞回比较器？uO要取代uC，必须改变输入端。8.3.2三角波发生电路2.工作原理滞回比较器积分运算电路求滞回比较器的电压传输特性：三要素

UOH

、UOL

，UT，uI过UT时曲线的跃变方向。

合闸通电，通常C上电压为0。设uO1↑→uP1↑→uO1↑↑，直至uO1

＝UZ（第一暂态）；积分电路反向积分，t↑→uO↓，一旦uO过－UT，uO1从＋UZ跃变为－UZ（第二暂态）

。积分电路正向积分，t↑→uO↑，一旦uO过＋UT，uO1从－UZ跃变为＋UZ，返回第一暂态。重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。

电路状态翻转时，uP1=?三角波发生电路的振荡原理3.波形分析

如何调整三角波的幅值和频率？为什么为三角波？怎样获得锯齿波？“理性地调试”：哪些参数与幅值有关？哪些参数与频率有关？先调哪个参数？1.R3应大些？小些？2.RW的滑动端在最上端和最下端时的波形？≈T3.R3短路时的波形？8.3.3锯齿波发生电路1.利用基本电路实现波形变换

正弦波变方波、变矩形波，方波变三角波，三角波变方波，固定频率的三角波变正弦波如何得到？利用电子开关改变比例系数2.三角波变锯齿波：二倍频8.3.4波形变换电路3.

三角波变正弦波若输入信号的频率变化不大，则可用滤波法实现。范围是什么？若输入信号的频率变化较大，则可用折线法实现。

三角波用傅立叶级数展开，除基波外，还含有3次、5次……谐波。讨论一已知uO1和uO2的峰-峰值均为12V，