模拟电子技术基础(第四版)童诗白、华成英教材8市公开课一等奖省赛课微课金奖课件

第八章

波形发生和信号转换8.1正弦波振荡电路8.2电压比较器8.3非正弦波发生电路8.4利用集成运放实现信号转换电路8.5锁相环及其在电路中利用第三版童诗白1/70第三版童诗白本章重点和考点：1.重点掌握RC正弦波振荡工作原理。2.重点掌握电压比较器传输特征。3.掌握非正弦波发生电路原理。本章教课时数：6课时

2/70第三版童诗白本章讨论问题：1.在模拟电子电路中需要哪些波形信号作为测试信号和控制信号？2.正弦波振荡电路所产生自激振荡和负反馈放大电路中所产生自激振荡有什么区分？3.为何正弦波振荡电路中必须有选频网络？选频网络由哪些元件组成？4.为何说矩形波发生电路是产生非正弦波信号基础？为何非正弦波发生电路中几乎都有电压比较器？3/70第三版童诗白本章讨论问题：5.电压比较器与放大电路有什么区分？集成运放在电压比较器和运算放大电路中工作状态一样吗？6.怎样组成矩形波、三角波和锯齿波发生发生电路？7.为何需要将输入信号进行转换？有哪些基本转换？4/708.1正弦波振荡电路8.1.1概述~放大电路反馈网络假如反馈电压uf与原输入信号ui完全相等，则即使无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号——自激振荡。(电路要引入正反馈)图8.1.2正弦波振荡电路方框图一、产生正弦波振荡条件动画avi\11-1.avi5/70由此知放大电路产生自激振荡条件是：即：所以产生正弦波振荡条件是：——幅度平衡条件——相位平衡条件电路起振条件：6/70二、正弦波振荡电路组成及分类

组成：放大电路：集成运放选频网络：确定电路振荡频率反馈网络：引入正反馈稳幅步骤：非线性步骤，使输出信号幅值稳定分类：RC正弦波振荡电路，频率较低，在1MHz以下。LC正弦波振荡电路，频率较高，在1MHz以上。石英晶体振荡电路，频率较高，振荡频率非常稳定。7/70三、判断电路能否产生正弦波振荡方法和步骤1.检验电路是否具备正弦波振荡组成部分；2.检验放大电路静态工作点是否能确保放大电路正常工作；3.分析电路是否满足自激振荡相位平衡条件判断相位平衡条件方法是：瞬时极性法。5.估算振荡频率和起振条件4.判断是否满足振幅平衡条件。8/708.1.2RC正弦波振荡电路RC串并联网络振荡电路也称RC桥式正弦波振荡电路或称文氏振荡电路(Wien)电路组成：放大电路——集成运放A；选频与正反馈网络——R、C串并联电路；稳幅步骤——RF与R

组成负反馈电路。9/70图8.1.4一、RC串并联选频网络Z1Z2取R1=R2=R，C1=C2=C，令

则：10/70得RC串并联电路幅频特征为：相频特征为：最大，

F=0。0

F01/3+90º-90º图8..1.511/70二、振荡频率与起振条件1.振荡频率2.起振条件f=f0时，由振荡条件知：所以起振条件为：同相百分比运放电压放大倍数为即要求：12/70三、振荡电路中负反馈(稳幅步骤)引入电压串联负反馈，能够提升放大倍数稳定性，改进振荡电路输出波形，提升带负载能力。反馈系数改变RF，可改变反馈深度。增加负反馈深度，而且满足则电路能够起振，并产生比较稳定而失真较小正弦波信号。图8.1.7反馈电阻RF采取负温度系数热敏电阻，采取正温度系数热敏电阻，均可实现自动稳幅。13/70稳幅其它办法电流增大时，二极管动态电阻减小。电流减小时，动态电阻增大，加大非线性步骤，从而使输出电压稳定。在RF回路中串联二个并联二极管14/70四、振荡频率可调RC桥式正弦波振荡电路用双层波段开关接不一样电容，作为振荡频率f0粗调；用同轴电位器实现f0微调。RC串、并联网络中，怎样调整频率？问题：怎样提升频率？动画avi\11-2.avi15/70*其它形式RC振荡电路一、移相式振荡电路集成运放产生相位移

A=180º，假如反馈网络再相移180º，即可满足产生正弦波振荡相位平衡条件。振荡频率为：0

270º180º90º当f=f0时，相移180º，满足正弦波振荡相位条件。起振条件：RF>12R16/70*二、双T选频网络振荡电路振荡频率约为：当f=f0

时，双T网络相移为

F=180º；反相百分比运放相移

A=180º，所以满足产生正弦波振荡相位平衡条件。假如放大电路放大倍数足够大，同时满足振幅平衡条件，即可产生正弦波振荡。起振条件17/70*三种RC振荡电路比较名称RC串并联网络振荡电路移相式振荡电路双T网络选频振荡电路电路形式振荡频率起振条件电路特点及应用场所可方便地连续调整振荡频率，便于加负反馈稳幅电路，轻易得到良好振荡波形。电路简单，经济方便，适适用于波形要求不高轻便测试设备中。选频特征好，适适用于产生单一频率振荡波形。18/708.1.3LC

正弦波振荡电路一、LC

谐振回路频率特征当频率改变时，并联电路阻抗大小和性质都发生改变。并联电路导纳：当电路发生并联谐振。图8.1.1019/70并联谐振角频率令：——谐振回路品质因数当Q

>>1时谐振频率：20/70回路等效阻抗：LC并联回路阻抗：发生并联谐振时，在谐振频率附近，可见，Q值不一样，回路阻抗不一样。21/70不一样Q

值时，LC并联电路幅频特征：Z01Z02Q1

>Q2Q1Q2相频特征：

F+90º-90ºQ1Q2Q1

>Q2感性纯阻容性结论：1.当f=f0

时，电路为纯电阻性，等效阻抗最大；当f

<

f0

时，电路为感性；当f

>

f0

时，电路为容性。所以LC并联电路含有选频特征。2.电路品质因数Q愈大，选频特征愈好。图8.1.1122/70谐振时LC

回路中电流电容支路电流：并联回路输入电流：所以：当

Q>>1时，

结论：谐振时，电容支路电流与电感支路电流大小近似相等，而谐振回路输入电流极小。23/70若以LC并联网络作为共射放大电路集电极负载当f=f0时，电压放大倍数数值最大，且无附加相移。因而电路称为选频放大电路若增加正反馈，并用反馈电压取代输入电压，则电路就成为正弦波振荡电路LC

正弦波振荡电路变压器反馈式电感反馈式电容反馈式24/70二、变压器反馈式振荡电路1.工作原理用瞬时极性判断为正反馈，所以满足自激振荡相位平衡条件。

-

2.振荡频率和起振条件振荡频率起振条件图8.1.14变压器反馈式振荡电路25/70三、电感反馈式振荡电路1.电路组成用瞬时极性判断为正反馈，所以满足自激振荡相位平衡条件。-

--2.振荡频率和起振条件振荡频率起振条件图8.1.1726/70四、电容反馈式振荡电路1.电路组成用瞬时极性判断为正反馈，所以满足自激振荡相位平衡条件。2.振荡频率和起振条件振荡频率起振条件

图8.1.20

--

-

-27/70电容反馈式改进型振荡电路振荡频率选择C<<C1，C<<C2，则：减小了三极管极间电容对振荡频率影响，适合用于产生高频振荡。图8.1.2228/70若要求电容反馈式振荡电路振荡频率高达100MHz，怎么办？采取共基放大电路怎样分析？29/70名称变压器反馈式电感反馈式电容反馈式电容反馈式改进型电路形式振荡频率起振条件同左频率调整方法及范围频率可调，范围较宽。同左频率可调，范围较小。同左振荡波形普通较差好好频率稳定度可达10-4同左可达10-4~10-5可达10-5适用频率几千赫~几十兆赫同左几兆赫~一百兆赫同左各种LC

振荡电路比较30/708.1.4石英晶体振荡器石英晶体谐振器，简称石英晶体，含有非常稳定固有频率。一、石英晶体特点

压电效应：在石英晶片两极加一电场，晶片将产生机械变形；若在晶片上施加机械压力，在晶片对应方向上会产生一定电场。

压电谐振：晶片上外加交变电压频率为某一特定频率时，振幅突然增加。1.压电效应和压电振荡31/702.等效电路和振荡频率符号：串联谐振频率并联谐振频率电抗频率特征OfXfsfp容性容性感性图8.1.27图8.1.2832/70二、石英晶体正弦波振荡电路1.并联型石英晶体正弦波振荡电路交流等效电路振荡频率因为图8.1.2933/702.串联型石英晶体振荡电路图8.1.30串联型石英晶体振荡电路当振荡频率等于fS

时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，此时正反馈最强，相移为零，电路满足自激振荡条件。振荡频率调整R

可改变反馈强弱，以取得良好正弦波。34/708.2电压比较器1.电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较，输出只有两种可能状态：高电平或低电平。2.比较器中集成运放普通工作在非线性区；处于开环状态或引入正反馈。3.分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。8.2.1概述4.比较器是组成非正弦波发生电路基本单元，在测量、控制、D/A和A/D转换电路中应用广泛。35/70一、电压比较器传输特征1.电压比较器输出电压与输入端电压之间函数关系2.阈值电压：UT当比较器输出电压由一个状态跳变为另一个状态所对应输入电压。3.电压传输特征三要素(1)输出电压高电平UOH和低电平UOL数值。(2)阈值电压数值UT。(3)当uI改变且经过UT时，uO跃变方向。36/70二、理想运放非线性工作区+UOMuOuP-uNO-UOM集成运放电压传输特征在电压比较器中，集成运放不是工作在开环状态，就是工作在正反馈。37/708.2.2单限比较器一、过零比较器因为理想运放开环差模增益为无穷大，所以当uI<0时，uO=+

UOM；当uI>

0时，uO=-

UOM；过零比较器传输特征为：uIuO+UOM-UOMO

UOM

为集成运放最大输出电压。阈值电压：当比较器输出电压由一个状态跳变为另一个状态所对应输入电压。图8.2.338/70利用稳压管限幅过零比较器设任何一个稳压管被反向击穿时，两个稳压管两端总稳定电压为UZ

<UOMuIuO+UOM

-UOMO+UZ-UZ当uI<0时，不接稳压管时，uO=+

UOM，接入稳压管后，左边稳压管被反向击穿，集成运放反向输入端“虚地”，uO=+

UZ；

当uI>0时，右边稳压管被反向击穿，uO=-

UZ；图8.2.639/70利用稳压管限幅过零比较器(二)电路图传输特征uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ问题：如将输入信号加在“+”端，传输特征怎样？40/70问题：过零比较器如图所表示，输入为正负对称正弦波时，输出波形是怎样？传输特征uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ将正弦波变为矩形波41/70二、单限比较器单限比较器有一个门限电平，当输入电压等于此门限电平时，输出端状态马上发生跳变。当输入电压uI改变，使反相输入端电位为零时，输出端状态将发生跳变，门限电平为：uIuO+UOM-UOMO+UZ-UZ过零比较器是门限电平为零单限比较器。图8.2.742/70存在干扰时单限比较器uI、uO

波形单限比较器作用：检测输入模拟信号是否到达某一给定电平。

缺点：抗干扰能力差。

处理方法：采取含有滞回传输特征比较器。43/70电压比较器分析方法小结（1）由限幅电路确定电压比较器输出高电平UOH和输出低电平UOL。（2）写出up和uN电位表示式，令up=uN，解得输入电压就是阈值电压UT。（3）u0在uI

过UT时跃变方向决定于作用于集成运放哪个输入端。当uI从反向输入端输入时，uI<UT,u0=U0H

;uI>UT,u0=U0L

。反之，结论相反。44/70[例8.2.1]在图8.2.6所表示电路中，UZ=±6V，在图8.2.7中所表示电路中，R1=R2=5kΩ，基准电压UREF=2V，稳压管稳定电压UZ=±5V；它们输入电压均为图8.2.8（a）所表示三角波。试画出图8.2.6所表示电路输出电压u01和图8.2.7所表示电路输出电压u02解图8.2.6为过零比较器图8.2.7为普通单限比较器。图8.2.8例8.2.1波形图R1R245/708.2.3滞回比较器一、从反相输入端输入滞回比较器电路计算阈值电压UT电压传输特征uo从+UZ跃变到-UZ

阈值电压为+UTuo从-UZ跃变到+UZ

阈值电压为-UTuI在-UT与+UT之间增加或减小,uO不发生改变46/70

UREF为参考电压；；uI为输入电压；输出电压uO为+UZ或-UZ。当uP=uN时，输出电压状态发生跳变。比较器有两个不一样门限电平，故传输特征呈滞回形状。+UZuIuO-UZOUT-UT+图8.2.10滞回比较器二、加了参考电压滞回比较器47/70若uO=

UZ，当uI

逐步减小时，使uO由

UZ

跳变为

UZ

所需门限电平UT-

回差(门限宽度)

UT：若uO=

UZ，当uI

逐步增大时，使uO由+UZ

跳变为-UZ

所需门限电平UT+48/70[例8.2.2]已知输入波形和电压传输特征，分析输出电压波形。图8.2.11例8.2.2波形图±

UZ＝±9V图8.2.9滞回比较器电路uO/Vt0+9-949/708.2.4窗口比较器参考电压UREF1>UREF2若uI低于UREF2，运放A1输出低电平，A2输出高电平，二极管VD1

截止，VD2导通，输出电压uO为高电平；若uI高于UREF1，运放A1输出高电平，A2输出低电平，二极管VD2

截止，VD1

导通，输出电压uO为高电平；图8.2.13双限比较器(a)前面比较器在输入电压单一方向改变时，输出电压只跃变一次，因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。50/70当uI高于UREF2而低于UREF1时，运放A1、A2均输出低电平，二极管VD1、VD2

均截止，输出电压uO为低电平；

上门限电平UTH=UREF1；

下门限电平UTL

=UREF2。uIuOOUTHUTL总而言之，双限比较器在输入信号uI<UREF2

或uI>UREF1时，输出为高电平；而当UREF2<

uI<

UREF1时，输出为低电平。图8.2.13(b)51/708.2.5集成电压比较器一、集成电压比较器主要特点和分类：1.含有较高开环差模增益；2.含有较快响应速度；3.含有较高共模抑制比和允许共模输入电压较高；4.含有较低失调电压、失调电流及较低温漂。分类：单、双和四电压比较通用型、高速型、低电压型和高精度型普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出型52/70二、集成电压比较器基本接法1.通用型集成电压比较器AD790引脚图+12V单电源供电，逻辑电源为5V。±5V双电源供电，逻辑电源为5V。±15V双电源供电，逻辑电源为5V。53/702.集电极开路集成电压比较器LM119金属封装管脚图反相输入2同相输入2电路为双限比较器，能实现线与功效图8.2.16由LM119组成双限比较器及其电压传输特征54/708.3非正弦波发生电路非正弦波：矩形波、三角波、尖顶波和阶梯波等图8.3.1几个常见非正弦波55/708.3.1矩形波发生电路一、电路组成RC

充放电回路滞回比较器图8.3.2滞回比较器：集成运放、R1、R2；充放电回路：R、C；（延迟步骤、反馈网络）钳位电路：VDZ、R3。（稳幅步骤）动画avi\14-1.avi56/70二、工作原理设t=0时，uC=

0，uO=+UZ则tOuCOuOtu+u-当u-=uC

=u+

时，t1t2则当u-=uC

=u+

时，输出又一次跳变，uO=+UZ输出跳变，uO=-UZ图8.3.457/70三、振荡周期电容充放电规律：对于放电，解得：结论：改变充放电回路时间常数及滞回比较器电阻，即可改变振荡周期。t1t2tOuCOuOtt3图8.3.4振荡频率f=1/T58/70四、占空比可调矩形波发生电路图8.3.5a使电容充、放电时间常数不一样且可调，即可使矩形波发生器占空比可调。tOuCuOtOT1T2T充电时间T1放电时间T2占空比D图8.3.5b59/708.5.2三角波发生电路一、电路组成图8.3.6采取波形变换方法得到三角波uO1为方波电路分析uO2为三角波60/70二、工作原理当u+=u-

=0时，滞回比较器输出发生跳变。图8.3.8实用电路左边是同相输入滞回比较器右边为反向积分运算电路图8.3.7R3R4传输特征+UT-UT+UZ-UZuOuI61/70二、工作原理OuO1tOuOt当u+=u-

=0时，滞回比较器输出发生跳变。图8.3.9图8.3.7R3R4设t=0时，uO1=+UZ

u0=062/70三、输出幅度和振荡周期解得三角波输出幅度当u+=u-

=0时，uO1跳变为-UZ，uO

到达最大值Uom。振荡周期调整电路中R1、

R2、