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1、第8章 波形发生与信号转换电路,小 结,信号产生电路,(振荡器Oscillators),分类：,正弦波振荡:,非正弦波振荡：,RC 振荡器(1 kHz 数百 kHz),LC 振荡器(几百 kHz 以上),石英晶体振荡器(频率稳定度高),方波、,三角波、,锯齿波等,主要性 要求能：,输出信号的幅度准确稳定,输出信号的频率准确稳定,8.1概 述,8.2 正弦波振荡电路,8.2.1 正弦波振荡的条件,8.2.2 RC 正弦波振荡电路,8.2.3 LC 正弦波振荡电路,8.2.4 石英晶体正弦波振荡电路,8.2.1 正弦波振荡的条件,一、振荡条件,微弱的电扰动中，某一频率成分通过正反馈逐渐放大，则产生
2、正弦振荡。, 振幅平衡条件, 相位平衡条件,n = 0, 1, 2, ,二、起振条件,起振条件,1/Fu,Au = 1/Fu,O,ui,uo,Au,uo,Au Fu 1,Au Fu 1,Ui1,Uo1,Uf1,Ui2,Uo2,Uf2,Ui3,Uo3,Uf2,Ui4,Uo4,uf,起振,稳幅, ,三、电路的组成和起振的判断,1. 放大电路 Au,2. 正反馈网络 Fu,3. 选频率网络实现单一频率的振荡,4. 稳幅环节使振荡稳定、波形好,满足振荡条件,组成:,判断:,1. 检查电路组成,2.“Q”是否合适,3. 是否满足起振条件,8.2.2 RC 正弦波振荡电路,一、RC 桥式振荡电路,1. R
3、C 串并联选频网络,式中: 0 = 1/RC,当 = 0 时, = 0,2. RC 桥氏振荡电路,A = 2n,F = 0,2) 电路：,同相 放大器,1) 组成：,3)振荡频率,4)振荡条件,Rf 不能太大，否则 正弦波将变成方波,应使：, ,5)稳幅措施,为使电 Au 为非线性，起振时，应使 Au 3，稳幅后 Au = 3。,C,R1,Rf,R,C,R,正温度系数,负温度系数,热敏电阻稳幅,R1,R2,V1,V2,R3,Au 1 + R2/R1 = 3,为使失真小：,R2 2R1,R2 2R1 - R3,Au 1 + (R2+ R3)/R1 3,起振时信号小， 二极管电阻大,12.4 k
4、R2 8.1 k,f0 = 1.94 kHz,二极管稳幅,8.2 k,6.2 k,22 k,4.3 k,0.01 F,8.2 k,0.01 F,二、RC 移相式振荡电路（补充）,C,R,Rf,R,C,R,C,一节 RC 环节,移相 90,二节 RC 环节,移相 180,三节 RC 环节,移相 270, 满足相位平衡条件,优点：,结构简单,缺点：,选频特性差，输出波形差,例8.1,D1D2作为稳幅元件的稳幅原理？,R2短路时UO的波形？,R2开路时UO的波形？,UO越大，二极管的电阻越小，负反馈越强，放大电路放大倍数越小，使AF1AF=1,R2短路时，负反馈太强，A太小，使AF1，电路停振。UO
5、输出恒值。,R2开路时，运放开环运行，A，运放为正或负饱和输出状态，UO输出方波。,例8.2,振荡的总相位条件？,振荡频率f0？,已知Re1，应如何选择RF才能使电路起振？,A+ F=360O+0O=360O,f0=1/(2RC),例8.2,若满足了振荡的两个条件后电路仍不能起振，试分析是什么原因？应采取什么措施？,若在RF支路中串入热敏电阻Rt，用以稳定电路的输出幅值，试说明应选择何种温度系数的热敏电阻？若Rt串入T1的发射极支路，它的温度系数又如何选择？,说明RC串并联网络对基本放大电路有影响，应加一级射极跟随器作隔离级。,若在RF支路中串入热敏电阻Rt，应选择具有负温度系数的热敏电阻。
6、若Rt串入T1的发射极支路，应选择具有正温度系数的热敏电阻。,8.2.3 LC 正弦波振荡电路,类型：变压器反馈式 、 电感三点式、 电容三点式,一、变压器反馈式 LC 振荡电路,L 的等效损耗电阻,(一) LC 并联回路的特性,Z,1. 谐振频率 f0,3. 谐振阻抗 Z0,2. 回路品质因数 Q,4. 频率特性,幅频特性,相频特性,5. 并联谐振的本质, 电流谐振,1) Z = Z0,呈纯阻,2)形成环流，大小是总电流的 Q 倍, ,(二)变压器反馈式振荡电路,满足相位平衡条件,同名端同极性,电压并联正反馈,只要为正反馈就满足相位条件,基本组成？,放大电路,选频网络,正反馈网络,稳幅环节,
7、1.电感三点式和电容三点式LC正弦波发生器,把并联LC回路中的C或L分成两个，则LC回路就 有三个端点。把这三个端点分别与三极管的三个 极相连，就形成了LC三点式正弦波发生电路。 它们又分为电感三点式和电容三点式两类。,二、三点式 LC 振荡电路,输入信号？,反馈信号？,为正反馈？,2. 组成LC三点式正弦波发生电路的规律,LC三点式正弦波发生电路的一般结构如下图所示。,图 LC三点式正弦波发生电路的一般结构,a）反相放大,b）同相放大,图a）为中点接地，图b）为一端接地,结论：在LC三点式正弦波发生电路中，为了 判断相位平衡条件，有：,注意瞬时极性是相对于参考点而言,3. 电感三点式 振荡电
8、路（哈特来振荡电路）,M,优点：,缺点：,易起振(L 间耦合紧)；,易调节(C 可调)。,输出取自电感，对 高次谐波阻抗大， 输出波形差。,4. 电容三点式振荡电路,考毕兹振荡器(Colpitts),C3,优点：波形较好,缺点：,2) T 极间电容影响 f0,1) 调频时易停振,C 3的改进,例8.3,例8.4,8.2.4 石英晶体(Crystal)振荡电路,(一)石英晶体谐振器的阻抗特性,1. 结构和符号,化学成分 SiO2,结构,晶片,符号,2. 压电效应,形变,形变,机械振动,外力,压电谐振 外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，机械振动幅度急剧加大的现象。,3. 等效电路,L 晶体的动
9、态电感 (10-3 102 H)(大),C 晶体的动态电容 ( 0.1 pF)(小),r 等效摩擦损耗电阻(小),Co 晶片静态电容 (几 几十 pF),Q值很高，谐振频率很稳定。,4. 频率特性和谐振频率,容性,容性,感性,（C0C）,fS 串联谐振频率,fP 并联谐振频率,5. 使用注意,2)要有合适的激励电平。过大会影响 频率稳定度、振坏晶片；过小会使 噪声影响大，还能停振。,1)要接一定的负载电容 CL(微调)， 以达标称频率。,(二)石英晶体谐振电路,1. 串联型,f = fs，晶体呈纯阻,2. 并联型,fs f fp，晶体呈感性,输入信号？,反馈信号？,为正反馈？,输入信号？,反馈
10、信号？,为正反馈？,串联型石英晶体振荡电路,f = fs，晶体呈纯阻,8.3 电压比较器,8.3.1 简单比较器,8.3.2 窗口比较器,8.3.3 滞回比较器,电压比较器(Comparer)的分类,8.3.1 简单比较器,功能：,类型,基本比较器,简单比较器(单门限),窗口比较器(双门限),滞回比较器(施密特触发器),比较电压信号(被测试信号与标准信号)大小,1. 过零电压比较器,uI 0,uI 0,UOmax,-UOmax,UOH,UOL,2. 同相输入单门限比较器,UZ,uI UREF,-UZ,uI UREF,门限 电压 UT,特点:,1)工作在非线性区,2)不存在虚短 (除了uI =
11、UREF 时),3)存在虚断,门限电压 UT = UREF,阈值电压（门限电压、门槛电压 ） UT ,使uo发生跳变时的uI。当uP = uN时的uI即为UT,例8.6,由uN = uP = 0得,画出电压传输特性？,画出uO的波形？,设 U1 U2 ，比较器采用单电源,UOmax,截止 导通,UZ,0,UOmax,0,导通 截止,UZ,0,0,截止 截止,0,8.3.2 窗口比较器,应用举例, 三极管 值分选电路,50 100，LED 不亮。,分析电路是否满足要求： 100，LED 亮，,解,IB = (15 - 0.7 ) /1430,= 0.01 mA,当 50 时，UC 2.5 V,
12、V2 导通，LED 亮,当 100 时，UC 5 V, V1 导通，LED 亮,当 50 100 时，2.5 V UC 5 V，LED 不亮,1)电路和门限电压,8.3.3 滞回比较器,1. 反相型滞回比较器,正反馈,当 uI uP 时， uO = -UZ,当 uI uP 时， uO = +UZ,当 uI = uP 时， 状态翻转,uP = uN时的uI即为UT,uO = +UZ时，对应阈值电压为UT+ ; uO = -UZ时，对应阈值电压为UT-,例：R1 = 30 k，R2 =15 k, UZ = 6 V, UREF = 0, 求 UT。,特点：,2)传输特性,uO,UT+,UT-,UZ,
13、-UZ,当 uI 逐渐增大时,只要 uI UT+ ，则 uO = UZ,一旦 uI UT+ ，则 uO = -UZ,当 uI 逐渐减小时,只要 uI U T- ，则 uO = -UZ,一旦 uI UT- ，则 uO = UZ,上门限,下门限,U = UT+ - UT-,回差 电压,uI 上升时与上门限比,uI 下降时与下门限比。,uO = +UZ时，对应阈值电压为UT+ ; uO = -UZ时，对应阈值电压为UT-,例8.7,这是什么电路？,当DZ不稳压（相当于断开）时，为反相滞回比较器。,由uN=uP得阈值电压：,例8.7,uo=？,当DZ起稳压作用时，引入负反馈，可用虚短和虚断的概念。,电
14、压传输特性？,阈值电压：,2. 同相型滞回比较器,由uP = uN得,uO = +UZ时，对应阈值电压为UT- ; uO = -UZ时，对应阈值电压为UT+,传输特性,单门限比较器,抗干扰能力差,滞回比较,抗干扰能力强,整形,滞回比较,整形,滞回比较,8.4 非正弦波发生电路,8.4.1 矩形波产生电路,8.4.2 三角波发生电路,8.4.3 锯齿波发生电路,8.4.1 矩形波产生电路,1. 电路组成和输出波形,8.4 非正弦波发生电路,反向输入滞回比较器阈值电压,2. 振荡频率,占空比 = 50%,3.占空比可调的矩形波电路 为了改变输出方波的占空比，应改变电容器C的充电和放电时间常数。占空
15、比可调的矩形波电路如下图。,1. 获得三角波的基本方法,方波,积分电路,三角波,2. 锯齿波发生电路,在三角波发生电路中，如果电容的充电、放电时间 常数不相等，则可使积分电路的输出为锯齿波。,8.4.2 三角波发生电路,三角波发生器的电路由滞回比较器和积分器闭环组合而成的。积分器的输出反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的UREF。,当t=t1t2时，uO1= - UZ,当t=t2时，uO=(R1/R2)UZ,其中uO（t1）= - (R1/R2)UZ,可解出:,8.4.3 锯齿波发生电路 为了获得锯齿波，应改变积分器的充、放电时间常数。图中的二极管D和R将使充电时间常数减小为(RR)C，而放电时间常数仍为RC。锯齿波电路的波形图如下。,例1：指出能够实现下列波形的各个电路的名称,例2：设振荡周期为T，在一个周期内uO1UZ的时间为T1，则占空比
