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1、第八章 波形的发生和信号的转换,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,8.1 正弦波振荡电路,8.1.1 概述,图8.1.1 带通滤波器变换成正弦波振荡电路,一、产生正弦波振荡的条件 在正弦波振荡电路中，一要反馈信号能够取代输入信号，而若要如此，电路中必须引入正反馈；二要有外加的选频网络，用以确定振荡频率。,图8.1.2 正弦波振荡电路的方框图 (a)电路引入正反馈 (b)反馈量作为净输入量,正弦波振荡的平衡条件：,AF = A+ F= 2n（n为整数）,振荡平衡条件,幅值平衡条件,相位平衡条件,起振条件,二、正弦波振荡电路的组成和分类,（1）放大电路,三、判断
2、电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤,1.组成部分是否满足。 2.放大电路能否正常工作。 3.相位条件是否满足。 4.幅值条件是否满足，即是否满足起振条件。,图8.1.3 利用瞬时极性法判断相位条件,1. 电路组成,（2）选频网络,（3）正反馈网络,（4）稳幅环节,2. 电路分类,（1）RC正弦波振荡电路,（2）LC正弦波振荡电路,（3）石英晶体振荡电路,一、RC串并联选频网络, 8.1.2 RC正弦波振荡电路,图8.1.4 RC串并联选频网络及其在低频段和高频段的等效电路 (a)RC串并联选项频网络 (b)低频段等效电路及其向量图 (c)高频段等效电路及其向量图,RC串并联网络的选频特性：
3、,图8.1.5 RC串并联选频 网络的频率特性,分析可知，当f = f0时，,得出,式中,二、RC桥式正弦波振荡电路,图8.1.6 利用RC串并联选频网络构成 正弦波振荡电路的方框图,对于图8.1.6所示电路，考虑到起振条件，所选放大电路的电压放大倍数应略大于3。,图8.1.7 RC桥式正弦波振荡电路 (a)电路 (b)反馈网络组成桥路,由RC串并联和同相比例运算电路所组成的RC桥式正弦波振荡电路如图8.1.7所示。 根据起振条件和幅值平衡条件：,三、 振荡频率连续可调的RC 串并联选频网络,图8.1.8 振荡频率连续可调的 RC串并联选频网络,为了使得振荡频率连续可调，常在RC串并联网络中用
4、双层波段开关接不同的电容，作为振荡频率f0的粗调；用同轴电位器实现f0的微调，如图8.1.8所示。,一、LC谐振回路的频率特性, 8.1.3 LC正弦波振荡电路,图8.1.9 LC并联网络 (a)理想情况下的网络 (b)考虑电路损耗时的网络,1.当信号频率低时，C相当于开路，回路的阻抗取决于电感，呈感性。 2.当信号频率高时，L相当于开路，回路阻抗呈容性。 3.当 时，电路为纯电阻性，且阻抗最大，f0称为谐振频率。 4.谐振时，LC并联回路电流比输入电流大得多。,图8.1.10 LC并联网络电抗的频率特性,二、变压器反馈式振荡电路,1.判断是否满足相位平衡条件。 2.振荡频率及起振条件：,图8
5、.1.11 在选频放大电路中引正反馈,图8.1.12 变压器反馈式振荡电路,图8.1.13 变压器反馈式振荡电路的交流通路,图8.1.14 变压器反馈式振荡电路的交流等效电路 (a)交流等效电路 (b)变压器部分的等效电路,三、 电感反馈式振荡电路,图8.1.15 电感反馈式振荡电路,1.检查电路组成是否合理。 2.用瞬时极性法判断是否满足相位平衡条件。 3.振荡频率和起振条件。,图8.1.16 电感反馈式振荡 电路的交流通路,图8.1.17 电感反馈式振荡 电路的交流等效电路,4.特点： 可以获得调节范围较宽的振荡频率，最高可达几十兆赫。由于反馈电压取自电感，输出波形中常含有高次谐波，波形差
6、。,四、 电容反馈式（电容三点式）振荡电路,图8.1.18 电容反馈式振荡电路,1.判断相位平衡条件是否满足。 2.振荡频率和起振条件。,图8.1.19 频率可调的选频网络,电容反馈式振荡电路的输出电压波形好，但若用改变电容的方法来调节振荡频率，则会影响电路的起振条件；而若用改变电感的方法来调节振荡频率，则比较困难；在振荡频率可调范围不大的情况下，可采用图8.1.19所示的选频网络。,(1)对于图8.1.20所示电路，在电感支路串联一个小电容C，且C远远小于C1和C2，则电路的振荡频率,3.稳定振荡频率的措施：,图8.1.20 电容反馈式振荡电路的改进,图8.1.21 采用共基放大电路的 电容
7、反馈式振荡电路,这样可提高频率的稳定性。,(2)若要求电容反馈式振荡电路的振荡频率，高达100MHz以上时，可采用共基放大电路，如图8.1.21所示, 8.1.4 石英晶体正弦波振荡电路,图8.1.22 石英晶体谐振器的 结构示意图及符号 (a)结构示意图 (b)符号,一、石英晶体的特点,1.压电效应和压电振荡 在石英晶体两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机构变形，而这种机构振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。 2.石英晶体的等效电路和谐振频率,石英晶体谐振器简称石英晶体，具有非常稳定的的固有频率。对于振荡频率的稳定性要求高的电路，应选用石英晶体作选频网络。,图8.1.23
8、 石英晶体的等效电路及其频率特性 (a)等效电路 (b)频率特性,当石英晶体不振动时，可等效为一个平板电容CO ，称为静态电容；当晶片产生振动时，机构振动的惯性等效为电感L，摩擦损耗等效为电阻R。 （1）当L、C、R支路串联谐振时，呈纯阻性，等效电阻为R，谐振频率：,（2）当f fs时，L、C、R支路呈感性，与CO产生并联谐振，谐振频率为：,由于C CO， fPfs,（品质因数）,图8.1.24 并联型石英晶体振荡电路,图8.1.25 串联型石英晶体振荡电路,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 在图8.1.24所示电路中，石英晶体作为电感使用，便可构成并联型正弦波振荡
9、器。电路的振荡频率约等于石英晶体的并联谐振频率fP 。,2.串联型石英晶体正弦波振荡电路 在图8.1.25所示电路中，只有在石英晶体呈纯阻性时，电路才满足正弦波振荡的相位平衡条件，所以电路的振荡频率为石英晶体的串联谐振频率fS。,8.2 电压比较器, 8.2.1 概述,一、电压比较器的电压传输特性 电压比较器的输出电压与输入电压之间的函数关系用曲线来描述，称为电压传输特性。 为了正确画出电压传输特性必须求出以下三个要素： (1)输出电压高电平和低电平的数值UOH和UOL ； (2)阈值电压的数值UT ； (3)当uI变化且经过UT时， uO跃变的方向，即是从UOH跃变为UOL ，还是从UOL跃
10、变为UOH。,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，在测量和控制中有着广泛的应用。,二、集成运放的非线性工作区,图8.2.1 集成运放工作在非线性区的电路特点及其电压传输特性 (a)集成运放的开环状态 (b)集成运放引入正反馈 (c)集成运放的电压传输特性,集成运放在非线性工作区： 当uP uN时， uO=+UOM 当uN uP时， uO=-UOM,三、电压比较器的种类,1.单限比较器 2.滞回比较器 3.窗口比较器,一、 过零比较器, 8.2.2 单限比较器,图8.2.2 电压比较器及其电压传输特性 (a)电路 (b)电压传输特性,图8.2.3 电
11、压比较器的输入级保护电路,阈值电压UOM=0 当uI0时， uO=-UOM 当uI0时， uO=+UOM,1.电压传输特性,2.保护电路 为了限制集成运放的差模输入电压，保护其输入级，可加二极管限幅电路，如图8.2.3所示,图8.2.4 电压比较器的输出限幅电路 (a)两只稳压管稳压值不同 (b)两只稳压管稳压值相同,3.限幅电路 在实用电路中为了满足负载的需要，常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的UOL和UOH ，如图8.2.4所示。,二、一般单限比较器,可求出阈值电压为：,图8.2.5 一般单限比较器及其电压传输特性 (a)电路 (b)电压传输特性,当uIuT时，uO=UO
12、L=-UZ 电压传输特性如图8.2.5(b)所示。,分析电压传输特性三个要素的方法： 1. 利用集中运放输出端所接的限幅电路，确定电压比较器的输出低电平UOL和高电平UOH。 2. 写出集成运放同相输入端、反相输入端电位uP和uN的表达式，令uP= uN，解得的输入电压就是阈值电压UT。 3. uO在uI过UT时的跃变方向决定于uI作用于集成运放的哪个输入端。当uI从反相输入端输入时，uI UT，uO = UOL。当uI从同相输入端输入时， uI UT，uO = UOH。, 8.2.3 滞回比较器,在单限比较器中，输入电压在阈值电压附近的任何微小变化，都将引起输出电压的跃变，不管这种微小变化是
13、来源于输入信号还是外部干扰。滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因而也就具有一定的抗干扰能力。从反相输入端输入的滞回比较器电路如图8.2.6所示。其阈值电压为：,图8.2.6 滞回比较器及其电压传输特性 (a)电路 (b)电压传输特性,加参考电压后，电路如图8.2.7(a)所示，则其阈值电压为：,图8.2.7 加了参考电压的滞回比较器 (a)电路 (b)电压传输特性, 8.2.4 窗口比较器,图8.2.8 双限比较器及其电压传输特性 (a)电路 (b)电压传输特性,URH和URL分别为比较器的两个阈值电压，设URH和URL均大于零， URH URL 。 当uIURH 时，二极管D1导通， D2
14、截止，uO=+UZ 。 当uIURL时，D2导通，D1截止，uO=+UZ 。 当URL uI URH时，D1和D2均截止，uO=0 。,通过以上三种电压比较器的分析，可得出如下结论： 1.在电压比较器中，集成运放多工作在非线性区，输出电压只有高电平和低电平两种可能的情况。 2.一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。 3.电压传输特性的三个要素是输出电压的高、低电平，阈值电压和输出电压的跃变方向。,8.3 非正弦波发生电路,图8.3.1 非正弦波发生电路 (a)矩形波 (b)三角波 (c) 锯齿波 (d)尖顶波 (e)阶梯波,一、电路组成及工作原理,8.3.1 矩形波发生电路,图
15、8.3.2所示电路为矩形波发生器，它是由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。 图中滞回比较器的输出电压uO= UZ ，阈值电压：,在实用电路中除了常见的正弦波发生电路外，还有矩形波、三角波、锯齿波、尖顶波和阶梯波等发生电路，如图8.3.1所示。,图8.3.2 矩形波发生电路,图8.3.3 电压传输特性,设某一时刻输出电压uO= UZ ，则同相输入端电位uP= +UT 。uO通过R3 对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。当uO从+UZ 跃变为-UZ ，与此同时uP从+UT 跃变为-UT 。随后， uO又通过R3对电容C反向充电，或者说放电，如图中虚线箭头
16、所示。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。,二、波形分析及主要参数,图8.3.4 矩形波发生电路,调整电压比较器的电路参数R1、R2和UZ可以改变方波发生电路的振荡幅值，调整电阻R1、R2 、R3和电容C的数值可以改变电路的振荡频率。 方波发生电路的波形如图8.3.4所示。 其振荡周期为： 振荡频率f = 1/T。 占空比：矩形波的宽度TK与周期T之比称为占空比。,三、占空比可调的矩形波发生电路,图8.3.5 占空比可调的矩形波发生电路 (a)电路 (b)波形分析,通过对方波发生电路的分析可知，要改变输出电压的占空比，就必须使电容正向和反向充电的时间常数不同，即两个充电回路的参数不同。利用二极管的单向导电性可以引导电流流经不同的通路，占空比可调的矩形波发生电路如图8.3.5(a)所示，电容上电压和输出电压波形如图8.3.5(b)所示。,可求出：, 8.3.2 三角波发生电路,一、电路的组成,图8.3.6 采用波形变换的方
