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1、第八章 波形的发生和信号的转换118.1 8.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路8.2 8.2 电压比较器电压比较器8.3 8.3 非正弦波发生电路非正弦波发生电路8.4 8.4 信号的转换信号的转换228.18.1 正弦波振荡电路一、正弦波振荡的条件和电路的组成一、正弦波振荡的条件和电路的组成二、二、RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路三、三、LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路33一、正弦波振荡的条件和电路的组成1. 正弦波振荡的条件无外加信号，输出一定频率一定幅值的正弦波信号。单一频率振荡频率f0可控正弦波振荡器实质上就是一个具有选频特性的正反馈放大器.4一、正弦波振荡的条件和电路的组成负反馈放大
2、电路方框图在A的通频带内需要引入负反馈，即正弦波振荡电路方框图在A的通频带内需要引入正反馈，且振荡频率可控5 一旦产生稳定的振荡，则一旦产生稳定的振荡，则电路的输出量自维持，即电路的输出量自维持，即幅值平衡条件幅值平衡条件相位平衡条件相位平衡条件起振条件：起振条件： 要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的f0，且在，且在合闸通电时对于合闸通电时对于f= f0信号有从小到大直至稳幅的过程，信号有从小到大直至稳幅的过程，即满足起振条件。即满足起振条件。66输出电压从幅值很小、含有丰富频率，到仅有一种频率且幅值由输出电压从幅值很小、含有丰富频率，到仅有一种频率且
3、幅值由小逐渐增大直至稳幅。小逐渐增大直至稳幅。很多种频率很多种频率72、选频网络72、选频网络在一个稳定的频率上振荡，环路中应包含一个具有选频特性的网络选频网络作用：确保有且只有单一频率f0满足相位平衡条件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。必须有非线性环节，即要从起振过渡到稳定的振荡幅度，环路中要有非线性环节3. 起振与稳幅2. 起振与稳幅电路如何从起振到稳幅？电路如何从起振到稳幅？稳定的稳定的振幅振幅非线性环节非线性环节的必要性！的必要性！10104. 基本组成部分1) 放大电路：放大作用放大电路：放大作用2) 正反馈网络：满足相位条件正反馈网络：满足相位条件3)
4、 选频网络：确定选频网络：确定f0，保证电路产生正弦波振荡，保证电路产生正弦波振荡4) 非线性环节（稳幅环节）：稳幅非线性环节（稳幅环节）：稳幅1) 是否存在主要组成部分；是否存在主要组成部分；2) 放大电路能否正常工作，即是否有合适的放大电路能否正常工作，即是否有合适的Q点，信号是否可点，信号是否可能正常传递，没有被短路或断路；能正常传递，没有被短路或断路；3) 是否满足相位条件，即是否存在是否满足相位条件，即是否存在 f0，是否可能振荡，是否可能振荡 ；4) 是否满足幅值条件，即是否一定振荡。是否满足幅值条件，即是否一定振荡。常合二为一常合二为一5、分析方法11116. 分类常用选频网络所
5、用元件分类。常用选频网络所用元件分类。1) RC正弦波振荡电路：正弦波振荡电路：1兆赫以下兆赫以下2) LC正弦波振荡电路：几百千赫几百兆赫正弦波振荡电路：几百千赫几百兆赫3) 石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定1212RC串并联选频网络的频率响应当当 f=f0时，不但时，不但=0，且，且 最大，为最大，为1/3。14二、RC 正弦波振荡电路1. RC串并联选频网络141)是否可用共射放大电路？是否可用共射放大电路？2)是否可用共集放大电路？是否可用共集放大电路？3)是否可用共基放大电路？是否可用共基放大电路？4)是否可用两级共射放大电路？是否可用两级共射
6、放大电路？2. 电路组成 应为应为RC 串并联网路配一个电压放大倍数略大于串并联网路配一个电压放大倍数略大于3、输入电、输入电阻趋于无穷大、输出电阻趋于阻趋于无穷大、输出电阻趋于0的放大电路。的放大电路。不符合相位条件不符合相位条件不符合幅值条件不符合幅值条件输入电阻小、输出输入电阻小、输出电阻大，影响电阻大，影响f0 可引入电压串联负反馈，使可引入电压串联负反馈，使电压放大倍数大于电压放大倍数大于3，且，且Ri大、大、Ro小，对小，对f0影响小影响小15153、RC文氏电桥振荡电路 桥R RC CR RC CR R1 1u uo oR RF F+判断相位平衡条件. + +当f=f0时，uf和
7、uo同相，满足相位平衡条件当ff0时，uf和uo不同相，不满足相位平衡条件 +RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于1MHz的正弦波相位条件的判断方法：瞬时极性法瞬时极性法 断开反馈，在断开处给放大电路加断开反馈，在断开处给放大电路加 ff0的信号的信号Ui，且规，且规定其极性，然后根据定其极性，然后根据 Ui的极性的极性 Uo的极性的极性 Uf的极性的极性若若Uf与与Ui极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不可能产生自激振荡。可能产生自激振荡。 在多数正弦波振荡电路在多数正弦波振荡电路中，输出量、净输入量和中，输出量、净输入量和反馈量均为电压
8、量。反馈量均为电压量。极性？极性？1919例例1 1：合理连接电路，组成文氏桥振荡电路：合理连接电路，组成文氏桥振荡电路R RC CR RC CR R1 1u uo oR RF F+稳幅稳幅i io o热敏电阻,负温度系数R1或RF可用热敏电阻，或加二极管作为非线性环节。频率可调的文氏桥振荡器 改变电容以粗调，改变电改变电容以粗调，改变电位器滑动端以微调。位器滑动端以微调。 加稳压管可以限制输出电加稳压管可以限制输出电压的峰压的峰-峰值。峰值。同轴同轴电位器电位器2222三、LC 正弦波振荡电路 1. LC并联网络的选频特性 理想理想LC并联网络在谐振时呈纯阻性，且并联网络在谐振时呈纯阻性，且
9、阻抗无穷大。阻抗无穷大。谐振频率为谐振频率为在损耗较小时，品质因数及谐振频率在损耗较小时，品质因数及谐振频率损耗损耗2424 构成正弦波构成正弦波振荡电路最简振荡电路最简单的做法是通单的做法是通过变压器引入过变压器引入反馈。反馈。附加相移附加相移LC选频放大电路正弦波振荡电路 当当 f=f0时，电时，电压放大倍数的数压放大倍数的数值最大，且附加值最大，且附加相移为相移为0。共射电路共射电路A=-25252. 变压器反馈式电路特点：特点： 易振，波形较好；耦合不紧密，易振，波形较好；耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。损耗大，频率稳定性不高。分析电路是否可能产生正弦分析电路是否可能产生正弦波振荡
10、的步骤：波振荡的步骤：1) 是否存在四个组成部分是否存在四个组成部分2) 放大电路是否能正常工作放大电路是否能正常工作3) 是否满足相位条件是否满足相位条件4) 是否可能满足幅值条件是否可能满足幅值条件必须有合适的同名端！必须有合适的同名端！26263. 电感反馈式电路反馈电压取自哪个线圈？反馈电压取自哪个线圈？反馈电压的极性？反馈电压的极性？ 电感的三个抽头分别接晶电感的三个抽头分别接晶体管的三个极，故称之为电体管的三个极，故称之为电感三点式电路。感三点式电路。27273. 电感反馈式电路特点：耦合紧密，易振，振特点：耦合紧密，易振，振幅大，幅大，C 用可调电容可获得用可调电容可获得较宽范围
11、的振荡频率。波形较宽范围的振荡频率。波形较差，常含有高次谐波。较差，常含有高次谐波。 由于电感对高频信号呈现较大的电抗，故波形中含高由于电感对高频信号呈现较大的电抗，故波形中含高次谐波，为使振荡波形好，采用电容反馈式电路。次谐波，为使振荡波形好，采用电容反馈式电路。28284. 电容反馈式（电容三点式）电路 若若要要振振荡荡频频率率高高，则则L、C1、C2的的取取值值就就要要小小。当当电电容容减减小小到到一一定定程程度度时时，晶晶体体管管的的极极间间电电容容将将并并联联在在C1和和C2上上，影影响响振振荡频率。荡频率。特点：波形好，振荡频率调整范围小，适于频率固定的场合。特点：波形好，振荡频率
12、调整范围小，适于频率固定的场合。与放大电路参数无关与放大电路参数无关2929四、石英晶体正弦波振荡电路SiO2结晶体按一定方向切割的晶片。结晶体按一定方向切割的晶片。压电效应和压电振荡：机械变形和电场的关系压电效应和压电振荡：机械变形和电场的关系固有频率只决定于其几何尺寸，故非常稳定。固有频率只决定于其几何尺寸，故非常稳定。容性容性感性感性阻性阻性 一般一般LC选频网络的选频网络的Q为几百，石英晶体的为几百，石英晶体的Q可达可达104106；前者；前者f/f为为105，后者可达，后者可达10101011。1. 石英晶体的特点30302. 电路（1）并联型电路）并联型电路（2）串联型电路）串联型
13、电路31318.28.2 电压比较器一、概述一、概述二、单限比较器二、单限比较器三、滞回比较器三、滞回比较器四、窗口比较器四、窗口比较器五、集成电压比较器五、集成电压比较器3232一、概述1. 电压比较器的功能：比较电压的大小。：比较电压的大小。 输入电压是模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高输入电压是模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况，为二值信号。使输出产生跃变的输电平和低电平两种情况，为二值信号。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。入电压称为阈值电压。 广泛用于各种报警电路。广泛用于各种报警电路。2. 电压比较器的描述方法 :电压传输特性电压传输特性 uOf
14、(uI)电压传输特性的三个要素：电压传输特性的三个要素：（1）输出高电平）输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL（2）阈值电压）阈值电压UT（3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向33333. 几种常用的电压比较器（1）单限比较器：只有一个阈值电压）单限比较器：只有一个阈值电压（3）窗口比较器：）窗口比较器： 有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。（2）滞回比较器：具有滞回特性）滞回比较器：具有滞回特性 输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压输入电压的变化方向不同，
15、阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。单调变化使输出电压只跃变一次。回差电压：回差电压：34344、集成运放的非线性工作区电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈理想运放工作在非线性区的特点：理想运放工作在非线性区的特点：1) 净输入电流为净输入电流为02) uP uN时，时， uOUOM uP 0 时时 uO UOM; uI 0 时时 uO UOM 集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运放的输入级，需加输入端限幅电路。放的输入级，需加输入端限幅电路。二极管限幅电路使净输二极管限幅电
16、路使净输入电压最大值为入电压最大值为UD1. 过零比较器必要吗？必要吗？3636输出限幅电路 为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。UOH UZ1 UD2 UOL( UZ2 UD1)UOH UOL UZUOH UZ UOL UD 不可缺少！不可缺少！为使为使UOL接近接近0，怎么办？怎么办？锗管锗管3737输出限幅电路uO UZ（1）保护输入端）保护输入端（2）加速集成运放状态的转换）加速集成运放状态的转换电压比较器的分析方法：（1 1）写写出出 uP、uN的的表表达达式式，令令uP uN，求求解解出出的的 uI即即为为UT；（2 2）根据
17、输出端限幅电路决定输出的高、低电平；）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；（3 3）根根据据输输入入电电压压作作用用于于同同相相输输入入端端还还是是反反相相输输入入端端决决定定输出电压的跃变方向。输出电压的跃变方向。38382. 一般单限比较器（1）若要）若要UTURH时，时，uO1= uO2= UOM，D1导通，导通，D2截止；截止； uO= UZ。当当uIURL时，时，uO2= uO1= UOM，D2导通，导通，D1截止；截止； uO= UZ 。当当URLuI URH时，时， uO1= uO2= UOM，D1、D2均截止；均截止； uO= 0。4242特点：特点：1. 无需限幅电路，根
18、据所需输出高、低电平确定电源电压；无需限幅电路，根据所需输出高、低电平确定电源电压；2. 可直接驱动集成数字电路；可直接驱动集成数字电路；3. 应用灵活，可具有选通端；应用灵活，可具有选通端；五、集成比较器某型号集成比较器的等效电路某型号集成比较器的等效电路4. 响应速度快；响应速度快；5. 电源电压升高，工作电流增大，工作速度加快。电源电压升高，工作电流增大，工作速度加快。43438.3 非正弦波发生电路一、常见的非正弦波一、常见的非正弦波二、矩形波发生电路二、矩形波发生电路三、三角波发生电路三、三角波发生电路四、锯齿波发生电路四、锯齿波发生电路五、波形变换电路五、波形变换电路4444一、常
19、见的非正弦波矩形波矩形波三角波三角波锯齿波锯齿波尖顶波尖顶波阶梯波阶梯波4545二、矩形波发生电路 输出输出无稳态无稳态，有两个暂态有两个暂态；若输出为高电平时定；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。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）开关电路：因为输出只有高电平和低电平：因为输出只有高电平和低电平两种情况，即两个暂态；故采用电压比较器。两种情况，即两个暂态；故采用电压比较器。 （2）反馈网络）反馈网络：因需自控，在输出为某一暂态：因需自控，在输出为某一暂态时孕育翻转成另一暂态的条件，故应引入反馈。时孕育翻转成另一暂态的条件，故应引
20、入反馈。 （3）延迟环节）延迟环节：要使两个暂态均维持一定的时：要使两个暂态均维持一定的时间，故采用间，故采用RC环节实现，从而决定振荡频率环节实现，从而决定振荡频率 。46462. 电路组成正向充电：正向充电： uO（+UZ）RC地地反向充电：反向充电： 地地C R uO（UZ）RC 回路回路滞回比较器滞回比较器47473. 工作原理：分析方法方方法法一一： 设设电电路路已已振振荡荡，且且在在某某一一暂暂态态，看看是是否否能能自自动动翻翻转为另一暂态，并能再回到原暂态。转为另一暂态，并能再回到原暂态。方方法法二二： 电电路路合合闸闸通通电电，分分析析电电路路是是否否有有两两个个暂暂态态，而而
21、无无稳态。稳态。 设设合合闸闸通通电电时时电电容容上上电电压压为为0，uO上升，则产生正反馈过程：上升，则产生正反馈过程： uO uP uO ，直直至至 uOUZ， uP+UT，为第一暂态。，为第一暂态。48483. 工作原理： 电容正向充电，电容正向充电，t uN，t ， uN UZ；但当；但当uN +UT时，再增大，时，再增大， uO从从+ UZ跃变为跃变为UZ， uPUT，电路，电路进入进入第二暂态第二暂态。 电容反向充电，电容反向充电，t uN，t ， uN UZ；但当；但当uN UT时，再减小，时，再减小， uO从从 UZ跃变为跃变为+UZ， uP+UT，电路，电路返回第一暂态返回第
22、一暂态。第一暂态第一暂态：uOUZ， uP+UT。4949脉冲宽度脉冲宽度4. 波形分析50505. 占空比可调电路 正向充电和反向充电时间常数可正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。调，占空比就可调。5151三、三角波发生电路 1. 电路组成 用积分运算电路可将方波变为三角波。用积分运算电路可将方波变为三角波。两个两个RC环节环节实际电路将两个实际电路将两个RC 环节合二为一环节合二为一uO要取代要取代uC，必须改变输入端。，必须改变输入端。52522. 工作原理滞回比较器滞回比较器积分运算电路积分运算电路求滞回比较器的电压传输特性：三要素求滞回比较器的电压传输特性：三要素 UOH
23、=UOL =UZ ，uI作用于集成运放的同相输入端，求作用于集成运放的同相输入端，求 UT： 5353 合闸通电，通常合闸通电，通常C 上电压为上电压为0。设。设uO1 uP1 uO1，直至，直至uO1 UZ（第一暂态第一暂态）；积分电路反向积分，）；积分电路反向积分，t uO，一旦，一旦uO过过 UT ，uO1从从 UZ跃变为跃变为 UZ （第二暂态第二暂态） 。 积分电路正向积分，积分电路正向积分，t uO， 一旦一旦uO过过 UT ， uO1从从 UZ跃变为跃变为 UZ ，返回第一暂态返回第一暂态。重复上述过程，产生周期性的。重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。变化，即振荡。 电路状
24、态翻转时，电路状态翻转时，uP1=?三角波发生电路的振荡原理54543. 波形分析T/25555四、锯齿波发生电路5656五、波形变换电路1. 利用基本电路实现波形变换 正弦波变方波、变矩形波、变二倍频，方波变三角波，正弦波变方波、变矩形波、变二倍频，方波变三角波， 三角波变方波，固定频率的三角波变正弦波三角波变方波，固定频率的三角波变正弦波利用利用电子电子开关开关改变改变比例比例系数系数2. 三角波变锯齿波：二倍频二倍频5757 三角波用傅立叶级数展开，除基波外，还含有三角波用傅立叶级数展开，除基波外，还含有3 3次、次、5 5次次谐波。谐波。3. 三角波变正弦波若输入信号的频率变化不大，则
25、可用滤波法实现。若输入信号的频率变化不大，则可用滤波法实现。若输入信号的频率变化较大，则可用折线法实现若输入信号的频率变化较大，则可用折线法实现。58588. 8.4 信号的转换一、概述一、概述二、二、u-i 转换电路转换电路三、精密整流电路三、精密整流电路四、四、u-f 转换电路转换电路5959一、概述信号的发送：调幅、调频、调相信号的发送：调幅、调频、调相信号的接收：解调信号的接收：解调信号对负载的驱动：信号对负载的驱动：i-u，u-i信号的预处理：信号的预处理：AC-DC（整流、检波、滤波）（整流、检波、滤波） DC-AC（斩波）（斩波）信号的接口：信号的接口：A-D（如（如 u-f ）
26、，），D-A6060二、u-i 转换电路 若信号源不能输出电流，则选电路一；若信号源能够输若信号源不能输出电流，则选电路一；若信号源能够输出一定的电流，则可选电路二。出一定的电流，则可选电路二。 若负载需接地，则上述两电路均不符合要求。若负载需接地，则上述两电路均不符合要求。电路一电路一电路二电路二引入了电流串联负反馈引入了电流串联负反馈引入了电流并联负反馈引入了电流并联负反馈6161豪兰德电流源电路电路既引入了负反馈，又引入了正反馈。电路既引入了负反馈，又引入了正反馈。理想运放情况下：理想运放情况下：6262为什么一般的整流电路不能作为精密的信号处理电路？为什么一般的整流电路不能作为精密的信
27、号处理电路？三、精密整流电路 若若uImaxUon ，则，则uO仅在大于仅在大于Uon近似为近似为uI，失真。，失真。 精密整流电路是信号处理电路，不是电源中精密整流电路是信号处理电路，不是电源中AC-DC的能量的能量转换电路；实现微小信号的整流。转换电路；实现微小信号的整流。6363设设RRf精密整流电路的组成半波整流，若加半波整流，若加uI的负半周，的负半周，则实现全波整流。则实现全波整流。6464全波精密整流电路二倍频三角波二倍频三角波绝对值运算电路绝对值运算电路6565四、u-f 转换电路（压控振荡器）1. 电荷平衡式压控振荡器电路的组成：由锯齿波发生电路演变而来。电路的组成：由锯齿波发生电路演变而来。T电位器滑动端在最上端时：电位器滑动端在最上端时： 若若T2决定于外加电压，则电路的振荡频率就几乎仅决定于外加电压，则电路的振荡频率就几乎仅仅受控于外加电压，实现了仅受控于外加电压，实现了uf 的转换。的转换。66661. 电荷平衡式压控振荡器R1R5单位时间内脉冲个数表示电单位时间内脉冲个数表示电压的数值，故实现压的数值，故实现A/D转换转换67672. 复位式压控振荡器6868
