第八章 波形发生与信号转换电路 〖本章主要内容〗 1、自激振荡的概念； 2、正弦波振荡电路所产生的自激振荡和负反馈放大电路中所产生的自激振荡的区别；正弦波振荡电路中选频网络的组成； 3、正弦波振荡的条件，正弦波振荡电路的组成； 4、矩形波发生电路原理及组成；5、各类电压比较器原理、组成及分析； 6、矩形波、三角波和锯齿波发生电路的原理及组成； 〖本章学时分配〗
本章分为3讲，每讲2学时。
第二十一讲 正弦波振荡电路 一、主要内容
1、 产生正弦波的条件和正弦波振荡电路的组成 1) 电路振荡的物理原因： 本质上与负反馈放大器的振荡相同。若反馈信号与放大器净输人信号同相等幅，因而净输人信号靠反馈信号得以维持，则即使外加输人信号为零，输出也不会消失。 2）振荡的条件：
ifVV， 即：相位条件——同相，幅值条件——等幅。
用开环频率特性表示的振荡条件：幅度平衡条件 ..FA=1 相位平衡条件 AF = A+F = 2n 3） 正弦波振荡电路的组成和类型 正弦波振荡电路由以下四部分组成：放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅电路。 其中放大电路保证电路能够在起振到动态平衡的过程中、使电路获得一定幅值的输出量；，放大电路和正反馈网络共同满足振荡的条件；选频网络实现单一频率振荡，选频网络往往由R、C和L、C等电抗性元件组成；反馈网络与选频网络可以是两个独立的网络，也可以合二为一。稳幅电路使输出信号幅值稳定，一般采用非线性环节限幅。 4）正弦波振荡电路分析方法和步骤： （1）观察电路是否是否包含振荡电路的四部分组成； （2）判断放大电路正常工作，即是否有合适的静态工作点，且动态信号是否能够输入和输出和放大； （3）判断电路能否振荡 关键是相位。若相位条件不满足，则电路肯定不是正弦波振荡器。相位平衡条件是判断振荡电路能否振荡的基本条件。可用瞬时极性判断方法。 （4）估算振荡频率 振荡电路的振荡频率fO是由相位平衡条件决定的。对RC选频网络，由网络频率特性求出fO；对LC选频网络，由谐振回路总电抗为零估算出fO。 （5）分析起振条件（幅值条件） 欲使振荡电路能自行起振，须满足｜AF|＞1的幅值条件。 ， （6）稳幅与稳频 稳幅是指“起振→增幅→等幅”的振荡建立过程，也就是从|AF|＞1到达| AF|=1（稳定）的过程。稳幅的办法可采用非线性元件来自动调节反馈的强弱以维持输出电压恒定。 稳频是指维持输出信号频率恒定。可以采取提高回路Q值，尽且减小回路损耗的办法稳频。 2、RC正弦波振荡电路 1） RC串并联选频网络的频率响应
谐振角频率和谐振频率分别为： RC10， RCf210
幅频特性： .F20022002)(31)(31||ffffF 相频特性： )(31arctg00Fffff 当f=f0时的反馈系数.F13，即31.fU且与频率f0的大小无关，此时的相角 F=0。
2）RC文氏桥振荡电路 （1）RC文氏桥振荡电路的构成 RC文氏桥振荡器的电路如图所示，RC串并联网络是正反馈网络，另外还增加了Rf和R1负反馈网络。 、RC串并联网络与Rf和R1负反馈支路正好构成一个桥路，称为文氏桥。 为满足振荡的幅度条件 AF..=1，所以Af≥3。加入Rf和R1支路，构成串联电压负反馈。 311fRRAf （2）RC文氏桥振荡电路的稳幅过程 RC文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠非线性元件，如热敏电阻实现的。上图R1是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，R1上所加的电压升高，即温度升高，R1阻值增加，负反馈增强，输出幅度下降。若热敏电阻是负温度系数，应放置在Rf的位置。 采用反并联二极管的稳幅电路见教材P394，图8.1.8所示。电路的电压增益为
1ff+1=RrRAdv
式中 R”p是电位器上半部的电阻值，R’p是电位器下半部的电阻值。R’3= R3 // RD，RD
是并联二极管的等效平均电阻值。当Vo大时，二极管支路的交流电流较大，RD较小，Avf
较小，于是Vo下降。由图(b)可看出，二极管工作在C、D点所对应的等效电阻，小于工作
在A、B点所对应的等效电阻，所以输出幅度小。二极管工作在A、B点，电路的增益较大，引起增幅过程。当输出幅度大到一定程度，增益下降，最后达到稳定幅度的目的。 （3）频率可调的RC桥正弦波振荡电路 调整方法：在RC串、并联网络中，用双层波段开关接不同电容，实现振荡频率的fo
粗调，用同轴电位器实现振荡频率的微调，可调频率范围从几HZ至几KHZ。
二、本讲重点 1、产生正弦波振荡的原因和振荡的条件；能否振荡的判断和振荡频率的计算。 2、正弦波振荡电路的分析方法。 三、本讲难点 振荡频率的计算及振荡条件的推导 四、教学过程组织 讲授 第二十二讲 电压比较器
一、主要内容 1、概述 1）电压传输特性 描述比较器输出电压UO和输入电压Ui函数关系的曲线，称为电压传输特性。 比较器输出只有两个状态：高电平UOH或是低电平UOL，而输入信号一般是连续变化信号。使UO从UOH跃变为UOL，或者从UOL跃变为UOH的输入电压称为阈值电压UT。 REFiURRRURRRU212211REFTHURRU12
比较器一般采用集成运放，设运放同相和反相输入端电压分别U-和U+，有： U- ＞U+ 时 Uo＝UOL U- ＜U+ 时 Uo＝UOH 2）集成运放的非线性工作区 比较器一般是开环工作或正反馈状态，其增益很大。教材P409图8.2.1，分别给出了运放的开环状态，引人正反馈的和电压传输特性。这时输入电压和输出电压之间的关系不再是线性关系。 3） 电压比较器的类型 简单比较器，滞回比较器和窗口比较器。 简单比较器只有一个阈值电压，而滞回比较器和窗口比较器具有两个阈值电压。 4）比较器基本特点 工作在开环或正反馈状态。 开关特性：因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。 非线性：因是大幅度工作，输出和输入不成线性关系。 2、单限比较器 1）过零比较器 过零电压比较器的电路图和电压传输特性曲线。 将过零比较器的一个输入端从接地改接到一个固定电压值UREF上，调节UREF可方便地改变阈值。 为限制运放的差模输入电压，保护输入级和输出限幅，可在输入端加二极管限幅，以及在输出端加稳压管限幅。 2）任意电平比较器 （1）电路结构： 具体电路见教材电路中将参考电压UREF和输入电压Ui各分别通过电阻加人运放的同一个输入端。 （2）工作原理及传输特性 其阈值电压由Ur和Ui共同决定。改变UREF的大小可以改变阈值电压。由叠加原理得：
它与U+ = 0 比较，可求出阈值电压 （3）特点及应用 结构简单，灵敏度高，但抗干扰能力较差。可用于检测输入信号的电平是否高于或低于某个给定的门限电平。 3、滞回比较器 1）电路结构： 滞回比较器电路见教材。它是从输出引一个电阻分压支路到同相输入端。 由电路有输出电压Uo=±Uz。 2）工作原理及传输特性 当输入电压UI从零逐渐增大，且U≤+UT时，Uo =+ Uz，+UT称为上限阀值电平。
Z211TURRRU 当输入电压Ui=+UT，Uo = - Uz。--UT称为下限阀值电平。
当Ui逐渐减小，且Ui= --UT以前，Uo始终等于- Uz，因此出现了如教材回差电压U： ZURRRUUU212 TT2)(
3）特点及应用 抗干扰能力较强。一般用于波形的形成和变换。 4、窗口比较器 1）电路结构 窗口比较器的电路见教材。电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成。 2）工作原理及传输特性 当Ui＞URH 时，UO1为高电平，D1导通；Uo2为低电平，D2截止，UO= UO1。 当Ui URL时，U2为高电平，D2导通；UO1为低电平，D1截止，UO= UO2。 当URH >Ui> URL时，UO1为低电平，UO2为低电平，D1、D2截止，UO =低电平。 窗口比较器的电压传输特性见教材。 该比较器有两个阈值，传输特性曲线呈窗口状，故称为窗口比较器。 3）特点及应用 用于检测输入信号的电平是否处在两个给定的参考电压之间。 二、本讲重点
过零比较器的工作原理及电压传输特性； 滞回比较器工作原理及电压传输特性。 三、本讲难点 滞回比较器电压传输特性的推导。 四、教学过程组织 讲授 第二十三讲 非正弦波发生电路
一、主要内容 1、方波发生器 1）电路结构 方波发生器是由滞回比较器和RC定时电路构成的。 2） 工作原理及波形分析
电源刚接通时，设Uc=0，Uo=+Uz21Z2P,RRURU所以,电容C充电，Uc升高。 当NCUU≥PU时，ZoUU，所以21Z2PRRURU，电容C放电，Uc下降。 当NOUU≤PU时，ZOUU，返回初态。如此周而复始产生振荡。由于充电和放电时间常数相同，故输出Uo的高低电平宽度相等，故为方波发生器。
3） 振荡周期 方波的周期Ｔ用过渡过程公式可以方便地求出
)21ln(2123RRCRT 4）电路特点 改变R3、C及R2/R1的比值，可改变周期T。 2、占空比可调的矩形波电路 1）电路结构 显然，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。占空比可调的矩形波电路见教材。 2）工作原理及波形分析 C充电时，充电电流经电位器的上半部、二极管D1、R3； C放电时，放电电流经R3、二极管D2、电位器的下半部。 由于充、放电时间常数不同，这样就得到了矩形波电路。其输出波形见教材所示。 3）振荡周期
占空比为：2111TT。其中： 时间常数： 111RrRCw'd，221RRrRCww'd
