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第八章 波形发生与信号转换

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第八章波形的发生和信号的转换

第八章波形的发生和信号的转换

RF
R
R1
RC1 R2
C +
+
C1
–
+
T1 C2
R
C
+ ube
RE1 R3
3.各种正弦波振荡电路的特点，根据要求选择合适 的振荡电路。
三、一般了解的内容
1.RC文氏桥正弦波振荡电路幅度稳定的措施； 2.石英晶体振荡电路的工作原理及特点； 3.非正弦波振荡电路的工作原理。
第8章 波形的发生和信号的转换
§8.1正弦波振荡电路
8.1.1概述
X i +
X d
– X f
0.1u uf
100k
－∞
A +
+
uo
10k 0.1u 39k
起振时Rt较大 使A>3,易起振。
当uo幅度自激 增长时， Rt减 小，A减小。
当uo幅度达某 一值时， A→3。
当uo进一步增 大时， RT再减 小 ,使A<3。
因此uo幅度自 动稳定于某一 幅值。
能自动稳幅的振荡电路
R
C
.
Rf1
Rf2 1
结束
(1-17) (8-17)
三、判断能否产生正弦波振荡：
1.观察电路是否包含了四个主要部分。
2.检查放大电路是否工作在放大状态。三极管放大电 路必须有合适的静态工作点；集成运放应有负反馈， 使其工作在线性区。
3.利用瞬时极性法判断选频或反馈网络是否引入了正 反馈，即满足相位平衡条件。
4.检查是否满足幅度平衡和起振条件，尤其是起振条 件。
一.重点掌握的内容：
1.产生正弦波振荡的相位平衡条件和幅度平 衡条件；
2.RC文氏桥振荡电路的特点、起振条件以及 振荡频率的估算；

第8章波形的发生与信号的转换

第8章波形的发生与信号的转换

在图8.1.7（a）为RC串并联选频网络和同相比例运 （ ） 在图 串并联选频网络和同相比例运 算电路所构成的RC桥式正弦波振荡电路 桥式正弦波振荡电路。 算电路所构成的 桥式正弦波振荡电路。 如图（ ）所示，集成运放的输出端和“ 如图（b）所示，集成运放的输出端和“地”接桥 路的两个顶点作为电路的输出； 路的两个顶点作为电路的输出；集成运放的同相输 入端和反相输入端接另外两个顶点， 入端和反相输入端接另外两个顶点，是集成运放的 净输入电压。 净输入电压。
uf 2
& + 4 − 3− A uf & + 4 + 3− A uf
(
)
(
& 3− A uf
)
2
(
)
趋近于3时 趋近于无穷大， 当Auf趋近于 时，Aup趋近于无穷大，表明电路即使没 有输入，也会有f 的输出电压， 有输入，也会有 0的输出电压，即电路产生了自激振 荡。 电路仅对频率为f 的信号放大， 电路仅对频率为 0的信号放大，对其它频率信号均迅 速衰减为零，所以输出电压为f=f 的正弦波。 速衰减为零，所以输出电压为 0的正弦波。 输出电压靠R 反馈的信号维持。 输出电压靠 3反馈的信号维持。 正弦波振荡电路的振荡频率是人为确定的， 正弦波振荡电路的振荡频率是人为确定的，与负反馈 放大电路不同。 放大电路不同。 综上，在正弦波振荡电路中， 综上，在正弦波振荡电路中， 输入信号， 一要反馈信号能够取代 输入信号，即电路必须引入 正反馈； 正反馈； 二要有外加的选频网络 用以确定振荡频率。 有外加的选频网络， 二要有外加的选频网络，用以确定振荡频率。
本章讨论的问题： 本章讨论的问题：
5.电压比较器与放大电路有什么区别？集成运放在电 电压比较器与放大电路有什么区别？ 电压比较器与放大电路有什么区别 压比较器和运算放大电路中的工作状态一样吗？ 压比较器和运算放大电路中的工作状态一样吗？

波形的发生与信号的转换

波形的发生与信号的转换

f0max
2
1 10103 0.01106
1.59kHz
模拟电子技术
例二：电路如图所示，稳压管DZ起稳幅作用，其稳定电 压±UZ=±6V。试估算： （1）输出电压不失真情况下的有效值；
（2）振荡频率。
解: (1) 由幅值条件， 得 Rf 2R1
UZ 2UR1
而 UO UZ UR1 1.5UZ
4)起振条件
A• F• 1 （略大于1）
•
F
1
3
A 1 Rf 3
R1
Rf 2R1
Rf 不能太大，否则 正弦波将变成方波
模拟电子技术
5)稳幅措施
为使电路 Au 为非线性，起振时，应使 Au > 3，稳幅后 Au = 3。
热敏电阻稳幅
负温度系数
正温度系数
T Rf Auf (1 Rf / R1 )
模拟电子技术
思考：电路如图所示。 （1）为使电路产生正弦波振荡，标出集成运放的“＋”和“－”；并说
明电路是哪种正弦波振荡电路。 （2）若R1短路，则电路将产生什么现象？ （3）若R1断路，则电路将产生什么现象？ （4）若RF短路，则电路将产生什么现象？ （5）若RF断路，则电路将产生 什么现象？
模拟电子技术
f
arcta33nωjj(当(ω/ ωFωR.10C1=3=ω1ωω/0030R/1时)ωC
)
0
90
ω0= 0ºω
2. RC 桥氏振荡电路 1) 组成：
F = 0º
2) 电路：
模拟电子技术
同相 放大器
A = 2n
Rf R1
U•
R
i
C
U• f
U• o
CR

第八章 波形发生与信号转换

第八章 波形发生与信号转换
8.1 正弦波振荡电路 根据正反馈放大器方框图， 可以得到：
Af

A
当 A F 1时， f A

1 AF

A f 意味着Xi 0，即Xd Xf
在此条件下，放大器无需输入即可得到输出。这是因为反馈量充当了 输入量，而输入量导致了输出量，输出量则产生了反馈量。从而电路 形成一种自馈。也称为“自激”。
8.1 正弦波振荡电路 8.1.3 RC振荡器 8.1.3.1 文氏电桥振荡器 反馈网络是一个由RC高通和RC低 通网络构成的RC带通网络，其频 率特性如下图所示：
8.1 正弦波振荡电路 8.1.3 RC振荡器 8.1.3.1 文氏电桥振荡器 在反馈网络的中心频率处
fo 1 2π RC
反馈网络的相移为零，即φF=0，而 放大器的相移φA=0，故在频率fo上 电路满足振荡的相位条件，而如果 在该频率上同时满足幅度条件则电 路可以在频率fo上产生振荡。
8.1 正弦波振荡电路 8.1.3 RC振荡器 8.1.3.2 RC移相振荡器
注意：反馈网络将反馈引到运算放大器的反相输入端
8.1 正弦波振荡电路 8.1.3 RC振荡器 8.1.3.2 RC移相振荡器 由于单节RC电路最大相移不能超过90°，所以采用三节 RC移相电路。 当每节RC移相网络相移达到60°时，则三节RC移相网 络累计相移就可以达到180°，而且此时移相网络的衰减不 会过大，大约每节衰减系数为0.5，三节RC移相网络的衰减 累计为0.125，故放大器在振荡频率处的增益只需大于8即 可。可以计算得到振荡频率 3
1 L Q R R C
ωoL
Ro (1 Q )R
2
1 fo 2π LC
8.1 正弦波振荡电路 8.1.4 LC振荡器 8.1.4.1 LC谐振电路 关于RC谐振电路的几个基本概念 电路谐振时，呈现纯阻特性。 此时电感中的电流与电容中的电 流大小相等，流向相反。它们的 电流之和为零。 电路的Q值越大，则谐振电阻Ro越大。 当电路工作频率低于谐振频率时，电路呈现感性；当电 路工作频率高于谐振频率时，电路呈现容性。

波形的发生和信号的转换

波形的发生和信号的转换
电压比较器是对两个模拟输入电压进行比较，并将比较成果 输出旳电路。一般两个输入电压一种为参照电压uR，另一种为外 加输入电压ui。比较器旳输出有两种可能状态：高电平或低电平， 所以集成运放经常工作在非线性区。因为输出只有高下两种状态， 是数字量，所以比较器往往是模拟电路与数字电路旳接口电路。
第8章 信号的发生和信号的转换
C' C1C2 C1 C2
第8章 信号的发生和信号的转换
Rb2 Cb
Rb1
＋UCC Rc
－
Re
Ce
C1 L
U f
C2
C
＋
图8.1.10 电容三点式改善型正弦波振荡电路
第8章 信号的发生和信号的转换
1 C'
1 C
1 C1
1 C2
在选用电容参数时, 可使C1>>C, C2>>C, 所以
C' C
第8章 信号的发生和信号的转换
当信号频率足够低时,
1
C1
1
R1, C2
R2,
可得到近
似旳低频等效电路, 如图8.1.2(b)所示。它是一种超前网络。
输出电压 相U•位2 超前输入电压
。U• i
当信号频率足够高时,
1
C1
R1,
1
C2
R2
, 其近似旳
高频等效电路如图8.1.2 (c)所示。它是一种滞后网络。 输
第8章 信号的发生和信号的转换
第8章 信号旳发生 和信号旳转换
8.1 正弦波振荡电路 8.2 电压比较器 8.3 非正弦波发生器 8.4 利用集成运放实现旳信号准换电路
第8章 信号的发生和信号的转换
8.1 正弦波振荡电路

波形的发生和信号的转换.

波形的发生和信号的转换.

9.1K
－ D2 A R 10K
＋
o U
R2 R3 // rD | Au | 1 R1 使uo幅值趋于稳定。
1 2RC
1 2 10 10 0.015 10
3 6
p U
R
C
（2） f o

C 0.015μF
1061 Hz
1 uN uP uOM 3
电源接通瞬间，产生冲击干扰、电磁波干扰、人体干扰等； 非正弦量的起始信号含一系列频率不同的正弦分量，一个正 弦波振荡电路只在一个频率下满足相位平衡，故振荡电路必 F 环路 具有选频性，该振荡频率由相位平衡条件决定。即 A 中有选频特性网络。 或 F 选频网络由R、C和L、C等电抗性元件组成，存在于 A
AV FV 1 稳幅
4. RC移相式振荡电路
（1） 一级RC移相网络
V 1 o 1 Vi 1- j RC
1 arctg RC
（2） 二级RC移相网络
＝0，＝900； ，＝00
一级 RC网络可产 生 0~90° 的 相 移 ， 二 级 RC 网 络 可 产 生 0~180°的相移，三级 RC 网 络 可 产 生 0~270°的相移。依此 类推。
（3） 三级RC移相网络
RC移相式振荡电路
R1
RF _ C C C
+
+
uo
R R R
RC移相电路 应有F =180°
反相比例电路 A =180°
采用二极管稳幅方法 [例] 图示电路中，A为理想运放，其最大输出电压为±14V。（1） 图中D1 、D2作为稳幅元件，试分析其稳幅原理；（2）设电路已
在一个正弦波振荡电路中只有在一个频率（fo）下满足相位平衡条件。

波形发生和信号转换

波形发生和信号转换
.
8.1.2 RC正弦波振荡电路 一、 RC桥式正弦波振荡电路 1、 RC串并联网络的选频特性
低频段
容抗大于电阻，Uf超前 Uo，趋于＋90o，且 │Uf│趋于零。
高频段
容抗小于电阻，Uf落后 Uo，趋于－90o，且 │Uf│趋. 于零。
取f0 =1/(2RC)
.
uf
.
uo
3
1 j( f
f0
f0 ) f
输入端加瞬时信号。 Ui的极性→ Uo的极性→ Uf的极性 若Uf与Ui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。
.
四、分类
常用选频网络所用元件分类。 1. RC正弦波振荡电路：几百千赫以下 2. LC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
.
例：已知输入和输出波形，判断是那种电压比较器，画出其电压传输特性。
uO 9V UT 3V
结论：反相输入，带滞回 特性的电压比较器。
.
8.2.4 窗口比较器 特点：能检测出输入电压是否在两个给定电压之间。
uIU R:L
uO 1 U OMuO 2 U OMuOH U Z
U RL uIU RH : uO 1 U OMuO 2 U OMuO L0
R
R1
C +
+
-A +
+
R
C uf ui
u0
取Rf为负温度系数热敏电阻 .
反馈网络 选频网络
振荡频率连续可调的RC串并联选频网络
.
习题8.6 试求解： （1）RW的下限值； （2）振荡频率的调节范围。
（1）根据起振条件 R fR W ' ＞ 2R ， R W ' ＞ 2k
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图8.1.15
f021 L '1C;L '1L 1R i2 2M 2 2L 2 2L 2
2020/4/9
三、电感反馈式正弦波振荡电路
图8.1.17
图8.1.18
f0
2
1
L1L22MC
2020/4/9
四、电容反馈式正弦波振荡电路
图8.1.20
图8.1.21
图8.1.22
2020/4/9
f0
f0
1
2RRwC
8.1.3 LC正弦波振荡电路 一、 LC谐振回路的频率特性
图8.1.10
谐振频率
f0
2
1 LC
2020/4/9
Q 1 L RC
Z0 QX L QX C
图8.1.11
选频放大器
选频放大器 引入正反馈
图8.1.12
2020/4/9
图8.1.13
二、变压器反馈式振荡电路
图8.1.14
图8.3.4
T／2
U
T
U
Z
U
T
1
e
R 3C
U
T
T
2R
3C
ln 1
2R1 R2
f 1 T
三、占空比可调的矩形波发生电路
图8.3.5
1 RW1 R3C;2 RW2 R3C
T1
1
ln1
2R1 R2
;T2
2
ln1
2R1 R2
2020/4/9
T T1 T2
RW 2R3
Cln1
2R1 R2
图 8.3.2
2020/4/9
图8.3.3
滞回电压比较器相当 于电子开关，它的开、 关状态对应为输出电压 +UZ和-UZ。RC回路作为 延迟环节，又作为反馈 网络。通过RC回路的充、 放电，实现电子开关的 状态转换。
uO UZ;Βιβλιοθήκη TR1 R1 R2UZ
二、波形分析及主要参数
2020/4/9
2020/4/9
图8.3.8
图8.3.9
三、振荡频率 正向积分的起
始值为－UT，终了 值为+UT，积分时 间为T／2，则
2020/4/9
UT
1 R 3C
UZ
T 2
UT
UT
R1 R2
UZ
T 4R 1R 2C ;f R 2
R2
4R 1R 3C
8.3.3 锯齿波发生电路
设电位器滑动端 移到最上端，当uO1= +UZ时，uO随时间线 性下降，输出电压
2
1 LC
图8.1.23
8.1.4 石英晶体正弦波振荡电路
图8.1.27
图8.1.28
C0: 静态电容，一般为几到几十皮法； L: 等效机械振动惯性，一般为几毫亨到几十亨； C: 晶体的弹性等效，一般为0.01到0.1皮法； R: 晶体的摩擦损耗等效，一般为100欧姆。
2020/4/9
当L、C、R支路串联谐振时，该支路呈纯
uNR1R 1R2uIR1R 2R2UREF
令uN=uP=0，则求出阈值电压
2020/4/9
UT
R2 R1
UREF
8.2.3 滞回比较器
2020/4/9
uP
R1 R1 R2
UZ
UT
R1 R1 R2
UZ
图8.2.9
图8.2.10是加了参考电压的滞回比较器。 这时，两个阈值电压不再对称。
图8.2.10
R2
占空比
T1
R3
T
2R 3 R W
2020/4/9
8.3.4 波形变换电路 一、三角波变锯齿波电路
当三角波上升时， 锯齿波与之相等
uO：uI 1： 1
图8.3.11
当三角波下降时， 锯齿波与之相反
uO：uI 1： 1
2020/4/9
若开关断开，则
uN
uP
R3
R5 R4
R5
uI
uI 2
uI uN uN uN uO
uO
1 R3C
UZ
t1
t0
uO
t0
2020/4/9
这时，积分电路反向积分，uO随时间增长而 线性下降。据图8.3.8所示电压传输特性，一旦uO= －UT，再稍减小，uO1将从+UZ跃变为－UZ。则
uOR 1 3CU Zt2t1uOt1
这时，积分电路正向积分，uO随时间增长而 线性增大。据图8.3.8所示电压传输特性，一旦uO= ＋UT，再稍增大，uO1将从－UZ跃变为＋UZ。回到 初态，积分电路又开始反向积分。电路重复上述过 程，产生自激振荡。波形如图8.3.9所示。
R1
R2
Rf
uO uI
若开关闭合，则 uO=-uI
2020/4/9
图8.3.12
二、三角波变正弦波电路 1、滤波法
图8.3.14
u I t 8 2U m s it n 9 1 s3 i t n 2 1 s5 5 i t n
设计低通滤波器，其通带截止频率大于三 角波的基波频率而小于三角波的三次谐波频率。
图8.3.7
2020/4/9
u O 1 U Z u P 1R 1R 2 R 2u O R 1R 1 R 2u O 1R 1R 2 R 2u O R 1R 1 R 2U Z
令uP1=uN1，则阈值电压
UT
R1 R2
UZ
输出电压表达式为
uOR 13CuO 1t1t0uOt0
若初态时uO1正好跃变为+UZ，则
8.3.2 三角波发生电路 一、电路的组成
将方波电压作为 积分运算电路的输入， 在积分运算电路的输 出就得到三角波电压。
2020/4/9
图8.3.6
二、实用三角波发生电路工作原理
在实用电路中，常以积分运算电路来代替RC充、 放电回路，如图8.3.7所示，用同相滞回比较器加 反相积分电路。对 于这个实用电路， 应首先分析各自的 输入、输出函数关 系，再分析两电路 之间的联系，在此 基础上得出电路的 功能。
8.2.5 集成电压比较器 一、集成电压比较器的特点和分类
1、特点 响应速度快，传输延迟时间短，一般不需要外
加限幅电路就可直接驱动TTL、CMOS和ECL等数 字电路；有些芯片带负载能力强，可直接驱动继电 器和指示灯。 2、分类
单、双和四电压比较器； 通用、高速、低功耗、低电压和高精度型电压 比较器； 普通输出、集电极（漏极）开路输出或互补输 出型。 此外，还有的集成电压比较器带有选通端。
uPR 1R 2R 2U RE F R 1R 1R 2U Z
2020/4/9
令uN=uP，求出的uI就是阈值电压，为
UT1
R2 R1 R2
UREF
R1 R1 R2
UZ
UT2
R2 R1 R2
UREFR1R1R2
UZ
例8.2.2 在图6.2.9电路 中， R1=50KΩ, R2=100KΩ, ±UZ=±9V， 已知uI波形，试画出 uO的波形。
第八章 波形发生和信号转换
8.1 正弦波振荡电路
8.1.1 概述
一、产生正弦波振荡的条件
2020/4/9
图8.1.2
Xo AFXo AF 1 即
AF1
A F 2nn为整数
二、正弦波振荡电路的组成及分类
1、组成 （1）放大电路 （2）选频网络 （3）正反馈网络 （4）稳幅环节 2、分类 （1）RC正弦波振荡电路(f0＜1MHz) （2）LC正弦波振荡电路(f0＞1MHz) （3）石英晶体正弦波振荡电路(f0很稳定)
2020/4/9
二、集成电压比较器的基本接法 1、通用型集成电压比较器AD790
2020/4/9
图8.2.14
2、集电极开路集成电压比较器LM119
图8.2.15
2020/4/9
图8.2.16
8.3 非正弦波发生电路
8.3.1 矩形波发生电路 一、电路组成和工作原理
2020/4/9
图8.3.1
uOR13CUZt1t0uOt0
图8.3.10
当uO1=－Uz时， uO随时间线性上升， 输出电压
uOR 31 R W C U Zt2t1uO t1
2020/4/9
下降时间
T1
t1
t0
2
R1 R2
R
3C
上升时间
T 2
t2
t1
2
R1 R2
R3 RW
C
T 2 R 1 2 R 3 R W C
有两个阈值电压。输入电压从小到大或从大到小 经过两个阈值时，输出电压产生两次不同方向的跃 变。如图8.2.2(c)所示。电压传输特性上好象开了个 窗口。
2020/4/9
8.2.2 单限比较器 一、过零比较器
图8.2.3
2020/4/9
图8.2.5
图8.2.4 图8.2.6
二、一般单限比较器
图8.2.7
，φF=0o。
2020/4/9
二、桥式正弦波振荡电路
f=f0时，F
1 3
，所以
AAu 3
在图8.1.7中
Au
Uo Up
1 Rf R
3
Rf 2R1
采用非线性环节， 例如热敏电阻以稳定 输出电压。
2020/4/9
图8.1.6 图8.1.7
三、振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路
图8.1.9
2020/4/9
由于C<<C0，所以fp≈fs。
2020/4/9
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
电路如图8.1.29所示，石英晶体等效为电感，和C1、 C2组成电容反馈式正弦波振荡电路。振荡频率为fp。 2、串联型石英晶体正弦波振荡电路