8-波形的发生

1、波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换第第8章章 波形发生电路和信号的转换波形发生电路和信号的转换 8.2 电压比较器波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换8.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 8.1.1 正弦波振荡电路的基础知识正弦波振荡电路的基础知识 1. 自激振荡现象自激振荡现象 扩音系统在使用中有时会发出刺耳的啸叫声, 其形成的过程如图8.1所示。 扩音机扬声器话筒 图 8.1 自激振荡现象 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 2. 自激振荡形成的条件自激振荡形成的条件 可以借助图8.所示的方框图来分析正弦波振荡形成的条件。 A.F.放大电路2S1Uid.Ui.U

2、f.Uo.仅馈电路 图 8.2 振荡电路的方框图 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 由此可见, 自激振荡形成的基本条件是反馈信号与 输入信号大小相等、 相位相同, 即 , 而 可得ifUUifUFAU1FA (8.1) 这包含着两层含义: （） 反馈信号与输入信号大小相等, 表示 即 （） 反馈信号与输入信号相位相同, 表示输入信号经过放大电路产生的相移A和反馈网络的相移F之和为0, 2, 4, , 2n, 即ifUU1FA（8.2） 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 A+F=2n(n=0, 1, 2, 3, ) （8.3） 称为相位平衡条件。 Uo.Obac起振稳幅t

3、 图 8.3 自激振荡的起振波形 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 . 正弦波振荡的形成过程正弦波振荡的形成过程 放大电路在接通电源的瞬间, 随着电源电压由零开始的突然增大, 电路受到扰动, 在放大器的输入端产生一个微弱的扰动电压ui, 经放大器放大、 正反馈, 再放大、 再反馈, 如此反复循环, 输出信号的幅度很快增加。 这个扰动电压包括从低频到甚高频的各种频率的谐波成分。 为了能得到我们所需要频率的正弦波信号, 必须增加选频网络, 只有在选频网络中心频率上的信号能通过, 其他频率的信号被抑制, 在输出端就会得到如图8.3的ab段所示的起振波形。 波形的发生和信号的转换波形的发生

4、和信号的转换 那么, 振荡电路在起振以后, 振荡幅度会不会无休止地增长下去了呢？这就需要增加稳幅环节, 当振荡电路的输出达到一定幅度后, 稳幅环节就会使输出减小, 维持一个相对稳定的稳幅振荡, 如图8.3的bc段所示。 也就是说, 在振荡建立的初期, 必须使反馈信号大于原输入信号, 反馈信号一次比一次大, 才能使振荡幅度逐渐增大; 当振荡建立后, 还必须使反馈信号等于原输入信号, 才能使建立的振荡得以维持下去。 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 由上述分析可知, 起振条件应为 1FA1FA 稳幅后的幅度平衡条件为（8.4） . 振荡电路的组成振荡电路的组成要形成振荡, 电路中必须包

5、含以下组成部分: 放大器; 正反馈网络; 选频网络; 稳幅环节。波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 根据选频网络组成元件的不同, 正弦波振荡电路通常分为振荡电路, 振荡电路和石英晶体振荡电路。 8.1.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 RC正弦波振荡电路结构简单, 性能可靠, 用来产生几兆赫兹以下的低频信号, 常用的RC振荡电路有RC桥式振荡电路和移相式振荡电路。 1. RC桥式振荡电路桥式振荡电路 1） RC串并联网络的选频特性 RC串并联网络由R2和C2并联后与R1和C1串联组成, 如图8.4所示。 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换Z2.U1R2C2.U2Z1R1

6、C1 图 8.4 RC串并联网络 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 设R1、 C1的串联阻抗用Z1表示, R2和C2的并联阻抗 用Z2表示, 那么 222211111RCjRZCjRZ输出电压 与输入电压 之比为RC串并联网络传输系数, 记为 , 则1U2UF2221122221212111RCjRCjRRCjRZZZUUF波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换)1()1 (112211221CRCRjCCRR在实际电路中取C1=C2=C, R1=R2=R, 则上式可简化为31arctan)1(31)1(3122RCRCRCRCFFRCRCjFF其模值 相角 波形的发生和信号

7、的转换波形的发生和信号的转换 将f0 的表达式代入模值和相角的表达式, 并将角频 率变换为由频率f表示, 则RCfRCf2112000 令 即 3arctan)(31002002ffffffffFF波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 根据上式可作出RC串并联网络频率特性如图8.5所示。 F310f0fFf0f09090 图 8.5 RC串并联网络的频率特性 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 当 f=f0时, 电压传输系数最大, 其值为: F=1/3, 相角为零, 即F=0。 此时, 输出电压与输入电压同相位。 当ff0时, F3的要求。 其中, 1、 2和R2是实现自动稳

8、幅的限幅电路。 11RRAfuRCf210（8.5） 2RC移相式振荡电路移相式振荡电路 电路如图8.7所示, 图中反馈网络由三节RC移相电路构成。 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换RRCCCRRfUo. 图 8.7 RC超前型移相式振荡电路 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 由于集成运算放大器的相移为180, 为满足振荡的相位平衡条件, 要求反馈网络对某一频率的信号再移相180, 图8.7中RC构成超前相移网络。 正如所知, 一节RC电路的最大相移为90, 不能满足振荡的相位条件; 二节RC电路的最大相移可以达到180, 但当相移等于180时, 输出电压已接近于零,

9、故不能满足起振的幅度条件 。 为此, 在图7.7所示的电路中, 采用三节RC超前相移网络, 三节相移网络对不同频率的信号所产生的相移是不同的, 但其中总有某一个频率的信号, 通过此相移网络产生的相移刚好为180, 满足相位平衡条件而产生振荡, 该频率即为振荡频率f0。 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 RC移相式振荡电路具有结构简单、 经济方便等优点。 其缺点是选频性能较差, 频率调节不方便, 由于输出幅度不够稳定, 输出波形较差, 一般只用于振荡频率固定、 稳定性要求不高的场合。 296210uARCf振幅起振条件为 （8.6） （8.7） 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号

10、的转换 8.1.3 LC振荡电路振荡电路 LC振荡电路分为变压器反馈式LC振荡电路、 电感反馈式LC振荡电路、 电容反馈式LC振荡电路, 用来产生几兆赫兹以上的高频信号。 1. 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 ） 电路组成 变压器反馈式LC振荡电路如图8.8所示。 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换L1C：选频网络V、 Rb1、 Rb2、 Re、Ce、 C1组成共射放大电路L1()C()RLL3L2()()VCeReRb2()C1Rb1T UCCL2：反馈线圈引入正反馈 图 8.8 变压器反馈式LC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 ） 振荡条件

11、 （1） 相位平衡条件。 为了满足相位平衡条件, 变压器初次级之间的同名端必须正确连接。 电路振荡时, f=f0, LC回路的谐振阻抗是纯电阻性, 由图中L1及L2同名端可知, 反馈信号与输出电压极性相反, 即F=180。 于是A+F=360, 保证了电路的正反馈, 满足振荡的相位平衡条件。 对频率ff0的信号, LC回路的阻抗不是纯阻抗, 而是感性或容性阻抗。 此时, LC回路对信号会产生附加波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 相移, 造成F180, 那A+F360, 不能满足相位平衡条件, 电路也不可能产生振荡。 由此可见, LC振荡电路只有在f=f0这个频率上, 才有可能振荡。

12、 （2） 幅度条件。 为了满足幅度条件AF1, 对晶体管的值有一定要求。 一般只要值较大, 就能满足振幅平衡条件。 反馈线圈匝数越多, 耦合越强, 电路越容易起振。 LCff210（8.8）波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 4） 电路优缺点 (1) 易起振, 输出电压较大。 由于采用变压器耦合, 易满足阻抗匹配的要求。 (2) 调频方便。 一般在LC回路中采用接入可变电容器的方法来实现, 调频范围较宽, 工作频率通常在几兆赫左右。 (3) 输出波形不理想。 由于反馈电压取自电感两端, 它对高次谐波的阻抗大, 反馈也强, 因此在输出波形中含有较多高次谐波成分。 2. 电感反馈式电感反

13、馈式LC振荡电路振荡电路 1) 如图8.9所示是电感反馈式LC振荡电路, 又称 哈特莱振荡电路。 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换ReCeV()()L2：反馈线圈C2Rc UCCRb1Rb2()C1()()()()CL2L1() 图 8.9 电感反馈式LC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 ）振荡条件分析 （1）相位条件。 设基极瞬时极性为正, 由于放大器的倒相作用, 集电极电位为负, 与基极相位相反, 则电感的端为负, 2端为公共端, 端为正, 各瞬时极性如图8.9所示。 反馈电压由1端引至三极管的基极, 故为正反馈, 满足相位平衡条件。 （2） 幅度条件。

14、从图8.9可以看出反馈电压是取自电感L2两端, 加到晶体管b、e间的。 所以改变线圈抽头的位置, 即改变L2的大小, 就可调节反馈电压的大小。 当满足| |1的条件时, 电路便可起振。 FA波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 上式中, L1+L2+2M为LC回路的总电感, M为L1与L2 间的互感耦合系数。 4） 电路优缺点 (1) 由于L1和L2之间耦合很紧, 故电路易起振, 输出幅度大。 (2) 调频方便, 电容C若采用可变电容器, 就能获得较大的频率调节范围。 3） 振荡频率 CMLLLCfo)2(212121（8.9） 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 (3) 由

15、于反馈电压取自电感L2两端, 它对高次谐波的阻抗大, 反馈也强, 因此在输出波形中含有较多高次谐波成分, 输出波形不理想。 3 电容反馈式振荡电路电容反馈式振荡电路 电容反馈式LC振荡电路又称为考毕兹振荡电路，如图 8.10 所示。 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换ReCeV()()C2：反馈电容Rc UCCRb1Rb2()Cb()()()()C2C1L 图 8.10 电容反馈式振荡电路 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 1） 相位条件 与分析电感反馈式振荡电路相位条件的方法相同, 该电路也满足相位平衡条件。 2） 幅度条件 由图8.10的电路可看出, 反馈电压取自电容

16、C2两端, 所以适当地选择C1、 C2的数值, 并使放大器有足够的放大量, 电路便可起振。 3）振荡频率 振荡频率为 LCfo21（8.10） 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 是谐振回路的总电容。 4） 电路优缺点 容易起振, 振荡频率高, 可达100 MHz以上。 输出波形较好, 这是由于C2对高次谐波的阻抗小, 反馈电压中的谐波成分少, 故振荡波形较好。 但调节频率不方便。 因为C1、 C2的大小既与振荡频率有关, 也与反馈量有关。 改变C1（或C2）时会影响反馈系数, 从而影响反馈电压的大小, 造成电路工作性能不稳定。 2121CCCCC其中 波形的发生和信号的转换波形的发

17、生和信号的转换 *. 串联改进型电容反馈式串联改进型电容反馈式LC振荡电路振荡电路 串联改进型电容反馈式LC振荡电路又称克拉泼振荡电路, 如图8.11所示。 321111121CCCCLCffo其中C表示回路总电容 （8.11） （8.12） 当CC1, C3C2时, CC3。 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换ReCeC3：用来决定振荡频率Rc UCCRb1Rb2Cb2C2C1L31C3 图 8.11 克拉泼振荡电路 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 8.1.4 晶体振荡电路晶体振荡电路 1. 石英晶体的谐振特性与等效电路石英晶体的谐振特性与等效电路 石英晶体谐振器是晶

18、振电路的核心元件, 其结构和外形如图8.12所示。 石英晶体谐振 器是从一块石英晶体上按确定的方位角切下的薄片, 这种晶片可以是正方形、矩形或圆形、 音叉形的, 然后将晶片的两个对应表面上涂敷银层, 并装上一对金属板, 接出引线, 封装于金属壳内。 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 为什么石英晶体能作为一个谐振回路, 而且具有极高的频率稳定度呢？这要从石英晶体的固有特性来进行分析。 物理学的研究表明, 当石英晶体受到交变电场作用时, 即在两极板上加以交流电压, 石英晶体便会产生机械振动。 反过来, 若对石英晶体施加周期性机械力, 使其发生振动, 则又会在晶体表面出现相应的交变电场和

19、电荷, 即在极板上有交变电压。当外加电场的频率等于晶体的固有频率时, 便会产生“机电共振”, 振幅明显加大, 这种现象称为压电谐振。 它与LC回路的谐振现象十分相似。 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换底座绝缘体管脚晶片引线(a)金属壳(b) 图 8.12石英晶体谐振器(a) 石英晶体振荡器； (b) 外形图 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 压电谐振的固有频率与石英晶体的外形尺寸及切割方式有关。 从电路上分析, 石英晶体可以等效为一个LC电路, 把它接到振荡器上便可作为选频环节应用。 图8.13为石英晶体在电路中的符号和等效电路。 (a)C0LCR(b) 图 8.13石

20、英晶体的符号和 等效电路 (a) 符号； (b) 等效电路 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 图8.14为石英晶体谐振器的电抗-频率特性。 由图8.14可知, 它具有两个谐振频率, 一个是L、 C、 R支路发生串联谐振时的串联谐振频率fs, 另一个是L、 C、 R支路与C0支路发生并联谐振时的并联谐振频率fp, 由图 8.13 等效电路得002121CCCCLfLCfps（8.13） （8.14） 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换X0fsfpf容性容性感性 图8.14 石英晶体的电抗频率特性 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 2 石英晶体振荡电路石英晶体振荡

21、电路 石英晶体振荡器可以归结为两类, 一类称为并联型, 另一类称为串联型。 前者的振荡频率接近于fp, 后者的振荡频率接近于fs, 分别介绍如下。 图8.15所示为并联型石英晶体振荡器。 当f0在 fs fp的窄小的频率范围内时, 晶体在电路中起一个电感作用, 它与C1、 C2组成电容反馈式振荡电路。 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换ReC2 晶体：在电路 中起电感作用， 工作频率在 fs 和 fp之间Rc UCCRb1Rb2CbC1V 图 8.15 并联型石英晶体振荡电路 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 可见, 电路的谐振频率f0应略高于fs, C1 、 C2对f0

22、的影响很小, 电路的振荡频率由石英晶体决定, 改变C1、 C2的值可以在很小的范围内微调f0。 图8.16所示为串联型石英晶体振荡电路。 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换Re1 晶体：反馈元件，工作于串联谐振频率时，引入正反馈Rc1 UCCRb1Rb2CbV1()()Re2()C2V2RP 图 8.16 串联型石英晶体振荡电路 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换8.2 比较器1 单限比较器单限比较器2 滞回比较器滞回比较器3 窗口比较器窗口比较器4 比较器的应用比较器的应用 比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。 常用的幅度比较电路有电压幅度比较器、窗口比

23、较器和具有滞回特性的比较器。这些比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 1 单限比较器单限比较器 (1) 过零比较器和电压幅度比较器 过零电压比较器是典型的幅度比较电路，它的电路图和传输特性曲线如图01所示。(a)(b) 图01 过零电压比较器(a)电路图(b)传输特性曲线波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到一个电压值VREF 上 , 就得到电压幅度比较器，它的电路图和传输特性曲线如图.02所示。 图02 固定电压比较器(a)电路图(b)传输特性曲线波形的发生和信号的转换波形的发生

24、和信号的转换(2)比较器的基本特点 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，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换2 滞回比较器滞回比较器om21221REF1TVRRRRRVRVom21221REF1TVRRRRRVRV 从输出引一个电阻分压支路到同相输入端，电路如图03(a)所示。当输入电压vI从零逐渐增大，且 时， ， 称为上限阈值(触发)电平。TIVv omOVvTV当输入电压 时， ， 此时触发电平变为 ， 称为下限阈值(触发)电平。TIVv omOVv TV TV图03(a

25、)滞回比较 器电路图波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 当 逐渐减小，且 以前， 始终等于 ，因此出现如图.03(b)所示的滞回特性曲线。Iv TIVv OvomV回差电压 ：Vomom212 TTVVRRRVVV图03滞回比较电路 的传输特性波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换3 窗口比较器窗口比较器 窗口比较器的电路如图14.04所示。电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成。设R1 =R2，则：DLHDCC212DCCL2=)2(21)2(=VVVVVRRRVVV 图04 窗口比较器 窗口比较器的电压传 输特性如下页 图 05所示。波形的发生和信号的转换波形的发生和信

26、号的转换 当vIVH时，vO1为高电平，D3导通；vO2为低电平, D4截止，vO= vO1。 当vI VL时，vO2为高电平，D4导通；vO1为低电平，D3截止，vO= vO2。 当VH vI VL时，vO1为低电平，vO2为低电平，D3、D4截止，vO为 低电平。 图05 窗口比较器的传输特性 信号的电位水平高于某规定值VH的情况，相当比较电路正饱和输出。 信号的电位水平低于某规定值VL的情况，相当比较电路负饱和输出。 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。波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换4 比较器的应用比较器的应用 比较器主要用来对输入波形进行整形，可以

27、将不规则的输入波形整形为方波输出,其原理图如图06所示。(a) 正弦波变换为矩形波 (b) 有干扰正弦波变换为方波 图06 用比较器实现波形变换波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换8.38.3 非正弦信号发生器非正弦信号发生器 8.3.1矩形波发生器矩形波发生器 图17(a)是一种能产生矩形波的基本电路, 也称为方波振荡器。 由图可见, 它是在滞回比较器的基础上, 增加一条RC充、 放电负反馈支路构成的。 1. 工作原理工作原理 在图17（a）中, 电容上的电压加在集成运放的反相端, 集成运放工作在非线性区, 输出只有两个值: +Uz和-Uz。 设在刚接通电源时, 电容上的电压为零, 输出为正饱和电压+Uz, 同相端的电压为波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 电容C在输出电压+Uz的作用下开始充电, 充电电流 i经过电阻Rf, 如图7.17（a）的实线所示。 当充电电压uC升至2212URRR2212URRR 值时, 由于运放输入端uu, 于是电路翻转, 输出电压由+Uz值翻至Uz, 同相端电压变为2212URRR波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换R3R1R2R5R4RfV