第八章 波形发生与信号的转换

1、8.1正弦波振荡电路的振荡条件8.2 RC正弦波振荡电路8.3 LC正弦波振荡电路8.4非正弦信号产生电路8.5集成函数发生器简介 第第8章章 信号产生电路信号产生电路一一. 产生自激振荡的条件产生自激振荡的条件fidXXX-=改成正反馈改成正反馈只有正反馈电路才能产生自激振荡。只有正反馈电路才能产生自激振荡。基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FiX+ dXoXfX8.1 正弦波振荡器的基本原理正弦波振荡器的基本原理+如果：如果：,ifXX=则去掉则去掉,iX仍有信号输出。仍有信号输出。基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FdXoXfX反馈信号代替了放大反馈信号代替了放大电路的输

2、入信号。电路的输入信号。基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FiX+ +dXoXfX基本放大基本放大电路电路A反馈电路反馈电路FdXoXfXFA=1Xd=Xf所以，自激振荡条件也可以写成：所以，自激振荡条件也可以写成：自激振荡的条件：自激振荡的条件：（1）振幅条件：）振幅条件：1|=AF（2）相位条件：）相位条件：pjjnFA2=+n是整数是整数1.=FAAAAj=|因为：因为：FFFj=|.动画演示动画演示起振条件和稳幅原理振荡建立与振荡建立与稳定过程图稳定过程图1|FA起振条件起振条件：结果：产生增幅振荡结果：产生增幅振荡（略大于）1 1、被动：器件非线性、被动：器件非线性2 2、主

3、动：在反馈网络中加入非线性稳幅、主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以环节，用以调节调节放大电路的放大电路的增益增益稳幅：稳幅：8 . 2 RC振荡电路振荡电路一一. RC 串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性R1C1R2C2OUfU)j/1 (111CRZ+=222222j1 )j/1/(CRRCRZ+=R1C1 串联阻抗：串联阻抗：R2C2 并联阻抗：并联阻抗：选频特性：选频特性：)1()1 (112211221CRCRjCCRRUUOf-+=R1C1R2C2OUfU时，相移为时，相移为0 0。12211CRCR=当当22212ofZZZUUF+=如果：如果：R1=R2=R，C1=

4、C2=C，则：，则：RCfp210=12211CRCR=21211CCRR=01CR=0)1()1 (112211221CRCRjCCRRUUof-+=13=选频特性选频特性)1(31CRCRj-+=o时RC桥式振荡器的工作原理：桥式振荡器的工作原理：0=Aj在在 f0 处处,0=Fj满足相位条件：满足相位条件：因为：因为：AF=131=F11f+=RRA1f2RR =uo_+ + RfRCRCR1A=3uouo3A=3同相放大器同相放大器文氏桥选频电路文氏桥选频电路输出正弦波频率：输出正弦波频率：RCfp210=0=+FAjj振幅条件：振幅条件：例题例题: :R=1kR=1k ，C=0.1C

5、=0.1 F F，R R1 1=10k=10k 。R Rf f为多大时才为多大时才能起振？振荡频率能起振？振荡频率f f0 0= =？ uo_+ + RfRCRCR1AF=1，31=F11f+=RRAA=3=2 10=20k k RCfp210=1592 Hz起振条件：起振条件：1f2RR =能自动稳幅的振荡电路能自动稳幅的振荡电路半导体热敏电阻半导体热敏电阻(负温度系数）负温度系数）起振时起振时R RT T2R2R1 1, , 使使A3,A3,易起振。易起振。当当u uo o幅度自激增长幅度自激增长达某一值时，达某一值时， R RT T=2R=2R1 1，A=3A=3。当当u uo o进一步

6、增大时，进一步增大时， R RT T2R2R1 1 , ,使使A3AR121F1fF2RRA+=F1R+2AF 1可调可调A 2RF1+RF2 RfLC10RCLZ =0LCfp2108.3.1. LC并联谐振回路的选频特性并联谐振回路的选频特性CLRuiLici(阻性阻性)LC并联谐振并联谐振特点：特点：谐振时，总路电流很小，谐振时，总路电流很小，支路电流很大，电感与电容的无功功率互相支路电流很大，电感与电容的无功功率互相补偿，电路呈阻性。用于选频电路。补偿，电路呈阻性。用于选频电路。R为电感线圈中的电阻为电感线圈中的电阻 8.3 LC正弦波振荡器正弦波振荡器 Q Q为谐振回路的品质因数，为

7、谐振回路的品质因数，Q Q值越大，曲线越陡越窄，值越大，曲线越陡越窄，选频特性越好。图中选频特性越好。图中Q Q1 1Q Q2 2。并联谐振阻抗为并联谐振阻抗为Z Z0 0CLQCQLQRCLZ=000谐振时谐振时LC并联谐振电路并联谐振电路相当一个电阻。相当一个电阻。LC并联谐振回路的幅频特性曲线并联谐振回路的幅频特性曲线互感线圈的极性判别互感线圈的极性判别1234磁棒磁棒初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈同极性端同极性端1234+CLRuiLici反馈信号反馈信号通过互感通过互感线圈引出线圈引出8.3.2. 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 工作原理：工作原理：三极管共射放大器。

8、三极管共射放大器。利用互感线圈的同利用互感线圈的同名端：名端：180=Aj180=Fj360=+AAjj 满足相位条件。满足相位条件。振荡频率振荡频率:LCfp210判断是否是正反馈判断是否是正反馈:用用瞬时极性法瞬时极性法判断判断VCCRb1ReRb2C1CeMLCcbeTvo(+)(-)(+)(+)VCCRb1ReRb2C1MLCcbeT(+)(+)(+)(+)LC正弦波振荡器举例正弦波振荡器举例反馈反馈满足相位平衡条件满足相位平衡条件满足相位平衡条件满足相位平衡条件反馈反馈+ 正反馈正反馈 LC正弦波振荡器举例正弦波振荡器举例振荡频率振荡频率:+UCCCC1LLCfp210uo满足相位平

9、衡条件满足相位平衡条件仍然由仍然由LC并联谐振电路构成选频网络并联谐振电路构成选频网络A. 若中间点交流接地，则首端与尾端若中间点交流接地，则首端与尾端 相位相反。相位相反。8.3.3. 三点式三点式LC振荡电路振荡电路原理：原理：C1C2首端首端尾端尾端中间端中间端L电容三点式电容三点式C首端首端尾端尾端中间端中间端L1L2电感三点式电感三点式中间端的瞬时电位一定在首、尾端电中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。位之间。三点的相位关系三点的相位关系B. 若首端或尾端交流接地，则其他两若首端或尾端交流接地，则其他两 端相位相同。端相位相同。8.3.3. 三点式三点式LC振荡器振荡器 1.电感

10、三点式电感三点式LC振荡电路振荡电路振荡频率：振荡频率：CMLLLCf)2(2121210+=pp2. 电容三点式LC振荡电路振荡频率：振荡频率：212102121CCCCLLCf+=ppQ值越高，选频特性越好，频率越稳定。值越高，选频特性越好，频率越稳定。8.3.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路1. 频率稳定问题频率稳定问题频率稳定度一般由频率稳定度一般由 来衡量来衡量0ff 频率偏移量。频率偏移量。f 0f振荡频率。振荡频率。LC振荡电路振荡电路 Q 数百数百石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 Q 10000 500000一一. 石英晶体石英晶体2. 基本特性基本特性1. 结构：结构：极

11、板间加电场极板间加电场极板间加机械力极板间加机械力晶体机械变形晶体机械变形晶体产生电场晶体产生电场压电效应压电效应交变电压交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高当交变电压频率当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大固有频率时，振幅最大 压电谐振压电谐振3. 石英晶体的等效电路与频率特性石英晶体的等效电路与频率特性等效电路：等效电路：LCfp p21s= =（1）串联谐振）串联谐振频率特性：频率特性： 晶体等效阻抗为纯阻性晶体等效阻抗为纯阻性0p121CCLCf+ += =p p（2）并联谐振）并联谐振通常通常

12、0CC 0s1CCf+ += =所以所以很很接接近近与与 psff实际使用时外接一小电容实际使用时外接一小电容Cs则新的谐振频率为则新的谐振频率为s0s121CCCLCf+ + += = p p由于由于s0CCC+ + s0s1CCCf+ + += =由此看出由此看出 + + += = )(21s0ssCCCff；时，时， 0 pssffC= = sss ffC= = 时，时，调整调整之之间间变变化化和和在在可可使使 psssfffC 二二. 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路利用石英晶体的高品质因数的特点，构成利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。振荡电路。1. 并联型石英晶体振荡

13、器并联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在石英晶体工作在fs s与与fp p之间，相当一个大电感，与之间，相当一个大电感，与C C1 1、C C2 2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高，可达到几值很高，可达到几千以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。千以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。2. 并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在石英晶体工作在fs s处，呈电阻性，且阻抗最小，正反馈最处，呈电阻性，且阻抗最小，正反馈最强。该电路为电感三点式振荡器。强。该电路为电感三点式振荡器。 加入石英晶体是利用石英晶体的高加入石英晶体

14、是利用石英晶体的高Q值，提高振荡频率的值，提高振荡频率的稳定性。稳定性。8.4.1 8.4.1 比较器比较器 将一个模拟电压信号与一将一个模拟电压信号与一参考电压参考电压相比较，输相比较，输出一定的高低电平。出一定的高低电平。功能：功能：特性：特性：运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系的关系uo=f(ui)是非线性函数。是非线性函数。8.4 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路1. 1. 运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。运放工作在非线性状态基本分析方法运放工作在非线性状态基本分

15、析方法2. 2. 运放工作在非线性状态的分析方法：运放工作在非线性状态的分析方法： 若若U+U- 则则UO=+UOM； 若若U+U- 则则UO=-UOM。 虚断（运放输入端电流虚断（运放输入端电流=0） 注意：此时不能用虚短！注意：此时不能用虚短！uoui0+UOM-UOM+uoui1. 过零比较器过零比较器: （门限电平（门限电平=0）+uouiuoui0+UOM-UOM一一. .单门限电压比较器单门限电压比较器2. 单门限比较器（与参考电压比较）单门限比较器（与参考电压比较）+uouiUREFuoui0+Uom-UomUREFUREF为参考电压为参考电压当当ui UREF时时 , uo =

16、 +Uom当当ui UREF时时 , uo = -Uom 运放处于运放处于开环状态开环状态+uouiUREFuoui0+Uom-UomUREF当当ui UREF时时 , uo = -Uom 若若ui从反相端输入从反相端输入+uiuoui0+UZ-UZ用稳压管稳定输出电压用稳压管稳定输出电压uo UZuoui0+UOM-UOM+uoui忽略了忽略了UD3. 限幅电路限幅电路使输出电压稳定使输出电压稳定限幅电路的另一种形式：限幅电路的另一种形式：将双向稳压管接在负反馈回路上将双向稳压管接在负反馈回路上+uiuo UZR R_uoui0+UZ-UZR =R二二. 迟滞比较器迟滞比较器1.迟滞比较器迟

17、滞比较器特点特点:电路中使用正反馈。电路中使用正反馈。1、因为有正反馈，所以输、因为有正反馈，所以输出饱和。出饱和。2、当、当uo正饱和时正饱和时(uo =+UOM) ：+om211+UURRRUT T= =+ += =3、当、当uo负饱和时负饱和时(uo =-UOM) ：-om211+UURRRUT T= =+ +- -= =+uoRR2R1uiU+uoRR2R1uiU+迟滞比较器迟滞比较器uoui0+Uom-UomUT+UT-设设ui , 当当ui = UT+, uo从从+UOM -UOM传输特性传输特性uoui0+Uom-UomUT+UT-UT+上门限电压上门限电压UT-下门限电压下门限

18、电压UT+- UT-称为回差称为回差om211URRR+ += =+UT Tom211URRR+ += -= -UT TtuiUT+UT-tuoUom-Uom例例:设输入为正弦波设输入为正弦波, 画出输出的波形。画出输出的波形。+uoRR2R1uiU+REFZURRRURRRU212211T+=+REFZURRRURRRU212211T+-=-加上参考电压后的迟滞比较器：加上参考电压后的迟滞比较器：上下限：上下限：uoui0UT-UT+传输特性传输特性+UZ-UZ例题：例题：R1=10k ，R2=10k ，UZ=6V， UR=10V。当。当输入输入ui为如图所示的波形时，画为如图所示的波形时，

19、画 出输出出输出uo的波形。的波形。上下限：上下限：V8212211T=+=+RZURRRURRRUV3212211T=+-=-RZURRRURRRU3V8Vuiuo+UZ-UZ三、三、 窗口比较器窗口比较器 1、电路、电路设R1 =R2，则两门限两门限：)2(21)2(=DCC212DCCLVVRRRVVV-=+- 2、传输特性、传输特性DLH2=VVV+1.电路结构电路结构由滞回比较电路和由滞回比较电路和RC定时电路构成的定时电路构成的omURRRU211T+=+omURRRU211T+-=-上下限上下限:+RR1R2Cucuo9.4.2 方波发生器方波发生器2.工作原理：工作原理：(1)

20、 设设 uo = + UOM , 此时，输出给此时，输出给C 充电充电, uc 则：则：u+=UT+RR1R2C+ucuo0tuoUOM-UOMucUT+0t一旦一旦 uc UT+ , 就有就有 u- u+ ,在在 uc UT+ 时，时，u- u+ , uo 立即由立即由UOM 变成变成UOM , 设设uC初始值初始值uC(0+)= 0方波发生器方波发生器uo保持保持+UOM不变不变UOM此时，此时，C 经输出端放电经输出端放电, ,再反向充电再反向充电(2) 当当uo = -UOM 时，时，u+=UT-uc达到达到UT-时，时，uo上翻上翻+RR1R2C+ucuoUT+uctUT-当当uo

21、重新回到重新回到UOM 以后，电路又进入另一个以后，电路又进入另一个周期性的变化。周期性的变化。-UOM动画演示动画演示0UT+uctUT-UOMuo0t- UOMT周期与频率的计算：周期与频率的计算：+RR1R2C+ucuo)21ln(221RRRCT+=f = 1/T此期间是分析问题时的假设此期间是分析问题时的假设,实际上用实际上用示波器观察波形时看不到这段波形示波器观察波形时看不到这段波形.周期与频率的计算：周期与频率的计算：+RR1R2C+ucuo0UT+uctUT-+UOM-UOMT1T2TT= T1 + T2 =2 T2， 因正反向充电条件一样因正反向充电条件一样T1 = T2。

22、uc(t)=UC ( )+ UC (0+) -UC ( ) e , =RC-t T2阶段阶段uc(t)的过渡过程方程为的过渡过程方程为:0UT+uctUT-+UOM-UOMT1T2Tuc(t)=UC ( )+ UC (0+) -UC ( ) e , =RC-t UC (0+)=omURRRU211T+-=-UC ( )=+UOMom211HURRRU+ += =+ +t=T2时时,uc(t =T2)=周期与频率的计算：周期与频率的计算：)21ln(21RRRCT2+=)21ln(221RRRCT+=iRRR-+vOiC图 5.8.4NvIC+-vOvIVREFvODZ1DZ2R1R2R3R4v

23、NvPvO1vP1vIA1A2R3R4R2R1R5VZ8.4.3 三角波发生器与锯齿波发生器三角波发生器与锯齿波发生器组成：组成：施密特触发器，积分器施密特触发器，积分器1 三角波发生器三角波发生器ZOVRRRvRRR211212+ + + += =12112121OIPvRRRvRRRv+ + + += =01= =NvZOVv = =1OIvv = =vN1=vP1时时vI(即即vO)的阈值的阈值-VZVZt0vO1T / 2T / 2t2t3t1t0vOVth1Vth2ZthVRRV211= =ZOVv- -= =1ZthVRRV212- -= =ZOVv+ += =1幅度：幅度：VO1

24、m= 2VZ2412322RCRRttT= =- -= =CRVCiZ4= =constRViZ= = =42414RCRRT = =T与与VZ和运放无关，稳定性好！和运放无关，稳定性好！t2t3t1t0vOVth1Vth2iRRR-+vOiC图 5.8.4NvIC+-vOvIVREFvODZ1DZ2R1R2R3R4vNvPvO1vP1vIA1A2R3R4R2R1R5VZ-VZVZt0vO1T / 2T / 2 周期：周期：t1 t3 恒流充电：恒流充电： 充电速度：充电速度：vO1：方波方波vO：三角波三角波ZththoppVRRVVV21212= =- -= =iRRR-+vOiC图 5.8.4NvIC+-vOvIVREFvODZ1DZ2R1R2R3R4vNvPvO1vP1vIA1A2R3R4R2R1R5VZ2 锯齿波发生器锯齿波发生器T1：波形线性变化：波形线性变化T2：时间短：时间短原理：原理：利用三角波发生器原理，利用三角波发生器原理，使充、放电时间常数不同。使充、放电时间常数不同。可通过改变充放电通路及可通过改变充放电通路及参数来实现。参数来实现。t0vO1t2t3t1t0vOVth1Vth2-VZVZT1T