第8波形的发生和信号的转换

1、第8章 波形的发生和信号的转换8.1 正弦波振荡电路 8.2 电压比较器8.1 正弦波振荡电路8.1.1 概述8.1.2 RC正弦波振荡电路8.1.3 LC正弦波振荡电路 8.1 正弦波振荡电路 8.1.1 概述问题的提出1、正弦波的作用（测试信号与控制输入）？2、如何产生（自激振荡）？3、自激振荡的条件？4、正弦振荡电路有哪些类型？工作原理如何？5、分析方法（振荡频率的计算）？ 8.1 正弦波振荡电路 8.1.1 概述基础知识：周期振荡信号的应用正弦波：发射/接收电路中调制/解调、摆动扫描控制、放大电路测试（Au）、滤波器性能测试（频率扫描）三角波：扫描控制（电视行扫，场扫描）方 波：开关控

2、制（电子开关/PWM）其它波形：本质：周期振荡信号（f/T） 相互联系/转换 8.1 正弦波振荡电路 8.1.1 概述正弦波振荡电路： 在没有外加输入信号的情况下，依靠电路的自激振荡就能产生稳定输出、有一定幅度和频率正弦波的电路。 只有正反馈电路才能产生自激振荡。特点： 信号频率单一的周期信号。电路： 正反馈。 8.1 正弦波振荡电路 8.1.1 概述回顾：负反馈放大电路框图：1fAAFA 1|FA 反馈深度： 反映了反馈程度的强弱11f|A| AAF| 11f|A| AAF| 负反馈无反馈111|FF| A|A 深度负反馈 8.1 正弦波振荡电路 8.1.1 概述回顾：负反馈放大电路框图：1

3、fAAFA 1|FA 反馈深度： 反映了反馈程度的强弱11f|A| AAF| 正反馈01f|AF |A | 电路中没有输入信号时，也会有输出信号，电路产生了自激振荡1FA 自激振荡平衡条件：dfXX 8.1 正弦波振荡电路 8.1.1 概述根据正反馈放大器方框图，可以得到：FA1AAfAF1, dffiX0XAX， 在此条件下，放大器无需输入即可得到输出。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。如果电路中只可能有一个频率满足此条件，则电路只会在此频率下形成“自激”，即形成正弦波振荡一、产生正弦波振荡的条件振荡条件：FfoXXAAFodoXXX 8.1 正弦波振荡电路

4、 8.1.1 概述1FA1FA|(AF2n n0,1,2,)为整数,如:对正弦稳态电路来说，有（正弦波振荡的平衡条件）即 幅度条件:环路增益等于1 相位条件:环路相移为2nfdAF1 XX| 一、产生正弦波振荡的条件电路的起振条件： 8.1 正弦波振荡电路 8.1.1 概述dfX X1FA |等幅振荡dfX X1FA |增幅振荡dfX X1FA |减幅振荡一、产生正弦波振荡的条件 8.1 正弦波振荡电路 8.1.1 概述 关于初始扰动问题 没有初始扰动按说振荡器是不可能起振的。但是，初始扰动并不需要人为给定，而自然会产生 下面各种因素都会导致初始扰动的发生：通电时的电流冲击、电路中器件的噪声、

5、外界电磁波的干扰等。 初始扰动的波形是任意的、随机的，但是，其波形中往往含有及其广泛的频谱分量，其中就含有振荡频率的分量，这个频率分量会导致振荡器起振过程中的增幅振荡，而其它的频率分量则会被反馈网络中或放大环节中的滤波器滤除 对于初始扰动，无论其幅度多么微弱，只要存在，就一定能使振荡器起振一、产生正弦波振荡的条件 8.1 正弦波振荡电路 8.1.1 概述dfX X1FA |1FA |1FA |起振过程起振后要稳幅一、产生正弦波振荡的条件利用放大器自身的非线性进行稳幅外加稳幅电路 8.1 正弦波振荡电路 8.1.1 概述 当振荡幅度不断增大时，放大器的限幅作用开始体现，此时放大器的输出幅度将不再

6、随着输入信号幅度的增大而增大，而是维持一定的幅度不变，则放大器的增益开始下降，从而使得振荡器 AF1 AF1| | 当振荡器依靠放大器自身的非线性从起振状态（AF1）过渡到平衡状态（AF=1）稳幅，必然带来输出正弦波的失真。1FA |1FA |一、产生正弦波振荡的条件 8.1 正弦波振荡电路 8.1.1 概述外稳幅 当起振过程中输出幅度逐渐增大时，设法使得放大器的增益随着输出幅度的增大而降低，但是又不进入非线性区域，采用下面的外稳幅措施外稳幅的优点是输出波形的非线性失真小一、产生正弦波振荡的条件 8.1 正弦波振荡电路 8.1.1 概述放大电路：合理的Q点，足够的增益反馈网络：正反馈选频网络：

7、只有一个频率满足振荡条件稳幅环节：幅值稳定，波形良好v 实用电路中常将选频网络与正反馈网络合二为一v 分立元件放大电路一般依靠BJT的非线性稳幅(自稳幅)（不外加稳幅环节）二、正弦波振荡电路的组成及分类正弦振荡电路的组成 8.1 正弦波振荡电路 8.1.1 概述正弦振荡电路的分类 分类方法：按选频网络所用的元件RC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路二、正弦波振荡电路的组成及分类 8.1 正弦波振荡电路 8.1.1 概述（1）电路是否包含放大、选频、正反馈和稳幅四个组成部分。（2）判断放大电路是否正常工作（静态工作点/动态放大）。（3）是否满足正反馈相位条件瞬时极性法。（断开

8、反馈，给放大电路加输入电压Ui并给定瞬时极性；据此判断Uo极性、 Uf极性；若Uf与Ui极性相同，则满足相位条件，电路有可能产生正弦波振荡）（4）是否满足起振条件。AF略大于1。（分别求解电路的A和F，然后判断AF） 三、判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤以上条件，缺一不可。 8.1 正弦波振荡电路 8.1.2 RC正弦波振荡电路一、RC串并联选频网络频率特性RC串并联选频网络：由电阻R1与电容C1串联、电阻R2与电容C2并联组成。通常R1 = R2 = R， C1 = C2 = C既为选频网络又为正反馈网络 8.1 正弦波振荡电路 8.1.2 RC正弦波振荡电路（一）定性分析 1、当

9、信号的频率很低时R111CR221C一、RC串并联选频网络频率特性其低频等效电路RC高通电路 8.1 正弦波振荡电路 8.1.2 RC正弦波振荡电路（一）定性分析 1、当信号的频率很低时其频率特性为：一、RC串并联选频网络频率特性当=0时，uf =0，F=0 =+90F当时，uf ，F F0 |F|0 F90Uf超前Uo 8.1 正弦波振荡电路 8.1.2 RC正弦波振荡电路（一）定性分析 2、当信号的频率很高时R111C3，易起振，当uo幅度自激增长时，电流增加，温度升高，Rt减小，A 减小 当uo幅度达某一值时，A3，当uo进一步增大时，Rt再减小，使A1，只需要利用变压器的互感线圈，满足

10、相位条件，就一定能够起振。 8.1 正弦波振荡电路 8.1.3 LC正弦波振荡电路1234初级线圈次级线圈 同名端 在LC振荡器中，反馈信号通过互感线圈引出同名端互感线圈的极性判别LCifuRL+ +- -uO+ +- -L21123456二、变压器反馈式LC振荡电路 8.1 正弦波振荡电路 8.1.3 LC正弦波振荡电路判断是否是满足相位条件 相位平衡法 1、判断电路组态，找到反馈信号 2、断开反馈到放大器的输入端点 3、假设在输入端加入一频率为f0 正极性的信号 4、用瞬时极性法判定反馈信号的极性 若反馈信号与输入信号同相，则满足相位条件；否则不满足。二、变压器反馈式LC振荡电路 8.1

11、正弦波振荡电路 8.1.3 LC正弦波振荡电路360oAF满足相位条件180oA180oF三极管共射放大器变压器次级反向二、变压器反馈式LC振荡电路 8.1 正弦波振荡电路 8.1.3 LC正弦波振荡电路0oA0oF三极管共基放大器变压器次级不反向0oAF满足相位条件振荡频率:CLf210二、变压器反馈式LC振荡电路L为谐振回路的等效电感，即考虑了其它绕组的影响。 8.1 正弦波振荡电路 8.1.3 LC正弦波振荡电路 共基放大器的输入阻抗很低，因此通过变压器反映到LC谐振电路后对其Q值影响较大，导致振荡器中放大器的增益较低，所以振荡器起振比较困难二、变压器反馈式LC振荡电路 8.1 正弦波振

12、荡电路 8.1.3 LC正弦波振荡电路变压器耦合式LC振荡器 变压器式振荡器一般用于频率不是特别高的场合（例如几兆赫兹到几十兆赫兹），因为频率再高时，变压器将无法将初级功率有效的耦合到次级。 二、变压器反馈式LC振荡电路 8.1 正弦波振荡电路 8.1.3 LC正弦波振荡电路三、电感反馈式LC振荡电路三点式振荡电路三点式谐振电路的构成 将LC选频网络中的L用2个电感代替，或将C用2个电容代替，并选择合适电路结构-三点式+-+并联谐振时，按图中的参考方向，得出电感(电容)的电压方向相同+-+- 8.1 正弦波振荡电路 8.1.3 LC正弦波振荡电路+-+-+并联谐振时，按图中的参考方向，得出电感

13、(电容)的电压方向相同三、电感反馈式LC振荡电路三点式振荡电路三点式谐振电路的构成 8.1 正弦波振荡电路 8.1.3 LC正弦波振荡电路（ +）（ +）（ ）Colpitts Oscillator考毕茨振荡器电感三点式LC振荡电路三、电感反馈式LC振荡电路原边电感的三个端分别接晶体管的三个极。电感三个端点的相位关系：（1）若电感的中间抽头交流接地，则首端与尾端的相位相反。（2）若电感的首端或尾端交流接地，其它两个端点的相位相同。 8.1 正弦波振荡电路 8.1.3 LC正弦波振荡电路振荡频率：CMLLLCf)2(2121210 （ +）（ +）（ ）VRccCbcRb1Rb2eLe2CRC1

14、L电感三点式LC振荡电路三、电感反馈式LC振荡电路M绕组L1和L2之间的互感 8.1 正弦波振荡电路 8.1.3 LC正弦波振荡电路（ +）（ +）（ +）VCbRLb2b1ccL1eR2CeCR电感三点式LC振荡电路三、电感反馈式LC振荡电路 8.1 正弦波振荡电路 8.1.3 LC正弦波振荡电路（ +）（ +）（ ）电容三点式LC振荡电路V2eRRRb1CCcceb2c1RbCCLHartley Oscillator哈特莱振荡器四、电容反馈式LC振荡电路 8.1 正弦波振荡电路 8.1.3 LC正弦波振荡电路212102121CCCCLLCf （ +）（ +）（ +）电容三点式LC振荡电路

15、反馈电压Uf 取自C2四、电容反馈式LC振荡电路8.2 电压比较器8.2.1 概述8.2.2 单限比较器8.2.3 滞回比较器8.2.4 窗口比较器 8.2 电压比较器 8.2.1 概述电压比较对两个（多个）模拟信号进行比较，并输出高/低两种电压作为比较结果（二值化）。相当于集成运放工作在非线性区。 电压比较器将输入信号与预设的电平进行比较，而用输出端的高电平或低电平来表示比较结果，它一般用于波形变换或者输入电平识别。比较与放大电路的区别和联系 电压比较：实现信号的二值化（非线性）运算放大：实现信号的比例关系（线性：叠加原理） 8.2 电压比较器 8.2.1 概述电压传输特性电压比较器的输出电

16、压uO与输入电压uI的函数关系， uO =f(uI) 一、电压比较器的电压传输特性电压比较器电压比较器的三要素：（1）输出电压（UOH和UOL）（2）阈值电压UT (UThreshHold)（3）阈值点输出变化方向（ UOH UOL，还是UOL UOH ）比较器输出电平发生跳变时的输入电压 8.2 电压比较器 8.2.1 概述通常，在电压比较器电路中，集成运放处于开环状态（即没有引入反馈）或只引入了正反馈。 二、集成运放的非线性工作区开环状态正反馈电压比较器（非线性）特点：1、开环或正反馈2、 uO = UOM (uPuN)， uO = -UOM (uP 0时, uO = +UOM , uO=

17、+UZ当ui 0 时 , uo = -UZ当ui Uref 时,uo = +UZ当ui Uref 时,uo = -UZ当ui UT 时, uo = -UZ当ui 0，则电压传输特性如右图： 8.2 电压比较器 8.2. 2 单限比较器a、高频脉冲的边缘不够陡峭 输出电压受运放转换时间的限制单限比较器应用中存在的问题u uo ot t0 0输出波形边缘不陡峭 8.2 电压比较器 8.2. 2 单限比较器b、抗干扰能力差 若ui在参考电压附近有噪声或干扰，则输出波形将产生错误的跳变，如果对uo波形去计数，计数值必然会多出许多，从而造成极大的误差。uit0 0uot0 0单限比较器应用中存在的问题

18、8.2 电压比较器 8.2. 3 滞回比较器电路特点:仅引入正反馈运放工作在非线性区电路有两个阈值电压当输入电压向单一方向变化时，输出电压只跃变一次。输入电压uI逐渐从小变大过程中使输出电压uO产生跃变的阈值电压UT1，不等于从大变小过程中使输出电压uO产生跃变的阈值电压UT2 。电压传输特性 8.2 电压比较器 8.2. 3 滞回比较器工作原理两个门限电压1、当uo =+UZ时，2、当uo =-UZ时，121212PTHZrefRRuUUURRRR12T1212PLZrefRRuUUURRRR UTH称上门限电压UTL称下门限电压UTH - UTL称为回差电压 8.2 电压比较器 8.2. 3 滞回比较器滞回比较器的电压传输特性：只有ui ，且当ui UTL时， uo从-UZ +UZ设 uo =-UZ ， 则uP= UTL ，且uPUTL设uo =+UZ ，则uP= UTH，且uP uN即ui UTH时， uo从+UZ -UZ 8.2 电压比较器 8.2. 3 滞回比较器例：R1=10k，R2=10k，UZ=6V，Uref =10V，求其电压传输特