第八章 波形发生和信号转换

1、8.1 正弦波振荡电路概述 8.2 RC正弦波振荡电路 8.3 LC正弦波振荡电路8.4 电压比较器第八章 波形发生和信号转换8.1 8.1 正弦波振荡电路概述正弦波振荡电路概述 正弦振荡器正弦振荡器：不需要不需要任何任何输入信号输入信号，就能，就能输出输出稳定的稳定的正弦波信号正弦波信号的电路的电路 正反馈框图正反馈框图fAA1AF fAF1A fdfXi0XAX，（只有正反馈电路才能完成）只有正反馈电路才能完成） 如果如果电路中只可能电路中只可能有一个频率有一个频率满足此条件，则电路只会满足此条件，则电路只会在此频在此频率下形成率下形成“自激自激”，即形成，即形成正弦波振荡正弦波振荡8.1

2、 8.1 正弦波振荡电路概述正弦波振荡电路概述 放大器无需输入，反馈量充当输入量放大器无需输入，反馈量充当输入量 关于初始扰动问题关于初始扰动问题 初始扰动：不需人为给定，初始扰动：不需人为给定，电路通电时的电流冲击电路通电时的电流冲击、电路中器电路中器件的噪声、件的噪声、外界电磁波的干扰等。初始扰动的信号是任意的、随机外界电磁波的干扰等。初始扰动的信号是任意的、随机的，具有广泛的频谱分量。的，具有广泛的频谱分量。dfX X1FA |等幅振荡等幅振荡增幅振荡增幅振荡fdAF1 XX|fdAF1 XX| 减幅振荡减幅振荡8.1 8.1 正弦波振荡电路概述正弦波振荡电路概述 AF1 AF1| |

3、8.1 8.1 正弦波振荡电路概述正弦波振荡电路概述1FA |1FA |选频网络选频网络：只有一个频率满足振荡条件只有一个频率满足振荡条件放大电路放大电路：合理的合理的Q点，足够的增益点，足够的增益反馈网络反馈网络：正反馈正反馈稳幅环节稳幅环节：幅值稳定，波形良好幅值稳定，波形良好正弦振荡电路的组成正弦振荡电路的组成nAF F1 +A= 2| nAF F1 +A= 2| 8.2 8.2 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路一、一、RCRC串并联选频网络频率特性串并联选频网络频率特性当信号的频率很低时当信号的频率很低时当信号的频率很高时当信号的频率很高时1221,11RCRC1221,11RCR

4、C8.2 8.2 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路定性分析定性分析 1 1、当信号的频率很低时、当信号的频率很低时相频特性相频特性2211RjFRC,FFou0 |F|0 0 F2/幅频特性幅频特性0200,FFou，8.2 8.2 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路2 2、当信号的频率很高时、当信号的频率很高时00,2FF ou，,FFou定性分析定性分析0 |F|相频特性相频特性幅频特性幅频特性 2 /F021211j CRj CF8.2 8.2 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路幅频特性幅频特性0 |F|0 |F|相频特性相频特性 2 /F00 0 F2/F |F| F/2max

5、F？F？8.2 8.2 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路2. 2. 定量分析定量分析22221111/j1/jjRCFRRCC通常，取通常，取R R1 1R R2 2R R，C C1 1C C2 2C C，则有：则有：113j()FRCRC2112122111(1)j()CRRCCRR C01RCRCf 210 1/3O |F| F/2O8.2 8.2 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路二、文氏桥正弦波振荡电路二、文氏桥正弦波振荡电路 Wien-Bridge OscillatorWien-Bridge OscillatoruRf1RRRCCA+o放大环节：放大环节： 集成运放集成运放构成

6、的同相比例放大构成的同相比例放大选频网络：选频网络： RCRC串并联选频网络串并联选频网络组成结构：组成结构：正反馈环节：正反馈环节： RCRC串并联选频网络，串并联选频网络，连接到运放同相连接到运放同相输入端，充当放大环节的输入输入端，充当放大环节的输入8.2 8.2 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路二、文氏桥正弦波振荡电路二、文氏桥正弦波振荡电路 Wien-Bridge OscillatorWien-Bridge Oscillator11fuRAR 略大于略大于3 3要满足起振条件：要满足起振条件：AF 略大于略大于1-1-增幅振荡增幅振荡uRf1RRRCCA+o减小失真，采用外部稳幅

7、环节减小失真，采用外部稳幅环节1 1、采用热敏电阻、采用热敏电阻2 2、利用二极管非线性、利用二极管非线性RCfo218.2 8.2 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路1 1、热敏电阻、热敏电阻稳幅稳幅 起振时起振时Rf 较大使较大使A A3,3,易起易起振振, ,当当u uo o幅度增加时幅度增加时, ,电流增加电流增加, ,温度升高温度升高, ,Rf 减小减小, ,A A 减小减小 当当u uo o幅度达某一值时幅度达某一值时, ,A A3,3,当当u uo o进一步增大时进一步增大时, ,R Rf f 再减小再减小 , ,使使A A31，只需要，只需要利用变压利用变压器器的的互感线圈互

8、感线圈，满足，满足相位条件相位条件，就一定能够起振。，就一定能够起振。1234初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈 同名端同名端123456变压器反馈式变压器反馈式LCLC振荡电路振荡电路判断是否是满足相位条件判断是否是满足相位条件 相位平衡法相位平衡法1 1、判断、判断电路组态电路组态，找到，找到反馈信号反馈信号2 2、断开反馈断开反馈与放大器的输入端与放大器的输入端3 3、在输入端加一、在输入端加一频率为频率为f0 正极性正极性信号信号4 4、用、用瞬时极性法瞬时极性法判定判定反馈信号极性反馈信号极性反馈信号与输入信号同相，满足相位条件反馈信号与输入信号同相，满足相位条件变压器反馈式变压器反馈

9、式LCLC振荡电路振荡电路CLf210 变压器式振荡器（变压器式振荡器（几几MHz-MHz-几十几十MHzMHz）, ,频率再高变压器自身频率再高变压器自身损耗大，无法将初级功率有效的耦合到次级损耗大，无法将初级功率有效的耦合到次级. .三点式振荡电路三点式振荡电路三点式谐振电路的构成三点式谐振电路的构成 将将LCLC选频网络选频网络中的中的L L用用2 2个电感代替个电感代替, ,或将或将C C用用2 2个电容代个电容代替替, ,并选择并选择合适电路结构合适电路结构-三点式三点式LCiCiLi电感三点式电感三点式电容三点式电容三点式 LC LC并联选频网络并联选频网络注意：并联谐振时，支路电

10、流远远大于总电流注意：并联谐振时，支路电流远远大于总电流 iL与与iC大小相等方向相反大小相等方向相反（ +）（ +）（ ）Colpitts OscillatorColpitts Oscillator考毕茨振荡器考毕茨振荡器电感三点式电感三点式LCLC振荡电路振荡电路（ +）（ +）（ ）Hartley OscillatorHartley Oscillator哈特莱振荡器哈特莱振荡器反馈电压反馈电压Uf 取自取自C2反馈电压反馈电压Uf 取自取自L2CMLLLCf)2(2121210 （ +）（ +）（ ）VRccCbcRb1Rb2eLe2CRC1L电感三点式电感三点式LCLC振荡电路振荡电路

11、（ +）（ +）（ +）VCbRLb2b1ccL1eR2CeCR反馈电压反馈电压Uf 取自取自L2212102121CCCCLLCf （ +）（ +）（ +）电容三点式电容三点式LCLC振荡电路振荡电路反馈电压反馈电压Uf 取自取自C2电压比较器电压比较器 电压比较器是将输入信号与预设的电平进行比较，而电压比较器是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波形变换或者输入电平识别8.3 8.3 电压比较器电压比较器特点：特点：运放运放组成的电路处于组成的电路处于非线性区非线性区

12、种类：种类：单限、滞回和窗口比较器单限、滞回和窗口比较器1. 1. 运放工作在非线性状态：电路开环或引入正反馈运放工作在非线性状态：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析方法2. 2. 运放在非线性区的分析方法：运放在非线性区的分析方法： 若若U UP PU UN N 则则U UO O=+=+U UOMOM 若若U UP PU UN N 则则U UO O=-=-U UOMOM 虚断（运放输入端电流虚断（运放输入端电流=0=0） 注意：此时不能用虚短！注意：此时不能用虚短！( (但是在但是在临界点临界点满足虚短满足虚短) )0uoui+Uom-Uom线性

13、区线性区非线性区非线性区非线性区非线性区upuNo+VccVccuuuo+VccVccUO =Aod (UP UN )一、单门限电压比较器一、单门限电压比较器1 1、过零比较器、过零比较器（与零电平比较）（与零电平比较） 这种电路可做为零电平检测器零电平检测器，也可用于“整形整形”，将不规则的输入波形整形成规则的矩形波 uA+ouiuoui0+UOMUOMuoui0+UOMUOMuA+ouituituo+UomUom利用电压比较器将正弦波变为方波利用电压比较器将正弦波变为方波uA+oui一、单门限电压比较器一、单门限电压比较器uoui0+UZUZ 用稳压管稳定输出电压用稳压管稳定输出电压输出限

14、幅电路输出限幅电路使输出电压为一稳定的确定值使输出电压为一稳定的确定值当当ui 0时时, ,uo = +Uom , uo=+UZ当当ui Uref 时时, ,uo = +UZ当当ui Uref 时时, ,uo = UZ当当ui Uref 时时, ,uo = +UZ一、单门限电压比较器一、单门限电压比较器输入电压与参考电压在同一边输入电压与参考电压在同一边0Ni 121212iefNruRRuRRRRuTiuUPNuu时时: 虚短虚短1212120irefRRRRRRuu 120rTefuURR21TrefRURU 0Pu UTuoui0+UZUZa a、高频脉冲高频脉冲的边缘不够陡峭的边缘不够

15、陡峭 输出电压受运放转换时间的限制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输出波形边缘不陡峭一、单门限电压比较器一、单门限电压比较器b b、抗干扰能力差抗干扰能力差 若若u ui i在在参考电压附近参考电压附近有有噪声或干扰噪声或干扰，则输出波形将产，则输出波形将产生生错误的跳变错误的跳变，如，如果对果对u uo o波形去计数，计数值必然会多出波形去计数，计数值必然会多出许多，从而造成极大的误差许多，从而造成极大的误差uit0 0uot0 0一、单门限电压比较器一、单门限电压比较器特点特点:电路中使用正反馈电路中

16、使用正反馈二二. . 滞回比较器滞回比较器工作原理工作原理两个门限电压两个门限电压1、当、当uo =+UZ时，时，2、当、当uo =UZ时，时，121212PTHZrefRRuUUURRRR12T1212PLZrefRRuUUURRRR UTH称称上门限电压上门限电压UTL称称下门限电压下门限电压UTH - - UTL称为回差称为回差电压电压滞回比较器的电压传输特性：滞回比较器的电压传输特性：uoui0+UZUZUTHUTL设设ui , 当当ui = UTH时时, uo从从+UZ UZ二二. . 滞回比较器滞回比较器例例: :R R1 1=10k=10k , ,R R2 2=10k=10k ,

17、 ,U UZ Z=6V,=6V,U Uref =10V,=10V,求其电压传输特性求其电压传输特性阈值电压阈值电压上下限上下限：12T12128VHZrefRRUUURRRR12T12122VLZrefRRUUURRRR uoui08V2V传输特性传输特性+6V6V二二. . 滞回比较器滞回比较器2V8Vuiuo+6V6Vuoui08V2V传输特性传输特性+6V6V输入输入u ui i为如图所示的波形时为如图所示的波形时, ,画出输出画出输出u uo o的波形的波形 单限比较器和滞回比较器单限比较器和滞回比较器在在输入单向变化输入单向变化时时,输出只跳输出只跳变一次变一次,窗口比较器窗口比较器

18、是一种输入单向变化是一种输入单向变化,输出跳变二次的输出跳变二次的比较器比较器,即有即有二个阈值电压二个阈值电压:URL和和URH应用：测量某个电压是否在一定的范围内应用：测量某个电压是否在一定的范围内三三. . 窗口比较器窗口比较器D1,D2为为普通二极管普通二极管,保证单向导电性保证单向导电性DZ为为稳压二极管稳压二极管,保证输出电平幅度保证输出电平幅度三三. . 窗口比较器窗口比较器URH URL 1、当输入信号、当输入信号Ui URH Uo1 =+=+ Uom , Uo2 =-=-UomD1导通导通,D2截止截止, Uo = UZ2、当输入信号、当输入信号Ui URL Uo1 =-=- Uom , Uo2 =+=+UomD1截止截止,D2导通导通, Uo = UZ3、当、当 URL Ui URH D1截止截止,D2截止截止,Uo = 0Uo1 =-=- Uom , Uo2 =-=-Uom三三. . 窗口比较器窗口比较器URH = 8V, ,URL = 1V ,Uz = 5V 1V8Vuiuo 5V0本章小结本章小结1正弦波振荡的平衡条件：正弦波振荡的平衡条件：AF=1 （