第八章波形产生与变换电路

1、(8-1)8.1 正弦波振荡电路8.2 电压比较器8.3 非正弦波发生电路8.4 利用集成电路实现的信号转换电路(8-2) 正弦波振荡电路能产生正弦波输出，它是在放大电路的基础上加上正反馈正反馈而形成的，它是各类波形发生器和信号源的核心电路。正弦波发生电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振荡器。 8.1.1 产生正弦波的条件 8.1.2 RC正弦波振荡电路 8.1.3 LC正弦波振荡电路 8.1.4 石英晶体正弦振荡电路(8-3)8.1.1 产生正弦波的条件一、 正弦波发生电路的组成 二、 产生正弦波的条件 三、 起振条件和稳幅原理(8-4)一、正弦波发生电路的组成 为了产生正弦波，必须在放大电路

2、里加入正反馈，因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分。但是，这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波，这是由于很难控制正反馈的量。 如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。 反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能停振，为此振荡电路要有一个稳幅电路。(8-5) 为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络，选频网络往往和正反馈网络或放大电路合二为一。选频网络由R、C和L、C等电抗性元件组成。正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。正弦波发生电路的组成正弦波发生电路的组成 ： 1 1、放大电路放大电路 2 2、正反馈网络正反馈网络 3 3、选频

3、网络选频网络 4 4、稳幅电路稳幅电路(8-6)二、 产生正弦波的条件 产生正弦波的条件与负反馈放大电路产生自激的条件十分类似。只不过负反馈放大电路中是由于信号频率达到了通频带的两端，产生了足够的附加相移，从而使负反馈变成了正反馈。在振荡电路中加的就是正反馈，振荡建立后只是一种频率的信号，无所谓附加相移。(8-7)FAAA1f 振荡条件 幅值平衡条件 相位平衡条件 1FA1FAAF = A+ F= 2n(a) 负反馈放大电路 (b) 正反馈振荡电路 比较图 (a) 和 (b)就可以明显地看出负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区别了。由于振荡电路的输入信号 ，所以 。由于正、负号的改变0iXfiX

4、X(8-8)1|FA 振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈强一些，即要求 这称为起振条件。三、 起振条件和稳幅原理1.|.|FA 既然 ，起振后就要产生增幅振荡，需要靠三极管放大信号运用时的非线性特性去限制幅度的增加，这就要靠选频网络的作用，选出失真波形的基波分量作为输出信号，以获得正弦波输出。(8-9) 也可以在反馈网络中加入非线性稳幅也可以在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益，从而达环节，用以调节放大电路的增益，从而达到稳幅的目的。这在下面具体的振荡电路到稳幅的目的。这在下面具体的振荡电路中加以介绍。中加以介绍。(8-10)四、判断电路是否可能产生正弦四、

5、判断电路是否可能产生正弦波波振荡的方法和步骤振荡的方法和步骤n1、观察电路是否包含放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节四个组成部分。 n2、判断放大电路是否能够正常工作，即是否有合适的静态工作点且动态信号是否能够输入、输出和放大。 n3、利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振动的相位条件。 n4、判断电路是否满足正弦波振动的幅值条件，即是否满足起振条件。图8.1.3 利用瞬时极性法判断相位条件返回(8-11)8.1.2 RC正弦波振荡电路一、 RC串并联选频网络 二、 RC文氏桥振荡器图11.03 RC文氏桥振荡电路(8-12)RC串并联选频网络在正弦波振荡电路中既为选频网络，又是正反馈网

6、络。n定性分析：图8.1.4 RC串并联选频网络及其在低频段和高频段的等效电路低频段等效电路及向量图高频段等效电路及向量图(8-13)一、 RC串并联选频网络的频率响应 RC串并联网络的电路如图所示。RC串联臂的阻抗用Z1表示，RC并联臂的阻抗用Z2表示。其频率响应如下:)j/1 (111CRZ222222j1 )j/1/(CRRCRZ图RC串并联网络(8-14)1)122C1RCR1j()1 (2121CRCRR/j+)Cj/1 (2122221112RCCRCRRR)j1()Cj/1 (222112RCRRR谐振频率为: f0=)j1/(+)Cj/1 ()j1/(22211222212CR

7、RRCRRZZZFRC21)1(31RCRCjRC10令(8-15)幅频特性:相频特性:F 当 f=f0 时的反馈系数 ,且与频率f0的大小无关。此时的相角 F=0。即改变频率不会影响反馈系数和相角，在调节谐振频率的过程中，不会停振，也不会使输出幅度改变。有关曲线见图11.02(b)。 31F20022122121221)(31)1()1 (1CRCRCCRR3arctg11arctg0012211221FCCRRCRCR31F(8-16)图RC串并联网络的频率特性曲线(8-17)二、 RC文氏桥振荡电路 (1) RC文氏桥振荡电路的构成文氏桥振荡电路的构成 RC文氏桥振荡电路如图所示，文氏桥

8、振荡电路如图所示，RC 串并联串并联网络是正反馈网络，另外还增加了网络是正反馈网络，另外还增加了R3和和R4负反负反馈网络。馈网络。 C1、R1和C2、R2正反馈支路与R3、R4负反馈支路正好构成一个桥路，称为文氏桥。图 RC文氏桥振荡电路31F(8-18)当C1 =C2、R1 =R2时: 为满足振荡的幅度条件 =1，所以Af3。加入R3、R4支路，构成串联电压负反馈。FA31ofVVFF=0RCff2103143fRRA432RR (8-19)图8.1.7 RC桥式正弦波振荡电路(8-20) (2) RC文氏桥振荡电路的稳幅过程 RC文氏桥振荡 电路的稳幅作用是 靠热敏电阻R4实现 的。R4

9、是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，R4上所加的电压升高，即温度升高，R4的阻值增加，负反馈增强，输出幅度下降。反之输出幅度增加。若热敏电阻是负温度系数，应放置在R3的位置。(8-21)图8.1.8 利用二极管作为非线性环节(8-22)（3）振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路n电路 图8.1.9 振荡频率连续可调的RC串并联选频网络粗调细调优点：优点： 振荡频率稳振荡频率稳定，带负载能定，带负载能力强，输出电力强，输出电压失真小。压失真小。缺点：用于振缺点：用于振荡频率小于荡频率小于1MHZ的场合的场合(8-23)8.1.3 LC正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路的构成与RC正弦波振荡电路

10、相似，包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。这里的选频网络是由LC并联谐振电路构成，正反馈网络因不同类型的LC正弦波振荡电路而有所不同。 一、LC并联谐振电路的频率响应 二、变压器反馈LC振荡器 三、电感三点式LC振荡器(8-24)一、一、LC并联谐振电路的频率响应并联谐振电路的频率响应 LC并联谐振电路如图所示。显然输出电压是频率的函数： )()(ioVfV 输入信号频率过高，电容的旁路作用加强，输出减小；反之频率太低，电感将短路输出。并联谐振曲线如图11.05（b）所示。 （a）LC并联谐振电路图LC并联谐振电路与并联谐振曲线 （b）并联谐振曲线(8-25)谐振时 谐振频率010

11、0CLLCf210 谐振时电感支路电流或电容支路电流与总电流之比，称为并联谐振电路的品质因数CRRLIIIIQ00CL/1/ 考虑电感支路的损耗，用R表示，如图11.06所示。 图11.06 有损耗的谐振电路(8-26) 对于图11.05(b)的谐振曲线，Q值大的曲线较陡较窄，图中Q1Q2。并联谐振电路的谐振阻抗CLQCQLQRCLZ000谐振时LC并联谐振电路相当一个电阻。图8.1.11 LC并联网络电抗的频率特性(8-27)图8.1.12 选频放大电路(8-28)二、变压器反馈二、变压器反馈LC振荡电路振荡电路图11.07变压器反馈LC振荡电路变压器反馈LC振荡电路如图11.07所示。 L

12、C并联谐振电路作为三极管的负载，反馈线圈L2与电感线圈相耦合,将反馈信号送入三极管的输入回路。交换反馈线圈的两个线头，可使反馈极性发生变化。调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度，以使正反馈的幅度条件得以满足。(8-29) 有关同名端的极性 请参阅图11.08。 图11.08 同名端的极性 变压器反馈LC振荡 电路的振荡频率与并联LC谐振电路相同，为LCf210(8-30)三、电感三点式LC振荡器 图11.09 为电感三点式LC振荡电路。电感线圈L1和L2是一个线圈，2点是中间抽头。如果设某个瞬间集电极电流减小，线圈上的瞬时极性如图所示。反馈到发射极的极性对地为正，图中三极管是共基极接法，所

13、以使发射结的净输入减小，集电极电流减小，符合正反馈的相位条件。 图11.09 电感三点式LC振荡器（CB） 图11.10电感三点式LC振荡器（CE）图11.10 为另一种电感三点式LC振荡电路。 (8-31) 分析三点式LC振荡电路常用如下方法，将谐振回路的阻抗折算到三极管的各个电极之间，有Zbe、Zce、Zcb ,如图11.11所示。 图11.11 三点式振荡器 对于图11.09 Zbe是L2、 Zce是L1、 Zcb是C。可以证明若满足相位平衡条件， Zbe和Zce必须同性质，即同为电容或同为电感，且与Zcb性质相反。(8-32)CLf021 电感三点式LC振荡 电路的振荡频率为MLLL2

14、21 (8-33)四、电容三点式LC振荡电路 与电感三点式LC振荡电路类似的有电容三点式LC振荡电路，见图11.12。（a）CB组态 （b）CE组态 图11.12 电容三点式LC振荡电路P 403(8-34)021LCf 电容三点式LC振荡 电路的振荡频率为2121CCCCC (8-35)图8.1.23 采用共基放大电路的 电容反馈式振荡电路(8-36)例 8.1.2n电路如图所示:图8.1.24 例8.1.2 电路图 (8-37)例8.1.3n电路如图所示:图8.1.25 例8.1.3 电路图图8.1.26 例8.1.25 所示电路的改正电路(8-38)例11.1：图11.13为一个三点式振

15、荡电路 试判断是否满足相位平衡条件。 (a) (b) 图11.13 例题11.1的电路图(8-39)8.1.4石英晶体LC振荡电路n一、石英晶体的特点 n1、压电效应和压电振荡图8.1.27 石英晶体谐振器的 结构示意图及符号(8-40)2、石英晶体的等效电路和振荡频率n如图所示：图8.1.28 石英晶体的等效电路 及其频率特性(8-41)二、石英晶体LC振荡电路图 石英晶体的电抗曲线(8-42)图8.1.30 串联型石英晶体振荡电路(8-43)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8.2.5 集成电压比较器(8-44)8.2.1

16、概述一、固定幅度比较器一、固定幅度比较器 二、滞回比较器二、滞回比较器 三、窗口比较器三、窗口比较器 四、比较器的应用四、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。(8-45)一、电压比较器的电压传输特性n为了正确画出电压传输特性，必须求出以下三个要素：1输出电压高电平和低电平的数值UOH 和 UOL2阈值电压数值 UT3当UI变化且经过UT时，uo的跃变的方向，即从UOH 跃变为 UOL，还是从UOL 跃变为 UOH)(ioufu U

17、i是模拟信号 ， uo有两种状态 UOH 和 UOL，阈值（转折）电压数值 UT(8-46)二、集成运放的非线性工作区n在电压比较器电路中，集成运放不是处于开环状态（即没有引入反馈），就是只引入了正反馈，如图所示：图8.2.1 集成运放工作在非线性区的 电路特点及其电压传输特性(8-47)三、电压比较器的种类n1、单限比较器 n2、滞回比较器 n3、窗口比较器图8.2.2 电压比较器电压传输特性举例(8-48)n（1）电路 一、 过零比较器 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14.01所示。8.2.2单限比较器单限比较器图8.2.3 过零比较器及其电压传输特性(8

18、-49)图8.2.4 电压比较器输入级的保护电路(8-50) 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V VREFREF 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14.02所示。 图14.02 固定电压比较器(a)电路图(b)传输特性曲线(8-51)(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。图8.2.6 将稳压管接在反馈通路中(8-52)二、一般单限比较器二、一般单限比较器REFINuRRRuRRRu212211NREFTPNuRRuuu12

19、阈值电压令(8-53)例8.2.1n电路:图8.2.8 例8.2.1 波形图(8-54)8.2.3 滞回比较器n单限比较器的缺点：输入电压在阈值电压附近任单限比较器的缺点：输入电压在阈值电压附近任何微小变化，都将引起输出电压的跃变。抗干扰何微小变化，都将引起输出电压的跃变。抗干扰能力差。能力差。n滞回比较器具有滞回特性滞回比较器具有滞回特性, ,即具有惯性即具有惯性, ,因而也具因而也具有一定的抗干扰能力有一定的抗干扰能力. .从反相输入端输入的滞回从反相输入端输入的滞回比较器电路如图所示比较器电路如图所示. .电路中引入了正反馈电路中引入了正反馈. .(8-55)正反馈ZUouINuu 反相

20、输入端ZPuRRRu211同相输入端NuuP令ZuRRR211TU阈值电压ZoNTUuuuuuPI，时，ZoTUuuuI时，ZoNTUuuuuuPI，时，ZoTUuuuI时，(8-56)REFZPuRRRuRRRu212211ZREFTuRRRuRRRu2112121NPuu ZREFTuRRRuRRRu2112122(8-57)例8.2.2n电路:图8.2.11 例8.2.2 波形图(8-58)例 8.2.3n电路:图8.2.12 例8.2.3 图(8-59)二、另一种二、另一种 滞回比较器滞回比较器om21221REF1TVRRRRRVRVom21221REF1TVRRRRRVRV 从输出

21、引一个电阻分压支路到同相输入端，电路如图14.03(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14.03(a)滞回比较 器电路图二、另一种二、另一种 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14.03(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，

22、 ， 此时触发电平变为 ， 称为下限阈值(触发)电平。TIVv omOVv TV TV图14.03(a)滞回比较 器电路图(8-60) 当 逐渐减小，且 以前， 始终等于 ，因此出现如图14.03(b)所示的滞回特性曲线。Iv TIVv OvomV回差电压 ：Vomom212 TTVVRRRVVV图14.03滞回比较电路 的传输特性(8-61)n单限比较器和滞回比较器在输入电压单单限比较器和滞回比较器在输入电压单一方向变换时，输出电压只越变一次，一方向变换时，输出电压只越变一次，因而不能检测出输入电压是否在因而不能检测出输入电压是否在2 2个给定个给定电压之间，窗口比较器具有这个功能。电压之间

23、，窗口比较器具有这个功能。8.2.4 窗口比较器窗口比较器(8-62)图8.2.13 双限比较器及其电压传输特性RLuuRHZO21OM2OOM1ORLRHIU,UU,u1工作在稳压状态，截止导通，；。必然大于、uDDDuuuuZZO12OM2OOM1ORHRLIU,UU,u2工作在稳压状态，截止导通，；。必然小于、uDDDuuuuZ0,UU,u3O12OM2OOM1ORHRHIRL稳压管截至，截止；。必然小于、uDDuuuuu(8-63)8.2.4 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，则有：DLHDCC212D

24、CCL2=)2(21)2(=VVVVVRRRVVV 图14.04 窗口比较器 窗口比较器的电压传 输特性如下页 图 14.05所示。(8-64) 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14.05 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

25、阈值，传输特性曲线呈窗口状， 故称为窗口比较器。(8-65)四、比较器的应用四、比较器的应用 比较器主要用来对输入波形进行整形，可以将不规则的输入波形整形为方波输出,其原理图如图14.06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14.06 用比较器实现波形变换(8-66)通过以上三种电压比较器的分析,可得出如下结论:n(1) 在电压比较器中,集成电路多工作在非线性区,输出电压只有高电平和低电平两种可能的情况. (2)一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系. (3)电压传输特性的三个要素是输出电压的高、低电平，阈值电压和输出电压的跃变方向。输出电压的高、

26、低电平决定于限幅电路。(8-67)(8-68)(8-69)(8-70)(8-71)(8-72)(8-73)(8-74)(8-75)(8-76)(8-77)8.3.1 方波发生电路8.3.2 三角波发生电路8.3.3 锯齿波发生电路8.3.4 波形变换电路8.3.5 函数发生器 8. 3非正弦波发生电路图8.3.1 几种常见的非正弦波(8-78) 8.3.1 方波发生电路方波发生电路 方波发生电路是由滞回比较 电路和RC定时电路构成的， 电路如图14.07所示。(1)工作原理电源刚接通时, 设21Z2PZOC, 0RRVRVVvv所以 电容C充电， 升高。参阅图14.08。Cv图14.07 方波

27、发生器图8.3.3 电压传输特性(8-79) 当 时， ，所以 电容C放电， 下降。PNCVVvZOVv21Z2PRRVRVCv 当 ， 时，返回初态。PNCVVvZOVv 方波周期用过渡过程公式可以方便地求出 )21ln(212fRRCRT 图14.08 方波发生器波形图(8-80)(2)占空比可调的矩形波电路 显然为了改变输出方波的占空比，应改变电容器C的充电和放电时 间常数。占空比可调 的矩形波电路见图14.09。 C充电时，充电电流经电位器的上半部、二极管D1、Rf； C放电时，放电电流经Rf、二极管D2、电位器的下半部。 图14.09 占空比可调方波发生电路 (8-81)8.3.2 三角波发生器 三角波发生器的电路如图14.10所示。它是由滞回比较器和积分器闭环组合而成的。积分器的输出反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的 。REFV1.