模拟电子线路第8章

1、模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换1第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换2 正弦波发生电路能产生正弦波输出，正弦波发生电路能产生正弦波输出，它是各类波形发生器和信号源的核心电路。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发生电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振荡器正弦波振荡器。8.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发

2、生和信号的转换波形的发生和信号的转换3振荡器振荡器是一种是一种不需外加信号激励不需外加信号激励而能自动而能自动将直流能量变换为周期性交变能量的装置将直流能量变换为周期性交变能量的装置引言引言直流电源提供的能量直流电源提供的能量交变能量交变能量 放大器是一种在输入信号控制下，将直流放大器是一种在输入信号控制下，将直流电源提供的能量转变为按输入信号规律变化的电源提供的能量转变为按输入信号规律变化的交变能量的电路。交变能量的电路。 振荡器是不需要输入信号控制，就能自动振荡器是不需要输入信号控制，就能自动地将直流电源的能量转变为地将直流电源的能量转变为特定频率和幅度特定频率和幅度的的交变能量的电路。交

3、变能量的电路。模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换4 按振荡波形分类按振荡波形分类 正弦波振荡器、非正弦波振荡器正弦波振荡器、非正弦波振荡器 按工作机理分类按工作机理分类 反馈振荡器、负阻振荡器反馈振荡器、负阻振荡器 按选频网络分类按选频网络分类 LCLC振荡器、振荡器、RCRC振荡器、晶体振荡器振荡器、晶体振荡器 压控振荡器、压控晶体振荡器压控振荡器、压控晶体振荡器 集成振荡器、开关电容振荡器集成振荡器、开关电容振荡器 Hz kHz MHz GHz THz 振荡器RC 振荡器LC 晶体振荡器 负阻振荡器微波半导体 振荡器的分类振

4、荡器的分类模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换5一、振荡器的工作原理 产生正弦波的条件与负反馈放大电路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。产生自激的条件十分类似。u 负反馈放大电路：信号频率达到了通负反馈放大电路：信号频率达到了通频带的两端，产生了足够的附加相移，从频带的两端，产生了足够的附加相移，从而使负反馈变成了正反馈。而使负反馈变成了正反馈。u 振荡电路：建立正反馈，振荡建立后振荡电路：建立正反馈，振荡建立后只是一种频率的信号。只是一种频率的信号。模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波

5、形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换6(a) 负反馈放大电路 (b) 正反馈振荡电路 1 振荡平衡条件振荡平衡条件 振荡平衡条件振荡平衡条件 幅度平衡条件幅度平衡条件 相位平衡条件相位平衡条件 fkAAA.f11.fkA1.fkAAF = A+ k= 2n模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换7n起振条件起振条件：首先，要让振荡器自己振起来（自：首先，要让振荡器自己振起来（自激振荡）激振荡）n平衡条件平衡条件：其次，保证振荡器环路中的能量补：其次，保证振荡器环路中的能量补充恰好抵消能量消耗，达到环路平衡充恰好抵消能量消耗，达到

6、环路平衡n稳定条件稳定条件：最后，还要保证振荡器是稳定的，：最后，还要保证振荡器是稳定的，如果外加干扰使得振荡器偏离了环路平衡状态，如果外加干扰使得振荡器偏离了环路平衡状态，振荡器系统应能自动恢复到原来的平衡状态振荡器系统应能自动恢复到原来的平衡状态反馈型正弦波振荡器达到稳定振荡的基本条件反馈型正弦波振荡器达到稳定振荡的基本条件: :模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换8 起始信号：振荡器接通电源瞬间产生起始信号：振荡器接通电源瞬间产生电流突变；电流突变；电电路内存在各种路内存在各种微弱噪声。微弱噪声。 电扰动特点：电扰动特点：很

7、微弱，占据频带很宽很微弱，占据频带很宽 电扰动通过振荡环路电扰动通过振荡环路选频、放大、反馈选频、放大、反馈而形成振荡而形成振荡 A fk jVo jVF jVi n 为了保证输出信号从无到有，幅度不断增长，为了保证输出信号从无到有，幅度不断增长，在振荡建立过程中，反馈电压在振荡建立过程中，反馈电压V VF F和原输入电压和原输入电压V Vi i( (电扰动电扰动) )必须同频同相，并且必须同频同相，并且|V|VF F|V|Vi i| |2 起振条件起振条件模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换9n 反馈振荡器的起振条件反馈振荡器的

8、起振条件2 , 1 , 02)(1)()(000nnkAFAf1)()(00jkjAfn 振幅条件振幅条件 相位条件相位条件 A fk jVo jVF jVi 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换10起振过程中的信号分析起振过程中的信号分析 起振初始，放大器工作于小信号状态起振初始，放大器工作于小信号状态线性工作状态线性工作状态: :晶体管小信号等效电路计算其增益晶体管小信号等效电路计算其增益A A为了获得较高的增益为了获得较高的增益A A，要适当设置晶体管工作点，要适当设置晶体管工作点 振荡建立过程中，环路增益振荡建立过程中，环

9、路增益T T恒大于恒大于1 1，放大器，放大器的输入的输入V Vi i不断增大，放大器从小信号工作状态不断增大，放大器从小信号工作状态进入大信号工作状态进入大信号工作状态 需要稳幅措施需要稳幅措施 A fk jVo jVF jVi 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换11稳幅措施稳幅措施 起振条件为起振条件为T=AF1T=AF1，输出信号幅度的不断增长，输出信号幅度的不断增长，而后必须限制其增长，使其达到平衡，满足平而后必须限制其增长，使其达到平衡，满足平衡条件衡条件T=AF=1T=AF=1 环路中必须有一个非线性器件，其参数随信

10、号的增环路中必须有一个非线性器件，其参数随信号的增大而变化，达到限幅的目的大而变化，达到限幅的目的 fAkT 1T T iV 平衡iV n晶体管本身的非线性，使得晶体管本身的非线性，使得放大器的放大倍数放大器的放大倍数A A随输入信随输入信号的增大而减小号的增大而减小n外加具有自动调节振荡强度外加具有自动调节振荡强度的非线性元件的非线性元件模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换12二、 RC正弦波振荡电路1 RC网络的频率响应2 RC文氏桥振荡器模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生

11、和信号的转换131 RC网络的频率响应 RC串联臂的阻抗用串联臂的阻抗用Z1表示，表示， RC并联臂的阻抗用并联臂的阻抗用Z2表示表示:)j/1 (111CRZ222222j1 )j/1/(CRRCRZRC串并联网络串并联网络二、RC正弦波振荡电路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换141)122C1RCR1j()1 (2121CRCRR/j+)Cj/1 (2122221112RCCRCRRR)j1()Cj/1 (222112RCRRR谐振频率为谐振频率为: f0=212121CCRRRC10当R1 = R2，C1 = C2时，谐

12、振角频率和谐振频率分别为:RCf210)j1/(+)Cj/1 ()j1/(22211222212CRRRCRRZZZof.VVkf模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换15幅频特性:相频特性:F 当 f=f0 时的反馈系数 为 ,且与频率f0的大小无关。此时的相角 k=0。313arctg11arctg0012211221kCCRRCRCR模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换16RC串并联网络的频率特性曲线串并联网络的频率特性曲线模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线

13、 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换172 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 串并联网络是正反馈网络，另外还增加了串并联网络是正反馈网络，另外还增加了R3和和R4负反馈网络。负反馈网络。 C1、R1和和C2、R2正反馈支路与正反馈支路与R3、R4负反馈支路正好负反馈支路正好构成一个桥路，称构成一个桥路，称为为文氏桥文氏桥。RC文氏桥振荡电路文氏桥振荡电路模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换18当C1 =C2、R1 =R2时: 31of.VVkfk=0RCff21

14、0 为满足振荡的幅度条件为满足振荡的幅度条件 =1=1，所以，所以A=A=A Af-f-33。 加入加入R3、R4 4支路，构成串联电压负反馈。支路，构成串联电压负反馈。.fkA3143-fRRA放大放大反馈反馈模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换19 (2) RC文氏桥振荡电路的稳幅过程 RC文氏桥振荡文氏桥振荡 电路的稳幅作电路的稳幅作用是用是 靠热敏电阻靠热敏电阻R4实现的。实现的。R4是是正温度系数热敏电阻，当输出电正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，压升高，R4上所加的电压升高，上所加的电压升高，即温度升高，即温度升高，

15、R4的阻值增加，负的阻值增加，负反馈增强，输出幅度下降。反之反馈增强，输出幅度下降。反之输出幅度增加。若热敏电阻是负输出幅度增加。若热敏电阻是负温度系数，应放置在温度系数，应放置在R3的位置。的位置。模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换20 (a) 稳幅电路 (b) 稳幅原理图 采用反并联二极管的稳幅电路采用反并联二极管的稳幅电路电路的电压增益为4p3pf +1=RRRRAv 式中 Rp是电位器上半部的电阻值，Rp是电位器下半部的电阻值。R3= R3 / RD，RD是并联二极管的等效平均电阻值。 当Vo大时，二极管支路的交流电流较

16、大，RD较小，Avf较小，于是Vo下降。由图(b)可看出二极管工作在C、D点所对应的等效电阻，小于工作在A、B点所对应的等效电阻，所以输出幅度小。 二极管工作在A、B点，电路的增益较大，引起增幅过程。当输出幅度大到一定程度，增益下降，最后达到稳定幅度的目的。模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换21 若运放电路处于若运放电路处于状态或引入状态或引入反馈，反馈，则：则： 运放工作在运放工作在区。区。 输出量为正饱和值或负饱和值输出量为正饱和值或负饱和值, 运放输入端运放输入端不不具有具有特性特性(仍有仍有特性特性)。8.2.1 概述概

17、述模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换22比较器比较器是运算放大器工作在非线性区的一种应用是运算放大器工作在非线性区的一种应用。 它的作用是它的作用是比较输入电压比较输入电压vI和参考电压和参考电压VREF的大小的大小，并根据比较结果输出高电平或低电平。比较器可应用并根据比较结果输出高电平或低电平。比较器可应用于越限报警、模数转换、自动控制和波形变换等场合。于越限报警、模数转换、自动控制和波形变换等场合。模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换23单限比较器单限比较器迟滞

18、比较器迟滞比较器窗口比较器窗口比较器比较器的类型比较器的类型:模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换248.2.2 单门限电压比较器单门限电压比较器) (低电平、负饱和值低电平、负饱和值输出为输出为) (高电平、正饱和值高电平、正饱和值输出为输出为:REFIVv0 REFIIDVvv OLOVv 0 REFIIDVvv :REFIVv OHOVv 0 REFIIDVvv :REFIVv 比较器输出电压比较器输出电压v vo o发发生电平跳变时相应的生电平跳变时相应的输入电压输入电压v vI I值称为值称为或或实际实际理想理想翻转翻转

19、模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换25:REFIVvOLOVv :REFIVv OHOVv REFIVv 翻转翻转模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换26模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换27OvIvRV1R2RpROvIv0RVRR12OMAXVOMINV例：例：翻转：翻转：0vvRIIRVRRvRRRvRRRV122112120模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信

20、号的转换波形的发生和信号的转换28门限电压门限电压的单门限比较器的单门限比较器模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换29例：已知输入信号波形如图，画出输出电压的波形例：已知输入信号波形如图，画出输出电压的波形ivttovOHVOLVoviv0模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换309.6.5构成负反馈，满足虚短构成负反馈，满足虚短V4k10ivOvA模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换318.2.3 滞回比

21、较器滞回比较器模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换32(1) (1) 电路组成电路组成212211RRRRRVRVVOminREFL 下门限电压：下门限电压：212211RRVRRRVRVOmaxREFH 上门限电压：上门限电压：模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换33很大时很大时当当ivZVvo)()(211212RZLVRRRVRRRV Vi逐渐减小，当逐渐减小，当Vi =V+ =VL时，输出时，输出开始跳变，由开始跳变，由-VZ跳变为跳变为VZVi逐渐增大，当逐

22、渐增大，当Vi =V+ =VH时，输出时，输出开始跳变，由开始跳变，由VZ跳变为跳变为- -VZ)()(211212RZHVRRRVRRRV 很小时很小时当当ivZVv o2122 RRVRVVVZLH D D：门限宽度或回差电压为门限宽度或回差电压为模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换34例例：电路以及：电路以及vI的波形如图所示，试画出电路的传输特性的波形如图所示，试画出电路的传输特性以及以及vO的波形。的波形。VV52020)10(20 . . RR(-V )RRRVRV ZREFT-212211 VV520201020 .

23、 . RRVRRRVRVZREFT+212211 . . .很小时很小时当当ivZVv ovi逐渐增大到：逐渐增大到：翻转翻转. . .Z-Vv o很大时很大时当当ivvi逐渐减小到：逐渐减小到：翻转翻转模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换35;10,5,0VvVVvtOTI所以时当;1010,5,1VVvVVvttOTI跳变到从所以时当。跳变到从所以时当VVvVVvttOTI1010,5,2vO的波形的波形:模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换36(1) 电路组成电

24、路组成Vi逐渐减小，当逐渐减小，当V+=V- 时，输出开始跳变时，输出开始跳变: :ZVv o很大时很大时当当iv TVZRiVRRVRRV)()1 (1212由由VZ跳变为跳变为- VZ，跳变瞬间的跳变瞬间的vi为：为：RiZVRRRvRRRV211212 TVZVZV vivO模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换37很小时很小时当当ivZVvo TVZVZV TV)()1 (1212ZRiVRRVRRVVi逐渐增大，当逐渐增大，当V + =V-时输出开始跳变时输出开始跳变RiZVRRRvRRRV211212由由- -VZ跳变为

25、跳变为+VZ，跳变瞬间的跳变瞬间的vi为：为：TV模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换38例例：电路以及：电路以及vI的波形如图所示，试画出的波形如图所示，试画出vO的波形。的波形。 TV)(21ZVRRV2 . 1 TV TVZVZV TVZVRR)(21V2 . 1 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换398.2.4 窗口比较器窗口比较器 窗口比较器的电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成。设R1 =R2，有：DLHDCC212DCCL2=)2(21)2(=V

26、VVVVRRRVVV 窗口比较器窗口比较器 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换40 当vIVH时，vO1为高电平，D3导通；vO2为低电平, D4截止，vO= vO1 = VOm 当vI VL时，vO2为高电平，D4导通；vO1为低电平，D3截止，vO= vO2 = VOm 当VH vI VL时，vO1为低电平，vO2为低电平，D3、D4截止，vO为零。 窗口比较器的传输特性窗口比较器的传输特性 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。模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的

27、转换波形的发生和信号的转换418.3.1 矩形波发生电路矩形波发生电路RC电路，实现电容的充放电电路，实现电容的充放电迟滞比较器迟滞比较器限流电阻限流电阻稳压管起限幅作用稳压管起限幅作用(1) 电路组成电路组成(2) (2) 工作原理工作原理ZOOPCVvvvv 跳变，跳变，时，时，当当Cv 下降。下降。放电，放电，电容，电容CZPZORRVRvVv ，212QZOOVvv 跳变，跳变，PCvv时，时，当当Cv 上升。上升。充电，充电，电容，电容 CZPRRVRv 此时，此时，212ZOPNVvvv ，Cv ，设电源刚接通时，设电源刚接通时，0212RRVRZ 212RRVRZ 模 拟 电 子

28、 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换43)21ln(2)()()0(12RRCRTvevvvfctccc振荡周期模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换44（3 3） 占空比可调的矩形波电路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。 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。 占空比可调方波发生电路占空比可调方波发生电路 模 拟 电 子 线 路模 拟 电 子 线 路第第8章章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换45占空比为：占空比为：%100%1002111TTCRrRf1d w1 其中， 是电位器中点到上端电阻， 是二极管D1的导通电阻。 wR1drCRrRRf2d ww2 其中， 是二极管D2的导通电阻。即改变 的中点位置