第八章--波形的发生和信号的转换

1、8 81 1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 正弦波正弦波振荡电路振荡电路正弦波正弦波直流电源直流电源发生发生: :产生正弦波、矩形波、三角波等产生正弦波、矩形波、三角波等转换转换: :V/I、I/V、V/f 等等测试信号或控制信号等测试信号或控制信号等用于测量、控制、送入计算机等用于测量、控制、送入计算机等8 81 11 1 概述概述一、产生正弦波振荡的条件一、产生正弦波振荡的条件 问题：问题：没有外加输入，怎样产生正弦波？没有外加输入，怎样产生正弦波？正反馈正反馈选频网络选频网络0 -确定振荡频率确定振荡频率-反馈信号取代输入信号反馈信号取代输入信号+ + 输出量输出量via反馈网络产生反馈

2、量作为放大电路的输入反馈网络产生反馈量作为放大电路的输入 反馈量反馈量via放大电路维持着输出量放大电路维持着输出量+ + oXiXA fXA oXFA 正弦波振荡平衡条件：正弦波振荡平衡条件：AAA 设设FFF n21)(FAFAFA则则幅值平衡条件幅值平衡条件相位平衡条件相位平衡条件放大电路本身的相位移放大电路本身的相位移 反馈网络的相位移反馈网络的相位移 n为整数为整数 首要条件首要条件+ +1FA 起振条件：起振条件： oXoXFA 二二. .起振条件和稳幅原理起振条件和稳幅原理起振过程起振过程稳幅过程稳幅过程稳幅过程稳幅过程：起振时，起振时，稳定振荡时，稳定振荡时，稳幅措施稳幅措施：

3、被动：器件非线性被动：器件非线性主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节， 用以用以调节调节放大电路的放大电路的增益。增益。1FA 1FA 三、正弦波振荡的组成及分类三、正弦波振荡的组成及分类(1) 放大电路放大电路 保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，保证电路能够有从起振到动态平衡的过程， 使电路获使电路获 得一定幅值的输出量，得一定幅值的输出量， (2) 选频网络选频网络 确定电路的振荡频率确定电路的振荡频率fo ， 使电路产生单一频率的振荡。使电路产生单一频率的振荡。 实现能量的控制。实现能量的控制。负反馈放大电路负反馈放大电路CRf-+ +RoUAf

4、URCR1(3) (3) 正反馈网络正反馈网络 引入正反馈，用反馈信号取代输入信号，引入正反馈，用反馈信号取代输入信号， 通常选频网络兼正反馈网络。通常选频网络兼正反馈网络。 (4) (4) 稳幅环节稳幅环节 非线性环节，使输出信号幅值稳定。非线性环节，使输出信号幅值稳定。 分类：正弦波振荡电路用选频网络所用元件来命名分类：正弦波振荡电路用选频网络所用元件来命名RC正弦波振荡电路：正弦波振荡电路： 振荡频率较低，振荡频率较低， 1MHZ以下；以下；LC正弦波振荡电路：正弦波振荡电路： 振荡频率较高，振荡频率较高， 1MHZ以上；以上；石英晶体正弦波振荡电路：石英晶体正弦波振荡电路： 等效为等效

5、为LC正弦振荡电路，正弦振荡电路， 振荡频率非常稳定。振荡频率非常稳定。 CRf-+ +RoUAfURCR1四、判断是否可能产生正弦波振荡的步骤四、判断是否可能产生正弦波振荡的步骤 (1) 观察包含观察包含放大、选频、正反馈放大、选频、正反馈 和稳幅和稳幅四个部分？四个部分？ (2) 判断放大电路是否能够正常工作。判断放大电路是否能够正常工作。 是否有合适的静是否有合适的静 态工作点；态工作点； 动态信号是否能够输入、输出和放大；动态信号是否能够输入、输出和放大； (3) 判断电路是否满足正弦波振荡的判断电路是否满足正弦波振荡的相位平衡条件相位平衡条件； aUfUoUAF+iU+则满足相位条件

6、则满足相位条件不满足相位条件不满足相位条件(4) 判断电路是否满足正弦波判断电路是否满足正弦波 振荡的振荡的幅值条件幅值条件(起振条件起振条件)； 分别求解出电路的分别求解出电路的FA和和然后判断然后判断 是否大于是否大于1。FA瞬时极性法低频低频段等段等效电效电路及路及其相其相量图量图高频高频段等段等效电效电路及路及其相其相量图量图RC串并联选频网络串并联选频网络(b)(c)812 RC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路一、一、RC串并联选频网络串并联选频网络 一阶一阶RC高通或低通电路的最大相移绝对值小于高通或低通电路的最大相移绝对值小于90 ，试从相位平衡条件出发，判断电路能否振荡。，

7、试从相位平衡条件出发，判断电路能否振荡。例题Rs T1 T2 C R C R Rd Re2 +VCC +不能振荡不能振荡 RCR2ou-+ +ACRR1+可以振荡可以振荡 RC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路oUfUCCRRZ1Z2FCj1RZ1 CjR11Z2 RCj1RCjRCj1RCj1R 212ZZZ CRf-+ +RoUAfURCR1幅频响应幅频响应of / fF1/310.1100相频响应相频响应of / ff 10.110090- -9031Fmax Uf 与与Uo 同相位。同相位。.。1FA RC21fo 2oo2)ffff(31F )ffff(31arctgoof 令令幅

8、值条件相位条件 n2FA3A 起振：起振：稳态：稳态：3A n2ACRf-+ +RoUAfURCR1二、二、RC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路 放大电路放大电路串联电压负反馈放大电路，串联电压负反馈放大电路，具有高输入阻抗和低输出阻抗。具有高输入阻抗和低输出阻抗。选频网络选频网络 兼作正反馈网络兼作正反馈网络稳幅环节稳幅环节振荡频率是由相位平衡条件所决定的，振荡频率是由相位平衡条件所决定的，时时当当off 31F 3A 建立振荡条件：建立振荡条件： 一开始要求一开始要求 达到稳态平衡状态时达到稳态平衡状态时 RC21fo 接通电源后，接通电源后，产生热噪声，产生热噪声，选频网络将其中选频

9、网络将其中 筛选出来，筛选出来，送至放大电路：送至放大电路：选频选频 放大放大 再选频再选频 再放大再放大 输出幅度越来越大输出幅度越来越大 振荡的建立过程。振荡的建立过程。CRf-+ +RoUAfURCR1稳幅措施：稳幅措施： 在负反馈放大电路的在负反馈放大电路的 负反馈电路中，负反馈电路中， 采用非采用非 线性元件，线性元件， 来自动调节来自动调节 反馈的强弱，反馈的强弱， 以维持输以维持输出电压的稳定。出电压的稳定。 用具有用具有负负(或正或正)温度系数的热敏电阻代替温度系数的热敏电阻代替 Rf (R1 )，适当调整负反馈适当调整负反馈使放大电路的使放大电路的的强弱，的强弱，放大倍数略大

10、于放大倍数略大于3回顾：回顾：产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件 + +AF幅值平衡条件幅值平衡条件相位平衡条件相位平衡条件n为整数为整数 判断是否可能产生正弦波振荡的步骤判断是否可能产生正弦波振荡的步骤(1) 观察包含观察包含放大、选频、正反馈放大、选频、正反馈 和稳幅和稳幅四个部分？四个部分？ (2) 放大电路是否能够正常工作放大电路是否能够正常工作? (3) 电路是否满足正弦波振荡的电路是否满足正弦波振荡的相位平衡条件相位平衡条件? (4) 电路是否满足正弦波电路是否满足正弦波 振荡的振荡的幅值条件幅值条件(起振条件起振条件)? 瞬时极性法RcRb2Rb1C1 TC1 Re+VCC

11、CeLC2 C2uo+RC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路CRf-+ +RoUAfURCR1CCRRZ1Z2Fof / fF1/310.1100of / ff 10.110090- -90建立振荡条件：建立振荡条件：一开始要求一开始要求 达到稳态平衡状态时达到稳态平衡状态时 例题R-+ +CCRR1ouD1R3D2 k7 . 2R2 k1 . 9 k10F015. 0 k1 . 5A电路电路, 已知已知A为运放为运放741, 其最大输出电其最大输出电压为压为 14V。图示电路为图示电路为RC桥式正弦波振荡桥式正弦波振荡解：解： (1) 图中用二极管图中用二极管D1, D2作为自动稳作为自动

12、稳幅元件，试分析它的稳幅原理；幅元件，试分析它的稳幅原理；当当uo幅值很小时，幅值很小时， D1,D2 截止，截止， 相当于开路相当于开路3R k7 . 2RR33)RRR1(A132 )1 . 57 . 21 . 91 ( 3 . 3 3 有利于起振；有利于起振；当当uo幅值较大时，幅值较大时，D1或或D2 导通，导通，D33r/RR 减小，减小， A随之下降，随之下降， 当当rD达到达到1.86k时，时， 3A uo趋于稳定；趋于稳定； 例题电路电路, 已知已知A为运放为运放741, 其最大输出电其最大输出电压为压为 14V。图示电路为图示电路为RC桥式正弦波振荡桥式正弦波振荡解：解： R

13、-+ +CCRR1ouD1R3D2 k7 . 2R2 k1 . 9 k10F015. 0 k1 . 5A3R (2) 设电路已产生正弦波稳幅振荡设电路已产生正弦波稳幅振荡, 当当输出电压达到正弦波峰值时，二极管输出电压达到正弦波峰值时，二极管的正向压降约为的正向压降约为0.6V，试粗略估算出，试粗略估算出电压的峰值电压的峰值Uom；稳幅时稳幅时3A 根据根据)RRR1 (A132 得得213RR) 1A(R k1 . 11 . 91 . 5) 13(0.6Vi 3RV6 . 0omU321RRR 1 . 11 . 91 . 5U1 . 16 . 0om 于是于是V35. 8Uom 例题电路电路

14、, 已知已知A为运放为运放741, 其最大输出电其最大输出电压为压为 14V。图示电路为图示电路为RC桥式正弦波振荡桥式正弦波振荡解：解： R-+ +CCRR1ouD1R3D2 k7 . 2R2 k1 . 9 k10F015. 0 k1 . 5A3R 0.6Vi(3) 试定性说明因不慎使试定性说明因不慎使R2短路时短路时, 输出电压输出电压uo的波形；的波形；0R2 若若)RR1 (A13 )1 . 57 . 21 ( 53. 1 3 电路停振；电路停振；(4) 电路正常工作时，振荡频率？电路正常工作时，振荡频率？RC21fo LC21fo 或或813 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 LC振

15、荡器的选频网络是由振荡器的选频网络是由L和和C组成的组成的LC并联网络并联网络多采用分立元件电路，多采用分立元件电路， 必要时还应采用共基电路。必要时还应采用共基电路。 一、一、LC谐振回路的频率特性谐振回路的频率特性IRCL时时当当CLR谐振频率谐振频率ZZofofQ小小 Q大大 Z 90ofof 90Q小小 Q大大 品质因数品质因数QCLR1 Q值愈大，值愈大， 选频特性愈好。选频特性愈好。 二、选频放大电路二、选频放大电路以以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载。并联网络作为共射放大电路的集电极负载。TCLRb1ReC1Ce+VCCRb2电路的电压放大倍数电路的电压放大倍数beurZ

16、A 当当f = fo 时，时，电压放大倍数的数值最大，电压放大倍数的数值最大，且无附加相移。且无附加相移。 正反馈网络正反馈网络根据引入反馈的方式不同根据引入反馈的方式不同 变压器反馈式变压器反馈式 电感反馈式电感反馈式 电容反馈式电容反馈式 三、变压器反馈式振荡电路三、变压器反馈式振荡电路CCe+VCCReRLN1 N2 Rb2Rb1C1 T 四个组成部分四个组成部分 放大电路是典型的工作放大电路是典型的工作点稳定电路点稳定电路:Q，交流信号，交流信号 LC并联谐振网络作为管子并联谐振网络作为管子 的集电极负载，的集电极负载， 反馈信号通过反馈信号通过 变压器传送到基极回路。变压器传送到基极

17、回路。 TRb1Rb2CN1 N2 相位平衡条件相位平衡条件+只要合理选择变压器原、副只要合理选择变压器原、副 边线圈的匝数比以及其它电边线圈的匝数比以及其它电 路参数，路参数， 电路很容易满足幅电路很容易满足幅 值条件。值条件。 幅值平衡条件幅值平衡条件CCe+VCCReRLN1 N2 Rb2Rb1C1 T优点： 易于产生振荡，易于产生振荡， 输出电输出电 压的波形失真不大，压的波形失真不大， 应用范围应用范围 广泛。广泛。 缺点： 输出电压与反馈电压靠输出电压与反馈电压靠 磁路耦合，磁路耦合， 因而耦合不紧密，因而耦合不紧密， 损耗较大，损耗较大， 并且振荡频率的稳并且振荡频率的稳 定性不

18、高。定性不高。 四、电感反馈式振荡电路四、电感反馈式振荡电路CCe+VCCReRLN1 N2 Rb2Rb1C1 TTRb1Rb2N1 N2 C+满足相位平衡条件；满足相位平衡条件； ，FA相互关联相互关联与与只要电路参数选择得当，只要电路参数选择得当， 电路就可满足幅值条件。电路就可满足幅值条件。 电感三点式电路 四个组成部分四个组成部分 放大电路能够正常工作放大电路能够正常工作CCe+VCCReRLN1 N2 Rb2Rb1C1 T优点： N2与与N1之间耦合紧密，之间耦合紧密， 振幅大，振幅大， 改变电容，改变电容， 可获得调可获得调节范围较宽的振荡频率；节范围较宽的振荡频率； 缺点： 反馈

19、电压取自电感，反馈电压取自电感， 对高频信号具有较大的电抗，对高频信号具有较大的电抗， 输出电压波形中常含有高次谐波。输出电压波形中常含有高次谐波。 五、电容反馈式振荡电路五、电容反馈式振荡电路RcRb2Rb1C1 TC1 Re+VCCCeLC2 C2uo 两个电容的三个端子分别两个电容的三个端子分别 接晶体管的三个电极，接晶体管的三个电极， 又称又称电容三点式电路。电路。 四个组成部分：四个组成部分： 放大电路，放大电路， 选频网络，选频网络， 正反馈网络，正反馈网络， 非线性元件；非线性元件； 放大电路能够正常工作：放大电路能够正常工作： 可以设置合适的静态工作点；可以设置合适的静态工作点

20、；TRb1Rb2RcC1 C2 L 交流信号传递过程中无开路交流信号传递过程中无开路或短路现象；或短路现象； RcRb2Rb1C1 TC1 Re+VCCCeLC2 C2uoTRb1Rb2RcC1 C2 L +满足相位平衡条件；满足相位平衡条件； ，FA相互关联相互关联与与只要电路参数选择得当，只要电路参数选择得当， 电路就可满足幅值条件。电路就可满足幅值条件。 振荡频率振荡频率 )CCCCL21f2121o 起振条件起振条件 Lbe12RrCC LR 集电极总负载集电极总负载 8 82 2 电压比较器电压比较器 电压比较器是对输入信号进行电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较鉴幅与比较的电路，的

21、电路， 是组成是组成非正弦波非正弦波发生电路的基本单元电路。发生电路的基本单元电路。 一、集成运放的非线性工作区一、集成运放的非线性工作区电压比较器电路中，电压比较器电路中， 集成运放处于开环状态或引入正反馈集成运放处于开环状态或引入正反馈 +A uP uN uo 反馈通路反馈通路 +A uP uN uo ouP-uN uo-UOM +UOM 虚短？ 虚断？ 821 概述概述 二、电压比较器的电压传输特性二、电压比较器的电压传输特性 电压传输特性电压传输特性:uO从一种状态向另一种状态跳变时的从一种状态向另一种状态跳变时的uI阈值电压阈值电压UT : 又称转折电压又称转折电压uO 电压电压比较

22、器比较器 UOMuI模拟信号模拟信号uO=f(uI)ouP-uN uOUT +UOM -UOM 输出电压高电平和低电平的数值输出电压高电平和低电平的数值 阈值电压的数值阈值电压的数值 输出电压从一个状态向另一个输出电压从一个状态向另一个 状态跳变时的方向状态跳变时的方向 三、电压比较器的种类三、电压比较器的种类1、单限比较器、单限比较器 一个阈值电压一个阈值电压ouP-uN uOUT 增大或减小的过程中只要通过增大或减小的过程中只要通过UT，uO都会发生跃变。都会发生跃变。 +UOM -UOM 2、滞回比较器、滞回比较器 两个阈值电压两个阈值电压ouP-uN uOUT1 UT2 uI 和和过程

23、中，过程中， uO发生跃变对应的阈值电压不同。发生跃变对应的阈值电压不同。+UOM -UOM 3、窗口比较器、窗口比较器 两个阈值电压两个阈值电压uI单方向变化时，单方向变化时， 在通过不同的阈值电压时，在通过不同的阈值电压时， uO产生两次跃变。产生两次跃变。ouP-uN uOUT1 UT2 +UOM 822 单限比较器单限比较器一、过零比较器一、过零比较器 阈值电压阈值电压 UT = 0 ui uo +A oui uo+UOM -UOM ui uo +A oui uo-UOM +UOM 反相输入反相输入 同相输入同相输入 输入输出端加保护电路输入输出端加保护电路 ui uo +A Rui

24、uo +A DZ Rui uo +A DZ R二、一般单限比较器二、一般单限比较器 ui uo +A DZ RR1 R2 UREF NP参考电压参考电压 Nui211uRRR REF212URRR 当当uN=uP=0时，时， 输出电压会发生跃变，输出电压会发生跃变， 这时的这时的ui就是阈值电压就是阈值电压UT。 0URRRURRRREF212T211 REF12TURRU oui uoUT +UZ1 -UZ2 例题 在图所示在图所示(a)(b)两电路中，稳压管的稳定电压两电路中，稳压管的稳定电压UZ= 6V， R1=R2=5k ，UREF=2V，输入电压为图示三角波。试画出输出电，输入电压为图示三角波。试画出输出电压的波形。压的波形。 ui uo +A DZ R(a)ui uo +A DZ RR1 R2 UREF (b)oui/V t 5 -5 0UT oui/Vuo/V+6 -6 ouo/V t -6 6 REF12TURRU V2 ui/V uo/V-2 +6 -6 ouo/V t -2 -6 6 823 滞回比较器滞回比较器单限比较器，单限比较器， 电路简单，电路简单， 灵敏度高，灵敏度高，抗干扰能力差。抗干扰能力差。uiuoUREFuiouiUREFuoouiUOHUOL 滞回比较器具有滞滞回比较器具有滞 回特性，