波形的发生和信号的转换课件

1、第八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 3 非正弦波发生电路8 4 利用集成运放实现的信号转换电路第八章波形的发生和信号的转换8 1 正弦波振荡电路基本要求（1）掌握电路产生正弦波振荡的幅值平衡条件和相位平衡条件，以及RC桥式正弦波振荡电路的组成、起振条件和振荡频率。理解它们的振荡频率与电路参数的关系。并能够根据相位平衡条件正确判断电路是否可能产生正弦波振荡。（2）理解典型电压比较器的电路组成、工作原理和性能特点（3）理解由集成运放构成的矩形波、三角波和锯齿波发生电路的工作原理、波形分析和有关参数。（4）了解信号转换电路的工作原理。基本要求波形发生电路： 它是一

2、种不需外施激励就能将直流电源提供的能量转换成一定频率、一定幅值的交流能量输出的电路。分为：正弦波发生电路、非正弦波发生电路信号的转换电路：电压信号电流信号模拟信号数字信号电压信号频率与之成正比的脉冲信号波形发生电路： 它是一种不需外施激励就能将直流电源2. 电路组成3. 起振和稳幅1. 振荡条件 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。正弦波振荡电路也称为正弦波发生电路或正弦波振荡器。81 正弦波振荡电路2. 电路组成3. 起振和稳幅1. 振荡条件 81 正弦波振荡电路8.1.1 概述1. 产生正弦波振荡的条件（正弦波振荡

3、电路框图）（1）平衡条件to在1处接入 的正弦信号将1、2连接在一起=0不考虑反馈时，toto+1281 正弦波振荡电路8.1.1 概述1. 产生正弦波振振幅平衡条件（n=0、1、2）相位平衡条件 以上两条件中，主要是相位平衡条件（与电路连接方式有关，决定正反馈是否实现），如相位条件不满足，肯定不会产生振荡。分析方法：瞬时极性法。振幅（决定于正反馈大小，与电路参数有关）的条件可在满足相位平衡后调节电路参数达到。振幅平衡条件（n=0、1、2）相位平衡条件 以电源接通瞬间，产生冲击干扰、电磁波干扰、人体干扰等；非正弦量的起始信号含一系列频率不同的正弦分量，一个正弦波振荡电路只在一个频率下满足相位平

4、衡，故振荡电路必具有选频性，该振荡频率由相位平衡条件决定。即 环路中有选频特性网络。选频网络由R、C和L、C等电抗性元件组成，存在于 或 中。正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。# 振荡电路没有输入端，即无须输入信号就能起振，其初始起振的信号源来自何处？-电路器件内部噪声电源接通瞬间，产生冲击干扰、电磁波干扰、人体干扰等；非正弦量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：起振条件 既然 ， 起振后就要产生增幅振荡，由于电路中非线性元件的限制，故随着振幅的增大， 的值自动下降到1；又由于扰动的不规则性，它包含着很宽范围的各种频率的振荡电压，通过振荡电路的放大与选频，

5、就能将与振荡频率相同的正弦波反馈到放大电路的输入端，而其它频率分量由于选频网络的作用而被抑制。特征：需要A、F；A的输出为F的输入，F的输出为A的输入；正反馈）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，（2）起振条件（振荡的建立） uo=f (ui) uf=Fuoououi(uf)接通电源瞬间ui1ui1 uo1 uo1uf1(ui2)uf1(ui2ui1)A在一个正弦波振荡电路中只有在一个频率（fo）下满足相位平衡条件。（2）起振条件（振荡的建立） uo=f (ui 不需要输入信号，只将电源接入，则输出一定频率、幅值的波形（正弦波信号发生器、非正弦波信号发生器）。频率：1赫

6、兹至几百兆赫兹；功率：几毫瓦至几十千瓦。 放大电路：入端接信号源，有信号输出；如不外接信号源，输出仍有一定频率和幅值的信号，则发生了自激振荡，在放大电路中并非是好事，甚至使电路不能正常工作，需采用消振电路破坏产生自激振荡的条件。但，振荡电路正是利用自激振荡进行工作的。放大电路：入端接信号源。振荡电路：无输入信号，有输出信号。相同点：输出由输入信号引起。 振荡电路不外接信号源，输入信号从何而来？2.正弦波振荡电路的组成及分类 不需要输入信号，只将电源接入，则输出一定频率组成：（1）放大电路：保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，使电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制。（2）选频网络：确定电路

7、的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。（选择满足相位平衡条件的频率为振荡器的振荡频率。在A或F中 。）（3）正反馈网络：引入正反馈，满足相位平衡条件。（4）稳幅环节：即非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。 （提供放大器增益变化或反馈网络系数变化）分类 RC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路( f 1MHz) 石英晶体正弦波振荡电路( f 1MHz)组成：分类 RC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路( 3. 判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤(1) 观察电路是否包含了正弦波振荡四个组成部分。(2) 判断放大电路是否能正常工作，即是否有合适的静态工作点。（4）判断电

8、路是否满足正弦波振荡的幅值条件，(3) 利用瞬时极性法判断+-+-若引入正反馈，则满足相位平衡条件。3. 判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤(1) 观据选频网络不同，将电路分为RC振荡电路、LC振荡电路、RL振荡电路。RC振荡电路：由RC组成选频网络的振荡电路，产生11MHz的低频信号。 LC振荡电路：由LC组成选频网络的振荡电路，产生1MHz以上的高频信号。 RL振荡电路：由RL组成选频网络的振荡电路，用于大功率下，通常在电视、广播中用。 据选频网络不同，将电路分为RC振荡电路、LC振荡电路、RL振 RC桥式振荡电路 RC移相式振荡电路RC正弦波振荡电路分为：桥式振荡电路、双T网络式

9、振荡电路、移相式振荡电路。8.1.2 RC正弦波振荡电路 RC桥式振荡电路 RC移相式振荡电路RC正弦波振荡电路分为 电路如右图所示当频率高、容抗低时，该图等效为下图：滞后即：当频率低、容抗高时，该图等效为下图：即：超前所以，总存在一频率，使 与 同相。1. RC串并联网络 电路如右图所示当频率高、容抗低时，该图等效为下图：反馈系数令：则令则上式为：当幅频响应有最大值 。使与同相。oV&反馈系数令：则令则上式为：当幅频响应有最大值 此时若放大电路的电压增益为 用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件(断开输入)则振荡电路满足振幅平衡条件当时，(+)(+)(+)(+)Av电路可以输出频率为 的

10、正弦波RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波2. RC桥式振荡器此时若放大电路的电压增益为 用瞬时极性法判断可知，电3. 振荡的建立与稳定RRCC ARfR1满足相位平衡条件（1）振荡频率（2）起振条件（3）稳幅措施采用热敏电阻的稳幅方法温度升高选用负温度系数电阻选用正温度系数电阻3. 振荡的建立与稳定RRCC ARfR1满足相位平衡采用非线性元件负温度系数热敏元件热敏电阻起振时，即热敏电阻的作用稳幅采用非线性元件负温度系数热敏元件热敏电阻起振时，即热敏电阻的 一级RC网络可产生090的相移，二级RC网络可产生0180的相移，三级RC网络可产生0270的相移。依此类推。4

11、. RC移相式振荡电路（1） 一级RC移相网络（2） 二级RC移相网络（3） 三级RC移相网络 一级RC网络可产生090的相移，二级RC_+uoRCRCR1RFCR反相比例电路A =180RC移相电路应有F =180RC移相式振荡电路_+uoRCRCR1RFCR反相比例电路A =180采用二极管稳幅方法例 图示电路中，A为理想运放，其最大输出电压为14V。（1）图中D1 、D2作为稳幅元件，试分析其稳幅原理；（2）设电路已产生稳幅正弦波振荡，当输出电压达到正弦波峰值时，二极管正向压降略为0.6V。试粗略估算出输出电压峰值；（3）试定性说 明因不慎使R2短路时，输出电压的波 形；（4）定性说明因

12、不慎使R2开路 时，输出电压的波形。（标明振幅）RRCC AD2R15.1KD1R3R210K2.7K9.1K0.015F解：（1）当uo很小时，有利于起振D1 、D2截止（开路）采用二极管稳幅方法例 图示电路中，A为理想运放，其最大输RRCC AD2R15.1KD1R3R210K2.7K9.1K0.015F当uo幅值较大时，uo0 ，D2导通uo 0 ，D1导通使uo幅值趋于稳定。（2）RRCC AD2R15.1KD1R3R210K2.7K（3）当R2=0时，（4）当R2=时，otuo14V-14VRRCC AD2R15.1KD1R3R210K2.7K9.1K0.015F（3）当R2=0时，

13、（4）当R2=时，otuo14V-14例 试用相位平衡条件，判断图示电路能否振荡。解：在T1射极加 的信号+-uiCRRe2Re1RC2RC1RbRCT1T2Vccuf+-不满足相位平衡条件，不能产生振荡。例 试用相位平衡条件，判断图示电路能否振荡。解：在T1CRRe2Re1RC2RC1Rb1RCT1T2Vcc(a)+-ufui+-在T1基极加 的信号不满足相位平衡条件，VccCReRRC2RbT1T2RC-Vee(b)+-ufui+-在T1基极加 的信号满足相位平衡条件，不能产生振荡。能产生振荡。CRRe2Re1RC2RC1Rb1RCT1T2Vcc(a)+8.1.3 LC正弦波振荡电路 LC

14、正弦波振荡电路的构成与RC正弦波振荡电路相似，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。 1. LC并联网络的特点 2. 变压器反馈LC振荡器 3. 三点式LC振荡器 4. 石英晶体振荡器8.1.3 LC正弦波振荡电路 LC正弦波1. LC并联网络的特点LC并联谐振电路如图所示。显然输出电压是频率的函数： 谐振时谐振频率谐振特点：Z=R时，/Z/最大； 与 同相； ，即谐振环流，可选择恰当的参数使： 。1. LC并联网络的特点LC并联谐振电路如图所示。显然输出电图 变压器反馈LC振荡电路变压器反馈

15、LC振荡电路如图所示。 LC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。2. 变压器反馈LC振荡电路图 变压器反馈LC振荡电路变压器反馈LC振荡电3 . 三点式LC振荡器仍由LC并联谐振电路构成选频网络。中间端的瞬时极性一定在首、尾端电位之间。三点的相位关系：若中间点交流接地，则首端与尾端相位相反；若首端或尾端交流接地，则其他两端相位相同。（1）三点式LC并联电路3 . 三点式LC振荡器仍由LC并联谐振电路构成选频网络。中（2）

16、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。用瞬时极性法，可判断符合正反馈的相位条件。调节合适的参数将会满足振幅条件。3 . 三点式LC振荡器缺点：反馈取自电感，而电感对高次谐波阻抗大，反馈较强，输出波形中含较多的高次谐波分量，所以输出波形不理想。（2） 电感三点式LC振荡电路3 . 三点式LC振荡器缺点： 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。（3） 电容三点式LC振荡电路特点：由于反馈电压从电容两端输出，所以对高次谐波阻抗小，因而可将高次谐波滤除，故输出波形好。3 . 三点式LC振荡器 与电感三点式LC振荡电路类似的有电容三点式 利用石英晶体的高品

17、质因数的特点，将石英晶体取代LC振荡电路中的L、C元件所组成的正弦波振荡电路。4 .石英晶体振荡电路（1）频率稳定问题Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。LC振荡电路中Q值大约为数百；石英晶体振荡电路中Q值大约为一万至50万。故石英晶体具有极高的稳定度。（2）石英特性压电效应：极板间加电压，晶体产生机械变形；极板间加机械力，晶体产生电场。交变电压机械振动交变电压机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，当交变电压频率与固有频率相等时，振幅最大，即产生压电谐振。 利用石英晶体的高品质因数的特点，将石英晶体符号：4 .石英晶体振荡电路石英晶体有两个谐振频率R、L、C串联谐振：R、L、C与C0并联谐振：等效

18、电路：故 fs 与 fp 很接近。为此，石英晶体必须呈电感性才能形成LC并联谐振回路，产生振荡。符号：4 .石英晶体振荡电路石英晶体有两个谐振频率等效电路：(3) 实际使用时，需外接一小电容Cs4 .石英晶体振荡电路Cs0，频率趋于fpCs趋于无穷大，频率趋于fs即：可调整Cs，使频率在fs与fp之间变化。(3) 实际使用时，需外接一小电容Cs4 .石英晶体振荡电路82 电压比较器电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路。单限电压比较器过零比较器一般单限比较器滞回比较器窗口比较器82 电压比较器电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的8.2.1 概述1.概

19、念：输入：模拟量ui;参考电压：（直流）UREF;输出：uo=0(UoL)1 (UoH)2. 传输特性3. 阈值电压 使uO从UOH跃变为UOL，或者从UOL跃变为UOH的输入电压称为电压进行比较，其结果是输出两个不同的电平。高电平和低电平。是一种模拟信号处理电路。它是将输入的模拟电压与参考阈值电压，或转折电压，记作UT。8.2.1 概述1.概念：输入：模拟量ui;参考电压：1. 运放的线性工作运用特点 1) 运放的差模输入电压等于零2) 运放的输入电流等于零因运放的AVO ，虚短成立由运放的rid ，虚断成立。 为了达到集成运放工作在线性区的条件，一般情况下都必须在集成运放电路中引入深度负反

20、馈。 运算放大器特性汇总 由于运放的开环电压放大倍数很高，即使输入毫伏级以下的信号，也足以使输出电压饱和，达到接近正电源电压或负电源电压；另外，由于干扰，使工作难于稳定。1. 运放的线性工作运用特点 1) 运放的差模输入电压2. 运放的非线性工作运用特点V V 时， vOmax = VOHV V 时， vOmax4.电压比较器结构特点 AuOuPuN AuOuPuN正反馈通路uOUOM-UOM0uP-uN5.电压比较器的种类（1）单限比较器uOUOHUOL0uI（2）滞回比较器（3）窗口比较器uOUT1UT20uIuOUOHUOL0uIUT1UT24.电压比较器结构特点 AuOuPuN AuO

21、u8.2.2 单限比较器1.过零比较器 AuOuI+UOM-UOMuO0uI AuOuID1D2RUREF=0为限制集成运放的差模输入电压，保护其输入级，可加二极管限幅电路。8.2.2 单限比较器1.过零比较器 AuOuI+U AuOuIDZUZR AuOuIDZR实用电路中为满足负载需要，常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的UOL和UOH。限幅电路稳压管还可跨接在集成运放的输出端和反相输入端之间。虽图中引入了负反馈，但它仍具有电压比较器的基本特征。 AuOuIDZUZR AuOuIDZR实用电输入为正负对称的正弦波时，输出为方波电压传输特性：0 为比较门限注意画波形时必须垂直

22、对齐输入为正负对称的正弦波时，输出为方波电压传输特性：0 为比较思考 1. 若过零比较器如图所示，则它的电压传输特性将是怎样的？ 2. 输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？思考 1. 若过零比较器如图所示，则它的电压传输特性将2.一般单限比较器 AuOuIDZUZR1R2RUREFuOuO+UZ-UZ0uIUT利用叠加原理，令uP= uN=0，求出阈值电压当uIUT时，所以uO=+UOM ，所以uO= -UOM ，uO=UOH=+UZ ；uO=UOL=-UZ 。uP= 0uNup ，改变参考电压的大小和极性，以及电阻R1和R2的阻值，就可以改变阈值电压的大小和极性。若要改变UI过UT时

23、UO的跃变方向，则应将集成运放的同相输入端和反相输入端所接外电路互换。2.一般单限比较器 AuOuIDZUZR1R2RUR分析电压传输特性三个要素的方法是：P427（）通过电压比较器结构确定UOL和UOH ；（）写出up和uN的表达式，令uN=up ，解得的输入电压就是阈值电压UT ；（） uO在uI过UT时的跃变方向决定于uI作用于集成运放的哪个输入端。 当uI从反相输入端输入（或通过电阻接反相输入端）时，uIUT ，uO=UOL ； 当uI从同相输入端输入（或通过电阻接同相输入端）时，uIUT ，uO=UOH 。分析电压传输特性三个要素的方法是：P427解：（1）A 构成过零比较器（2）R

24、C 为微分电路， RCT例电路如图a所示，当输入信号如图c所示的正弦波时，定性画出（3）D 削波（限幅、检波）解：（1）A 构成过零比较器（2）RC 为微分电路， 例电路例8.2.1在图（a）所示的电路中，稳压管的稳定电压UZ=6V；在图（b）所示电路中，R1=R2=5k，基准电压UREF=2V，稳压管的稳定电压UZ=5V ；它们的输入电压为图（c）所示的三角波。试画出图（a）所示电路的输出电压UO1和图（b）所示电路的输出电压UO2。uI/V50-5t图(c)解：图(a) 为过零比较器。 AuOuIDZR图(a)当uI0时，uO1=-UZ = -6V 。6uo1/Vt0-6 AuOuIDZU

25、ZR1R2RUREFuO图(b)例8.2.1在图（a）所示的电路中，稳压管的稳定电压UZ5-5t0uo2/VuI/V50-5t-2 AuOuIDZUZR1R2RUREFuO图(b)当uI-2V时，uO1=-UZ = -5V 。特点：结构简单，灵敏度高；抗干扰能力差，易造成电路误动作。5-5t0uo2/VuI/V50-5t-2 AuOuI单门限比较器的抗干扰能力差应为高电平错误电平单门限比较器的抗干扰能力差应为高电平错误电平8.2.3 滞回比较器令uP= uN，求出阈值电压uN = uI，uO=UZ ； AuOuIDZUZR1R2RUREFuO0uI设t=0时，uO=+UZ ，当uIUT2 ，uIUT2时，UT1UT2 up =UT1 。uIUT1时，当uIUT1 ， up =UT2 。重复上述过程，曲线具有方向性。回差电压衡量抗干扰能力的强弱越大，抗干扰能力越强，但灵敏度差。up =+UT2 ；uO=+UZuO= -UZ ，uO= -UZ ，uO=+UZ8.2.3 滞回比较器令uP= uN，求出阈值电压uN例8.2.2 在图（a）所示的电路中，已知R1=50k，R