第6章 波形的发生和信号的转换课件

第6章波形的发生与信号的转换小结6.2正弦波振荡电路6.4非正弦波发生电路6.1概述6.3电压比较器6.5利用集成运放实现信号的转换第6章波形的发生与信号的转换小结6.2正弦波振荡电路6信号产生电路(振荡器—Oscillators)分类：正弦波振荡非正弦波振荡RC振荡器(1kHz~数百kHz)LC振荡器(几百kHz以上)石英晶体振荡器(频率稳定度高)方波、三角波、锯齿波等主要性能要求：输出信号的幅度准确稳定输出信号的频率准确稳定6.1概述信号产生电路(振荡器—Oscillators)分类：正弦波振6.2正弦波振荡电路6.2.1正弦波振荡的条件6.2.2RC正弦波振荡电路6.2.3LC正弦波振荡电路6.2.4石英晶体正弦波振荡电路6.2正弦波振荡电路6.2.1正弦波振荡的条件6.2.6.2.1

正弦波振荡的条件一、振荡条件放大器反馈网络Ui•A•F•Uo•Uf•RL微弱的电扰动中，某一频率成分通过正反馈逐渐放大，则产生正弦振荡。—

振幅平衡条件—

相位平衡条件n=0,1,2,••8.2.1正弦波振荡条件16.2.1正弦波振荡的条件一、振荡条件放大器反馈网络U二、起振条件起振条件放大器A反馈网络FUoUfUi

1/FAF=1OuiuoAuoA

F

>1AF<1Ui1Uo1Uf1Ui2Uo2Uf2Ui3Uo3Uf2Ui4Uo4ufuf

起振稳幅••（略大于1）二、起振条件起振条件放大器A反馈网络FUoUfUi1/FAF三、电路的组成和起振的判断1.放大电路2.正反馈网络

3.选频网络4.稳幅环节

组成: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。引入正反馈，使放大电路的输入信号等于反馈信号。确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。也就是非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。三、电路的组成和起振的判断1.放大电路2.正反馈网络3放大器选频正反馈网络UoUfUi选频放大器正反馈网络UoUfUi

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放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节四个组成部分。（2）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。（3）利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相位条件。具体做法是：断开反馈，在断开处给放大电路加频率为f0的输入电压，并给定其瞬时极性，如图所示；然后以输入信号极性为依据判断输出电压的极性，从而得到反馈电压的极性；若反馈电压与输入电压极性相同，则说明满足相位条件，电路有可能产生正弦波振荡，否则表明不满足相位条件，电路不可能产生正弦波振荡。（4）判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件，即是否满足起振条件。放大器选频正UoUfUi选频正反馈UoUfUi判断电路是否•••6.2.2RC正弦波振荡电路一、RC桥式振荡电路0Fu

.0f90-90•1.RC串并联选频网络式中:0=1/RC当

=0

时F=1/3.

=0º•••6.2.2RC正弦波振荡电路一、RC桥式振荡电2.RC桥氏振荡电路A

=2nF=0º2)电路：同相放大器1)组成：RfCR1RCR•••2.RC桥氏振荡电路A=2nF=0º2)3)振荡频率4)起振条件•••（略大于1）Rf不能太大，否则正弦波将变成方波3)振荡频率4)起振条件•••（略大于1）Rf不能5)稳幅措施为使电路Au为非线性，起振时，应使Au>3，稳幅后Au=3。热敏电阻稳幅正温度系数负温度系数5)稳幅措施为使电路Au为非线性，起振时，应使Au>Au

1+R2/R1=3为使失真小：R2<2R1R2>2R1-R3Au

1+(R2+R3)/R1>3起振时信号小，二极管电阻大12.4k>R2>8.1kf0=1.94kHz二极管稳幅R1R2V1V2R38.2k6.2k22k4.3k0.01F8.2k0.01FAu1+R2/R1=3为使失真小：R2<2振荡频率可调的RC串并联选频网络用双层波段开关接不同的电容，作为振荡频率f0的粗调用同轴电位器实现f0的微调例：已知电容的取值分别为0.01F、0.1F、1F、10F，电阻R=50，电位器Rw=10k。试问：f0的调节范围？振荡频率可调的RC串并联选频网络用双层波段开关接不同的电容，例一：电路如图所示，试求解：

（1）Rw的下限值；

（2）振荡频率的调节范围。例一：电路如图所示，试求解：

（1）Rw的下限值；

（2）振例二：电路如图所示，稳压管DZ起稳幅作用，其稳定电压±UZ=±6V。试估算：

（1）输出电压不失真情况下的有效值；

（2）振荡频率。例二：电路如图所示，稳压管DZ起稳幅作用，其稳定电压±UZ=思考：试将图示电路合理连线，组成RC桥式正弦波振荡电路，并求出振荡频率和起振条件。分析：振荡频率起振条件即（略大于）思考：试将图示电路合理连线，组成RC桥式正弦波振荡电路，并求二、RC移相式振荡电路（补充）一节RC环节移相90二节RC环节移相180三节RC环节移相270对于的信号，—

满足相位平衡条件优点：结构简单缺点：选频特性差，输出波形差CRRfRCRC二、RC移相式振荡电路（补充）一节RC环节移相96.2.3LC正弦波振荡电路类型：变压器反馈式、电感三点式、电容三点式一、变压器反馈式LC振荡电路LrCIs.L的等效损耗电阻(一)

LC并联回路的特性Z6.2.3LC正弦波振荡电路类型：变压器反馈式、电1.谐振频率f02.谐振阻抗Z03.回路品质因数Q选频网络的损耗愈小；谐振频率相同时，电容容量愈小，电感数值愈大，品质因数愈大，将使得选频特性愈好。1.谐振频率f02.谐振阻抗Z03.回路品质因数4.频率特性0Z

Z0Q大Q小0f90º-90ºQ增大幅频特性相频特性Q值愈大，曲线愈陡，选频特性愈好。4.频率特性0ZZ0Q大Q小0f905.并联谐振的本质—

电流谐振LuCr–

+iiLiC1)

Z=Z0

呈纯阻2)形成环流，大小是总电流的Q

倍••IC•IL•U•I•5.并联谐振的本质—电流谐振LuCr–+iiLiC1)选频放大电路这是以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载。根据LC并联网络的频率特性，当f=f0时，电压放大倍数的数值最大，且无附加相移。对于其余频率的信号，电压放大倍数不但数值减小，而且有附加相移。电路具有选频特性，故称之为选频放大电路。若在电路中引入正反馈，并能用反馈电压取代输入电压，则电路就成为正弦波振荡电路。选频放大电路这是以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载。（二）变压器反馈式振荡电路为使反馈电压与输入电压同相，同名端标注如图。当反馈电压取代输入电压时，就得到变压器反馈式振荡电路。为使反馈电压与输入电压同相，同名端标注如图。当反馈电压取代输入电压时，就得到变压器反馈式振荡电路。+－ui+－++－uf优缺点:易于振荡，输出电压波形失真不大，应用范围广泛。但由于输出电压与反馈电压靠磁路耦合，因而耦合不紧密，损耗较大，振荡频率f0的稳定性不高。用于产生几kHz至几十MHz的正弦波。反馈电压的极性与输入电压相同，故电路满足正弦波振荡的相位条件。同名端同极性（二）变压器反馈式振荡电路为使反馈电压与输入电压同相，同名端变压器反馈式振荡电路LC+VCCTRERB1RB2CECB满足相位平衡条件×同名端同极性变压器反馈式振荡电路LC+VCCTRERB1RB2CECB满二、电感三点式振荡电路将N1和N2合并为一个线圈，克服耦合不紧密的缺点。为了加强谐振效果，将电容C跨接在整个线圈两端。+－ui－+uf－+cbe优缺点:放大电路和反馈网络耦合紧密，易振，输出波形含高次谐波；用于产生几kHz至几十MHz的正弦波，改变选频网络的电容容量可得较宽的振荡频率范围。反馈电压的极性与输入电压相同，故电路满足正弦波振荡的相位条件。二、电感三点式振荡电路将N1和N2合并为一个线圈，克服耦合不三、电容三点式振荡电路+－ui－++－uf优缺点:输出电压波形好，用于产生几kHz至几十MHz固定频率的正弦波。若用改变电容的方法来调节振荡频率，则会影响电路的起振条件；而若用改变电感的方法来调节振荡频率，则比较困难；所以常常用在固定振荡频率的场合。反馈电压的极性与输入电压相同，故电路满足正弦波振荡的相位条件。考毕兹振荡器(Colpitts)三、电容三点式振荡电路+－ui－++－uf优缺点:输出电压波电容三点式振荡电路的改进小由于极间电容受温度的影响，杂散电容又难于确定，为了稳定振荡频率，在设计电路中，必须使它们对选频特性的影响忽略不计。具体方法是在电感所在支路串联一个小容量电容C。让C1和C2远大于极间电容和杂散电容，只起分压作用，以获得反馈电压，而几乎对振荡频率无影响，则电路的振荡频率就可能很稳定。电容三点式振荡电路的改进小由于极间电容受温度的影响，杂散电容采用共基放大电路的电容三点式振荡电路+－ui+－+－uf在要求电容三点式振荡电路的振荡频率高达100MHz以上时，应考虑采用共基放大电路。反馈电压的极性与输入电压相同，故电路满足正弦波振荡的相位条件。只要电路参数选择得当，电路就可满足幅值条件，而产生正弦波振荡。采用共基放大电路的电容三点式振荡电路+－ui+－+－uf在要例一：电路如图所示，图中Cb为旁路电容，C1为耦合电容，对交流信号均可视为短路。为使电路可能产生正弦波振荡，试说明变压器原边线圈和副边线圈的同名端。+－ui++－uf因此，变压器原边线圈的下端和副边线圈的上端为同名端；或者说原边线圈的上端和副边线圈的下端为同名端。例一：电路如图所示，图中Cb为旁路电容，C1为耦合电容，对交例二：标出各电路中变压器的同名端，使之满足正弦波振荡的相位条件。+－ui－++－uf－uf+－ui+－例二：标出各电路中变压器的同名端，使之满足正弦波振荡的相位条例三：改正图示电路中的错误，使之有可能产生正弦波振荡。要求不能改变放大电路的基本接法。观察电路，Ce容量远大于C1和C2，故为旁路电容，对交流信号可视为短路。C1、C2和L构成LC并联谐振网络，C2上的电压为输出电压，C1上的电压为反馈电压，因而电路为电容三点式振荡电路。电感L连接晶体管的基极和集电极，在直流通路中使两个极近似短路，造成放大电路的静态工作点不合适，故应在选频网络与放大电路输入端之间加耦合电容。晶体管的集电极直接接电源，在交流通路中使集电极与发射极短路，因而输出电压恒等于零。所以，必须在集电极加电阻Rc。例三：改正图示电路中的错误，使之有可能产生正弦波振荡。要求不思考：分别判断图示各电路是否可能产生正弦波振荡。可能可能不能不能思考：分别判断图示各电路是否可能产生正弦波振荡。可能可能不能6.2.4石英晶体(Crystal)振荡电路(一)石英晶体谐振器的阻抗特性1.结构和符号化学成分

SiO2结构晶片涂银层焊点符号6.2.4石英晶体(Crystal)振荡电路(一)石英2.压电效应形变形变机械振动外力在石英晶体两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。2.压电效应形变形变机械振动外力在石英晶体两个管脚加交变电3.等效电路rC0CLL

—

晶体的动态电感

(10-3~102H)(大)C

—晶体的动态电容

(<0.1pF)(小)r

—

等效摩擦损耗电阻(小)Co

—晶片静态电容

(几~几十pF)3.等效电路rC0CLL—晶体的动态电感C—晶体的大小小大4.频率特性和谐振频率fXfPfS容性容性感性由于C和r的数值都很小，L数值很大，所以Q值高达104~106。而且，因为振荡频率几乎仅决定于晶片的尺寸，所以其稳定度相当高。因此，石英晶体的选频特性是其它选频网络不能比拟的。大小小大4.频率特性和谐振频率fXfPfS容性容性感性由5.使用注意2)要有合适的激励电平。过大会影响频率稳定度、振坏晶片；过小会使噪声影响大，还能停振。1)要接一定的负载电容CL(微调)，以达标称频率。5.使用注意2)要有合适的激励电平。过大会影响1)要接一定(二)石英晶体谐振电路1.串联型

f=fs，晶体呈纯阻+VCCVRERB1RB2CBLC2.并联型fs<f

<

fp，晶体呈感性+VCCVRERB1RB2CEC3C1C2RC××(二)石英晶体谐振电路1.串联型f=fs，晶体呈纯阻6.3电压比较器6.3.2简单比较器6.3.4窗口比较器6.3.3滞回比较器

电压比较器能够将模拟信号转换成具有数字信号特点的二值信号，即输出不是高电平，就是低电平。因此，集成运放多数情况下工作在非线性区。它既用于信号转换，又作为非正弦波发生电路的重要组成部分。6.3.1概述6.3电压比较器6.3.2简单比较器6.3.4窗口比较通常用电压传输特性来描述电压比较器输出电压与输入电压的函数关系。电压传输特性具有三个要素：（1）输出电压的高、低电平。它决定于集成运放输出电压的最大幅值或输出端的限幅电路。（2）阈值电压。阈值电压是使输出电压从高电平跃变为低电平，或者从低电平跃变为高电平的输入电压。也就是使集成运放同相输入端和反相输入端电位相等的输入电压。（3）输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向。它决定于输入电压是作用于集成运放的反相输入端，还是同相输入端。6.3.1概述通常用电压传输特性来描述电压比较器输出电压与输入电压的函数关一、集成运放的非线性工作区在电压比较器电路中，集成运放往往不是处于开环状态（即没有引入反馈），就是只引入了正反馈。因此，集成运放工作在非线性区。一、集成运放的非线性工作区在电压比较器电路中，集成运放往往不二、电压比较器的种类只有一个阈值电压具有滞回特性，虽有两个阈值电压，但当输入电压向单一方向变化时输出电压仅跃变一次。有两个阈值电压，当输入电压向单一方向变化时，输出电压跃变两次。二、电压比较器的种类只有一个阈值电压具有滞回特性，虽有两个阈6.3.2简单比较器1.过零比较器6.3.2简单比较器1.过零比较器2.一般简单比较器UTH2.一般简单比较器UTH例：在图示电路中，稳压管的稳定电压UZ=±5V，R1=R2=5k，基准电压UREF=2V，已知输入电压为三角波。试画出输出电压的波形。OuO/VuI/V－2－5+5例：在图示电路中，稳压管的稳定电压UZ=±5V，R1=R2=6.3.3滞回比较器OuOuI+UZ－UZ+UTH－UTH这是反相输入的滞回比较器6.3.3滞回比较器OuOuI+UZ－UZ+UTH－UT加了参考电压的滞回比较器改变参考电压的大小和极性，滞回比较器的电压传输特性将产生水平方向的移动；改变稳压管的稳定电压可使电压传输特性产生垂直方向的移动。加了参考电压的滞回比较器改变参考电压的大小和极性，滞回比较器例1：在图示电路中，已知R1=50k，R2=100k，稳压管的稳定电压±UZ=±9V，输入电压uI的波形如图所示，试画出输出电压uO的波形。滞回比较器具有一定的抗干扰能力例1：在图示电路中，已知R1=50k，R2=100k例2：设计一个电压比较器，使其电压传输特性如图所示，要求所用电阻阻值在20～100k之间。若取R1为25k，则R2应取为50k；若取R1为50k，则R2应取为100k。例2：设计一个电压比较器，使其电压传输特性如图所示，要求所用6.3.4窗口比较器简单比较器和滞回比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，因而不能检测出输入电压是否在两个给定电压之间，而窗口比较器具有这一功能。6.3.4窗口比较器简单比较器和滞回比较器在输入电压单一示例：已知图(a)所示方框图各点的波形如图(b)所示，试指出各电路的名称。示例：已知图(a)所示方框图各点的波形如图(b)所示，试指出思考：试分别求解图示各电路的电压传输特性。思考：试分别求解图示各电路的电压传输特性。抗干扰OuIt单门限比较UTuOUOHUOLOt滞回比较OuItUT-UT+UOHUOLOtuO抗OuIt单门限比较UTuOUOHUOLOt滞回比较OuIt整形OuItUT+UT-OuOtUOHUOLOuItUT+UT-OuOtUOHUOL整OuItUT+UT-OuOtUOHUOLOuItUT+UT6.4.1矩形波产生电路(AstableMultivibrator)1.电路组成和输出波形-UZ

uO

uCtUT+UT-UZR1CR2R3UZuOR积分电路

滞回比较器6.4非正弦波发生电路6.4.1矩形波产生电路(AstableMultivib2.振荡频率占空比=50%2.振荡频率占空比=50%3.占空比可调的矩形波电路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如下图。3.占空比可调的矩形波电路8.4.2三角形波发生电路三角波发生电路6.4.2三角波发生电路

三角波发生器的电路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UREF。8.4.2三角形波发生电路三角波发生电路8.4.3三角形波发生电路6.4.3锯齿波发生电路为了获得锯齿波，应改变积分器的充、放电时间常数。图中的二极管D和R将使充电时间常数减小为(R∥R)C，而放电时间常数仍为RC。锯齿波电路的波形图如下。8.4.3三角形波发生电路6.4.3锯齿波发生电路

例2：设振荡周期为T，在一个周期内uO1＝UZ的时间为T1，则占空比为T1/T；在电路某一参数变化时，其余参数不变。选择①增大、②不变或③减小填入空内：当R1增大时，uO1的占空比将

，振荡频率将

，uO2的幅值将

；若RW1的滑动端向上移动，则uO1的占空比将

，振荡频率将

，uO2的幅值将

；若RW2的滑动端向上移动，则uO1的占空比将

，振荡频率将

，uO2的幅值将

。

答案：设RW1、RW2在未调整前滑动端均处于中点，则应填入②，①，③；②，①，②；③，②；②。例2：设振荡周期为T，在一个周期内uO1＝UZ的时间思考：已知ui为正弦波，画出uo波形。思考：已知ui为正弦波，画出uo波形。补充：压控方波产生电路一、积分-施密特触发器型压控振荡器V1V2+VCCV3施密特触发器uduORCuCI0V4V5压控恒流源压控恒流源积分器积分器镜象电流源镜象电流源uO=UOLV3截止，uO=UOHC充电至UT+V3导通，C放电至

UT-uO=UOL

uCtUOm

uOtUT+UT-占空比50%I0I0补充：压控方波产生电路一、积分-施密特触发器型压控振荡二、8038集成函数发生器>I01电子开关S1.原理11+VCCRRRRSCI01I02uC6932-VEE或地10反相器电压跟随器正弦波变换器二、8038集成函数发生器>I01电子1.原理11+V当Q=0，S断开，C充电(I01)至2/3VCCQ=1当Q=1，S闭合，C放电(I02

-I01)至1/3VCCQ=0当I02

=2I01，引脚9输出方波，引脚3输出三角波；当I02

<2I01，

引脚9输出矩形波，引脚3输出锯齿波。补充1：压控方波产生电路3当Q=0，S断开，C充电(I01)至2/3V2.应用12345678ICL8038141312111091314正弦波失真度调整正弦波失真度调整正弦波输出三角波输出矩形波输出调频偏置电压输入调频偏置电压输出接电阻RA接电阻RB接电容C+VCC-VEE

(或地)应用12.应用12345678ICL14131211109131调占空比和正弦波失真调频率调占空比和正弦波失真RP2RP4

RP1+VCC-VEERRAICL803845131011128RBRP3CC1692应用2调占空比和正弦波失真调调占空比和正弦波失真RP2RP4RP一、信号产生电路的分类：正弦波振荡:非正弦波振荡：RC振荡器

(低频)LC振荡器

(高频)石英晶体振荡器(振荡频率精确)方波、三角波、锯齿波等。小结一、信号产生电路的分类：正弦波振荡:非正弦波振荡：RC振荡二、正弦波振荡条件、电路结构和选频电路1.振荡条件—振幅平衡条件—相位平衡条件n=0,1,2,••判断电路是否起振采用瞬时极性法，即断开反馈网络，加一信号，如果信号极性逐级变化后，返回后与原信号同极性，则满足相位平衡条件。二、正弦波振荡条件、电路结构和选频电路1.振荡条件—振幅2.振荡电路的两种结构放大器选频正反馈网络UoUfUi选频放大器正反馈网络UoUfUi3.选频电路及其特性小结32.振荡电路的两种结构放大器选频正UoUfUi选频正反馈U1)RC

串并联式幅频特性0Fu

.相频特性0f90°–90°当

=0=1/RC时Fu=1/3.

=0º电路小结41)RC串并联式幅0Fu.相0f90°–2)LC并联谐振回路LuCr–

+iiLiC阻抗幅频特性电路0Z

Z0阻抗相频特性0f90º–90º谐振频率谐振阻抗回路品质因数小结52)LC并联谐振回路LuCr–+iiLiC阻抗幅频特性电三、正弦波振荡电路1.RC桥氏振荡电路CR1RfRCR•••振荡频率振荡条件即自动稳幅措施：使电Au成为非线性Rf串接二极管(图略)Rf串接负温度系数热敏电阻R1采用正温度系数热敏电阻小结6三、正弦波振荡电路1.RC桥氏振荡电路CR1RfRCR•3.LC振荡电路变压器反馈式LC+VCCVRERB1RB2CECB电感三点式C+VCCVRERB1RB2CECBL1L2C1小结73.LC振荡电路变压器反馈式LC+VCCVRERB1RB电容三点式+VCCVRERB1RB2CECBLC1C2123电容三点式+VCCVRERB1RB2CECBLC1C2123四、石英晶体振荡电路1.等效电路和频率特性符号等效电路rqC0CqLq频率特性fXfPfS串联谐振频率并联谐振频率2.石英晶体谐振电路串联型

f=fs，晶体呈纯阻并联型fs<f<

fp，晶体呈感性四、石英晶体振荡电路1.等效电路和频率特性符号等效电路rq五、比较器OuIuOUZUREF–UZ1.单限电压比较器传输特性五、比较器OuIuOUZUREF–UZ1.单限电压比较器OuIuOUZUREF–UZ特点：1)工作在非线性区2)不存在虚短

(除了uI=UREF时)

3)存在虚断门限电压

UT=UREFOuIuOUZUREF–UZ特点：1)工作在非线性区2)六、非正弦波振荡电路1.产生方波振荡的基本原理CuOR施密特触发器当施密特触发器输出高(低)电平时，电容C的充电方向不同，每当uC超过上(下)门限电压时，施密特触发器的输出电平就发生跳变，使电容改变充电方向，于是形成uO周而复始的高、低电平跳变，即方波振荡。小结12六、非正弦波振荡电路1.产生方波振荡的基本原理CuOR施密施密特触发器的构成：迟滞比较器(运放接成正反馈)555定时器的施密特触发器形式集成施密特触发器2.获得三角波的基本方法方波积分电路三角波小结13施密特触发器的构成：迟滞比较器(运放接成正反馈)5552.滞回比较器(施密特触发器)

反相型滞回比较器uIRR1UREFR2R3UZPuOOuIuOUT+UT–UZ–UZ传输特性2.滞回比较器(施密特触发器)反相型滞回比较器uIR同相型迟滞比较器R1RuIUREFR2R3UZNPuO传输特性OuIuOUT+UT-UZ–UZ门限电压的求法：根据叠加定理求出同相端电压uP

的表达式，当输出状态变化时，与反相端电压uN相等,此时的输入电压uI即为门限电压UT+和UT–。同相型迟滞比较器R1RuIUREFR2R3UZNPuO传输第6章波形的发生与信号的转换小结6.2正弦波振荡电路6.4非正弦波发生电路6.1概述6.3电压比较器6.5利用集成运放实现信号的转换第6章波形的发生与信号的转换小结6.2正弦波振荡电路6信号产生电路(振荡器—Oscillators)分类：正弦波振荡非正弦波振荡RC振荡器(1kHz~数百kHz)LC振荡器(几百kHz以上)石英晶体振荡器(频率稳定度高)方波、三角波、锯齿波等主要性能要求：输出信号的幅度准确稳定输出信号的频率准确稳定6.1概述信号产生电路(振荡器—Oscillators)分类：正弦波振6.2正弦波振荡电路6.2.1正弦波振荡的条件6.2.2RC正弦波振荡电路6.2.3LC正弦波振荡电路6.2.4石英晶体正弦波振荡电路6.2正弦波振荡电路6.2.1正弦波振荡的条件6.2.6.2.1

正弦波振荡的条件一、振荡条件放大器反馈网络Ui•A•F•Uo•Uf•RL微弱的电扰动中，某一频率成分通过正反馈逐渐放大，则产生正弦振荡。—

振幅平衡条件—

相位平衡条件n=0,1,2,••8.2.1正弦波振荡条件16.2.1正弦波振荡的条件一、振荡条件放大器反馈网络U二、起振条件起振条件放大器A反馈网络FUoUfUi

1/FAF=1OuiuoAuoA

F

>1AF<1Ui1Uo1Uf1Ui2Uo2Uf2Ui3Uo3Uf2Ui4Uo4ufuf

起振稳幅••（略大于1）二、起振条件起振条件放大器A反馈网络FUoUfUi1/FAF三、电路的组成和起振的判断1.放大电路2.正反馈网络

3.选频网络4.稳幅环节

组成: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。引入正反馈，使放大电路的输入信号等于反馈信号。确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。也就是非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。三、电路的组成和起振的判断1.放大电路2.正反馈网络3放大器选频正反馈网络UoUfUi选频放大器正反馈网络UoUfUi

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放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节四个组成部分。（2）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。（3）利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相位条件。具体做法是：断开反馈，在断开处给放大电路加频率为f0的输入电压，并给定其瞬时极性，如图所示；然后以输入信号极性为依据判断输出电压的极性，从而得到反馈电压的极性；若反馈电压与输入电压极性相同，则说明满足相位条件，电路有可能产生正弦波振荡，否则表明不满足相位条件，电路不可能产生正弦波振荡。（4）判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件，即是否满足起振条件。放大器选频正UoUfUi选频正反馈UoUfUi判断电路是否•••6.2.2RC正弦波振荡电路一、RC桥式振荡电路0Fu

.0f90-90•1.RC串并联选频网络式中:0=1/RC当

=0

时F=1/3.

=0º•••6.2.2RC正弦波振荡电路一、RC桥式振荡电2.RC桥氏振荡电路A

=2nF=0º2)电路：同相放大器1)组成：RfCR1RCR•••2.RC桥氏振荡电路A=2nF=0º2)3)振荡频率4)起振条件•••（略大于1）Rf不能太大，否则正弦波将变成方波3)振荡频率4)起振条件•••（略大于1）Rf不能5)稳幅措施为使电路Au为非线性，起振时，应使Au>3，稳幅后Au=3。热敏电阻稳幅正温度系数负温度系数5)稳幅措施为使电路Au为非线性，起振时，应使Au>Au

1+R2/R1=3为使失真小：R2<2R1R2>2R1-R3Au

1+(R2+R3)/R1>3起振时信号小，二极管电阻大12.4k>R2>8.1kf0=1.94kHz二极管稳幅R1R2V1V2R38.2k6.2k22k4.3k0.01F8.2k0.01FAu1+R2/R1=3为使失真小：R2<2振荡频率可调的RC串并联选频网络用双层波段开关接不同的电容，作为振荡频率f0的粗调用同轴电位器实现f0的微调例：已知电容的取值分别为0.01F、0.1F、1F、10F，电阻R=50，电位器Rw=10k。试问：f0的调节范围？振荡频率可调的RC串并联选频网络用双层波段开关接不同的电容，例一：电路如图所示，试求解：

（1）Rw的下限值；

（2）振荡频率的调节范围。例一：电路如图所示，试求解：

（1）Rw的下限值；

（2）振例二：电路如图所示，稳压管DZ起稳幅作用，其稳定电压±UZ=±6V。试估算：

（1）输出电压不失真情况下的有效值；

（2）振荡频率。例二：电路如图所示，稳压管DZ起稳幅作用，其稳定电压±UZ=思考：试将图示电路合理连线，组成RC桥式正弦波振荡电路，并求出振荡频率和起振条件。分析：振荡频率起振条件即（略大于）思考：试将图示电路合理连线，组成RC桥式正弦波振荡电路，并求二、RC移相式振荡电路（补充）一节RC环节移相90二节RC环节移相180三节RC环节移相270对于的信号，—

满足相位平衡条件优点：结构简单缺点：选频特性差，输出波形差CRRfRCRC二、RC移相式振荡电路（补充）一节RC环节移相96.2.3LC正弦波振荡电路类型：变压器反馈式、电感三点式、电容三点式一、变压器反馈式LC振荡电路LrCIs.L的等效损耗电阻(一)

LC并联回路的特性Z6.2.3LC正弦波振荡电路类型：变压器反馈式、电1.谐振频率f02.谐振阻抗Z03.回路品质因数Q选频网络的损耗愈小；谐振频率相同时，电容容量愈小，电感数值愈大，品质因数愈大，将使得选频特性愈好。1.谐振频率f02.谐振阻抗Z03.回路品质因数4.频率特性0Z

Z0Q大Q小0f90º-90ºQ增大幅频特性相频特性Q值愈大，曲线愈陡，选频特性愈好。4.频率特性0ZZ0Q大Q小0f905.并联谐振的本质—

电流谐振LuCr–

+iiLiC1)

Z=Z0

呈纯阻2)形成环流，大小是总电流的Q

倍••IC•IL•U•I•5.并联谐振的本质—电流谐振LuCr–+iiLiC1)选频放大电路这是以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载。根据LC并联网络的频率特性，当f=f0时，电压放大倍数的数值最大，且无附加相移。对于其余频率的信号，电压放大倍数不但数值减小，而且有附加相移。电路具有选频特性，故称之为选频放大电路。若在电路中引入正反馈，并能用反馈电压取代输入电压，则电路就成为正弦波振荡电路。选频放大电路这是以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载。（二）变压器反馈式振荡电路为使反馈电压与输入电压同相，同名端标注如图。当反馈电压取代输入电压时，就得到变压器反馈式振荡电路。为使反馈电压与输入电压同相，同名端标注如图。当反馈电压取代输入电压时，就得到变压器反馈式振荡电路。+－ui+－++－uf优缺点:易于振荡，输出电压波形失真不大，应用范围广泛。但由于输出电压与反馈电压靠磁路耦合，因而耦合不紧密，损耗较大，振荡频率f0的稳定性不高。用于产生几kHz至几十MHz的正弦波。反馈电压的极性与输入电压相同，故电路满足正弦波振荡的相位条件。同名端同极性（二）变压器反馈式振荡电路为使反馈电压与输入电压同相，同名端变压器反馈式振荡电路LC+VCCTRERB1RB2CECB满足相位平衡条件×同名端同极性变压器反馈式振荡电路LC+VCCTRERB1RB2CECB满二、电感三点式振荡电路将N1和N2合并为一个线圈，克服耦合不紧密的缺点。为了加强谐振效果，将电容C跨接在整个线圈两端。+－ui－+uf－+cbe优缺点:放大电路和反馈网络耦合紧密，易振，输出波形含高次谐波；用于产生几kHz至几十MHz的正弦波，改变选频网络的电容容量可得较宽的振荡频率范围。反馈电压的极性与输入电压相同，故电路满足正弦波振荡的相位条件。二、电感三点式振荡电路将N1和N2合并为一个线圈，克服耦合不三、电容三点式振荡电路+－ui－++－uf优缺点:输出电压波形好，用于产生几kHz至几十MHz固定频率的正弦波。若用改变电容的方法来调节振荡频率，则会影响电路的起振条件；而若用改变电感的方法来调节振荡频率，则比较困难；所以常常用在固定振荡频率的场合。反馈电压的极性与输入电压相同，故电路满足正弦波振荡的相位条件。考毕兹振荡器(Colpitts)三、电容三点式振荡电路+－ui－++－uf优缺点:输出电压波电容三点式振荡电路的改进小由于极间电容受温度的影响，杂散电容又难于确定，为了稳定振荡频率，在设计电路中，必须使它们对选频特性的影响忽略不计。具体方法是在电感所在支路串联一个小容量电容C。让C1和C2远大于极间电容和杂散电容，只起分压作用，以获得反馈电压，而几乎对振荡频率无影响，则电路的振荡频率就可能很稳定。电容三点式振荡电路的改进小由于极间电容受温度的影响，杂散电容采用共基放大电路的电容三点式振荡电路+－ui+－+－uf在要求电容三点式振荡电路的振荡频率高达100MHz以上时，应考虑采用共基放大电路。反馈电压的极性与输入电压相同，故电路满足正弦波振荡的相位条件。只要电路参数选择得当，电路就可满足幅值条件，而产生正弦波振荡。采用共基放大电路的电容三点式振荡电路+－ui+－+－uf在要例一：电路如图所示，图中Cb为旁路电容，C1为耦合电容，对交流信号均可视为短路。为使电路可能产生正弦波振荡，试说明变压器原边线圈和副边线圈的同名端。+－ui++－uf因此，变压器原边线圈的下端和副边线圈的上端为同名端；或者说原边线圈的上端和副边线圈的下端为同名端。例一：电路如图所示，图中Cb为旁路电容，C1为耦合电容，对交例二：标出各电路中变压器的同名端，使之满足正弦波振荡的相位条件。+－ui－++－uf－uf+－ui+－例二：标出各电路中变压器的同名端，使之满足正弦波振荡的相位条例三：改正图示电路中的错误，使之有可能产生正弦波振荡。要求不能改变放大电路的基本接法。观察电路，Ce容量远大于C1和C2，故为旁路电容，对交流信号可视为短路。C1、C2和L构成LC并联谐振网络，C2上的电压为输出电压，C1上的电压为反馈电压，因而电路为电容三点式振荡电路。电感L连接晶体管的基极和集电极，在直流通路中使两个极近似短路，造成放大电路的静态工作点不合适，故应在选频网络与放大电路输入端之间加耦合电容。晶体管的集电极直接接电源，在交流通路中使集电极与发射极短路，因而输出电压恒等于零。所以，必须在集电极加电阻Rc。例三：改正图示电路中的错误，使之有可能产生正弦波振荡。要求不思考：分别判断图示各电路是否可能产生正弦波振荡。可能可能不能不能思考：分别判断图示各电路是否可能产生正弦波振荡。可能可能不能6.2.4石英晶体(Crystal)振荡电路(一)石英晶体谐振器的阻抗特性1.结构和符号化学成分

SiO2结构晶片涂银层焊点符号6.2.4石英晶体(Crystal)振荡电路(一)石英2.压电效应形变形变机械振动外力在石英晶体两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。2.压电效应形变形变机械振动外力在石英晶体两个管脚加交变电3.等效电路rC0CLL

—

晶体的动态电感

(10-3~102H)(大)C

—晶体的动态电容

(<0.1pF)(小)r

—

等效摩擦损耗电阻(小)Co

—晶片静态电容

(几~几十pF)3.等效电路rC0CLL—晶体的动态电感C—晶体的大小小大4.频率特性和谐振频率fXfPfS容性容性感性由于C和r的数值都很小，L数值很大，所以Q值高达104~106。而且，因为振荡频率几乎仅决定于晶片的尺寸，所以其稳定度相当高。因此，石英晶体的选频特性是其它选频网络不能比拟的。大小小大4.频率特性和谐振频率fXfPfS容性容性感性由5.使用注意2)要有合适的激励电平。过大会影响频率稳定度、振坏晶片；过小会使噪声影响大，还能停振。1)要接一定的负载电容CL(微调)，以达标称频率。5.使用注意2)要有合适的激励电平。过大会影响1)要接一定(二)石英晶体谐振电路1.串联型

f=fs，晶体呈纯阻+VCCVRERB1RB2CBLC2.并联型fs<f

<

fp，晶体呈感性+VCCVRERB1RB2CEC3C1C2RC××(二)石英晶体谐振电路1.串联型f=fs，晶体呈纯阻6.3电压比较器6.3.2简单比较器6.3.4窗口比较器6.3.3滞回比较器

电压比较器能够将模拟信号转换成具有数字信号特点的二值信号，即输出不是高电平，就是低电平。因此，集成运放多数情况下工作在非线性区。它既用于信号转换，又作为非正弦波发生电路的重要组成部分。6.3.1概述6.3电压比较器6.3.2简单比较器6.3.4窗口比较通常用电压传输特性来描述电压比较器输出电压与输入电压的函数关系。电压传输特性具有三个要素：（1）输出电压的高、低电平。它决定于集成运放输出电压的最大幅值或输出端的限幅电路。（2）阈值电压。阈值电压是使输出电压从高电平跃变为低电平，或者从低电平跃变为高电平的输入电压。也就是使集成运放同相输入端和反相输入端电位相等的输入电压。（3）输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向。它决定于输入电压是作用于集成运放的反相输入端，还是同相输入端。6.3.1概述通常用电压传输特性来描述电压比较器输出电压与输入电压的函数关一、集成运放的非线性工作区在电压比较器电路中，集成运放往往不是处于开环状态（即没有引入反馈），就是只引入了正反馈。因此，集成运放工作在非线性区。一、集成运放的非线性工作区在电压比较器电路中，集成运放往往不二、电压比较器的种类只有一个阈值电压具有滞回特性，虽有两个阈值电压，但当输入电压向单一方向变化时输出电压仅跃变一次。有两个阈值电压，当输入电压向单一方向变化时，输出电压跃变两次。二、电压比较器的种类只有一个阈值电压具有滞回特性，虽有两个阈6.3.2简单比较器1.过零比较器6.3.2简单比较器1.过零比较器2.一般简单比较器UTH2.一般简单比较器UTH例：在图示电路中，稳压管的稳定电压UZ=±5V，R1=R2=5k，基准电压UREF=2V，已知输入电压为三角波。试画出输出电压的波形。OuO/VuI/V－2－5+5例：在图示电路中，稳压管的稳定电压UZ=±5V，R1=R2=6.3.3滞回比较器OuOuI+UZ－UZ+UTH－UTH这是反相输入的滞回比较器6.3.3滞回比较器OuOuI+UZ－UZ+UTH－UT加了参考电压的滞回比较器改变参考电压的大小和极性，滞回比较器的电压传输特性将产生水平方向的移动；改变稳压管的稳定电压可使电压传输特性产生垂直方向的移动。加了参考电压的滞回比较器改变参考电压的大小和极性，滞回比较器例1：在图示电路中，已知R1=50k，R2=100k，稳压管的稳定电压±UZ=±9V，输入电压uI的波形如图所示，试画出输出电压uO的波形。滞回比较器具有一定的抗干扰能力例1：在图示电路中，已知R1=50k，R2=100k例2：设计一个电压比较器，使其电压传输特性如图所示，要求所用电阻阻值在20～100k之间。若取R1为25k，则R2应取为50k；若取R1为50k，则R2应取为100k。例2：设计一个电压比较器，使其电压传输特性如图所示，要求所用6.3.4窗口比较器简单比较器和滞回比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，因而不能检测出输入电压是否在两个给定电压之间，而窗口比较器具有这一功能。6.3.4窗口比较器简单比较器和滞回比较器在输入电压单一示例：已知图(a)所示方框图各点的波形如图(b)所示，试指出各电路的名称。示例：已知图(a)所示方框图各点的波形如图(b)所示，试指出思考：试分别求解图示各电路的电压传输特性。思考：试分别求解图示各电路的电压传输特性。抗干扰OuIt单门限比较UTuOUOHUOLOt滞回比较OuItUT-UT+UOHUOLOtuO抗OuIt单门限比较UTuOUOHUOLOt滞回比较OuIt整形OuItUT+UT-OuOtUOHUOLOuItUT+UT-OuOtUOHUOL整OuItUT+UT-OuOtUOHUOLOuItUT+UT6.4.1矩形波产生电路(AstableMultivibrator)1.电路组成和输出波形-UZ

uO

uCtUT+UT-UZR1CR2R3UZuOR积分电路

滞回比较器6.4非正弦波发生电路6.4.1矩形波产生电路(AstableMultivib2.振荡频率占空比=50%2.振荡频率占空比=50%3.占空比可调的矩形波电路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如下图。3.占空比可调的矩形波电路8.4.2三角形波发生电路三角波发生电路6.4.2三角波发生电路

三角波发生器的电路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UREF。8.4.2三角形波发生电路三角波发生电路8.4.3三角形波发生电路6.4.3锯齿波发生电路为了获得锯齿波，应改变积分器的充、放电时间常数。图中的二极管D和R将使充电时间常数减小为(R∥R)C，而放电时间常数仍为RC。锯齿波电路的波形图如下。8.4.3三角形波发生电路6.4.3锯齿波发生电路

例2：设振荡周期为T，在一个周期内uO1＝UZ的时间为T1，则占空比为T1/T；在电路某一参数变化时，其余参数不变。选择①增大、②不变或③减小填入空内：当R1增大时，uO1的占空比将

，振荡频率将

，uO2的幅值将

；若RW1的滑动端向上移动，则uO1的占空比将

，振荡频率将

，uO2的幅值将

；若RW2的滑动端向上移动，则uO1的占空比将

，振荡频率将

，uO2的幅值将

。

答案：设RW1、RW2在未调整前滑动端均处于中点，则应填入②，①，③；②，①，②；③，②；②。例2：设振荡周期为T，在一个周期内uO1＝UZ的时间思考：已知ui为正弦波，画出uo波形。思考：已知ui为正弦波，画出uo波形。补充：压控方波产生电路一、积分-施密特触发器型压控振荡器V1V2+VCCV3施密特触发器uduORCuCI0V4V5压控恒流源压控恒流源积分器积分器镜象电流源镜象电流源uO=UOLV3截止，uO=UOHC充电至UT+V3导通，C放电至

UT-uO=UOL

uCtUOm

uOtUT+UT-占空比50%I0I0补充：压控方波产生电路一、积分-施密特触发器型压控振荡二、8038集成函数发生器>I01电子开关S1.原理11+VCCRRRRSCI01I02uC6932-VEE或地10反相器电压跟随器正弦波变换器二、8038集成函数发生器>I01电子1.原理11+V当Q=0，S断开，C充电(I01)至2/3VCCQ=1当Q=1，S闭合，C放电(I02

-I01)至1/3VCCQ=0当I02

=2I01，引脚9输出方波，引脚3输出三角波；当I02

<2I01，

引脚9输出矩形波，引脚3输出锯齿波。补充1：压控方波产生电路3当Q=0，S断开，C充电(I01