模拟电子技术基础课件8波形的发生和转换

第八章

波形的发生和信号的转换正弦波振荡电路电压比较器非正弦波发生电路利用集成运放实现的信号转换电路锁相环及其在电路中的运用第四版童诗白第四版童诗白本章重点和考点：1.重点掌握RC正弦波振荡工作原理。2.掌握电压比较器的传输特性。3.重点掌握非正弦波发生电路的原理。本章教学时数：8学时

正弦波振荡电路本节讨论的问题：1.如何设计正弦波发生电路？2.正弦波的频率如何确定？3.如正弦波波形不正常，如何调试？正弦波振荡电路概述~放大电路反馈网络如果反响电压uf与原输入信号ui完全相等，那么即使无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号——自激振荡。(电路要引入正反响)图正弦波振荡电路的方框图一、产生正弦波振荡的条件动画由此知放大电路产生自激振荡的条件是：即：所以产生正弦波振荡的条件是：——幅度平衡条件——相位平衡条件电路起振的条件：问题:第六章自激振荡的条件如何?二者有何区别?二、正弦波振荡电路的组成及分类

组成：放大电路：集成运放选频网络：确定电路的振荡频率反响网络：引入正反响稳幅环节：非线性环节，使输出信号幅值稳定分类：根据选频网络所用元件来命名RC正弦波振荡电路，频率较低，在1MHz以下。LC正弦波振荡电路，频率较高，在1MHz以上。石英晶体振荡电路，频率较高，振荡频率非常稳定。三、判断电路能否产生正弦波振荡的方法和步骤1.检查电路是否具备正弦波振荡的组成局部；2.检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正常工作；3.分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件判断相位平衡条件的方法是：瞬时极性法。5.估算振荡频率和起振条件4.判断是否满足振幅平衡条件。

RC正弦波振荡电路RC串并联网络振荡电路也称RC桥式正弦波振荡电路或称文氏振荡电路(Wien)电路组成：放大电路——集成运放A；选频与正反响网络——R、C串并联电路；稳幅环节——RF与R组成的负反响电路。图8.1.4一、RC串并联选频网络Z1Z2取R1=R2=R，C1=C2=C，令

那么：得RC串并联电路的幅频特性为：相频特性为：最大，F=0。0F01/3+90º-90º图

二、振荡频率与起振条件1.振荡频率2.起振条件f=f0时，由振荡条件知：所以起振条件为：同相比例运放的电压放大倍数为即要求：三、振荡电路中的负反响(稳幅环节)引入电压串联负反响，可以提高放大倍数的稳定性，改善振荡电路的输出波形，提高带负载能力。负反响放大电路反响系数改变RF，可改变反响深度。增加负反响深度，并且满足那么电路可以起振，并产生比较稳定而失真较小的正弦波信号。图8.1.7反响电阻RF采用负温度系数的热敏电阻，采用正温度系数的热敏电阻，均可实现自动稳幅。稳幅的其它措施电流增大时，二极管动态电阻减小。电流减小时，动态电阻增大，加大非线性环节，从而使输出电压稳定。在RF回路中串联二个并联的二极管四、振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路用双层波段开关接不同电容，作为振荡频率f0的粗调；用同轴电位器实现f0的微调。RC串、并联网络中，如何调节频率？小结:1.正弦波振荡电路的分析方法:组成局部,Q点分析,相位条件分析,幅度条件分析;根据相位条件分析确定振荡频率。正弦波振荡电路该电路振荡频率较低,常用的RC桥式正弦波振荡电路,由RC串并联网络和同相比例运算电路组成,假设RC串并联网络的电阻为R,电容为C,那么;振荡频率为正反响系数为放大倍数为*其他形式的RC振荡电路一、移相式振荡电路集成运放产生的相位移A=180º，如果反响网络再相移180º，即可满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。振荡频率为：0270º180º90º当f=f0时，相移180º，满足正弦波振荡的相位条件。起振条件：RF>12R*二、双T选频网络振荡电路振荡频率约为：当f=f0时，双T网络的相移为F=180º；反相比例运放的相移A=180º，因此满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。如果放大电路的放大倍数足够大，同时满足振幅平衡条件，即可产生正弦波振荡。起振条件*三种RC振荡电路的比较名称RC串并联网络振荡电路移相式振荡电路双T网络选频振荡电路电路形式振荡频率起振条件电路特点应用场合可方便地连续调节振荡率，便于加负反馈稳幅电路。电路简单，经济方便，适用于波形要求不高的轻便测试设备中。选频特性好，适用于产生单一频率的振荡波形。问题：如何提高频率？

LC正弦波振荡电路为了提高振荡频率,选频网络可用LC网络。在LC正弦波振荡电路，当f=f0，放大电路的放大倍数数值最大〔此时LC网络为并联谐振〕，引入正反响后，使反响电压作为输入电压，以维持输出电压，从而形成正弦波振荡。LC正弦波振荡电路的放大电路多采用分立元件电路,有时了采用共基电路。

LC正弦波振荡电路一、LC谐振回路的频率特性当频率变化时，并联电路阻抗的大小和性质都发生变化。并联电路的导纳：当电路发生并联谐振。图

并联谐振角频率令：——谐振回路的品质因数当Q

>>1时谐振频率：回路等效阻抗：LC并联回路的阻抗：发生并联谐振时，在谐振频率附近，可见，Q值不同，回路的阻抗不同。不同Q值时，LC并联电路的幅频特性：Z01Z02Q1

>Q2Q1Q2相频特性：F+90º-90ºQ1Q2Q1

>Q2感性纯阻容性结论：1.当f=f0时，电路为纯电阻性，等效阻抗最大；当f

<

f0时，电路为感性；当f

>

f0时，电路为容性。所以LC并联电路具有选频特性。2.电路的品质因数Q愈大，选频特性愈好。图

谐振时LC回路中的电流电容支路的电流：并联回路的输入电流：所以：当Q>>1时，

结论：谐振时，电容支路的电流与电感支路的电流大小近似相等，而谐振回路的输入电流极小。假设以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载当f=f0时，电压放大倍数的数值最大，且无附加相移。因而电路称为选频放大电路假设增加正反响，并用反响电压取代输入电压，那么电路就成为正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路变压器反馈式电感反馈式电容反馈式二、变压器反响式振荡电路1.工作原理放大电路能否放大：交流通路-图变压器反响式振荡电路组成局部：放大电路、选频网络、正反响网络和稳幅环节。Q点合理设置：直流通路相位平衡条件：用瞬时极性判断为正反响，满足自激振荡的。X2.振荡频率和起振条件振荡频率起振条件〔公式推导过程略，见教材P413-P414〕3.特点易于产生振荡,波形较好,应用范围广泛。但是由于输出电压与反响电压靠磁路耦合，因而耦合不紧密，损耗较大，振荡频率的稳定性不高。三、电感反响式振荡电路1.电路组成---图

组成局部：放大电路、选频网络、正反响网络和稳幅环节Q点合理设置：直流通路放大电路能否放大：交流通路相位平衡条件：用瞬时极性判断为正反响，满足自激振荡的。由交流通路分析，电感线圈的三个端分别接在T的三个极，此电路也称为电感三点式电路。2.振荡频率和起振条件振荡频率起振条件3.特点电路的振荡频率调节范围宽，频率可到达几十兆赫。由于反响电压取自于电感，对高频信号具有较大的电抗，输出电压波型中常含有高次谐波。四、电容反响式振荡电路1.电路组成用瞬时极性判断为正反响，所以满足自激振荡的相位平衡条件。2.振荡频率和起振条件振荡频率起振条件图8.1.20----电容反响式改进型振荡电路振荡频率选择C<<C1，C<<C2，那么：减小了三极管极间电容对振荡频率的影响，适用于产生高频振荡。图

电容反响式振荡电路的输出波形好，但假设用改变电容的方法来调节振荡频率，那么会影响起振条件。假设要求电容反响式振荡电路的振荡频率高达100MHz，怎么办？采用共基放大电路如何分析？名称变压器反馈式电感反馈式电容反馈式电容反馈式改进型电路形式振荡频率起振条件同左频率调节方法及范围频率可调，范围较宽。同左频率可调，范围较小。同左振荡波形一般较差好好频率稳定度可达10-4同左可达10-4~10-5可达10-5适用频率几千赫~几十兆赫同左几兆赫~一百兆赫同左各种LC振荡电路的比较8.111分别判断图所示各电路是否可能产生正弦波振荡。

解：〔a〕可能分析方法:1.组成局部;点分析;3.放大倍数分析;4.相位条件分析;5.幅度条件分析;6.根据相位条件确定振荡频率。〔b〕不能〔c〕不能〔d〕可能石英晶体振荡器石英晶体谐振器，简称石英晶体，具有非常稳定的固有频率。一、石英晶体的特点压电效应：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产生机械变形；假设在晶片上施加机械压力，在晶片相应的方向上会产生一定的电场。

压电谐振：晶片上外加交变电压的频率为某一特定频率时，振幅突然增加。1.压电效应和压电振荡2.等效电路和振荡频率符号：串联谐振频率并联谐振频率电抗频率特性OfXfsfp容性容性感性图

石英晶体不振动时,等效为C0,当晶片产生振动时:机械振动的惯性等效为电感L,晶片的弹性等效为电容C,晶片的磨擦损耗等效为电阻R。3.石英晶体振荡器的特点品质因数大,可高达,而最好的LC振荡电路Q值也只能达到几百。品质因数频率稳定度振荡频率几乎决定于晶片的尺寸,所以其稳定度可达到,最好的产品高达,而最好的LC振荡电路中有。二、石英晶体正弦波振荡电路1.并联型石英晶体正弦波振荡电路交流等效电路振荡频率图

2.串联型石英晶体振荡电路图

串联型石英晶体振荡电路当振荡频率等于fS时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，此时正反响最强，相移为零，电路满足自激振荡条件。振荡频率调节R可改变反响的强弱，以获得良好的正弦波。电压比较器1.电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较，输出只有两种可能的状态：高电平或低电平。2.比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于开环状态或引入正反响。3.分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。概述4.比较器是组成非正弦波发生电路的根本单元，在测量、控制、D/A和A/D转换电路中应用广泛。一、电压比较器的传输特性1.电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系2.阈值电压：UT当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。3.电压传输特性的三要素(本节的关键点〕(1)输出电压的高电平UOH和低电平UOL的数值。(2)阈值电压的数值UT。(3)当uI变化且经过UT时，uO跃变的方向。二、理想运放的非线性工作区+UOMuOuP-uNO-UOM集成运放的电压传输特性在电压比较器中，集成运放不是工作在开环状态，就是工作在正反响。电压比较器电压传输特性的三要素(本节的关键点〕(1)输出电压的高电平UOH和低电平UOL的数值。(2)阈值电压的数值UT。(3)当uI变化且经过UT时，uO跃变的方向。单限比较器一、过零比较器由于理想运放的开环差模增益为无穷大，所以当uI<0时，uO=+

UOM；当uI>

0时，uO=-

UOM；过零比较器的传输特性为：uIuO+UOM-UOMOUOM为集成运放的最大输出电压。阈值电压：当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。图UT=0。利用稳压管限幅的过零比较器设任何一个稳压管被反向击穿时，两个稳压管两端总的的稳定电压为UZ

<UOMuIuO+UOM

-UOMO+UZ-UZ当uI<0时，不接稳压管时，uO=+UOM，接入稳压管后，左边的稳压管被反向击穿，集成运放的反向输入端“虚地〞，uO=+UZ；当uI>0时，右边的稳压管被反向击穿，uO=-UZ；图

利用稳压管限幅的过零比较器(二)电路图传输特性uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ问题1：如将输入信号加在“+〞端，传输特性如何？问题2：过零比较器如下图，输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？传输特性uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ将正弦波变为矩形波二、单限比较器单限比较器有一个阈值电压，当输入电压等于此阈值电压时，输出端的状态立即发生跳变。当输入电压uI变化，使反相输入端的电位为零时，输出端的状态将发生跳变，阈值电压为?uIuO+UOM-UOMO+UZ-UZ过零比较器是阈值电压为零的单限比较器。图

R1R2如何求阈值电压？电压比较器分析方法小结〔1〕由限幅电路确定电压比较器的输出高电平UOH和输出低电平UOL。〔2〕写出up和uN的电位表达式，令up=uN，解得输入电压就是阈值电压UT。〔3〕u0在uI过UT时的跃变方向决定于作用于集成运放的哪个输入端。当uI从反向输入端输入时，uI<UT,u0=U0H;uI>UT,u0=U0L。反之，结论相反。[例8.2.1]在图所示电路中，UZ=±6V，在图中所示电路中，R1=R2=5kΩ，基准电压UREF=2V，稳压管的稳定电压UZ=±5V；它们的输入电压均为图〔a〕所示的三角波。试画出图所示电路的输出电压u01和图所示电路的输出电压u02解图为过零比较器图为一般单限比较器。图例波形图R1R2存在干扰时单限比较器的uI、uO波形单限比较器的作用：检测输入的模拟信号是否到达某一给定电平。

缺点：抗干扰能力差。解决方法：采用具有滞回传输特性的比较器。滞回比较器一、从反相输入端输入的滞回比较器电路计算阈值电压UT电压传输特性uo从+UZ跃变到-UZ的

阈值电压为+UTuo从-UZ跃变到+UZ的

阈值电压为-UTuI在-UT与+UT之间增加或减小,uO不发生变化UREF为参考电压；；uI为输入电压；输出电压uO为+UZ或-UZ。当uP=uN时，输出电压的状态发生跳变。比较器有两个不同的阈值电压，故传输特性呈滞回形状。+UZuIuO-UZOUT-UT+图滞回比较器二、加了参考电压的滞回比较器假设uO=UZ，当uI逐渐减小时，使uO由UZ跳变为UZ所需的门限电平UT-回差(门限宽度)UT：假设uO=UZ，当uI逐渐增大时，使uO由+UZ跳变为-UZ所需的门限电平UT+[例8.2.2]输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。图例波形图±UZ＝±9V图8.2.9滞回比较器电路uO/Vt0+9-98.2.4窗口比较器参考电压UREF1>UREF21.假设uI低于UREF2，运放A1输出低电平，A2输出高电平，二极管VD1截止，VD2导通，输出电压uO为高电平；2.假设uI高于UREF1，运放A1输出高电平，A2输出低电平，二极管VD2截止，VD1导通，输出电压uO为高电平；图双限比较器(a)前面的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二个电压之间。当uI高于UREF2而低于UREF1时，运放A1、A2均输出低电平，二极管VD1、VD2均截止，输出电压uO为低电平；

上门限电平UTH=UREF1；

下门限电平UTL

=UREF2。UTHUTLuIuOO综上所述，双限比较器在输入信号uI<UREF2或uI>UREF1时，输出为高电平；而当UREF2<uI<UREF1时，输出为低电平。图

(b)集成电压比较器一、集成电压比较器的主要特点和分类：1.具有较高的开环差模增益；2.具有较快的响应速度；3.具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高；4.具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。分类：单、双和四电压比较通用型、高速型、低电压型和高精度型普通、集电极〔或漏极〕开路输出或互补输出型二、集成电压比较器的根本接法1.通用型集成电压比较器AD790引脚图+12V单电源供电，逻辑电源为5V。±5V双电源供电，逻辑电源为5V。±15V双电源供电，逻辑电源为5V。2.集电极开路集成电压比较器LM119金属封装的管脚图反相输入2同相输入2电路为双限比较器，能实现线与功能图由LM119构成的双限比较器及其电压传输特性非正弦波发生电路非正弦波：矩形波、三角波、尖顶波和阶梯波等本节应掌握的问题：1.非正弦波产生电路的分析和设计。2.非正弦波的频率如何确定？矩形波发生电路一、电路组成RC充放电回路滞回比较器图8.3.2滞回比较器：集成运放、R1、R2；充放电回路：R、C；〔延迟环节、反响网络〕钳位电路：VDZ、R3。〔稳幅环节〕动画二、工作原理设t=0时，uC=

0，uO=+UZ那么tOuCOuOtu+u-当u-=uC

=u+时，t1t2那么当u-=uC

=u+时，输出又一次跳变，uO=+UZ输出跳变，uO=-UZ图

三、振荡周期电容的充放电规律：对于放电，解得：结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电阻，即可改变振荡周期。t1t2tOuCOuOtt3图8.3.4振荡频率f=1/T四、占空比可调的矩形波发生电路图8.3.5a使电容的充、放电时间常数不同且可调，即可使矩形波发生器的占空比可调。tOuCuOtOT1T2T充电时间T1放电时间T2占空比D图

三角波发生电路一、电路组成图采用波形变换的方法得到三角波uO1为方波电路分析uO2为三角波缺点:三角波的线性度较差,带负载能力差。二、工作原理当u+=u-=0时，滞回比较器的输出发生跳变。图

实用电路左边是同相输入滞回比较器右边为反向积分运算电路图8.3.7R3R4传输特性+UT-UT+UZ-UZuOuI二、工作原理OuO1tOuOt当u+=u-=0时，滞回比较器的输出发生跳变。图

图8.3.7R3R4设t=0时，uO1=+UZ

u0=0三、输出幅度和振荡周期解得三角波的输出幅度当u+=u-=0时，uO1跳变为-UZ，uO到达最大值Uom。振荡周期调节电路中的R1、

R2、R3阻值和C的容量，可改变振荡频率，调节R1、

R2的阻值，可改变三角波的幅值。图8.3.10a锯齿波发生电路一、电路组成OuO1tOuOtT1T2T二、输出幅度和振荡周期图

正向积分时间常数远大于反向积分时间常数或者相反。动画波形变换电路〔自阅〕一、三角波变锯齿波电路二、三角波变正弦波电路1.滤波法2.折线法利用积分电路将方波变为三角波;利用微分电路将三角波变为方波;利用电压比较器将正弦波变为矩形波,利用模拟乘法器将正弦波变为二倍频.利用根本电路来实现波形变换:8.3.5函数发生器函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路；当调节外部电路参数时，还可获得占空比可调的矩形波和锯齿波。一、电路结构〔ICL8038〕③

②1.二个电流源2.二个同相输入单限比较器触发器4.二个缓冲电路5.三角波变正弦波电路当Q=0，S断开，C充电(IS1)至2/3VCCQ=1当Q=1，S闭合，C放电(IS2

-IS1)至1/3VCCQ=0当IS2

=2IS1，引脚9输出方波，引脚3输出三角波；当IS2

<2IS1，引脚9输出矩形波，引脚3输出锯齿波。二、工作原理Qn+1=S+RQn③

②三、性能特点12345678ICL803814131211109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)8.3.20ICL8038的引脚图ICL8038可单电源供电，也可双电源供电。四、常用接法调占空比和正弦波失真调频率调占空比和正弦波失真RW1RP4

RW2+VCC-VE