第8章 波形的发生和信号的变换

第8章波形的发生和信号的变换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8.5Multisim应用举例8.2电压比较器8.1正弦波振荡电路8.1正弦波振荡电路8.1.1概述

正弦波和非正弦波产生电路常常作为信号源，被广泛地应用于无线电通信、自动测量和自动控制等系统中。8.1正弦波振荡电路8.1.1概述基本放大电路A反馈电路FiX+

-dXoXfX只有正反馈才能产生自激振荡改成正反馈8.1正弦波振荡电路如果：,ifXX=则去掉,iX仍有信号输出。基本放大电路A反馈电路FdXoXfX反馈信号代替了放大电路的输入信号。基本放大电路A反馈电路FiX++dXoXfXK8.1正弦波振荡电路基本放大电路A反馈电路FiX++dXoXfX自激振荡条件的推导：如果：

输入信号为0时仍有信号输出，这时就产生了自激振荡。

自激振荡的频率必须是一定的，也就是说在放大、反馈回路中应该有选频作用，将不要的频率抑制掉。则8.1正弦波振荡电路8.1.1概述基本放大电路A反馈电路FiX+

-dXoXfX只有正反馈才能产生自激振荡改成正反馈8.1正弦波振荡电路如果：,ifXX=则去掉,iX仍有信号输出。基本放大电路A反馈电路FdXoXfX反馈信号代替了放大电路的输入信号。基本放大电路A反馈电路FiX++dXoXfXK8.1正弦波振荡电路基本放大电路A反馈电路FiX++dXoXfX自激振荡条件的推导：如果：

输入信号为0时仍有信号输出，这时就产生了自激振荡。

自激振荡的频率必须是一定的，也就是说在放大、反馈回路中应该有选频作用，将不要的频率抑制掉。则8.1.2RC正弦波振荡电路3.幅度起振条件uo_++R2RCRCR1谐振时，因为：8.1.2RC正弦波振荡电路1.组成2.相位条件及振荡频率

例：R=10k，C=0.1F，则：uo_++R2RCRCR1文氏电桥振荡器

(+)(+)(+)谐振频率：8.1.2RC正弦波振荡电路1.组成2.相位条件及振荡频率

例：R=10k，C=0.1F，则：uo_++R2RCRCR1文氏电桥振荡器

(+)(+)(+)谐振频率：8.1.2RC正弦波振荡电路4.稳幅环节能自行启动的电路uotRTA半导体热敏电阻起振时，RT略大于2R1，使|AF|>1，以便起振；_++RTRCRCR1tuo起振后，uo逐渐增大则RT逐渐减小，使得输出uo为某值时，|AF|=1，从而稳幅。8.1.2RC正弦波振荡电路Rf1能自行启动的电路8.1.2RC正弦波振荡电路三、正弦波振荡器的分析方法1.组成基本环节——放大电路、正反馈网络和选频网络。另外，为稳定输出幅度一般还需加上稳幅环节。分类：据选频网络分为RC、LC和石英晶体振荡器。

2.分析方法

(1)检查电路是否包含放大电路、正反馈网络和选频网络。

(2)检查电路是否满足相位平衡条件，估算电路振荡频率。

(3)分析幅度起振条件。

(4)分析稳幅环节。AF++8.1.2RC正弦波振荡电路8.1.2RC正弦波振荡电路8.1.2RC正弦波振荡电路（二）用分立元件组成的RC振荡器RCRC+UCCR1C2C3R3R2RE2C1RC2T1RE1CET2RC1RF++++++––ubeRC网络正反馈，RF、RE1组成负反馈，调整到合适的参数则可产生振荡。++例7.1ub↑8.1.2RC正弦波振荡电路（二）用分立元件组成的RC振荡器RCRC+VCCR1C2C3R3R2RE2C1RC2T1RE1CET2RC1RFR=8.2KΩ,C=0.2uF,求f02.若电路接线无误且Q正常，但不能振荡，原因？如何调整？Af太小！Rf调大。3.输出波形严重失真，原因？如何调整？Af太大！Rf调小。8.1.2RC正弦波振荡电路讨论一：合理连接电路，组成文氏桥振荡电路8.1.2RC正弦波振荡电路四．RC移相式正弦波振荡电路RC移相式振荡电路滞后移相网络超前移相网络优点：结构简单。缺点：选频作用较差，输出波形较差。用于频率固定、稳定性要求不高的场合，频率范围：几赫到几十千赫。RCRRCRC+-+RCC8.1.2RC正弦波振荡电路RC移相式特点：RC移相式振荡电路具有结构简单等优点；缺点是选频作用较差，频率调节不方便，输出幅度不够稳定，输出波形较差，故它一般用于振荡频率固定且稳定性要求不高的场合，其频率范围为几赫到几十千赫。RC振荡器只能用作低频振荡器（1Hz～1MHz）。一般在要求振荡频率高于1MHz时，都用LC并联回路作为选频网络，组成LC正弦波振荡器。8.1.3LC正弦波振荡电路

RC振荡器用于低频（1Hz～1MHz）。振荡频率高于1MHz时，用LC并联回路作为选频网络——LC正弦波振荡器。uo_++R2RCRCR18.1.3LC正弦波振荡电路LC振荡电路的选频电路由L和C构成，可以产生高频振荡。由于高频运放价格较高，所以一般用分立元件组成放大电路。LC振荡电路重点掌握相位条件的判别。CLRLC振荡电路通常有变压器反馈式、电感三点式和电容三点式等几种类型。8.1.3LC正弦波振荡电路1.谐振频率设ω=ω0时，产生并联谐振，谐振回路的品质因素：当Q>>1时何时谐振？一、LC并联谐振回路的特性CLR8.1.3LC正弦波振荡电路2.选频特性在谐振频率附近：CLR8.1.3LC正弦波振荡电路结论：(1)LC电路具有选频特性:

f=f0处，为纯电阻；等效阻抗|Z|最大，近似为感抗和容抗的Q倍。(3)Q值越大，幅频特性越尖锐，即选频特性越好。相频特性越陡，谐振时的阻抗Z0(

Z0=Q(L/C)1/2)也越大。(2)当Q>>1时，谐振频率8.1.3LC正弦波振荡电路3.输入电流与回路电流的关系当Q>>1时，谐振时回路电流比总电流大的多，外界对谐振回路的影响可以忽略！CLR8.1.3LC正弦波振荡电路二．变压器反馈式振荡电路1.组成2.相位条件及振荡频率(+)(-)(+)+VCCCbRLN2N3N1R2CR1ReUOUiUfTCe变压器反馈式振荡器(+)3.幅度起振条件8.1.3LC正弦波振荡电路互感线圈的极性判别1234磁棒初级线圈次级线圈同极性端1234+–+–CLRuiLici反馈信号通过互感线圈引出8.1.3LC正弦波振荡电路三极管共射放大器。利用互感线圈的同名端：

满足相位条件。振荡频率:判断是否是正反馈:用瞬时极性法判断(+)(-)+VCCCbRLN2N3N1R2CR1ReUOUiUfTCe(+)二．变压器反馈式振荡电路1.组成2.相位条件及振荡频率3.幅度起振条件8.1.3LC正弦波振荡电路(+)(-)(+)(+)(+)(+)(+)(+)LC正弦波振荡器举例反馈满足相位平衡条件满足相位平衡条件反馈8.1.3LC正弦波振荡电路++–+正反馈

LC正弦波振荡器举例振荡频率:–+UCCCC1Luo满足相位平衡条件8.1.3LC正弦波振荡电路三．电感反馈式振荡器（哈特莱振荡器）+–(+)+VCCCb(-)N3N1–(+)R2CR1ReUOUiUfTCeN2CTUfUcL1L2+++––Ui电感三点式振荡器及其交流通路（b）交流通路（a）振荡电路1321328.1.3LC正弦波振荡电路1.组成(1)调节频率方便。采用可变电容，可获得较宽的频率调节范围。(2)一般用于产生几十兆赫以下的频率。(3)输出波形中含有较大的高次谐波，波形较差。通常用于要求不高的设备中，例如高频加热器等。

3.幅度起振条件4.电路特点

2.相位条件及振荡频率(+)(-)(+)(+)CbN3N1R2CR1ReUOUiUfTCeN28.1.3LC正弦波振荡电路四．电容反馈式振荡器（考毕兹振荡器）+–(+)+VCCCb(-)Rb1Rb2ReUfUiTCeLTUfUcLL2+++––Ui

电容三点式振荡电路及其交流通路（b）交流通路（a）振荡电路C2C1Rc(+)(-)1321328.1.3LC正弦波振荡电路(1)输出波形较好。

(2)振荡频率较高，一般可以达到100MHz以上。

(3)适于产生固定频率的振荡。要改变频率，可在L两端并联一个可变电容。另外也可采用可调电感来改变频率。3.电路特点(+)(-)(+)(+)+VCCCbRb1Rb2ReUiTCeLC2C1Rc1.组成2.相位条件及振荡频率8.1.3LC正弦波振荡电路1.谐振回路的三个引出端与三极管的三个电极相连接；2.发射极接两个同性质电抗；3.集电极与基极接异性质电抗。满足法则必满足相位平衡条件。电容三点式电感三点式三点式振荡电路组成法则:8.1.3LC正弦波振荡电路由LC并联谐振电路构成选频网络A.若中间点交流接地，则首端与尾端相位相反。三点式LC振荡电路原理：电容三点式电感三点式中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。三点的相位关系B.若首端或尾端交流接地，则其他两端相位相同。8.1.3LC正弦波振荡电路+10VCR1300pF0.01µFR2Re0.01µFnmkjT将图中j、k、m、n的各点正确连接，使它们成为正弦波振荡电路，然后指出它们属于什么电路类型。电感三点式振荡电路8.1.3LC正弦波振荡电路+10VTR1200pFR2Re0.02µFnmkj200pF将图中j、k、m、n的各点正确连接，使它们成为正弦波振荡电路，然后指出它们属于什么电路类型。电容三点式振荡电路8.1.3LC正弦波振荡电路+VCCCC1C2++––+例1：正反馈频率由LC谐振网络决定。8.1.3LC正弦波振荡电路例2：正反馈频率由C、

L1、

L2谐振网络决定。+VCCCC1L1L2C2uL1uL2uCD++––+8.1.3LC正弦波振荡电路例3：正反馈+VCCC1C2AECB+–频率由L、

C1、

C2组成的谐振网络决定。+–––8.1.4石英晶体正弦波振荡电路石英晶体及其特性石英晶体具有正反压电效应。当晶体几何尺寸和结构一定时，它本身有一个固有的机械振动频率。当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时，晶体片的机械振动最大，晶体表面电荷量最多，外电路中的交流电流最强，于是产生了谐振。

石英晶体谐振器

石英晶振的固有频率十分稳定，它的温度系数（温度变化1℃所引起的固有频率相对变化量）在10–6以下。8.2电压比较器8.2.1概述uiduod_++∞集成运放的电压传输特性：

u+-u-

uod+UOM-UOM线性区非线性区uo

u+-u-–UOM+UOM非线性区O8.2电压比较器8.2.1概述+iiui对于理想运放rid相当于两输入端之间短路uiii=–—rid对于理想运放u–

u+相当于两输入端之间断路uo有i＋＝

i－

0Auouid

0rid“虚短”原则(2)“虚断”原则(1)理想运放工作在线性区的特点–+uiuo–++uid=

u+–u–=—–Auouo理想运放工作在非线性区（饱和区）的特点：1.输出只有两种可能+UOM或–UOM

当u+>u－

时，uo=+UOM

u+<u－

时，uo=–

UOM

不存在“虚短”现象

2.i+=i－0仍存在“虚断”现象8.2电压比较器8.2.1概述特点：运放处于开环状态，参考电压为零。当ui>0时,uo=+UOM当ui<0时,uo=-UOM1.过零比较器U-：参考电压ui：输入信号

++uouiuoui0+UOM-UOM传输特性UT=08.2.1电压比较器当ui<0时,uo=+UOH当ui>0时,uo=-UOL

ui从反相端输入++uouiuoui0+UOH-UOL8.2.1电压比较器++uouitui例：过零比较器的输入为正弦波，画出输出波形。+UOHtuo-UOL波形变换：正弦波矩形波uoui0+UOH-UOL传输特性8.2.1电压比较器++uiuoui0+UZ-UZ电路改进：用稳压管限幅的过零比较器。UZuo设UZ<UOH、UZ<|-UOL|当ui>0时,uo=+UZ当ui<0时,uo=-UZ

8.2.1电压比较器2.任意门限比较器R´ui-++R1R2UREFUZuoUT+UZ-UZuoui0传输特性令u-=u+=0得UREF>08.2.1电压比较器电压传输特性–Uopp+Uopp单门限比较器的其它形式：阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。

uiuoOURURuoui++–+–++––当u+>u–

时，uo=+Uopp

u+<u–

时，uo=–Uopp即ui<UR时，uo=+Uopp

ui

>UR

时，uo=–

Uopp可见，在ui=UR

处输出电压uo发生跃变。参考电压8.2.1电压比较器分析电压传输特性三要素的方法：通过输出端所接限幅电路确定UOH和-UOL；令u-=u+解得的输入电压为门限电平UT；uo的跳变方向取决于ui作用于运放的哪一个输入端。(1)输出电压高电平和低电平的数值UOH和-UOL；(2)使uo从UOH跳变为-UOL或从-UOL跳变为UOH的输入电压—阈值电压或门限电平UT；(3)当ui变化且经过UT时uo跳变的方向。画电压传输特性，必须求出以下三个要素：8.2.1电压比较器单门限比较器的抗干扰问题UT0ttuiuo0灵敏度高抗干扰能力差!UT+UZ-UZuoui0传输特性8.2.2滞回比较器电路结构特点：引入正反馈——运放工作在饱和区(1)提高了比较器的响应速度；(2)输出电压的跃变不是发生在同一门限电压上。RFR2uoui++–R18.2.2滞回比较器RFR2uoui++–R1当uo=+UOM，则ui<U+'，uo=UOMui>U+'，uo=-UOMuiuoO

–UOM+UOM电压传输特性8.2.2滞回比较器uiuoO

–UOM+UOM电压传输特性当uo=-UOM，则ui>U+''，uo=-UOMui<U+''，uo=UOMRFR2uoui++–R1门限电压受输出电压的控制两次跳变之间具有迟滞特性——迟滞比较器8.2.2滞回比较器分别称UT+和UT-上下门限电平。当ui增加时，输出由Uom跳变到-Uom对应的门限电平：当ui

减小时，输出由-Uom跳变到Uom对应的门限电平:门限电平的估算：uiuoO

–UOM+UOM电压传输特性8.2.2滞回比较器定义：门限宽度——上下门限电平之差uiuoO

–UOM+UOM电压传输特性8.2.2滞回比较器tuoUom-UomtuiUT+UT-例：迟滞比较器的输入为正弦波时，画出输出的波形。－++uoR1RFR2uiU+uoui0UOM-UOMUT-UT+8.2.2滞回比较器UR>0，上下门限电平：－++uoR1RFR2uiURuoui0Uom-UomUT+UT-四、加上参考电压后的迟滞比较器回差与UR有关吗？8.2.2滞回比较器迟滞比较器两种电路传输特性的比较:－++uoR1RFR2uiuoui0Uom-UomUT+UT-－++uoR1RFR2uiURuoui0Uom-UomUT+UT-8.2.2滞回比较器例：R2=10k，RF=20k

，UOM=12V，UR=9V当输入ui为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。－++uoR1RFR2uiURuoui0Uom-UomUT+UT-5V10Vuit08.2.2滞回比较器(1)首先计算上下门限电压：－++uoR1RFR2uiUR8.2.2滞回比较器+UOM-UOM(2)根据传输特性画输出波形图。－++uoR1RFR2uiURuoui0Uom-UomUT+UT-uiuott10V5V002V8.2.2滞回比较器迟滞比较器电路的改进：为了稳定输出电压，可以在输出端加上双向稳压管。思考：如何计算上下限？URuoUZ－++R1RFR2ui8.2.2滞回比较器思考题：若将ui和UR的位置互换，则得到的同相输入迟滞比较器电压传输特性该如何分析？－++uoRR2R1uiUR上下门限电压：当uo=+UOM时：当uo=-UOM时：8.2.2滞回比较器传输特性：UHULuoui0UOM-UOM－++uoRR2R1uiUR－++uoRR2R1uiuoui0UOM-UOMUHUL对照8.2.2滞回比较器uo2A2-++ULuo1uiUHA1-++D2D1R2R1+VCCD4D3uouo1为高电平,uo2为低电平uo=UOHD3导通,D4截止(1)ui>UH8.2.4窗口比较器uo2A2-++ULuo1uiUHA1-++D2D1R2R1+VCCD4D3uo(2)ui<ULuo=UOH(3)

UL<ui<UHuo=0uo1为低电平,uo2为高电平D3截止,D4导通uo1为低电平,uo2为低电平D3截止,D4截止8.2.4窗口比较器UHULUOHuiuo0传输特性（1）窗口比较器有两个门限电平，输入电压单向变化时输出电压跃变两次，可检测出输入电压是否在两个给定值之间；（2）窗口电压8.2.4窗口比较器3.反馈网络。矩形波发生器也称多谐振荡器。三大部分组成：1.具有开关特性的器件或电路;2.能实现时间延迟的延时环节;RC充放电回路RC充放电回路迟滞比较器8.3非正弦波发生电路8.3.1矩形波发生电路由集成运放构成的矩形波发生器上下门限电压：下行的迟滞比较器的输出经RC充放电回路反馈到反相输入端。uouiUｚ-UｚUＴ+UＴ-08.3.1矩形波发生电路二、工作原理1.设uo

=

+UZ此时，输出给C充电!则：u+=UT+一旦uc>UT+

,就有u->u+,在uc<UT+

时，u-

<u+,uo

保持+UZ

不变；uo

立即由＋UZ

变成－UZ

0UT+uctUT-UZuo0t-UZ8.3.1矩形波发生电路此时，电容C放电。2.当uo

=

-UZ时，u+=UT-uc降到UT-时，uo上翻。当uo

重新回到＋UZ

以后，电容C又要被充电。0UT+uctUT-UZuo0t-UZ8.3.1矩形波发生电路0UT+uctUT-UZuo0t-UZT输出波形：8.3.1矩形波发生电路RC电路：起反馈和延迟作用，获得一定的频率。下行迟滞比较器：起开关作用，实现高低电平的转换。方波发生器各部分的作用：8.3.1矩形波发生电路三、周期与频率的计算f=1/Tuc上升阶段表示式:uc下降阶段表示式:uc0UT+tUT-T1T2

电容充放电时，Uc的一般表示式:t1t2t38.3.1矩形波发生电路思考题：点b是电位器RW

的中点，点a

和点c

是b的上方和下方的某点。试定性画出点电位器可动端分别处于

a、b、c三点时的uo

、uc

相对应的波形图。－-+++RWR1R2CucuoD1D2abcRW’RRW”C放电时间T1C充电时间T2占空比q周期T8.3.1矩形波发生电路思考题：点b是电位器RW

的中点，点a

和点c

是b的上方和下方的某点。试定性画出点电位器可动端分别处于

a、b、c三点时的uo-uc

相对应的波形图。－-+++RWR1R2CucuoD1D2abc设Rwa>RwcUOMuo0t-UOM8.3.1矩形波发生电路－++－++A1A2uouo1R02R01RCR2R1反相积分电路上行迟滞比较器特点：由上行的迟滞比较器和反相积分器级联构成，迟滞比较器的输出作为反相积分器的输入，反相积分器的输出又作为迟滞比较器的输入。8.3.2三角波发生电路uoui0Uom-UomUHUL上行的迟滞比较器回顾:上下门限电平：++uoRR2R1ui8.3.2三角波发生电路回顾:反相积分器ui-++RR2Cuot0uo+Uom-Uomui=+Uui=-U+uCiC8.3.2三角波发生电路－++－++A1A2uouo1R02R01RCR2R100uo1t＋UO1M－UO1MuotUHUL设t=0时,uo1=UO1M,uc(0)=08.3.2三角波发生电路周期和频率的计算：tuoUHULT－++－++A1A2uouo1R02R01RCR2R1T1T2t0t1t28.3.2三角波发生电路工作波形教材上的方法8.3.2三角波发生电路工作波形8.3.2三角波发生电路8.3.2三角波发生电路加限幅后的三角波发生器：8.3.2三角波发生电路-－++R2R1++R4CuoR+–R3uot改变三角波发生器中积分电路的充放电时间常数，使，即把三角波发生器转换成了锯齿波发生器。uctR’8.3.3锯齿波发生电路特例uot-－++R2R1++R4CuoR+–R3uct8.3.3锯齿波发生电路1、电流-电压变换器2、电压-电流变换器