第八章波形的发生与信号的转换

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。波形发生电路：

它是一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。8—1正弦波振荡电路8—1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，toto12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。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，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）（2）起振条件（振荡的建立）①uo=f(ui’)②uf=Fuoououi’(uf)①②接通电源瞬间ui1ui1→

uo1→uo1uf1(ui2)uf1(ui2＞ui1)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。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)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。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1～1MHz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。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网络式振荡电路、移相式振荡电路。8.1.2

RC正弦波振荡电路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&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正弦波RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于1MHz的正弦波2.RC桥式振荡器3.振荡的建立与稳定RRCCA－＋RfR1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×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一级RC网络可产生0~90°的相移，二级RC网络可产生0~180°的相移，三级RC网络可产生0~270°的相移。依此类推。4.

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_++uoRCRCR1RFCR反相比例电路A=180°RC移相电路应有F=180°RC移相式振荡电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）定性说明因不慎使R2开路时，输出电压的波形。（标明振幅）RRCCA－＋D2R15.1KD1R3R210K2.7K9.1K0.015μF解：（1）当uo很小时，有利于起振D1、D2截止（开路）RRCCA－＋D2R15.1KD1R3R210K2.7K9.1K0.015μF当uo幅值较大时，uo＞0，D2导通uo＜

0，D1导通使uo幅值趋于稳定。（2）（3）当R2=0时，（4）当R2=∽时，otuo14V-14VRRCCA－＋D2R15.1KD1R3R210K2.7K9.1K0.015μF[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。CRRe2Re1RC2RC1Rb1RCT1T2Vcc(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。8.1.3LC正弦波振荡电路LC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：。图变压器反馈LC振荡电路变压器反馈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Ｌ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（2）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。

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

利用石英晶体的高品质因数的特点，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。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。(3)实际使用时，需外接一小电容Cs4.石英晶体振荡电路Cs＝0，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。8—2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8.2.1概述1.概念：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。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。2.运放的非线性工作运用特点V＋>V－时，vOmax=VOHV＋<V－时，vOmax=VOL1)

运放的输出电压值只有VOH或VOL2)理想运放的输入电流等于零由理想运放的差模输入电阻rid→∞，虚断仍成立。在非线性工作时，运放的差模输入电压vid=v+-v-可能很大，即v+≠v-。即非线性工作时，“虚短”现象不成立。在电压比较器电路中，绝大多数集成运放不是处于开环状态，就是只引入了正反馈，即输出与输入电压不再是线性关系，即集成运放工作在非线性区。4.电压比较器结构特点A－＋uOuPuNA－＋uOuPuN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uOUT1UT20uIuOUOHUOL0uIUT1UT28.2.2单限比较器1.过零比较器A－＋uOuI+UOM-UOMuO0uIA－＋uOuID1D2RUREF=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。A－＋uOuIDZ±UZRA－＋uOuIDZR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。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对齐思考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？2.一般单限比较器A－＋uOuIDZ±UZR1R2RUREFu’OuO+UZ-UZ0uIUT利用叠加原理，令uP=uN=0，求出阈值电压当uI<UT时，当uI>UT时，所以u’O=+UOM，所以u’O=-UOM，uO=UOH=+UZ；uO=UOL=-UZ。uP=0uN<up，uN>up，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。分析电压传输特性三个要素的方法是：[P427]（１）通过电压比较器结构确定UOL和UOH；（２）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；（３）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，uI<UT，uO=UOH；uI>UT，uO=UOL；当uI从同相输入端输入（或通过电阻接同相输入端）时，uI<UT，uO=UOL；uI>UT，uO=UOH。[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。A－＋uOuIDZR图(a)当uI<0时，uO1=+UZ=6V；当uI>0时，uO1=-UZ=-6V。6uo1/Vt0-6A－＋uOuIDZ±UZR1R2RUREFu’O图(b)5-5t0uo2/VuI/V50-5t-2A－＋uOuIDZ±UZR1R2RUREFu’O图(b)当uI<-2V时，uO1=+UZ=5V；图(b)为一般单限比较器。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。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；A－＋uOuIDZ±UZR1R2RUREFuO0uI

设t=0时，uO=+UZ，当uI＜UT2，uI>UT2时，UT1UT2

up=UT1。uI>UT1时，当uI＜UT1，

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=+UZ[例8.2.2]在图（a）所示的电路中，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（b）所示，试画出uO的波形。A－＋uOuIDZ±UZR1R2R图（a）3-3uI/V0t图（b）9-9uO/V0t解：uO9-90uI+3-3解：（1）门限电压（3）输出电压波形例电路如图a所示，试求门限电压，画出传输特性和图c所示输入信号下的输出电压波形。（2）传输特性8.2.4窗口比较器uOuID1A1－＋D2R1A2-+URHURLuO1uO2R2DZ

设URH>URL，R1、R2和DZ构成限幅电路。当uI>URH，当uI<URL，

当URL<uI<URH，uO1=uO2=-UOM，UzURLURHuO0uID1导通，D2截止，

D1截止，D2导通，D1和D2均截止，稳压管截止，输出电压uO=0uO1=+UOM，uO2=-UOM。uO1=-UOM，uO2=+UOM。uO=UZuO=UZ8—3非正弦波发生电路矩形波发生电路（多谐振荡电路）三角波发生电路锯齿波发生电路8.3.1矩形波发生电路1、电路组成及工作原理A－＋uOuN(uC)DZ±UZR1R2R4R3CRC电路（起反馈延迟作用）滞回比较器（起开关作用）uO+UZ-UZ0uI+UT2-UT1设t=0时，uc(0)=0

uo=UzUT2C被充电→uc↑,×uot0uC0t-UT1+UT2-UZ+UZuO+UZ-UZ0uI+UT2-UT1随后C放电→uc↓,A－＋uOuN(uC)DZ±UZR1R2R4R3C重复上述过程2.波形分析及主要参数占空比：×TkT3.占空比可调的矩形波电路A－＋uOuN(uC)DZ±UZR1R2R4R3CRW1D1D2RW2uC0-UTtuot0+UT-UZ+UZT1T2当uO=+UZ时，对电容C充电，当uO=-UZ时，电容C放电，欲改变输出电压的占空比，就必须使电容正向和反向充电的时间常数不同，即两个充电回路的参数不同。利用二极管的单向导电性可以引导电流流经不同的通路。8.3.2

三角波发生电路1、电路的组成令uP1=uN1=0，积分电路的输入电压uO1=±UZ，同相输入滞回比较器积分运算电路A1－＋uO1DZ±UZR1R2R4A2－＋RuOR3CuP12、工作原理所以或即将方波电压作为积分运算电路的输入，在其输出就得到三角波电压。uot0uO10t+UZ-UZ-UT1+UT2uO1+UZ-UZ0uo+UT2-UT1uot0uO10t+UZ-UZ-UT1+UT2A1－＋uO1DZ±UZR1R2R4A2－＋RuORCuP1设t=0时，uo1从-Uz→UzA1－＋uO1DZ±UZR1R2R4A2－＋RuOCRWR3D1D28.3.3

锯齿波发生电路uO1tuot0+UZ-UZ-UT+UTt1t2T2t0T1当uO1=-UZ时，当uO1=+UZ时，

D1导通，D2截止。D2导通，D1截止。在矩形波发生电路中，若改变积分电路正向积分和反向积分时间常数，使其某一方向的积分常数趋于零，则可获得锯齿波。利用二极管的单向导电性使积分电路两个方向的积分通路不同，就可得到锯齿波发生电路。图中R3的阻值远小于RW。uIt+UIM-UIM0tuo0Au=1Au=-18.3.4波形变换电路1、三角波变锯齿波电路uo当开关断开时，当开关闭合时，Uc是电子开关的控制电压，与输入三角波电压有对应关系。为低电平时开关断开;反之,闭合。A－＋R5=

RRf=

RR3=

R/2uIuCR2=

R/2R1=

RR4=

R/2

NPM2、三角波变正弦波电路(1)滤波法低通滤波电路uouIuIt0uot0将三角波按傅立叶级数展开适用范围：三角波频率固定或变化范围小（2）折线法（三角波电压的频率变化范围较大）将三角波分成若干段，按不同比例衰减，得到的近似正弦波的折线化波形。8.4利用集成运放实现的信号转换电路8.4.1电压—电流转换电路A－＋uOuIR’RLRiLi11、电