第八章-波形的发生和信号的转换

第八章波形的发生

和信号的转换8·1正弦波振荡电路正弦波振荡电路正弦波直流电源发生:产生正弦波、矩形波、三角波等转换:V/I、I/V、V/f等测试信号或控制信号等用于测量、控制、送入计算机等8·1·1概述一、产生正弦波振荡的条件问题：没有外加输入，怎样产生正弦波？？正反馈选频网络---确定振荡频率---反馈信号取代输入信号+输出量via反馈网络产生反馈量作为放大电路的输入反馈量via放大电路维持着输出量+正弦波振荡平衡条件：幅值平衡条件相位平衡条件放大电路本身的相位移反馈网络的相位移n为整数首要条件+起振条件：二.起振条件和稳幅原理起振过程稳幅过程稳幅过程：起振时，稳定振荡时，稳幅措施：被动：器件非线性主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益。三、正弦波振荡的组成及分类(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，(2)选频网络确定电路的振荡频率fo

，使电路产生单一频率的振荡。实现能量的控制。→负反馈放大电路CRf-+RRCR1(3)正反馈网络引入正反馈，用反馈信号取代输入信号，通常选频网络兼正反馈网络。(4)稳幅环节非线性环节，使输出信号幅值稳定。分类：正弦波振荡电路用选频网络所用元件来命名RC正弦波振荡电路：

振荡频率较低，1MHZ以下；LC正弦波振荡电路：

振荡频率较高，1MHZ以上；石英晶体正弦波振荡电路：

等效为LC正弦振荡电路，振荡频率非常稳定。CRf-+RRCR1四、判断是否可能产生正弦波振荡的步骤(1)观察包含放大、选频、正反馈

和稳幅四个部分？(2)判断放大电路是否能够正常工作。是否有合适的静态工作点；动态信号是否能够输入、输出和放大；(3)判断电路是否满足正弦波振荡的相位平衡条件；+–+–则满足相位条件不满足相位条件(4)判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件(起振条件)；分别求解出电路的然后判断是否大于1。瞬时极性法低频段等效电路及其相量图高频段等效电路及其相量图RC串并联选频网络(b)(c)8·1·2RC桥式正弦波振荡电路一、RC串并联选频网络

一阶RC高通或低通电路的最大相移绝对值小于90，试从相位平衡条件出发，判断电路能否振荡。[例题]Rs

T1

T2

CRCRRd

Re2

+VCC

+––––不能振荡RCR2-+ACRR1+++可以振荡RC桥式正弦波振荡电路CCRRZ1Z2CRf-+RRCR1幅频响应1/310.1100相频响应10.110090°-90°

Uf与Uo同相位。..令幅值条件相位条件起振：稳态：CRf-+RRCR1二、RC桥式正弦波振荡电路

放大电路串联电压负反馈放大电路，具有高输入阻抗和低输出阻抗。选频网络—兼作正反馈网络稳幅环节振荡频率是由相位平衡条件所决定的，建立振荡条件：一开始要求达到稳态平衡状态时接通电源后，产生热噪声，选频网络将其中筛选出来，送至放大电路：选频

放大

再选频

再放大……输出幅度越来越大——振荡的建立过程。CRf-+RRCR1稳幅措施：在负反馈放大电路的负反馈电路中，采用非线性元件，来自动调节反馈的强弱，以维持输出电压的稳定。用具有负(或正)温度系数的热敏电阻代替Rf(R1

)，适当调整负反馈使放大电路的的强弱，放大倍数略大于3回顾：产生正弦波振荡的条件+AF幅值平衡条件相位平衡条件n为整数判断是否可能产生正弦波振荡的步骤(1)观察包含放大、选频、正反馈

和稳幅四个部分？(2)放大电路是否能够正常工作?(3)电路是否满足正弦波振荡的相位平衡条件?(4)电路是否满足正弦波振荡的幅值条件(起振条件)?瞬时极性法RcRb2Rb1C1TC1Re+VCCCeLC2C2uo+–+–++RC桥式正弦波振荡电路CRf-+RRCR1CCRRZ1Z21/310.110010.110090°-90°建立振荡条件：一开始要求达到稳态平衡状态时[例题]R-+CCRR1D1R3D2R2A电路,已知A为运放741,其最大输出电压为14V。图示电路为RC桥式正弦波振荡解：(1)图中用二极管D1,D2作为自动稳幅元件，试分析它的稳幅原理；当uo幅值很小时，D1,D2截止，相当于开路有利于起振；当uo幅值较大时，D1或D2导通，减小，A随之下降，当rD达到1.86kΩ时，uo趋于稳定；[例题]电路,已知A为运放741,其最大输出电压为14V。图示电路为RC桥式正弦波振荡解：R-+CCRR1D1R3D2R2A(2)设电路已产生正弦波稳幅振荡,当输出电压达到正弦波峰值时，二极管的正向压降约为0.6V，试粗略估算出电压的峰值Uom；稳幅时根据得0.6Vi于是[例题]电路,已知A为运放741,其最大输出电压为14V。图示电路为RC桥式正弦波振荡解：R-+CCRR1D1R3D2R2A0.6Vi(3)试定性说明因不慎使R2短路时,输出电压uo的波形；电路停振；(4)电路正常工作时，振荡频率？8·1·3LC正弦波振荡电路

LC振荡器的选频网络是由L和C组成的LC并联网络多采用分立元件电路，必要时还应采用共基电路。一、LC谐振回路的频率特性RCL谐振频率ZQ小Q大Q小Q大品质因数QQ值愈大，选频特性愈好。二、选频放大电路以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载。TCLRb1ReC1Ce+VCCRb2电路的电压放大倍数当f=fo时，电压放大倍数的数值最大，且无附加相移。正反馈网络根据引入反馈的方式不同变压器反馈式电感反馈式电容反馈式三、变压器反馈式振荡电路CCe+VCCReRLN1N2Rb2Rb1C1T①四个组成部分②放大电路是典型的工作点稳定电路:Q，交流信号LC并联谐振网络作为管子的集电极负载，反馈信号通过变压器传送到基极回路。TRb1Rb2CN1N2③相位平衡条件++–++–+④只要合理选择变压器原、副边线圈的匝数比以及其它电路参数，电路很容易满足幅值条件。幅值平衡条件CCe+VCCReRLN1N2Rb2Rb1C1T优点：易于产生振荡，输出电压的波形失真不大，应用范围广泛。缺点：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，并且振荡频率的稳定性不高。四、电感反馈式振荡电路CCe+VCCReRLN1N2Rb2Rb1C1TTRb1Rb2N1N2C③++–++–++–+–++满足相位平衡条件；④只要电路参数选择得当，电路就可满足幅值条件。电感三点式电路①四个组成部分②放大电路能够正常工作CCe+VCCReRLN1N2Rb2Rb1C1T优点：N2与N1之间耦合紧密，振幅大，改变电容，可获得调节范围较宽的振荡频率；缺点：反馈电压取自电感，对高频信号具有较大的电抗，输出电压波形中常含有高次谐波。五、电容反馈式振荡电路RcRb2Rb1C1TC1Re+VCCCeLC2C2uo两个电容的三个端子分别接晶体管的三个电极，又称电容三点式电路。①四个组成部分：放大电路，选频网络，正反馈网络，非线性元件；②放大电路能够正常工作：可以设置合适的静态工作点；TRb1Rb2RcC1C2L

交流信号传递过程中无开路或短路现象；RcRb2Rb1C1TC1Re+VCCCeLC2C2uoTRb1Rb2RcC1C2L

③+–+–+++–+–++满足相位平衡条件；④只要电路参数选择得当，电路就可满足幅值条件。振荡频率起振条件集电极总负载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。一、集成运放的非线性工作区电压比较器电路中，集成运放处于开环状态或引入正反馈–+AuP

uN

uo

反馈通路–+AuP

uN

uo

ouP-uNuo-UOM

+UOM

虚短？虚断？8·2·1概述二、电压比较器的电压传输特性电压传输特性:uO从一种状态向另一种状态跳变时的uI阈值电压UT:又称转折电压uO电压比较器UOMuI模拟信号uO=f(uI)ouP-uNuOUT+UOM

-UOM

①输出电压高电平和低电平的数值②阈值电压的数值③输出电压从一个状态向另一个状态跳变时的方向三、电压比较器的种类1、单限比较器一个阈值电压ouP-uNuOUT增大或减小的过程中只要通过UT，uO都会发生跃变。+UOM

-UOM

2、滞回比较器两个阈值电压ouP-uNuOUT1UT2uI↑和↓过程中，uO发生跃变对应的阈值电压不同。+UOM

-UOM

3、窗口比较器两个阈值电压uI单方向变化时，在通过不同的阈值电压时，uO产生两次跃变。ouP-uNuOUT1UT2+UOM

8·2·2单限比较器一、过零比较器阈值电压UT=0

ui

uo

–+Aouiuo+UOM

-UOM

ui

uo

–+Aouiuo-UOM

+UOM

反相输入同相输入输入输出端加保护电路ui

uo

–+ARui

uo

–+ADZRui

uo

–+ADZR二、一般单限比较器ui

uo

–+ADZRR1R2UREFNP参考电压当uN=uP=0时，输出电压会发生跃变，这时的ui就是阈值电压UT。ouiuoUT+UZ1

-UZ2

[例题]在图所示(a)(b)两电路中，稳压管的稳定电压UZ=6V，R1=R2=5k，UREF=2V，输入电压为图示三角波。试画出输出电压的波形。ui

uo

–+ADZR(a)ui

uo

–+ADZRR1R2UREF(b)oui/V

t

5

-5

oui/Vuo/V+6-6ouo/V

t

-6

6

ui/V

uo/V-2

+6-6ouo/V

t

-2

-6

6

8·2·3滞回比较器单限比较器，电路简单，灵敏度高，抗干扰能力差。ui﹢﹣uoUREFuiouiUREFuoouiUOHUOL滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因而具有一定的扰干扰能力。一、参考电压为零的滞回比较器ui

uo

–+ADZRR2R1UZNP令uN=nP，求出的ui就是阈值电压。ouiuoUT1UT2+UZ

-UZ

ui<UT1则ui<uPuo=+UZui=UT2负跳变ui>UT2uo=–UZui>UT2则ui>uPuo=-UZui=UT1正跳变ui<UT1uo=+

UZ电压传输特性具有方向性二、参考电压不为零的滞回比较器ui

uo

–+ADZRR2R1UREF

UZNP当uN=nP时，输出电压会发生跃变，这时的ui就是阈值电压UT。ouiuoUT1UT2+UZ

-UZ

[例题]uiotUT2UT1电路和参数如图所示，输入信号ui是受到干扰的矩形波，

试画出传输特性和输出电压uo的波形。

ui﹢﹣DZuoR4R1R2UZ10V解：同相输入参考电压零的滞回比较器①求阈值电压NP当uN=nP时，输出电压会发生跃变，这时的ui就是阈值电压UT。②画传输特性uo/Vui/Vo10-10-1010+10V–10V[例题]①求阈值电压②画传输特性uo/Vui/Vo10-10-1010uiotUT2UT1

电路和参数如图所示，输入信号ui是受到干扰的矩形波，试画出传输特性和输出电压uo的波形。ui﹢﹣DZuoR4R1R2UZ10VNP+10V–10Vuoot10V-10V8·2·4窗口比较器可以检测出输入电压是否在两个给定