波形的产生与变换电路

第八章

波形的产生与变换电路8.1正弦波振荡的基本原理8.2RC正弦波振荡电路8.3LC正弦波振荡电路8.4石英晶体振荡电路8.5比较器8.6方波发生器8.7三角波及锯齿波发生器8.1正弦波振荡电路8.1.1概述~放大电路反馈网络如果反馈电压uf

与原输入信号ui

完全相等，则即使无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号——自激振荡。(电路要引入正反馈)图

正弦波振荡电路的方框图一、产生正弦波振荡的条件如果：,ifXX=则去掉,iX仍有信号输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号。Xi

+f基本放大器A反馈网络FX+doXXXdof基本放大器A反馈网络FXX如果反馈电压uf

与原输入信号ui

完全相等，则即使无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号——自激振荡。(电路要引入正反馈)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：

图自激振荡的起振波形

二、正弦波振荡的形成过程放大电路在接通电源的瞬间,随着电源电压由零开始的突然增大,电路受到扰动,在放大器的输入端产生一个微弱的扰动电压ui,经放大器放大、正反馈,再放大、再反馈……,如此反复循环,输出信号的幅度很快增加。这个扰动电压包括从低频到甚高频的各种频率的谐波成分。为了能得到我们所需要频率的正弦波信号,必须增加选频网络,只有在选频网络中心频率上的信号能通过,其他频率的信号被抑制,在输出端就会得到如图ab段所示的起振波形。那么,振荡电路在起振以后,振荡幅度会不会无休止地增长下去了呢？这就需要增加稳幅环节,当振荡电路的输出达到一定幅度后,稳幅环节就会使输出减小,维持一个相对稳定的稳幅振荡,如图的bc段所示。也就是说,在振荡建立的初期,必须使反馈信号大于原输入信号,反馈信号一次比一次大,才能使振荡幅度逐渐增大;当振荡建立后,还必须使反馈信号等于原输入信号,才能使建立的振荡得以维持下去。由上述分析可知,起振条件应为稳幅后的幅度平衡条件为

三、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馈网络：引入正反馈稳幅环节：非线性环节，使输出信号幅值稳定分类：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。8.2RC正弦波振荡电路一.RC

串并联网络的选频特性R1C1

串联阻抗：R2C2

并联阻抗：选频特性：1.定性分析：（1）当信号的频率很低时。>>R1>>R2其低频等效电路为：其频率特性为：当ω=0时，uf=0，│F│=0=+90°当ω↑时，uf=↑，│F│↑↓0|F|0φF90°（2）当信号的频率很高时。＜＜R1＜＜R2其高频等效电路为：其频率特性为：当ω=∞时，uf=0，│F│=0=-90°当ω↓时，uf=↑，│F│↑↓0|F|0φF-90°ω0=？│F│max=？由以上分析知：一定有一个频率ω0存在，当ω=ω0时，│F│最大，且=0°0|F|0φF90°0|F|0φF-90°2.定量分析R1C1

串联阻抗：R2C2

并联阻抗：频率特性：通常，取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，则有：式中：可见：当时，│F│最大，且=0°

│F│max=1/3RC串并联网络完整的频率特性曲线：当时，│F│=│F│max=1/3φF+90°|F|当f=f0时,电压传输系数最大,其值为:F=1/3,相角为零,即φF=0。此时,输出电压与输入电压同相位。当f≠f0时,F<1/3,且φF≠0,此时输出电压的相位滞后或超前于输入电压。由以上分析可知:

RC串并联网络只在

f=f0=1/2πRC

时,输出幅度最大,而且输出电压与输入电压同相,即相位移为零。所以,RC串并联网络具有选频特性。

图7.6RC桥式正弦波振荡电路二.RC桥式振荡器的工作原理：二.RC桥式振荡器的工作原理：在f0

处满足相位条件：因为：AF=131=F11f+=RRA1f2RR=只需：A=3输出正弦波频率：振幅条件：引入负反馈：选：例题:R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf为多大时才能起振？振荡频率f0=？AF=1，31=F11f+=RRAA=3Rf=2R1=210=20k=1592Hz起振条件：能自动稳幅的振荡电路半导体热敏电阻(负温度系数）起振时Rt较大使A>3,易起振。当uo幅度自激增长时，Rt减小，A减小。

当uo幅度达某一值时，A→3。

当uo进一步增大时，RT再减小,使A<3。因此uo幅度自动稳定于某一幅值。能自动稳幅的振荡电路

起振时D1、D2不导通，Rf1+Rf2略大于2R1。随着uo的增加，D1、D2逐渐导通，Rf2被短接，A自动下降，起到稳幅作用。将Rf分为Rf1

和Rf2，

Rf2并联二极管EWB演示——RC振荡器例：分析下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振荡,石英晶体处于何种状态？8.5比较器

将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一定的高低电平。功能：构成：运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。uoui0+UOM-UOM单限比较器、滞回比较器及窗口比较器分类：应用：比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元，在测量、控制、D/A和A/D转换电路中应用广泛。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(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。1.运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。2.运放工作在非线性状态的分析方法：若U+＞U-

则UO=+UOM；若U+＜U-

则UO=-UOM。

虚断（运放输入端电流=0）

注意：此时不能用虚短！运放工作在非线性状态基本分析方法uoui0+UOM-UOM1.过零比较器:（门限电平=0）uoui0+UOM-UOM一.单门限电压比较器阈值电压：tuituo+Uom-Uom例题：利用电压比较器将正弦波变为方波。2.单门限比较器（与参考电压比较）uoui0+Uom-UomUREFUREF为参考电压当ui>UREF时,uo=+Uom当ui<UREF时,uo=-Uom

运放处于开环状态阈值电压：uoui0+Uom-UomUREF当ui<UREF时,uo=+Uom当ui

>UREF时,uo=-Uom

若ui从反相端输入uoui0+UZ-UZ（1）用稳压管稳定输出电压忽略了UD3.限幅电路——使输出电压为一稳定的确定值当ui>0时,uo=+UZ当ui

<0时,uo=-UZ

传输特性uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ将正弦波变为矩形波（2）稳幅电路的另一种形式：将双向稳压管接在负反馈回路中uoui0+UZ-UZ当ui>0时,uo=-UZ当ui

<0时,uo=+UZ

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

8.2.6例：单限比较器有一个门限电平，当输入电压等于此门限电平时，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，门限电平为：uIuO+UOM-UOMO+UZ-UZ过零比较器是门限电平为零的单限比较器。图

8.2.7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达到某一给定电平。

缺点：抗干扰能力差。

解决办法：采用具有滞回传输特性的比较器。二.迟滞比较器1.工作原理——两个门限电压。特点:电路中使用正反馈——运放工作在非线性区。（1）当uo=+UZ时，（2）当uo=-UZ时，UT+称上门限电压UT-称下门限电压UT+-UT-称为回差电压迟滞比较器的电压传输特性：uoui0+UZ-UZUT+UT-设ui

,当ui=<UT-时,

uo从-UZ+UZ这时,uo=-UZ,u+=UT-设初始值:

uo=+UZ,

u+=UT+设ui

,当ui=>UT+时,

uo从+UZ-UZ若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

：若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+例题：Rf=10k，R2=10k

，UZ=6V，UREF=10V。当输入ui为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。上下限：uoui08V3V传输特性+6V-6V3V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V3V传输特性+6V-6V三、窗口比较器参考电压UREF1>UREF2若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；若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。uIuOOUTHUTL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

8.2.13(b)1.电路结构由滞回比较电路和RC定时电路构成上下限:8.6方波发生器2.工作原理：(1)设uo

=

+UZ,

此时，uO给C充电,uc

，则：u+=UT+0tuo+UZ-UZucUT+0t一旦uc>UT+

,就有u->u+,

uo

立即由＋UZ变成－UZ

。在uc<UT+

时，u-

<u+

,

设uC初始值uC(0+)=0方波发生器uo保持+UZ不变+UZ此时，C向uO放电,再反向充电(2)当uo

=

-UZ时，u+=UT-uc达到UT-时，uo上跳。UT+uctUT-当uo

重新回到＋UZ

后，电路又进入另一个周期性的变化。-UZ0UT+uctUT-+UZuo0t

-UZT完整的波形：动画演示计算振荡周期T。EWB演示——方波发生器周期与频率的计算：0UT+uctUT-

+UZ

-UZT1T2TT=T1+T2=2T2

uc(t)=UC()+UC(0+)-UC()e,=RC-tT2阶段uc(t)的过渡过程方程为:f=1/T可推出:3、占空比可调的方波发生器UZuo0t-UZ改变电位器RW

的滑动端，就改变了冲放电的时间，从而使方波的占空比可调。8.7三角波及锯齿波信号发生器电路结构：迟滞比较器+反相积分器一.三角波发生器工作原理：若uo1=+UZ，uo2↓，u+↓。当u+≤0时，uo1翻转为-UZ。若u