青岛科技大学数电陈爽版第8章波形的发生和信号的转换

第8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8.5*锁相环及其在信号转换电路中的应用本章主要讲述:正弦波振荡电路、非正弦波发生电路、波形转换和信号转换电路等。重点掌握:正弦波振荡的平衡条件，并能够依据相位平衡条件正确判断电路是否可能产生振荡；掌握单限、滞回比较器的工作原理和传输特性；正确理解: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、波形和参数；了解信号转换电路的工作原理。Home内容简介一、产生正弦波振荡的条件放大器反馈网络X’i•A•F•Xo•Xf•RL8.1.1概述8.1正弦波振荡电路•••••••••uf

正弦波振荡电路应满足的条件：1、反馈信号能够取代输入信号，而若要如此，电路中必须引入正反馈；2、要有外加的选频网络，用以确定振荡频率。—幅值平衡条件—

相位平衡条件n=0,1,2,••起振条件：振荡的平衡条件：uf

正弦波振荡电路必须由以下四个部分组成：

(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。

(3)正反馈网络：引入正反馈，使放大电路的输入信号等于反馈信号。

(4)稳幅环节：也就是非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。二、正弦波振荡电路的组成及分类信号产生电路的命名(振荡器—Oscillators)分类：正弦波振荡:非正弦波振荡：RC振荡器(1MHz以下)LC振荡器(1MHz以上)石英晶体振荡器(频率稳定度高)方波、三角波、锯齿波等主要性要求能：输出信号的幅度准确稳定输出信号的频率准确稳定三、判断电路是否可以产生正弦波震荡方法和步骤(1)观察电路是否包含了放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节四个组成部分。

(2)判断放大电路是否能够正常工作，即是否有合适的静态工作点且动态信号是否能够输入、输出和放大。(3)利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相位条件。(正反馈)(4)判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件，即是否满足起振条件。(|AF|>1）图8.1.3利用瞬时极性法判断相位条件利用瞬时极性法判断相位条件+8.1.2RC正弦波振荡电路一、RC串并联选频网络图8.1.4RC串并联选频网络及其在低频段和高频段的等效电路代入上式得：（8.1.4）ff0F.ff0f90-90当f=f0

时，F=1/3.=0º1/3（8.1.6）（8.1.5）∴F=1/3.二、RC桥式正弦波振荡电路电压串联负反馈(8.1.7)输入电阻应大输出电阻应小图8.1.7RC桥式正弦波振荡电路Rf不能太大，否则正弦波将变成方波••••(8.1.8)稳幅措施：热敏电阻稳幅8CR1RfRCR为使Au为非线性，起振时，应使Au>3，稳幅后Au=3。正温度系数负温度系数二极管稳幅起振时信号小，二极管电阻大Au

1+(Rf+RD)/R1>3Rf>2R1-Rd起振后二极管电阻逐渐减小，Au

1+Rf/R1=3R1RfV1V2(8.1.9)Au

1+(Rf+RD)/R1三、振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路几Hz<f0

<几百kHz振荡频率:0.01u0.1u1u10u[例题：8.1.8]0.01u0.1u1u10u5010k10k?<f0

<?1.59Hz<f0

<318kHz图8.1.9、振荡频率连续可调的RC串并联选频网络频率粗调频率细调508.1.3LC正弦波振荡电路一、LC振荡电路的频率特性L的等效损耗电阻Y令虚部为零，得：1.谐振频率f03.f=f0时的谐振阻抗Z02.回路品质因数Q（8.1.12)（8.1.13)（8.1.14)当Q>>1时，有：LC并联网络电抗的频率特性：0Z

Z0Q大Q小0f90º-90ºQ增大幅频特性相频特性Z是频率的函数，Q值愈大，曲线愈陡，选频特性愈好。图8.1.12选频放大电路当f=fO时：电压放大倍数的数值最大，且无附加相移。对于其余频率的信号：电压放大倍数不但数值减小，而且有附加相移。电路具有选频特性，故称之为选频放大电路。图8.1.13在选频放大电路中引正反馈二、变压器反馈式振荡电路图8.1.14变压器反馈式振荡电路×图8.1.15变压器反馈式振荡

电路的交流通路图8.1.16变压器反馈式振荡电路的交流等效电路当Q>>1时，振荡频率（8.1.19)回路品质因数Q（8.1.20)图8.1.17电感反馈式振荡电路三、电感反馈式振荡电路×M••图8.1.18电感反馈式振荡电路的交流通路图8.1.19电感反馈式振荡电路

的交流等效电路电感反馈式振荡电路的振荡频率优点：缺点：易起振(L间耦合紧)；易调节(C可调),最高振荡频率可到几十兆赫。输出取自电感，对高次谐波阻抗大，输出波形差。(8.1.23)四、电容反馈式振荡电路ו•电容三点式电路(8.1.23)图8.1.21频率可调的选频网络分布电容、结电容影响f0图8.1.22电容反馈式振荡电路的改进C的改进图8.1.23采用共基放大电路的

电容反馈式振荡电路当振荡频率高达100MHz以上时[例8.1.2]说明电路图的原边线圈和副边线圈的同名端。×＋＋＋＋··同名端同极性E输入，C同号[例8.1.3]电路图错误：C、E直流短路B、C近似短路与图8.1.20比较[例8.1.3]所示电路的改正电路×＋＋－⊕＋作业习题：8.1、8.3、8.7、8.9、8.11、8.128.1.4石英晶体(Crystal)正弦波振荡电路一、石英晶体的特点结构SiO2晶片涂银层焊点符号1.压电效应形变形变机械振动外力压电谐振—外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，机械振动幅度急剧加大的现象。2.等效电路和谐振频率RC0CLL

—

晶体的动态电感

(10-3~102H)(大)C

—晶体的动态电容

(<0.1pF)(小)R

—

等效摩擦损耗电阻(小)Co

—晶片静态电容

(几~几十pF)C起作用串联谐振C0起作用并联谐振低频时C0容抗大，不起作用，电路为串联谐振高频时C0容抗小，电路变为并联谐振容性容性感性低频时，电容器容抗大，C0不起作用。谐振频率为：高频时，电容器容抗小，C0起作用，电路为并联谐振。fXfPfS容性感性容性图8.1.29并联型石英晶体振荡电路×＋－－⊕＋图8.1.30串联型石英晶体振荡电路×＋＋＋⊕＋8.2电压比较器

(Comparator)8.2.1概述一、电压比较器的电压传输特性传输特性：

输入电压uI是模拟信号，而输出电压不是高电平UOH，就是低电平UOL。阀值电压：使uo从

UOH跃变为UOL

，或从

UOL跃变为UOH的输入电压UT

。功能：比较电压信号(被测试信号与标准信号)大小(3)当uI变化且经过UT时，uO跃变的方向，即是从UOH跃变为UOL，还是从UOL跃变为UOH

。高UOH高UOH低UOL低UOL画出电压传输特性，必须求出以下三个要素：(1)输出电压高电平和低电平的数值UOH和UOL；(2)阈值电压的数值UT

；二、集成运放的非线性工作区集成运放电路特点及其电压传输特性开环状态正反馈OuP

-

uNuOuP

>uNuP

<uNUOm-UOm1)不存在虚短

(除了uP=uN时)

2)存在虚断(即IP=IN

=0)

三、电压比较器的种类1、单限电压比较器种类3、窗口比较器2、滞回比较器单限比较器滞回比较器OuIuOUOHUT|uI

<UTUOLuI

>UTOuIuOUT1UT2UOHUOL上阀值下阀值回差电压uI

<UT1uI

>UT2uI

>UT1uI

<UT2书上错UOMOuIuOUT1UT2uIuOOuIuO1.过零电压比较器uI

<0uI

>0UOm-UOm8.2.2单限电压比较器uT=0电压比较器输入级的保护电路二极管限幅图8.2.5电压比较器的输出限幅电路UO=+(UZ1+UD)UO=+UZUI<

0时：UO=-(UZ2+UD)UI>0时：UO=-UZU’O=+UOMU’O=-UOM图8.2.6将稳压管接在反馈通路中UO=+UZUI<

0时：UI>0时：UO=-UZ-+二、一般单限比较器(8.2.1)(3)当uI经过UT时，uO跃变的方向，决定于uI作用于哪个端；高高低低分析电压传输特性三个要素的方法：(1)通过输出端接的限幅电路确定输出电压的高、低电平的数值UOH和UOL；(2)写出uN和的uP的表达式，令uN=

uP，求得的uI就是阈值电压值UT；作用于反向端时：作用于同向端时：UI<

UTUI>

UTUI<

UTUI>

UT[例8.2.1]=±6V=±5V=5K=2V6-65-5UT=-2V阈值电压:8.2.3滞回比较器(施密特触发器)±UZ(8.2.2)图8.2.10加了参考电压的滞回比较器阈值电压:[例8.2.2]±9V50K100K求：uO波形[例8.2.3]R2=2R1要求所有电阻在20~100K之间Uz=±6V8.2.4窗口比较器URH

>URLuIuO1uO2D1D2uO<URL

URL<uI<URH>URHUOm截止导通UZ-UOmUOm-UOm导通截止UZ-UOm-UOm截止截止0作业习题：8.2、8.15、8.16、8.18图8.3.1几种常见的非正弦波8.3非正弦波发生电路积分电路8.3.1矩形波发生电路

滞回比较器一.电路组成及工作原理=UZ=-UZ二.波形分析及主要参数占空比=TK/T=50%三、占空比可调的矩形波发生电路8.3.2三角波发生电路积分电路一.电路组成图8.3.7三角波发生电路二、工作原理8.3.3锯齿波发生电路图8.3.11三角波变锯齿波的波形图8.3.12三角波变锯齿波电路图8.3.13电子开关电路图8.3.14利用低通滤波器将

三角波变换成正弦波图8.3.15用折线近似正弦波的示意图图8.3.16三角波变正弦波电路图8.3.17三角波变正弦波电路的分析图8.3.18ICL8038函数发生器原理框图图8.3.19ICL8038函数发生器中电压

比较器的电压传输特性图8.3.20ICL8038的引脚图图8.3.21ICL8038的两种基本接法图8.3.22ICL8038的输出波形图8.3.23失真度减小和频率可调电路8.4信号转换电路图8.4.1电压－电流转换的基本原理电路图8.4.2实用的电压－电流转换电路图8.4.3电流－电压转换电路返回图8.4.4整流电路的波形返回图8.4.5一般半波整流电路返回图8.4.6半波精密整流电路及其波形返回图8.4.7全波精密整流电路及其波形返回图8.4.8例8.4.1电路图返回图8.4.9数字式测量仪表返回图8.4.10电荷平衡式电压－频率转换

电路的原理框图及波形分析返回图8.4.11电荷平衡式电压－频率转换电路返回图8.4.12例8.4.11所示电路中滞回

比较器的电压传输特性返回图8.4.13复位式电压－频率转换

电路的原理框图返回图8.4.14复位式电压－频率转换电路返回8.5锁相环及其在信号转换电路中的应用图8.5.1锁相环的原理框图