第8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（6学时）第一节正弦波振荡电路第二节电压比较器第三节非正弦波发生电路第四节利用集成运放实现的信号转换电路第五节锁相环及其在信号转换电路中的应用（了解重点掌握：利用正弦波振荡条件及分析方法能够分析讨论RC、LC振荡电路和石英晶体正弦波振荡电路的有关问题（如是否可能振荡，振荡频率等），掌握电压比较器、非正弦波发生电路的工作原理。1基本放大电路A反馈电路F+–8.1正弦波振荡电路|正反馈电路能产生自激振荡正弦波振荡电路是在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡产生正弦波输出的电路。则去掉如果：仍有信号输出。改成正反馈8.1概述2一.产生正弦波振荡的条件所以振荡条件为：引入正反馈正反馈足够强，输入信号为0时仍有信号输出，产生自激振荡基本放大电路A反馈电路F则去掉输入信号仍有信号输出。3要获得一定频率的正弦自激振荡,反馈回路中必须有选频电路。所以将放大倍数和反馈系数写成：振幅平衡条件相位平衡条件自激振荡的条件：因为：所以，自激振荡条件也可以写成：n是整数相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。问题：如何起振？如何稳幅？4Uo是振荡器的电压输出幅度，B是要求输出的幅度。起振时Uo=0，达到稳定振荡时Uo=B。放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分解为各种频率的分量，其中也包括有fo分量。选频网络：把fo分量选出，把其他频率的分量衰减掉。这时，只要：且A+B=2n，即可起振。起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这时若|AF|仍大于1，则输出将会饱和失真。达到需要的幅值后，将参数调整为AF=1，即可稳幅。起振并能稳定振荡的条件：51．振荡电路无须输入信号就能起振，起振的信号源来自电路器件内部噪声；2．电路器件的内部噪声不是单一频率，但振荡电路中的选频网络，只使噪声中某一频率f0满足相位平衡条件，形成正反馈，成为振荡电路的输出信号；而其它频率的信号，则不满足相位平衡条件，逐渐被抑制掉;3.振荡电路中的稳幅环节，将限制输出信号幅度的无限增长，当输出信号达到一定值后，将使其稳定。总结：6正弦波振荡电路的组成：

放大电路：能量控制，保证输出信号有一定的幅度；

选频网络：确定输出信号为单一频率的正弦波信号；

反馈网络：引入正反馈；

稳幅环节：使输出信号幅值稳定。其中选频网络往往与反馈网络合二为一,稳幅环节用非线性元件实现.判断电路是否可能产生正弦波振荡的步骤：１．电路是否由四个部分组成：放大、选频、反馈和稳幅２．放大电路是否能正常工作：静态工作点是否合适，动态信号能不能放大３．判断电路是否引入正反馈：利用瞬时极性法４．判断电路是否满足起振条件：计算Ａ和Ｆ，是否7RC正弦波振荡电路也叫RC桥式正弦波振荡电路或文氏桥振荡电路构成桥路+8.1.2.RC正弦波振荡电路

放大电路选频网络

反馈网络-根据选频网络所用元件的不同，分为RC、LC和石英晶体正弦波振荡电路三种类型。8910原因：要提高其振荡频率，必须减小R和C的值，放大器的输出电阻和晶体管的极间电容将影响其选频特性，输出频率不稳定。RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于1MHz的正弦波11振荡频率可调的选频网络例：已知电容的取值分别为0.01μF,0.1μF,1μF,10μF,R=50Ω,RW=10kΩ.求:f0的调节范围.解：双联波段开关，切换C，用于粗调振荡频率。双联可调电阻用于细调振荡频率。12通过调整R或C来调整频率。C：双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。K：双联波段开关，切换R，用于粗调振荡频率。+ARFuoRCCRKKR1R1R2R2R3R313电子琴振荡电路_+ARF1uoR1CCRD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R2114稳幅措施（利用非线性元件来稳幅）热敏元件：RT(负温度系数)二极管（电流增大电阻减小）¯¯¯¬¯¬TuRAU&&o¯¯¬uoAU&&¯­®­®dDoriU&158.1.3LC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路与RC正弦波振荡电路的组成原则在本质上是相同的，只是选频网络由电感L和电容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。本节只对LC振荡电路做一简单介绍，重点掌握相位条件的判别。首先介绍一下LC选频网络。LC并联谐振回路ABCL理想电路谐振频率16一、谐振频率与谐振电阻1、谐振的概念：AB间的阻抗最大，且呈纯电阻的状态——谐振状态。2、谐振频率：当时呈谐振状态，此时或ABCLR3、谐振电阻损耗电阻175、特点（1）谐振频率：（2）谐振时总的容抗等于感抗：两端呈纯电阻。（3）谐振时总电流与总电压同相，支路电流比总电流大。电感支路：电容支路：ABCLR18二、谐振回路的品质因数定义：谐振时电路的电抗（ω0L或）与等效损耗电阻R之比称为品质因数。Q0的大小标志着谐振质量的优劣。Q0越大→损耗越小。Q0通常在30~200之间。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！ABCLR19三、谐振曲线1、谐振曲线fof+90–90fR02、通用谐振方程ABCLR20选频放大电路RC当f=fo

时，电压放大倍数最大，且无附加相移。→具有选频特性。若在电路中引入正反馈，并能用反馈电压取代输入电压，则电路就成为正弦波振荡电路。根据在电路中引入反馈的方式不同，有变压器反馈式、电感反馈式、电容反馈式三种电路。21例1：变压器反馈式振荡电路+–++–+正反馈22++––+例2：电感反馈式振荡电路正反馈+UCCCC1C2频率由LC谐振网络决定。–23例3：电感三点式振荡电路––+正反馈+++24例4：电感三点式振荡电路频率由C、L1、

L2谐振网络决定。+UCCCC1L1L2C2+++–––+正反馈25例4：电容三点式振荡电路正反馈频率由L、C1、

C2组成的谐振网络决定。+UCCC1LC2+––+–++268.1.4.石英晶体正弦波振荡电路石英晶体的基本特性极板间加交变电场极板间机械振动晶体产生机械变形晶体产生电场交变电压机械振动交变电压压电效应当交变电压频率为一固有频率时，振幅最大,称为压电振荡。机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性非常高。27石英晶体的等效电路感性容性容性LC0CR|Z|f等效电路阻抗特性fpfSC0——静态电容。即两极板之间的电容，与晶片的几何尺寸、极板面积有关，几PF~几十PF。L——机械振荡的惯性等效为电感L。10-3~102HC——晶片的弹性等效为电容C.10-4~10-1PFR——晶片振动时因摩擦而造成的损耗等效为电阻R

102Ω∵L大，C小，R小∴很大104~106另一方面，晶片本身的固有频率只与晶片的几何尺寸有关，所以很稳定，而且可以做得很精确。28石英晶体的谐振频率感性LC0CR|Z|ffpfS容性容性特点：（1）一个晶体有两个谐振频率。时当即——串联谐振频率（阻抗最小）时当即——并联谐振频率（阻抗最大）（2）fP>fS，但由于C<<C0，∴fP、fS非常接近（3）晶体振荡器是将晶片作为一个电感元件来使用的。29石英晶体正弦波振荡电路晶体工作在谐振频率fP和fS之间，石英晶体呈电感性，作为振荡器回路的一个电感与电路的其他元件组成三点式振荡器。30石英晶体正弦波振荡电路利用f=fS时石英晶体呈纯阻性，相移为零的特性构成正弦波振荡器。318.2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，在测量和控制中有着相当广泛的应用。本节主要讲述各种电压比较器的特点和电压传输特性，同时阐明其组成特点和分析方法。8.2.1概述一、电压比较器的电压传输特性uo与uI的关系曲线称为电压传输特性uo发生跃变时的输入电压称为阈值电压或转折电压，记作UT三要素：1、确定输出电压的高、低电平UOH和UOL;2、求阈值电压UT;3、

uI经过UT时uO跃变的方向。32二、理想集成运放工作于非线性区电路中没有引入负反馈（开环或引入的是正反馈），理想运放工作于非线性区。电压传输特性因其放大倍数趋于无穷大，所以输出电压只有两种可能：33由于处于线性与非线性状态的运放的分析方法不同，所以分析电路前，首先确定运放工作在线性区还是非线性区。确定运放工作区的方法：判断电路中有无负反馈。若有负反馈，则运放工作在线性区；若无负反馈，或有正反馈，则运放工作在非线性区。处于非线性状态运放的特点：1.虚短路不成立。2.输入电阻仍可以认为很大。3.输出电阻仍可以认为是0。三、电压比较器的种类单限比较器滞回比较器窗口比较器34一、过零比较器8.2.2.单限比较器电压传输特性tui例：利用电压比较器将正弦波变为方波uot+Uom-Uom35过零比较器限幅电路+UZ-UZ保护二极管双向稳压管限幅线性区

I+=I-=0，U+=U-，保护了输入级。提高了输出电压的转换速度。电压传输特性+UZ-UZ36

例:如图所示电路,稳压管的稳定电压UZ=±6V,输入电压为如图所示三角波,试画出输出电压的波形.

解:ui>0时,uo=－UZ=－6Vui<0时,uo=+UZ=＋6Vtuiuot+6V-6V37二、一般单限比较器电压传输特性uR参考电压38

I+=I-=0，写出u+、u-表达式，令u+=u-，求阈值电压UT;

确定输出电压的高、低电平UOH和UOL;

根据u+是否大于u-，确定ui>UT

及ui<UT

的输出电压值。电压传输特性39

例:图示电路,R1=R2=5kΩ,基准电压UREF=2V,稳压管的稳定电压UZ=±5V,输入电压为如图所示三角波,试画出输出电压的波形.解:ui>－2V时,uo=－UZ=－5Vui<－2V时,uo=+UZ=＋5V单限比较器灵敏度高,但抗干扰能力弱。408.2.3.滞回比较器滞回比较器灵敏度低,但抗干扰能力强电压传输特性41例:图示电路的上下门限电压±UT=±3V,稳压管的稳定电压UZ=±9V,输入电压波形如图所示,试画出输出电压的波形.解:先画出电压传输特性抗干扰能力强42若要求滞回比较器的上下门限电压均大于0，电路应改进电压传输特性43例:如图R1=10kΩ,R2=30kΩ,UREF=8V,稳压管的稳定电压UZ=±12V.求:上下门限电压并画出电压传输特性解:电压传输特性44例8.2.3设计一个电压比较器，使其电压传输特性如图所示，要求所用电阻阻值在20K~100KΩ之间解:上下门限电压±UT=±3V,稳压管的稳定电压UZ=±6V,UREF=0，信号从同相输入端输入。电路如图所示：取R1=25K，则R2=50K取R1=50K，则R2=100K458.2.4窗口比较器及其电压传输特性D1导通，D2截止，uO=+UZD1截止，D2导通，uO=+UZD1、D2截止，Uo=0468.3非正弦波发生电路几种常见的非正弦波矩形波三角波锯齿波尖顶波阶梯波本节主要讲述模拟电路中常用的矩形波、三角波、锯齿波三种非正弦波发生电路的组成、工作原理、波形分析和主要参数的计算。47uC，当

uC=-UT时，uO=+UZ，则u+=+UT，uO通过R3向C充电。uC，当

uC=+UT时，uO=-UZ，则u+=-UT，uO通过R3向C反向充电（放电）。工作原理：设初态uC=u-=0，uO=+UZ，则u+=+UT，uO通过R3向C充电。8.3.1、矩形波发生器由反向输入滞回比较器和RC电路组成滞回比较器48波形分析及主要参数：0UTuct-UTUZuo0t-UZTRC电路：起反馈和延迟作用，获得一定的频