第8章波形发生和信号转换

模拟电子技术8.1

正弦波振荡电路8.2

电压比较器8.3非正弦波发生电路第八章波形发生和信号转换8.4信号转换电路8.1正弦波振荡电路正弦波发生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。正弦波发生电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振荡器。

一、产生正弦波振荡的条件和电路的组成1.正弦波振荡的条件无外加信号，输出一定频率一定幅值的正弦信号。开关K断开为无反馈放大电路:开关K闭合为正反馈放大电路:则：若环路增益,,即使去掉,仍有信号输出。这时反馈信号代替了放大电路的输入信号。+1.正弦波振荡的条件:振幅条件：相位条件：(n是整数)相位条件:反馈电压与所需要的输入电压相位相同相位条件意味着振荡电路必须是正反馈振幅条件:反馈电压与所需要的输入电压大小相同1）起振条件：2.起振和稳幅问题1：振荡电路无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？问题2：当输出信号幅值增加到一定程度时，会出现什么结果？

电路器件内部噪声。噪声中，满足相位平衡条件的某一频率0的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。2）稳幅：输出波形将出现失真。稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从回到问题1：振荡电路无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？问题2：当输出信号幅值增加到一定程度时，会出现什么结果？2.起振和稳幅1）起振条件：2）稳幅：稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从回到(电路器件内部噪声)(波形将出现失真)3、正弦波振荡电路组成

正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正弦交流信号。正弦波振荡电路的组成：放大电路:正反馈网络:选频网络:稳幅环节:常用的正弦波振荡器:LC振荡电路RC振荡电路石英晶体振荡电路放大信号保证输出为单一频率的正弦波使电路能从AF

>1,过渡AF

=1,从而达到稳幅振荡。满足相位条件常合二为一4、正弦波振荡电路分析方法（1）检查电路的几个基本组成部分；（2）电路是否满足相位条件？即电路是否是正反馈，只有满足相位条件才可能产生振荡；

（3）电路是否满足幅值条件？在分析正弦振荡电路时，先要判断电路是否振荡，方法为：

(a)

则不可能振荡；

(b)

振荡，但输出波形明显失真；

(c)

产生振荡。振荡稳定后

。此种情况起振容易，振荡稳定，输出波形的失真小.时相移为0。

二、RC正弦波振荡电路1.RC选频网络如果：R1=R2=R，C1=C2=C，则：频率特性：)ffff(j3100f-+=U·Uo·在频率f0处,在频率f0处,电压与同相位+90–90fff02.RC正弦波振荡电路放大电路正反馈和选频网络(1)RC选频网络当时:(2)放大电路(3)振荡频率和起振条件:振荡频率:起振条件:f=f0时，由振荡条件知：即:(4)RC振荡电路的稳幅热敏电阻具有负温度系数，利用它的非线性可以自动稳幅。在起振时，满足RF>2R1；即AuF>1。随着振荡幅度的不断加强，uo越大，RF越小，直到RF=2R1时，稳定于AuF=1，

振荡稳定。半导体热敏电阻R++∞RFR1CRC–uO–+稳幅过程：uOTRFAu热敏电阻稳幅电路IDUD二极管稳幅电路振荡幅度较小时正向电阻大振荡幅度较大时正向电阻小利用二极管的正向伏安特性的非线性自动稳幅。R++∞RF2R1CRC–uO–+D1D2RF1uf+–稳幅环节带稳幅环节的电路(2)

RF分为两部分。在RF1上正反并联两个二极管，它们在输出电压uO的正负半周内分别导通。在起振之初，由于uO幅值很小，尚不足以使二极管导通，正向二极管近于开路,此时，RF>2R1。而后，随着振荡幅度的增大，正向二极管导通，其正向电阻逐渐减小，直到RF=2R1，振荡稳定。R++∞RF2R1CRC–uO–+D1D2RF1uf+–在起振之初，由于uO幅值很小，尚不足以使二极管导通，正向二极管近于开路,此时，RF>2R1。随着振荡幅度的增大，正向二极管导通，其正向电阻逐渐减小，直到RF=2R1，振荡稳定R++∞RF2R1CRC–uO–+D1D2RF1uf+–二极管稳幅电路Multisim仿真:如果取RF=2R1，输出始终为0，电路不能起振。RF=14KΩR1=6KΩMultisim仿真结果:(a)起振过程输出电压波形(b)稳定振荡输出电压波形(c)未加稳幅时输出电压波形振荡频率的调整:++∞RFRCC–uO–+KKR1R2R3R3R2R1改变开关K的位置可改变选频网络的电阻，实现频率粗调；改变电容C的大小可实现频率的细调。振荡频率RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于1MHz的正弦波。作业：P1955,P19610,P19917电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较，输出只有两种可能的状态：高电平或低电平。比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于开环状态或引入正反馈。分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。8.2电压比较器比较器发生翻转时对应的输入电压称为域值电压，记作UT。运放工作在非线性区时的特点知识回顾:输出电压的值有两种可能:理想运放电压传输特性1.过零电压比较器一、单限电压比较器只有一个阈值电压，当输入电压等于此阈值电压时，输出端状态立即发生跳变。运放处于开环状态当u+>u–

时，uo=+UOM

u+<u–

时，uo=–UOM即ui>0

时，uo=–

UOM

ui

<0

时，uo=+UOMuiuoO+UOM–UOM电压传输特性

输出限幅电路：为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。UOH＝

－

UOL＝UZUOH＝＋UZ1＋UD2

UOL＝－(UZ2＋UD1)两只稳压管稳压值不同两只稳压管稳压值相同限幅电路输出限幅电路：UOH＝UZ

UOL＝－UD

uO＝±UZ一只稳压管稳压管接在反馈通路中（3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出电压的跃变方向。电压比较器的分析方法：（1）写出uP、uN的表达式，令uP＝uN，求解出的uI即为UT；（2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；2.一般单限电压比较器uiuoO+UZ–UZui>UT时，uo=–UZui

<UT

时，uo=+UZ检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。单限比较器的作用：

缺点：抗干扰能力差。存在干扰时单限比较器的uI、uO波形采用具有滞回传输特性的比较器。解决办法：电压比较器的基本特点运放工作在开环或正反馈状态。比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。在输入电压等于阀值电压时,输出端状态立即发生跳变。若ui从反相输入端输入，当ui＜uT时，u0=UOH当ui＞uT时，u0=UOL输出电压的跃变方向电压比较器电压传输特性的三要素是：输出电压高、低电平幅值阀值电压uT——由限幅电路决定；——令uN=uP所求出的ui；——决定于输入电压作用于同相输入端还是反相输入端。二、滞回电压比较器引入正反馈1.阈值电压比较电压由电路原来的输出决定①输出为高电平U0H时②输出为高电平U0L时2.工作原理及电压传输特性：

设uI＜UTL，则uN＜uP，uO＝+UZ。此时uP＝UTH，增大uI，直至UTH，再增大，uO才从+UZ跃变为－UZ。UTHUTL

设uI＞UTH，则uN＞uP，uO＝－UZ。此时uP＝UTL，减小uI，直至UTL，再减小，uO才从－UZ跃变为+UZ。电压传输特性0uouituiU+HU+LtuoUZ-UZ输入正弦波的情况U+HU+Luoui0UZ-UZ0uouiUTHUTL优点:小于回差的干扰不会引起跳转.回差提高了电路的抗干扰能力.改善了输出波形在跃变时的陡度.UTH-UTL称为回差作用：产生矩形波、三角波和锯齿波，或用于波形变换。0uouiUTHUTL优点:小于回差的干扰不会引起跳转.回差提高了电路的抗干扰能力.改善了输出波形在跃变时的陡度.UTH-UTL称为回差作用：产生矩形波、三角波和锯齿波，或用于波形变换。加上参考电压后的阈值电压及传输特性uoui0UTHUTL电压传输特性

当uI>URH时，uO1=－uO2=UOM，D1导通，D2截止；uO=UZ。

当uI<URH时，uO2=－uO1=UOM，D2导通，D1截止；uO=UZ。

当URL<uI<URH时，uO1=uO2=－UOM，D1、D2均截止；uO=0。三、窗口电压比较器

当uI>URH时，uO1=－uO2=UOM，D1导通，D2截止；uO=UZ。

当uI<URH时，uO2=－uO1=UOM，D2导通，D1截止；uO=UZ。

当URL<uI<URH时，uO1=uO2=－UOM，D1、D2均截止；uO=0。三、窗口电压比较器结论：比较器的基本特点工作在开环或正反馈状态，非线性。开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。电压传输特性的三要素是：

输出电压高、低电平——由限幅电路决定；

阀值电压——令uN=uP所求出的ui；

输出电压的跃变方向——决定于输入电压作用于同相输入端还是反相输入端。若ui从反相输入端输入，当ui＜uT时，u0=UOH,当ui＞uT时，u0=UOL,作业（习题集）：7，9，11电压比较器举例(08分)1.在左下图示电路中，已知A为理想运算放大器，其输出电压的两个极限值为12V；发光二极管正向导通时发光。填空：1．集成运放同相输入端的电位V时发光二极管发光;V时发光二极管发光;电压比较器举例(10分)8.在图（a）所示电路中，已知A为理想运算放大器，该电路的电压传输特性如图（b）所示。试求解稳压管的稳定电压和基准电压。解：由图（b）传输特性，可得：联立求解得：作业（习题集）：7，9，11例：某温度控制电路如图所示。设R1=R3=10k，R

=100，UR1=6V，RT为热敏电阻，常温下（27oC）的阻值为10k，温度系数为+200/oC。若要求温度在100oC以上时，电路输出-3V；温度在90oC以下时，电路输出+3V，试确定UZ、R1和UR1的值。已知：R1=R3=10k，UR1=6V，RT=10k+（T-27oC）200/oC，T1=90oC，T2=100oC，uo=3V解：8.3非正弦波发生电路一.方波发生器1.电路结构

由滞回比较器、RC充放电电路组成。输入电压:电容电压uc比较电压:电阻R1两端的电压UR上下限：C2、工作原理：(a)设电源接通时

uo=+UomUTHuc0t则：u+=UTH

通过R对电容C充电，按指数规律增长。0tuoUom-Uom①在uc<UTH

时，u-<u+,

uo

保持

+Uom

不变；②一旦uc>UTH,就有u->u+

uo

由＋Uom变成－Uom!CUTHuctUTL(b)当uo=-Uom时，u+=UTL电容C放电，下降Uom-Uom当uc=UTL

时，uo变成+Uom，电容又重新充电。电路进入下一个周期。uotTC振荡周期:电容的充放电规律：对于放电，解得：结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电阻，即可改变振荡周期。t1t2tOuCOuOtt3图8.5.33、占空比可调的矩形波发生电路使电容的充、放电时间常数不同且可调，即可使矩形波发生器的占空比可调。充电时间T1放电时间T2占空比DtOuCuOtOT1T2T

正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。3、占空比可调电路为了占空比调节范围大，R3应如何取值？问题：

1.电路组成用积分运算电路可将方波变为三角波。两个RC环节实际电路将两个RC环节合二为一为什么采用同相输入的滞回比较器？uO要取代uC，必须改变输入端。二、三角波发生器特点：滞回比较器的输出作为反相积分器的输入，反相积分器的输出又反馈到滞回比较器的输入。滞回比较器2.工作原理积分运算电路求滞回比较器的电