模拟电子技术基础第6章波形的产生与变换电路

波形产生与变换是电子技术中广泛使用的电路。波形产生电路：在无外加输入信号的情况下，能自动产生一定波形、一定频率和幅值的交流信号。波形变换电路：能把外加输入信号的波形变换成指定的适合于系统应用和处理的波形。波形产生电路正弦波产生电路：广泛应用于通讯、广播、电视等系统。非正弦波产生电路：如矩形波、三角波、锯齿波。广泛应用于测量设备、数字系统和自控系统。1当前第1页\共有61页\编于星期二\8点波形的产生与变换正弦波振荡电路电压比较器非正弦波振荡电路2当前第2页\共有61页\编于星期二\8点正弦波振荡电路正弦波振荡电路的工作原理RC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路石英晶体振荡器3当前第3页\共有61页\编于星期二\8点6.1正弦波振荡电路的工作原理在振荡电路中，是利用正反馈产生自激振荡。但正反馈的引入只是为振荡提供了必要条件，而非充分条件。1、正弦波振荡电路产生振荡的条件若，则环路输出可得到持续稳定的正弦波。4当前第4页\共有61页\编于星期二\8点由得——正弦波振荡电路产生振荡的条件

幅度平衡条件：相位平衡条件：注意：负反馈放大器的自激条件为与上式差一负号，这是由于输入端规定的反馈信号正方向不同所造成的。5当前第5页\共有61页\编于星期二\8点2、振荡的建立和稳定1）起振实际振荡电路不需外部激励信号，以内部噪声或外部干扰作输入信号，经放大后再反馈，周而复始使电路开始振荡。2）选频为了得到频率为fo的正弦振荡，可用选频网络从噪声和干扰中选出频率为fo的成分，并使整个振荡电路只对fo满足等幅振荡条件。3）稳幅从噪声和干扰中选出的fo分量幅度很小，起振过程应使振荡电路增幅振荡，即当幅度足够大后，再继续增幅，将出现非线性失真，则需振荡器幅度稳定。故在振荡电路中要有稳幅环节。6当前第6页\共有61页\编于星期二\8点3、电路组成

放大电路正反馈网络选频网络稳幅电路按组成选频网络的元件不同：

RC正弦波振荡电路

LC正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路4、正弦波振荡电路的分类正弦波振荡电路应具备下述四个功能的部分组成：7当前第7页\共有61页\编于星期二\8点

判断电路能否振荡一般要经过以下几步：1)检查电路是否具有放大、反馈、选频网络三个组成部分。2)检查放大器有无能稳定工作点的偏置电路，放大器能否正常放大。3)分析是否满足相位和振幅平衡条件。对于一般的振荡电路来讲，可以认为振幅平衡条件是满足的。只需判断是否满足相位平衡条件，即是否引入了正反馈。具体做法是：断开反馈信号至放大器的连接点，假设从该点引人输入信号Vi，极性为+，根据放大器的相位关系来判断所得反馈信号Vf的极性。如果Vf的极性为+，即为正反馈，满足相位平衡条件，电路可以产生振荡；如果Vf的极性为-，即为负反馈，不满足相位平衡条件，电路就不能产生振荡。8当前第8页\共有61页\编于星期二\8点6.2RC正弦波振荡电路1、文氏电桥（RC串并联）振荡器同相比例放大电路Z1、Z2、R3

与R4形成四个桥臂RC选频网络，兼正反馈网络9当前第9页\共有61页\编于星期二\8点1）RC串并联网络的选频特性10当前第10页\共有61页\编于星期二\8点幅频特性：相频特性：当ω=ωo时，电路达到谐振，电路呈“电阻性”，此时幅值最大11当前第11页\共有61页\编于星期二\8点2）起振条件及振荡频率RC网络谐振时满足自激振荡的相位平衡条件。振荡频率：由同相放大电路：由幅度起振条件：由选频网络可知，谐振时：或12当前第12页\共有61页\编于星期二\8点3）稳幅环节

为了改善振荡波形，一般采用外稳幅电路。UoIR4PR4TR4R4Uo也可采用负温度系数的热敏电阻作R3。R4采用正温度系数的热敏电阻，可起稳幅作用13当前第13页\共有61页\编于星期二\8点2、RC移相式正弦波振荡器移相网络采用RC移相器（最大移相90）。超前移相滞后移相反相放大电路在通频带内的移相为180。三节RC电路为移相兼反馈网络，对某一频率可实现180相移，从而满足振荡条件。振荡频率：14当前第14页\共有61页\编于星期二\8点优点：结构简单。缺点：选频作用较差；频率调节不方便；输出波形较差。一般用于振荡频率固定且稳定性要求不高的场合。15当前第15页\共有61页\编于星期二\8点结论：RC正弦波振荡器只能用作低频振荡器。振荡频率的范围：1Hz~几MHz例如，桥式振荡器。选R=1kΩ，C=200pF，则fo=796HzRC正弦波振荡器的振荡频率取决于R、C的数值。若提高振荡频率fo

，必须选择较小的R和C值。foR基本放大电路的负载加重；C受到管子结电容和分布电容的限制。当振荡频率高于1MHz时，采用LC正弦波振荡器。16当前第16页\共有61页\编于星期二\8点6.3LC正弦波振荡电路LC选频电路变压器反馈式振荡电路电感反馈式（电感三点式）振荡电路电容反馈式（电容三点式）振荡电路17当前第17页\共有61页\编于星期二\8点一般R<<ωL，则1、LC并联谐振电路的选频特性18当前第18页\共有61页\编于星期二\8点谐振频率谐振时Z为纯电阻性品质因数Q值越大，选频特性越好，谐振时阻抗越大。19当前第19页\共有61页\编于星期二\8点2、变压器反馈式振荡电路1）组成三极管的负载并作选频网络共射放大电路反馈线圈L2。将反馈信号送入放大器输入端。交换反馈线圈的两个线头，可使反馈极性反相。调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度。阻抗变换20当前第20页\共有61页\编于星期二\8点2）起振条件和振荡频率

在谐振频率fo处满足相位平衡条件。振荡频率约为谐振频率幅度起振条件：

只要选择合适的变压器匝数比，都能满足幅度起振条件。相位起振条件：21当前第21页\共有61页\编于星期二\8点

优点：

1）只要改变LC并联谐振电路的电容C，即可改变振荡频率，故适于制作频率可调的振荡器。2）选择适当的变压器匝比n或互感M，使电路容易起振

3）选择适当的变压器匝比，可适应不同负载的要求。缺点：振荡频率不宜太高，一般在100MHz以下。22当前第22页\共有61页\编于星期二\8点3、电感反馈式振荡电路（电感三点式）1）组成共射放大电路三极管的负载并作选频网络反馈元件23当前第23页\共有61页\编于星期二\8点注意：分析三点式LC振荡电路时：

由LC并联谐振电路构成选频网络A.若中间点交流接地，则首端与尾端相位相反。三点式LC并联电路:

中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。三点的相位关系B.若首端或尾端交流接地，则其他两端相位相同。24当前第24页\共有61页\编于星期二\8点2）起振条件和振荡频率电路在LC并联回路谐振时，满足相位平衡条件。振荡频率即为谐振频率：25当前第25页\共有61页\编于星期二\8点4、电容反馈式振荡电路（电容三点式）1）组成三极管的负载并作选频网络反馈元件共射放大电路26当前第26页\共有61页\编于星期二\8点2）起振条件和振荡频率

电路在LC并联回路谐振时，满足相位平衡条件。振荡频率即为谐振频率：27当前第27页\共有61页\编于星期二\8点6.4石英晶体振荡器

工程技术中，常要求振荡器的振荡频率十分稳定。如通讯系统中的射频振荡器，数字系统中的时钟发生器。

频率稳定度：衡量振荡频率稳定程度的质量指标。定义为在特定时间内频率的相对变化量f/fo。

LC振荡电路中Q值对频率稳定度有较大影响，Q增大，f稳定度提高。1、正弦波振荡器的频率稳定问题RC电路中不稳定电容C（分布电容、杂散电容）影响。L体积，R（线圈损耗）且分布电容C。28当前第28页\共有61页\编于星期二\8点石英晶体具有很高的Q值及等效L/C值，由石英晶体组成的振荡器其频率稳定度可达106~108。2、石英晶体的特性与等效电路1）结构引线晶片敷银层2）压电效应和压电谐振压电效应：当石英晶片的两电极间加一电场，晶片会产生机械形变；反之，机械力又会在晶片上产生电场。压电谐振：当某一特定频率的交变电压作用于晶片时，能使晶片的机械振幅最大。29当前第29页\共有61页\编于星期二\8点3）等效电路与阻抗特性

石英晶体的压电谐振可用LC回路的电参数来模拟。晶体不振动时，视为平板电容Co：静态电容，很小，几pF～几十pF振动时用LC振荡电路模拟L：模拟机械振动的惯性，几十mH～几百mHC：模拟晶片弹性，0.0002～0.1pFR：模拟振动的摩擦损耗，约100Ω

Q值可达106。30当前第30页\共有61页\编于星期二\8点4）阻抗特性

当f=fs时，LCR支路发生串联谐振，等效阻抗最小(zo=R)。由于1/ωCo>>R，故近似认为石英晶体对于fs

呈纯阻性。

当f>fs时，LCR支路呈感性，与Co产生并联谐振，等效为很大的纯电阻。串联谐振频率并联谐振频率31当前第31页\共有61页\编于星期二\8点1）串联型利用f=fs时，石英晶体呈纯阻性，相移为0的特性构成。2）并联型当频率在fs与fp之间（fs≈fp

），石英晶体相当于电感。3、石英晶体正弦波振荡电路若首端或尾端交流接地，则其他两端相位相同32当前第32页\共有61页\编于星期二\8点§6.5电压比较器

比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。其输出表示比较结果，只有两种可能的状态：高电平或低电平。

比较器的输入信号是连续变化的模拟量，而输出信号则是高、低电平。所以，比较器可作为模拟电路和数字电路的“接口”，广泛地应用于A/D变换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，此外还可以用于非正弦波形的产生和变换电路。33当前第33页\共有61页\编于星期二\8点

比较器可用通用的集成运放组成，也可采用专用集成比较器。常用的比较器类型有：单门限比较器、迟滞(滞回)比较器、窗口比较器等。

由集成运放构成的比较器，运放通常工作在开环状态或者引入正反馈，此时运放工作在非线性区。虚断：i＋＝i－＝0u＋>u－时，uo＝Uom或uo＝UZu＋<u－时，uo＝－Uom或uo＝－UZ34当前第34页\共有61页\编于星期二\8点6.5.1单门限比较器1、过零比较器1）工作原理当ui≤0时，uo=+Uom；当ui≥0时，uo=Uom；运放开环工作。ui与u+相比较。电压传输特性波形变换35当前第35页\共有61页\编于星期二\8点2）门限电压(阈值）

当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态时相对应的输入电压称门限电压UT。门限电压UT=0如何求门限值?

列出集成运放同相输入端（u＋）和反相输入端（u－）电位的表达式，令它们相等，求出的输入电压即为阈值电压。36当前第36页\共有61页\编于星期二\8点3）带限幅的比较器输出电压幅度限制在某一范围。37当前第37页\共有61页\编于星期二\8点令u－=u+若即u+<u-则uo=Uz若即u+>u-则uo=+Uz2、任意电平比较器38当前第38页\共有61页\编于星期二\8点

单门限比较器只有一个门限电压（又称为阈值），当输入电压越过该门限电压时，输出电压发生跳变。特点:

电路简单、灵敏度高。小结:39当前第39页\共有61页\编于星期二\8点

单门限比较器的抗干扰能力差

当输入信号在参考电压附近时，如果输入信号还没有变化时，出现干扰信号，这个干扰信号就有可能使比较器翻转，出现不希望的误动作。

输入信号在参考电压附近变化也会导致频繁动作！

解决方法：采用迟滞比较器。40当前第40页\共有61页\编于星期二\8点

6.5.2迟滞比较器1、电路结构及工作原理令得门限电压：正反馈？？uiuo0UT+UZ-UZUT−ΔUT称为门限宽度（回差）41当前第41页\共有61页\编于星期二\8点UT与Uz、R2和Rf有关，与UREF无关。UT灵敏度抗干扰能力特点：uiUT时，比较器不翻转。uiuo0UT+UZ-UZUT−42当前第42页\共有61页\编于星期二\8点单门限比较器滞回比较器43当前第43页\共有61页\编于星期二\8点小结迟滞比较器有滞回特性。有两个阈值，当输入电压向单一方向变化时输出仅跃变一次。uiuo0UT+UZ-UZUT−44当前第44页\共有61页\编于星期二\8点如何绘制电压传输特性曲线？电压传输特性具有三个要素：输出高、低电平，阈值电压，输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向。已知：集成运放的最大输出电压Uom＝±15V，稳压管的稳压值UZ=±6V。45当前第45页\共有61页\编于星期二\8点

输出高、低电平：取决于集成运放输出电压的最大幅值或输出端限幅稳压管的稳定电压。输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向决定于输入电压是作用于集成运放的反相输入端还是同相输入端。若为前者，则输入电压大于阈值电压时输出为低电平。若为后者，则输入电压大于阈值电压时输出为高电平。阈值电压：列出集成运放同相输入端（u＋）和反相输入端（u－）电位的表达式，令它们相等，求出的输入电压即为阈值电压。46当前第46页\共有61页\编于星期二\8点已知：集成运放的最大输出电压Uom＝±15V，稳压管的稳压值UZ=±6V。47当前第47页\共有61页\编于星期二\8点6.5.3窗口比较器1、电路结构

用于判断输入电平是否处于两个已知电压之间的电压比较器，常用于自动测试系统、故障检测系统等场合。48当前第48页\共有61页\编于星期二\8点

当ui＞UH时，uo1为高电平，D1导通；uo2为低电平,D2截止，uo=uo1。

当ui＜UL时，uo2为高电平，D2导通；uo1为低电平，D1截止，uo=uo2。

当UH＞ui＞UL时，uo1为低电平，uo2为低电平，D1、D2截止，uo为低电平。49当前第49页\共有61页\编于星期二\8点6.6非正弦波振荡电路方波发生电路三角波发生电路锯齿波发生电路50当前第50页\共有61页\编于星期二\8点6.6.1方波发生电路

比较器的输出电压经一定延时，馈送作为比较器的输入电压，使比较器自行翻转，产生方波输出。1、电路组成RC积分电路延时兼反馈迟滞比较器开关电路限流电阻51当前第51页\共有61页\编于星期二\8点2、工作原理设t=0时，uo=+Uz，

uC=0门限电平UZ经R向C充电uC按指数规律当uC

UT+时uo跳变为-UZ此时C经R放电uC按指数规律当uC

UT-时uo又上跳到UZ52当前第52页\共有61页\编于星期二\8点如此周而复始，产生振荡，输出方波。53当前第53页\共有61页\编于星期二\8点3、振荡周期电容充放电过程中，uc的变化规律如下：把