模拟电子技术基础：第八章 波形的发生和信号的转换

1第八章波形的发生和信号的转换2第八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非正弦波振荡电路8.4利用集成运放实现的信号转换电路38.1正弦波振荡电路8.1.1概述正弦波振荡器：产生正弦波信号的电路。

接通电路的电源，即开始工作，输出一定频率的正弦波信号。不需要输入信号？自激振荡！4

与负反馈放大电路的振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。在电扰动下，对于某一特定频率f0的信号形成正反馈：

由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。。一、产生正弦波振荡的条件5Xo↑→Xf↑(X’i↑)→Xo↑↑正弦波振荡的平衡条件为反馈信号代替了放大电路的输入信号，输入信号为0时仍有输出。称为自激振荡。基本放大电路Ao反馈电路FX’iXoXfXo基本放大电路Ao反馈电路FXi=0X’iXoXfXo+6（1）幅值条件：（2）相位条件：（n是整数）相位条件保证反馈极性为正反馈，振幅条件保证反馈有足够的强度。可以通过调整放大电路的放大倍数达到。1.自激振荡条件起振条件电路把除f=f0以外的输出量均衰减为零，因此输出量为f=f0的正弦波。72.起振与稳幅：输出电压从幅值很小、含有丰富频率，到仅有一种频率且幅值由小逐渐增大直至稳幅。很多种频率8频率逐渐变为单一9振幅越来越大10趋于稳幅112.起振与稳幅电路如何从起振到稳幅？稳定的振幅非线性环节的必要性！12二、正弦波振荡电路的组成（2）选频网络：确定电路的振荡频率f0

。（3）正反馈网络：引入正反馈。（4）非线性环节(稳幅环节)：使输出信号幅值稳定。基本放大电路Ao反馈电路FX’iXoXfXo正弦波振荡电路的组成：（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。常合二为一13三、判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤1)是否存在主要组成部分；2)放大电路能否正常工作，即是否有合适的Q点，信号是

否可能正常传递，没有被短路或断路；3)是否满足相位条件，即是否存在f0，是否可能振荡

；4)是否满足幅值条件，即是否一定振荡。14相位条件的判断方法：瞬时极性法

断开反馈，在断开处给放大电路加f＝f0的信号Ui，且规定其极性，然后根据

Ui的极性→Uo的极性→Uf的极性若Uf与Ui极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不可能产生自激振荡。

在多数正弦波振荡电路中，输出量、净输入量和反馈量均为电压量。极性？15四、振荡电路分类常用选频网络所用元件分类。1)RC正弦波振荡电路：几百千赫以下2)LC正弦波振荡电路：几百千赫～几百兆赫3)石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定16高频段：反馈电压相位滞后趋近于-900，幅值趋近于08.1.2RC正弦波振荡电路一、RC串并联选频网络RRCC++--RC++--RC++--00低频段：反馈电压相位超前趋近于+900，幅值趋近于0

在频率从0～∞中必有一个频率f0，φF＝0º。17整理可得令代入上式，得幅频特性相频特性RRCC++--18+900-900f

F00f0ff0幅频特性相频特性19A－＋RfR1RRCCRfR1+-二、RC桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡器）放大电路+-RRCC满足幅值条件满足相位条件0A=j0f=j用同相比例运算电路作放大电路。20

改变电容以粗调，改变电位器滑动端以微调。

加稳压管可以限制输出电压的峰-峰值。同轴电位器三、振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路21+C1C2C3C4RWRRWRC1C2C3C4-+-[例]在图中所示的电路中，已知电容的取值分别为0.01

F、0.1

F、1

F、10

F，电阻R=50

，电位器RW=10k

。试问：f0的调节范围？

用双层波段开关接不同的电容，作为振荡频率f0的粗调；用同轴电位器实现f0的微调。振荡频率的可调范围能够从几赫兹到几百千赫。解：f0的调节范围约为1.59Hz～318kHz。22能自行启振的电路R21、R22略大于2R1,随着uo的增加，R22逐渐被短接，A自动下降。副值趋于稳定uo_+R21RCRCR1D1D1R22231)是否可用共射放大电路？2)是否可用共集放大电路？3)是否可用共基放大电路？4)是否可用两级共射放大电路？讨论：

应为RC串并联网路配一个电压放大倍数略大于3、输入电阻趋于无穷大、输出电阻趋于0的放大电路。不符合相位条件不符合幅值条件输入电阻小、输出电阻大，影响f0

可引入电压串联负反馈，使电压放大倍数大于3，且Ri大、Ro小，对f0影响小24讨论：合理连接电路，组成文氏桥振荡电路25习题（写在作业本上）P471:8.6，8.7，8.8,思考题：自测题：P469:二268.1.3LC正弦波振荡电路一、LC谐振回路的频率特性CLCLR在损耗较小时，品质因数及谐振频率

在f＝f0时，电容和电感中电流各约为多少？网络的电阻为多少？

理想LC并联网络在谐振时呈纯阻性，且阻抗无穷大。谐振频率为27CLR令式中虚部为零，就可求出谐振角频率式中Q为品质因数当Q>>1时，谐振频率28CLR当Q>>1时，|Z0|≈Q2R当f=f0时，阻抗当网络的输入电流为I0时，电容和电感的电流约为QI0

。29LC并联谐振电路的特点：在f=f0时，阻抗角为0，阻抗值最大。ff0Q值大Q值小+900f

-90000f0Q值大Q值小CLR谐振频率品质因数当Q>>1时，30

构成正弦波振荡电路最简单的做法是通过变压器引入反馈。附加相移LC选频放大电路→正弦波振荡电路

当f=f0时，电压放大倍数的数值最大，且附加相移为0。共射电路φA=-π31+-N2CRb2Rb1+-ReCe+VCCTC1RLN1-+二、变压器反馈式振荡电路1.工作原理CRb2Rb1ReCe+VCCTC1RLN2N1-++P+-ui+-32C1是必要的吗？1)是否存在四个组成部分2)放大电路是否能正常工作3)是否满足相位条件4)是否可能满足幅值条件必须有合适的同铭端！分析电路是否可能产生正弦波振荡的步骤：33Rb2Rb1TRLN2CN1N3交流通路CRb2Rb1ReCe+VCCTC1RLN2N1-++P+-ui+-2.振荡频率及起振条件34Rb2Rb1TRLN2CN1N3Rb2Rb1RiCN1N2rbeRL1L2+-ABCR’L’1AB微变等效电路35Rb2Rb1RiCN1N2rbeRL1L2+-ABCR’L’1AB在变压器原边在副边，电流等效电路其中品质因数36当Q>>1时，振荡频率若

0L2<<Ri电路的起振条件即将代入，则得出起振条件Rb2Rb1RiCN1N2rbeRL1L2+-AB373.优缺点易于振荡，但稳定性不高；变压器耦合，损耗大。归纳CRb2Rb1ReCe+VCCTC1RLN2N1-++P+-ui+-振荡频率起振条件相位条件通过设定反馈绕组的同名端满足

为使N1、N2耦合紧密，将它们合二为一，组成电感反馈式电路。如何组成？38三、电感反馈式振荡电路1.电路组成2.电路特点反馈电压取自哪个线圈？反馈电压的极性？必要吗？

电感的三个抽头分别接晶体管的三个极，故称之为电感三点式电路。交流通路39Rb2Rb1TRLN1CN2RiN1(L1)N2(L2)ABRb2Rb1Crbe+-+-++--+-R’’L3.振荡频率和起振条件微变等效电路40振荡频率反馈系数RiN1(L1)N2(L2)ABRb2Rb1Crbe+-+-++--+-R’’L起振条件414.优缺点振荡频率宽，振幅大；振荡波形含高次谐波分量多。归纳振荡频率起振条件相位条件CRb2Rb1ReCe+VCCTC1RLN2N1-++P+-ui+-电感三点式，正反馈

由于电感对高频信号呈现较大的电抗，故波形中含高次谐波，为使振荡波形好，采用电容反馈式电路。42四、电容反馈式（电容三点式）振荡电路1.电路组成2.工作原理3.振荡频率和起振条件反馈系数的数值电压放大倍数式中集电极等效负载因为起振条件为所以Rb2Rb1ReCe+VCCTC3RcC2C1-+++-ui+-L43存在问题1、调整振荡频率（调C）影响起振条件；2、振荡频率提高时，晶体管极间电容和杂散电容有影响；改进措施：C2C1LC3ceb解决方法：444.稳定振荡频率的措施具体方法：在电感所在支路串联一个小电容C，而且C<<C1，C<<C2，这样总电容为C，电路的振荡频率LRb2Rb1Re+VCCTCb-+++-ui+--ufRb2Rb1ReCe+VCCTC3RcC2C1LCoCiC旁路电容共基电路45归纳振荡频率起振条件相位条件电容三点式，正反馈Rb2Rb1ReCe+VCCTC3RcC2C1-+++-ui+-L46讨论一：

为使电路能产生正弦波振荡，确定变压器的同名端。短路共基放大电路耦合电容旁路电容47讨论二：判断电路能否产生正弦波振荡，若不能，改正错误，之能产生正弦波振荡。不改变放大电路的基本接法。C1静态C、B短路，Q点不合适缺RC，使C、E短路旁路电容电容三点式48讨论三：改错，使电路有可能产生正弦波振荡同名端对吗？放大电路能放大吗？各电容的作用？49讨论四同铭端？能产生正弦波振荡吗？“判振”时的注意事项：1.放大电路必须能够正常工作，放大电路的基本接法；2.断开反馈，在断开处加f=f0的输入电压；3.找出在哪个元件上获得反馈电压，是否能取代输入电压。三个电路有什么相同之处？这样的电路形式有什么好处？50SiO2结晶体按一定方向切割的晶片。压电效应和压电振荡：机械变形和电场的关系固有频率只决定于其几何尺寸，故非常稳定。8.1.4石英晶体正弦波振荡电路一、石英晶体的特点在石英晶体两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，该现象称为压电效应。当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称为压电振荡。51容性感性阻性二.石英晶体的等效电路和振荡频率

当等效电路中的L、C、R支路产生串联谐振时，该支路呈纯阻性，等效电阻为R，串联谐振频率谐振频率下整个网络的电抗等于R并联C0的容抗，因R<<1/

C0

，故可以近似认为石英晶体也呈纯阻性，等效电阻为R。52LRC0CX0ffsfp并联谐振频率由于C<<C0

，所以fp≈fs

。品质因数由于Ｃ和Ｒ的数值都很小，Ｌ数值很大，所以Ｑ值高。

一般LC选频网络的Q为几百，石英晶体的Q可达104～106；前者Δf/f为10-5，后者可达10-10～10-11。53①石英晶体工作在哪个区？②是哪种典型的正弦波振荡电路？①石英晶体工作在哪个区？②两级放大电路分别为哪种基本接法？③C1的作用？（1）并联型电路（2）串联型电路二、石英晶体正弦波振荡电路54习题（写在作业本上）P471:8.11，8.12，8.13,55一、电压比较器的功能：比较电压的大小。输入电压是连续的模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压广泛用于各种报警电路。8.2.1概述8.2电压比较器56二、电压比较器的描述方法---电压传输特性uO＝f(uI)阈值电压UT

：使uO从UOH跃变为UOL，或者从UOL跃变为UOH的输入电压称为阈值电压，或转折电压，记作UT。电压传输特性的三个要素：（1）输出电压高电平UOH和低电平UOL

；（2）阈值电压UT

；（3）当uI变化且经过UT时，uO跃变的方向：是从UOH

UOL

，还是从UOL

UOH

。57三、集成运放的非线性工作区电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈集成运放工作在非线性区的特点1)净输入电流为02)uP>uN时，

uO＝＋UOM

uP<uN时，

uO＝－UOM58三、电压比较器的种类（1）单限比较器：只有一个阈值电压（3）窗口比较器：有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。（2）滞回比较器：具有滞回特性输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。回差电压598.2.2单限比较器一、过零比较器A－＋uOuIuO+UOM-UOM0uI阈值电压UT=0VA－＋uOuIuO+UOM-UOM0uI60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＝＋UZ1＋UD2

UOL＝－(UZ2＋UD1)UOH＝

－

UOL＝UZUOH＝UZ

UOL＝－UD

不可缺少！为使UOL接近0，怎么办？锗管61

集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运放的输入端，需加输入端限幅电路。集成运放的净输入电压最大值为±UD输入端限幅电路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；（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。62二、一般单限比较器（1）若要UT<0，则应如何修改电路？（2）若要改变曲线跃变方向，则应如

何修改电路？（3）若要改变UOL、UOH呢？作用于反相输入端63(1)通过研究集成运放输出端所接的限幅电路来确定电压比较器的输出低电平UOL和输出高电平UOH

；(2)写出集成运放同相输入端、反相输入端电位up和uN的表达式，令uN=up

，解得的输入电压就是阈值电压UT

；(3)uO在uI过UT时的跃变方向决定于uI作用于集成运放的哪个输入端。当uI从反相输入端输入时，uI<UT

，uO=UOH

；uI>UT

，uO=UOL

。当uI从同相输入端输入时，uI<UT

，uO=UOL

；uI>UT

，uO=UOH

。归纳：分析电压传输特性三个要素的方法：64讨论：在图(a)所示的电路中，稳压管的稳定电压UZ=±6V；在图(b)所示电路中，R1=R2=5k

，基准电压UREF=2V，稳压管的稳定电压UZ=±5V；它们的输入电压为图(c)所示的三角波。试画出图(a)所示电路的输出电压UO1和图(b)所示电路的输出电压UO2。uI/V50-2-5t图(c)解：由a图可知，当uI<0时，uO1=+UZ=6V；当uI>0时，uO1=-UZ=-6V。当uI<-2V时，uO1=+UZ=5V；当uI>2V时，uO1=-UZ=-5V。图(b)A－＋uO2uIDZ±UZR1R2RUREFu’O由b图可知:图(a)A－＋uO1uIDZRuI/V50-5tuO1/Vt60-6t50-5uO2/V-2651.阈值电压8.2.3滞回比较器662.工作原理及电压传输特性

设uI＜－UT，则uN＜uP，

uO＝+UZ。此时uP＝+UT，增大

uI，直至+UT，再增大，

uO才从+UZ跃变为－UZ。

设uI＞+UT，则uN＞uP，

uO＝－UZ。此时uP＝－UT，减小

uI，直至－UT，再减小，

uO才从－UZ跃变为+UZ。67A－＋uOuIDZ±UZR1R2RUREF同相输入端的电位令uP=uN，求出阈值电压uOUT2UT10uI681.若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？讨论：如何改变滞回比较器的电压传输特性2.若要电压传输特性曲线上下移动，则应如何修改电路？3.若要改变输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向，则应如何修改电路？改变输出限幅电路69当uI>URH时，uO1=－

uO2=UOM，D1导通，D2截止；uO=UZ。当uI<URL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。8.2.4窗口比较器70特点：1.无需限幅电路，根据所需输出高、低电平确定电源电压；2.可直接驱动集成数字电路；3.应用灵活，可具有选通端；某型号集成比较器的等效电路4.响应速度快；5.电源电压升高，工作电流增大，工作速度加快。8.2.5集成电压比较器71讨论：从电压传输特性识别电路，画波形

已知各电压比较器的电压传输特性如图所示，说出它们各为哪种电压比较器；输入电压为5sinωt(V)，画出各电路输出电压的波形。

你能分别组成具有图示电压传输特性的电压比较器电路吗？同相输入单限比较器反相输入滞回比较器窗口比较器728.3非正弦波发生电路非正弦波矩形波三角波锯齿波尖顶波阶梯波矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。通过什么电路可将矩形波变为其它几种波形？73

输出无稳态，有两个暂态；若输出为高电平时定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。一.基本组成部分

（1）开关电路：输出只有高电平和低电平两种情况，称为两种状态；因而采用电压比较器。（2）反馈网络：自控，在输出为某一状态时孕育翻转成另一状态的条件。应引入反馈。（3）延迟环节：使得两个状态均维持一定的时间，决定振荡频率。利用RC电路实现。8.3.1矩形波发生电路74二、电路组成正向充电：

uO（+UZ）→R→C→地反向充电：地→C→R→uO（－UZ）RC回路滞回比较器

RC电路（起反馈延迟作用）滞回比较器（起开关作用）75三.工作原理：分析方法方法一：设电路已振荡，且在某一暂态，看是否能自动翻转为另一暂态，并能再回到原暂态。方法二：电路合闸通电，分析电路是否有两个暂态，而无稳态。

设合闸通电时电容上电压为0，uO上升，则产生正反馈过程：

uO↑→uN↑→uO↑↑，直至uO＝UZ，uP＝+UT，第一暂态。76三.工作原理：分析

电容正向充电，t↑→uN↑，t→∞，uN

→UZ；但当uN

＝+UT时，再增大，uO从+UZ跃变为-UZ，uP＝－UT，电路进入第二暂态。

电容反向充电，t↑→uN↓，t→∞，uN

→-UZ；但当uN

＝－UT时，再减小，uO从-UZ跃变为+UZ，uP＝+UT，电路返回第一暂态。第一暂态：uO＝UZ，uP＝+UT。77脉冲宽度四.波形分析78

正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。五.占空比可调电路为了占空比调节范围大，R3应如何取值？79A－＋uO

uN(uC)DZ±UZR1R2R4R3CRW1D1D2RW2uC0-UTtuot0+UT-UZ+UZT1T2当uO=+UZ时，uO通过RW1

、二极管D1、R3；对电容C充电，若忽略二极管导通时的等效电阻，则时间常数当uO=-UZ时，uO通过RW2

、二极管D2、R3；对电容C放电，若忽略二极管导通时的等效电阻，则时间常数80习题（写在作业本上）P471:8.14，8.15，8.16,8.17，8.19思考题：自测题：P469:三，四818.3.2三角波发生电路A1－＋uO1

uN(uC)DZ±UZR1R2R4R3CA2－＋RuORCuO10tuot01、电路的组成

用积分运算电路可将方波变为三角波。82两个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。集成运放应用电路的分析方法：化整为零（分块），分析功能（每块），统观整体，性能估算83二.工作原理滞回比较器积分运算电路求滞回比较器的电压传输特性：三要素

UOH

、UOL

，UT，uI过UT时曲线的跃变方向。84

合闸通电，通常C上电压为0。设uO1↑→uP1↑→uO1↑↑，直至uO1

＝UZ（第一暂态）；积分电路反向积分，t↑→uO↓，一旦uO过－UT，uO1从＋UZ跃变为－UZ（第二暂态）

。积分电路正向积分，t↑→uO↑，一旦uO过＋UT，uO1从－UZ跃变为＋UZ，返回第一暂态。重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。

电路状态翻转时，uP1=?三角波发生电路的振荡原理85令uP1=uN1=0，求出阈值电压积分电路的输入电压是滞回比较器的输出电压uO1，而uO1不是+UZ

，就是-UZ

，所以输出电压的表达式A1－＋uO1DZ±UZR1R2R4A2－＋RuORCuP1滞回比较器的输出电压集成运放A1同相输入端的电位uO10tuot0+UZ-UZ-UT+UT三、振荡频率86uO10tuot0+UZ-UZ-UT+UT积分电路正向积分时，uO1=-UZ

，起始值为-UT

，终了值为+UT

，积分时间为二分之一周期，87

如何调整三角波的幅值和频率？为什么为三角波？怎样获得锯齿波？“理性地调试”：哪些参数与幅值有关？哪些参数与频率有关？先调哪个参数？881.R3应大些？小些？2.RW的滑动端在最上端和最下端时的波形？≈T3.R3短路时的波形？8.3.3锯齿波发生电路89A1－＋uO1DZ±UZR1R2R4A2－＋RuOCRWR3D1D2uO1tuot0+UZ-UZ-UT+UTt1t2T2t0T1设二极管导通时的等效电阻可忽略不计，电位器的滑动端移到最上端。当uO1=+UZ时，D1导通，D2截止，输出电压的表达式当uO1=-UZ时，D2导通，D1截止，输出电压的表达式908.3.4波形变换电路1.利用基本电路实现波形变换

正弦波变方波、变矩形波，方波变三角波，三角波变方波，固定频率的三角波变正弦波如何得到？利用电子开关改变比例系数2.三角波变锯齿波：二倍频91uItuot00低通滤波电路uouI低通滤波器的通带截止频率应大于基波频率小于三次谐波频率。3.三角波变正弦波若输入信号的频率变化不大，则可用滤波法实现。

三角波用傅立叶级数展开，除基波外，还含有3次、5次……谐波。92若输入信号的频率变化较大，则可用折线法实现。93讨论现有频率为1kHz的正弦波ui，实现下列变换：1kHz的正弦波ui↓2kHz的正弦波↓2kHz的方波↓2kHz的三角波948.4

信号的转换一、概述二、u-i

转换电路三、精密整流电路四、u-f

转换电路95概述信号的发送：调幅、调频、调相信号的接收：解调信号对负载的驱动：i-u，u-i信号的预处理：AC-DC（整流、检波、滤波）DC-AC（斩波）信号的接口：A-D（如u-f

），D-A968.4.1电压—电流转换电路A－＋uO

uIR’RLRiLi1一、电压—电流转换电路A1－＋uO1

uIR4R2R3iOR1A2－＋ROuO2N1P1N2P2RL由于电路引入负反馈，uN=uP=0，负载电流R1=R2=R3=R4=R97二、电流—电压转换电路A－＋uORRfRSiFiSRLRi988.4.2精密整流电路为什么一般的整流