第8章 波形的發(fā)生和信號的變換

第8章波形的發(fā)生和信號的變換8.3非正弦波發(fā)生電路8.4利用集成運放實現(xiàn)的信號轉(zhuǎn)換電路8.5Multisim應(yīng)用舉例8.2電壓比較器8.1正弦波振蕩電路8.1正弦波振蕩電路8.1.1概述

正弦波和非正弦波產(chǎn)生電路常常作為信號源，被廣泛地應(yīng)用于無線電通信、自動測量和自動控制等系統(tǒng)中。8.1正弦波振蕩電路8.1.1概述基本放大電路A反饋電路FiX+

-dXoXfX只有正反饋才能產(chǎn)生自激振蕩改成正反饋8.1正弦波振蕩電路如果：,ifXX=則去掉,iX仍有信號輸出?；痉糯箅娐稟反饋電路FdXoXfX反饋信號代替了放大電路的輸入信號?；痉糯箅娐稟反饋電路FiX++dXoXfXK8.1正弦波振蕩電路基本放大電路A反饋電路FiX++dXoXfX自激振蕩條件的推導(dǎo)：如果：

輸入信號為0時仍有信號輸出，這時就產(chǎn)生了自激振蕩。

自激振蕩的頻率必須是一定的，也就是說在放大、反饋回路中應(yīng)該有選頻作用，將不要的頻率抑制掉。則8.1正弦波振蕩電路8.1.1概述基本放大電路A反饋電路FiX+

-dXoXfX只有正反饋才能產(chǎn)生自激振蕩改成正反饋8.1正弦波振蕩電路如果：,ifXX=則去掉,iX仍有信號輸出?；痉糯箅娐稟反饋電路FdXoXfX反饋信號代替了放大電路的輸入信號?；痉糯箅娐稟反饋電路FiX++dXoXfXK8.1正弦波振蕩電路基本放大電路A反饋電路FiX++dXoXfX自激振蕩條件的推導(dǎo)：如果：

輸入信號為0時仍有信號輸出，這時就產(chǎn)生了自激振蕩。

自激振蕩的頻率必須是一定的，也就是說在放大、反饋回路中應(yīng)該有選頻作用，將不要的頻率抑制掉。則8.1.2RC正弦波振蕩電路3.幅度起振條件uo_++R2RCRCR1諧振時，因為：8.1.2RC正弦波振蕩電路1.組成2.相位條件及振蕩頻率

例：R=10k，C=0.1F，則：uo_++R2RCRCR1文氏電橋振蕩器

(+)(+)(+)諧振頻率：8.1.2RC正弦波振蕩電路1.組成2.相位條件及振蕩頻率

例：R=10k，C=0.1F，則：uo_++R2RCRCR1文氏電橋振蕩器

(+)(+)(+)諧振頻率：8.1.2RC正弦波振蕩電路4.穩(wěn)幅環(huán)節(jié)能自行啟動的電路uotRTA半導(dǎo)體熱敏電阻起振時，RT略大于2R1，使|AF|>1，以便起振；_++RTRCRCR1tuo起振后，uo逐漸增大則RT逐漸減小，使得輸出uo為某值時，|AF|=1，從而穩(wěn)幅。8.1.2RC正弦波振蕩電路Rf1能自行啟動的電路8.1.2RC正弦波振蕩電路三、正弦波振蕩器的分析方法1.組成基本環(huán)節(jié)——放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)。另外，為穩(wěn)定輸出幅度一般還需加上穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。分類：據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)分為RC、LC和石英晶體振蕩器。

2.分析方法

(1)檢查電路是否包含放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)。

(2)檢查電路是否滿足相位平衡條件，估算電路振蕩頻率。

(3)分析幅度起振條件。

(4)分析穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。AF++8.1.2RC正弦波振蕩電路8.1.2RC正弦波振蕩電路8.1.2RC正弦波振蕩電路（二）用分立元件組成的RC振蕩器RCRC+UCCR1C2C3R3R2RE2C1RC2T1RE1CET2RC1RF++++++––ubeRC網(wǎng)絡(luò)正反饋，RF、RE1組成負反饋，調(diào)整到合適的參數(shù)則可產(chǎn)生振蕩。++例7.1ub↑8.1.2RC正弦波振蕩電路（二）用分立元件組成的RC振蕩器RCRC+VCCR1C2C3R3R2RE2C1RC2T1RE1CET2RC1RFR=8.2KΩ,C=0.2uF,求f02.若電路接線無誤且Q正常，但不能振蕩，原因？如何調(diào)整？Af太小！Rf調(diào)大。3.輸出波形嚴重失真，原因？如何調(diào)整？Af太大！Rf調(diào)小。8.1.2RC正弦波振蕩電路討論一：合理連接電路，組成文氏橋振蕩電路8.1.2RC正弦波振蕩電路四．RC移相式正弦波振蕩電路RC移相式振蕩電路滯后移相網(wǎng)絡(luò)超前移相網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單。缺點：選頻作用較差，輸出波形較差。用于頻率固定、穩(wěn)定性要求不高的場合，頻率范圍：幾赫到幾十千赫。RCRRCRC+-+RCC8.1.2RC正弦波振蕩電路RC移相式特點：RC移相式振蕩電路具有結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點；缺點是選頻作用較差，頻率調(diào)節(jié)不方便，輸出幅度不夠穩(wěn)定，輸出波形較差，故它一般用于振蕩頻率固定且穩(wěn)定性要求不高的場合，其頻率范圍為幾赫到幾十千赫。RC振蕩器只能用作低頻振蕩器（1Hz～1MHz）。一般在要求振蕩頻率高于1MHz時，都用LC并聯(lián)回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)，組成LC正弦波振蕩器。8.1.3LC正弦波振蕩電路

RC振蕩器用于低頻（1Hz～1MHz）。振蕩頻率高于1MHz時，用LC并聯(lián)回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)——LC正弦波振蕩器。uo_++R2RCRCR18.1.3LC正弦波振蕩電路LC振蕩電路的選頻電路由L和C構(gòu)成，可以產(chǎn)生高頻振蕩。由于高頻運放價格較高，所以一般用分立元件組成放大電路。LC振蕩電路重點掌握相位條件的判別。CLRLC振蕩電路通常有變壓器反饋式、電感三點式和電容三點式等幾種類型。8.1.3LC正弦波振蕩電路1.諧振頻率設(shè)ω=ω0時，產(chǎn)生并聯(lián)諧振，諧振回路的品質(zhì)因素：當Q>>1時何時諧振？一、LC并聯(lián)諧振回路的特性CLR8.1.3LC正弦波振蕩電路2.選頻特性在諧振頻率附近：CLR8.1.3LC正弦波振蕩電路結(jié)論：(1)LC電路具有選頻特性:

f=f0處，為純電阻；等效阻抗|Z|最大，近似為感抗和容抗的Q倍。(3)Q值越大，幅頻特性越尖銳，即選頻特性越好。相頻特性越陡，諧振時的阻抗Z0(

Z0=Q(L/C)1/2)也越大。(2)當Q>>1時，諧振頻率8.1.3LC正弦波振蕩電路3.輸入電流與回路電流的關(guān)系當Q>>1時，諧振時回路電流比總電流大的多，外界對諧振回路的影響可以忽略！CLR8.1.3LC正弦波振蕩電路二．變壓器反饋式振蕩電路1.組成2.相位條件及振蕩頻率(+)(-)(+)+VCCCbRLN2N3N1R2CR1ReUOUiUfTCe變壓器反饋式振蕩器(+)3.幅度起振條件8.1.3LC正弦波振蕩電路互感線圈的極性判別1234磁棒初級線圈次級線圈同極性端1234+–+–CLRuiLici反饋信號通過互感線圈引出8.1.3LC正弦波振蕩電路三極管共射放大器。利用互感線圈的同名端：

滿足相位條件。振蕩頻率:判斷是否是正反饋:用瞬時極性法判斷(+)(-)+VCCCbRLN2N3N1R2CR1ReUOUiUfTCe(+)二．變壓器反饋式振蕩電路1.組成2.相位條件及振蕩頻率3.幅度起振條件8.1.3LC正弦波振蕩電路(+)(-)(+)(+)(+)(+)(+)(+)LC正弦波振蕩器舉例反饋滿足相位平衡條件滿足相位平衡條件反饋8.1.3LC正弦波振蕩電路++–+正反饋

LC正弦波振蕩器舉例振蕩頻率:–+UCCCC1Luo滿足相位平衡條件8.1.3LC正弦波振蕩電路三．電感反饋式振蕩器（哈特萊振蕩器）+–(+)+VCCCb(-)N3N1–(+)R2CR1ReUOUiUfTCeN2CTUfUcL1L2+++––Ui電感三點式振蕩器及其交流通路（b）交流通路（a）振蕩電路1321328.1.3LC正弦波振蕩電路1.組成(1)調(diào)節(jié)頻率方便。采用可變電容，可獲得較寬的頻率調(diào)節(jié)范圍。(2)一般用于產(chǎn)生幾十兆赫以下的頻率。(3)輸出波形中含有較大的高次諧波，波形較差。通常用于要求不高的設(shè)備中，例如高頻加熱器等。

3.幅度起振條件4.電路特點

2.相位條件及振蕩頻率(+)(-)(+)(+)CbN3N1R2CR1ReUOUiUfTCeN28.1.3LC正弦波振蕩電路四．電容反饋式振蕩器（考畢茲振蕩器）+–(+)+VCCCb(-)Rb1Rb2ReUfUiTCeLTUfUcLL2+++––Ui

電容三點式振蕩電路及其交流通路（b）交流通路（a）振蕩電路C2C1Rc(+)(-)1321328.1.3LC正弦波振蕩電路(1)輸出波形較好。

(2)振蕩頻率較高，一般可以達到100MHz以上。

(3)適于產(chǎn)生固定頻率的振蕩。要改變頻率，可在L兩端并聯(lián)一個可變電容。另外也可采用可調(diào)電感來改變頻率。3.電路特點(+)(-)(+)(+)+VCCCbRb1Rb2ReUiTCeLC2C1Rc1.組成2.相位條件及振蕩頻率8.1.3LC正弦波振蕩電路1.諧振回路的三個引出端與三極管的三個電極相連接；2.發(fā)射極接兩個同性質(zhì)電抗；3.集電極與基極接異性質(zhì)電抗。滿足法則必滿足相位平衡條件。電容三點式電感三點式三點式振蕩電路組成法則:8.1.3LC正弦波振蕩電路由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)A.若中間點交流接地，則首端與尾端相位相反。三點式LC振蕩電路原理：電容三點式電感三點式中間端的瞬時電位一定在首、尾端電位之間。三點的相位關(guān)系B.若首端或尾端交流接地，則其他兩端相位相同。8.1.3LC正弦波振蕩電路+10VCR1300pF0.01μFR2Re0.01μFnmkjT將圖中j、k、m、n的各點正確連接，使它們成為正弦波振蕩電路，然后指出它們屬于什么電路類型。電感三點式振蕩電路8.1.3LC正弦波振蕩電路+10VTR1200pFR2Re0.02μFnmkj200pF將圖中j、k、m、n的各點正確連接，使它們成為正弦波振蕩電路，然后指出它們屬于什么電路類型。電容三點式振蕩電路8.1.3LC正弦波振蕩電路+VCCCC1C2++––+例1：正反饋頻率由LC諧振網(wǎng)絡(luò)決定。8.1.3LC正弦波振蕩電路例2：正反饋頻率由C、

L1、

L2諧振網(wǎng)絡(luò)決定。+VCCCC1L1L2C2uL1uL2uCD++––+8.1.3LC正弦波振蕩電路例3：正反饋+VCCC1C2AECB+–頻率由L、

C1、

C2組成的諧振網(wǎng)絡(luò)決定。+–––8.1.4石英晶體正弦波振蕩電路石英晶體及其特性石英晶體具有正反壓電效應(yīng)。當晶體幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時，它本身有一個固有的機械振動頻率。當外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時，晶體片的機械振動最大，晶體表面電荷量最多，外電路中的交流電流最強，于是產(chǎn)生了諧振。

石英晶體諧振器

石英晶振的固有頻率十分穩(wěn)定，它的溫度系數(shù)（溫度變化1℃所引起的固有頻率相對變化量）在10–6以下。8.2電壓比較器8.2.1概述uiduod_++∞集成運放的電壓傳輸特性：

u+-u-

uod+UOM-UOM線性區(qū)非線性區(qū)uo

u+-u-–UOM+UOM非線性區(qū)O8.2電壓比較器8.2.1概述+iiui對于理想運放rid相當于兩輸入端之間短路uiii=–—rid對于理想運放u–

u+相當于兩輸入端之間斷路uo有i＋＝

i－

0Auouid

0rid“虛短”原則(2)“虛斷”原則(1)理想運放工作在線性區(qū)的特點–+uiuo–++uid=

u+–u–=—–Auouo理想運放工作在非線性區(qū)（飽和區(qū)）的特點：1.輸出只有兩種可能+UOM或–UOM

當u+>u－

時，uo=+UOM

u+<u－

時，uo=–

UOM

不存在“虛短”現(xiàn)象

2.i+=i－0仍存在“虛斷”現(xiàn)象8.2電壓比較器8.2.1概述特點：運放處于開環(huán)狀態(tài)，參考電壓為零。當ui>0時,uo=+UOM當ui<0時,uo=-UOM1.過零比較器U-：參考電壓ui：輸入信號

++uouiuoui0+UOM-UOM傳輸特性UT=08.2.1電壓比較器當ui<0時,uo=+UOH當ui>0時,uo=-UOL

ui從反相端輸入++uouiuoui0+UOH-UOL8.2.1電壓比較器++uouitui例：過零比較器的輸入為正弦波，畫出輸出波形。+UOHtuo-UOL波形變換：正弦波矩形波uoui0+UOH-UOL傳輸特性8.2.1電壓比較器++uiuoui0+UZ-UZ電路改進：用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器。UZuo設(shè)UZ<UOH、UZ<|-UOL|當ui>0時,uo=+UZ當ui<0時,uo=-UZ

8.2.1電壓比較器2.任意門限比較器R′ui-++R1R2UREFUZuoUT+UZ-UZuoui0傳輸特性令u-=u+=0得UREF>08.2.1電壓比較器電壓傳輸特性–Uopp+Uopp單門限比較器的其它形式：閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對應(yīng)的輸入電壓。

uiuoOURURuoui++–+–++––當u+>u–

時，uo=+Uopp

u+<u–

時，uo=–Uopp即ui<UR時，uo=+Uopp

ui

>UR

時，uo=–

Uopp可見，在ui=UR

處輸出電壓uo發(fā)生躍變。參考電壓8.2.1電壓比較器分析電壓傳輸特性三要素的方法：通過輸出端所接限幅電路確定UOH和-UOL；令u-=u+解得的輸入電壓為門限電平UT；uo的跳變方向取決于ui作用于運放的哪一個輸入端。(1)輸出電壓高電平和低電平的數(shù)值UOH和-UOL；(2)使uo從UOH跳變?yōu)?UOL或從-UOL跳變?yōu)閁OH的輸入電壓—閾值電壓或門限電平UT；(3)當ui變化且經(jīng)過UT時uo跳變的方向。畫電壓傳輸特性，必須求出以下三個要素：8.2.1電壓比較器單門限比較器的抗干擾問題UT0ttuiuo0靈敏度高抗干擾能力差!UT+UZ-UZuoui0傳輸特性8.2.2滯回比較器電路結(jié)構(gòu)特點：引入正反饋——運放工作在飽和區(qū)(1)提高了比較器的響應(yīng)速度；(2)輸出電壓的躍變不是發(fā)生在同一門限電壓上。RFR2uoui++–R18.2.2滯回比較器RFR2uoui++–R1當uo=+UOM，則ui<U+'，uo=UOMui>U+'，uo=-UOMuiuoO

–UOM+UOM電壓傳輸特性8.2.2滯回比較器uiuoO

–UOM+UOM電壓傳輸特性當uo=-UOM，則ui>U+''，uo=-UOMui<U+''，uo=UOMRFR2uoui++–R1門限電壓受輸出電壓的控制兩次跳變之間具有遲滯特性——遲滯比較器8.2.2滯回比較器分別稱UT+和UT-上下門限電平。當ui增加時，輸出由Uom跳變到-Uom對應(yīng)的門限電平：當ui

減小時，輸出由-Uom跳變到Uom對應(yīng)的門限電平:門限電平的估算：uiuoO

–UOM+UOM電壓傳輸特性8.2.2滯回比較器定義：門限寬度——上下門限電平之差uiuoO

–UOM+UOM電壓傳輸特性8.2.2滯回比較器tuoUom-UomtuiUT+UT-例：遲滯比較器的輸入為正弦波時，畫出輸出的波形。－++uoR1RFR2uiU+uoui0UOM-UOMUT-UT+8.2.2滯回比較器UR>0，上下門限電平：－++uoR1RFR2uiURuoui0Uom-UomUT+UT-四、加上參考電壓后的遲滯比較器回差與UR有關(guān)嗎？8.2.2滯回比較器遲滯比較器兩種電路傳輸特性的比較:－++uoR1RFR2uiuoui0Uom-UomUT+UT-－++uoR1RFR2uiURuoui0Uom-UomUT+UT-8.2.2滯回比較器例：R2=10k，RF=20k

，UOM=12V，UR=9V當輸入ui為如圖所示的波形時，畫出輸出uo的波形。－++uoR1RFR2uiURuoui0Uom-UomUT+UT-5V10Vuit08.2.2滯回比較器(1)首先計算上下門限電壓：－++uoR1RFR2uiUR8.2.2滯回比較器+UOM-UOM(2)根據(jù)傳輸特性畫輸出波形圖。－++uoR1RFR2uiURuoui0Uom-UomUT+UT-uiuott10V5V002V8.2.2滯回比較器遲滯比較器電路的改進：為了穩(wěn)定輸出電壓，可以在輸出端加上雙向穩(wěn)壓管。思考：如何計算上下限？URuoUZ－++R1RFR2ui8.2.2滯回比較器思考題：若將ui和UR的位置互換，則得到的同相輸入遲滯比較器電壓傳輸特性該如何分析？－++uoRR2R1uiUR上下門限電壓：當uo=+UOM時：當uo=-UOM時：8.2.2滯回比較器傳輸特性：UHULuoui0UOM-UOM－++uoRR2R1uiUR－++uoRR2R1uiuoui0UOM-UOMUHUL對照8.2.2滯回比較器uo2A2-++ULuo1uiUHA1-++D2D1R2R1+VCCD4D3uouo1為高電平,uo2為低電平uo=UOHD3導(dǎo)通,D4截止(1)ui>UH8.2.4窗口比較器uo2A2-++ULuo1uiUHA1-++D2D1R2R1+VCCD4D3uo(2)ui<ULuo=UOH(3)

UL<ui<UHuo=0uo1為低電平,uo2為高電平D3截止,D4導(dǎo)通uo1為低電平,uo2為低電平D3截止,D4截止8.2.4窗口比較器UHULUOHuiuo0傳輸特性（1）窗口比較器有兩個門限電平，輸入電壓單向變化時輸出電壓躍變兩次，可檢測出輸入電壓是否在兩個給定值之間；（2）窗口電壓8.2.4窗口比較器3.反饋網(wǎng)絡(luò)。矩形波發(fā)生器也稱多諧振蕩器。三大部分組成：1.具有開關(guān)特性的器件或電路;2.能實現(xiàn)時間延遲的延時環(huán)節(jié);RC充放電回路RC充放電回路遲滯比較器8.3非正弦波發(fā)生電路8.3.1矩形波發(fā)生電路由集成運放構(gòu)成的矩形波發(fā)生器上下門限電壓：下行的遲滯比較器的輸出經(jīng)RC充放電回路反饋到反相輸入端。uouiUｚ-UｚUＴ+UＴ-08.3.1矩形波發(fā)生電路二、工作原理1.設(shè)uo

=

+UZ此時，輸出給C充電!則：u+=UT+一旦uc>UT+

,就有u->u+,在uc<UT+

時，u-

<u+,uo

保持+UZ

不變；uo

立即由＋UZ

變成－UZ

0UT+uctUT-UZuo0t-UZ8.3.1矩形波發(fā)生電路此時，電容C放電。2.當uo

=

-UZ時，u+=UT-uc降到UT-時，uo上翻。當uo

重新回到＋UZ

以后，電容C又要被充電。0UT+uctUT-UZuo0t-UZ8.3.1矩形波發(fā)生電路0UT+uctUT-UZuo0t-UZT輸出波形：8.3.1矩形波發(fā)生電路RC電路：起反饋和延遲作用，獲得一定的頻率。下行遲滯比較器：起開關(guān)作用，實現(xiàn)高低電平的轉(zhuǎn)換。方波發(fā)生器各部分的作用：8.3.1矩形波發(fā)生電路三、周期與頻率的計算f=1/Tuc上升階段表示式:uc下降階段表示式:uc0UT+tUT-T1T2

電容充放電時，Uc的一般表示式:t1t2t38.3.1矩形波發(fā)生電路思考題：點b是電位器RW

的中點，點a

和點c

是b的上方和下方的某點。試定性畫出點電位器可動端分別處于

a、b、c三點時的uo

、uc

相對應(yīng)的波形圖。－-+++RWR1R2CucuoD1D2abcRW’RRW”C放電時間T1C充電時間T2占空比q周期T8.3.1矩形波發(fā)生電路思考題：點b是電位器RW

的中點，點a

和點c

是b的上方和下方的某點。試定性畫出點電位器可動端分別處于

a、b、c三點時的uo-uc

相對應(yīng)的波形圖。－-+++RWR1R2CucuoD1D2abc設(shè)Rwa>RwcUOMuo0t-UOM8.3.1矩形波發(fā)生電路－++－++A1A2uouo1R02R01RCR2R1反相積分電路上行遲滯比較器特點：由上行的遲滯比較器和反相積分器級聯(lián)構(gòu)成，遲滯比較器的輸出作為反相積分器的輸入，反相積分器的輸出又作為遲滯比較器的輸入。8.3.2三角波發(fā)生電路uoui0Uom-UomUHUL上行的遲滯比較器回顧:上下門限電平：++uoRR2R1ui8.3.2三角波發(fā)生電路回顧:反相積分器ui-++RR2Cuot0uo+Uom-Uomui=+Uui=-U+uCiC8.3.2三角波發(fā)生電路－++－++A1A2uouo1R02R01RCR2R100uo1t＋UO1M－UO1MuotUHUL設(shè)t=0時,uo1=UO1M,uc(0)=08.3.2三角波發(fā)生電路周期和頻率的計算：tuoUHULT－++－++A1A2uouo1R02R01RCR2R1T1T2t0t1t28.3.2三角波發(fā)生電路工作波形教材上的方法8.3.2三角波發(fā)生電路工作波形8.3.2三角波發(fā)生電路8.3.2三角波發(fā)生電路加限幅后的三角波發(fā)生器：8.3.2三角波發(fā)生電路-－++R2R1++R4CuoR+–R3uot改變?nèi)遣òl(fā)生器中積分電路的充放電時間常數(shù)，使，即把三角波發(fā)生器轉(zhuǎn)換成了鋸齒波發(fā)生器。uctR’8.3.3鋸齒波發(fā)生電路特例uot-－++R2R1++R4CuoR+–R3uct8.3.3鋸齒波發(fā)生電路1、電流-電壓變換器2、電壓-電流變換器