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1、第8章 波形的发生与信号的转换,小结,8.2正弦波振荡电路,8.4非正弦波发生电路,8.1 概述,8.3电压比较器,8.5利用集成运放实现信号的转换,信号产生电路,(振荡器Oscillators),分类：,正弦波振荡,非正弦波振荡,RC 振荡器(1 kHz 数百 kHz),LC 振荡器(几百 kHz 以上),石英晶体振荡器(频率稳定度高),方波、,三角波、,锯齿波等,主要性能要求：,输出信号的幅度准确稳定,输出信号的频率准确稳定,8.1概 述,8.2正弦波振荡电路,8.2.1 正弦波振荡的条件,8.2.2 RC 正弦波振荡电路,8.2.3 LC 正弦波振荡电路,8.2.4 石英晶体正弦波振荡电
2、路,8.2.1 正弦波振荡的条件,一、振荡条件,微弱的电扰动中，某一频率成分通过正反馈逐渐放大，则产生正弦振荡。, 振幅平衡条件, 相位平衡条件,n = 0, 1, 2, ,二、起振条件,起振条件,1/F,AF = 1,O,ui,uo,A,uo,A F 1,AF 1,Ui1,Uo1,Uf1,Ui2,Uo2,Uf2,Ui3,Uo3,Uf2,Ui4,Uo4,uf,起振,稳幅, ,（略大于1）,三、电路的组成和起振的判断,1. 放大电路,2. 正反馈网络,3. 选频网络,4. 稳幅环节,组成:,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。,引入正反馈，使放大电路
3、的输入信号等于反馈信号。,确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。,也就是非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。,判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤：,（1）观察电路是否包含了放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节四个组成部分。 （2）判断放大电路是否能够正常工作，即是否有合适的静态工作点且动态信号是否能够输入、输出和放大。 （3）利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相位条件。具体做法是：断开反馈，在断开处给放大电路加频率为f0的输入电压，并给定其瞬时极性，如图所示。然后以输入信号极性为依据判断输出电压的极性，从而得到反馈电压的极性；若反馈电压与
4、输入电压极性相同，则说明满足相位条件，电路有可能产生正弦波振荡，否则表明不满足相位条件，电路不可能产生正弦波振荡。,（4）判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件，即是否满足起振条件。,8.2.2 RC 正弦波振荡电路,一、RC 桥式振荡电路,1. RC 串并联选频网络,式中: 0 = 1/RC,当 = 0 时, = 0,2. RC 桥氏振荡电路,A = 2n,F = 0,2) 电路：,同相 放大器,1) 组成：,3)振荡频率,4)起振条件, ,（略大于1）,Rf 不能太大，否则 正弦波将变成方波,5)稳幅措施,为使电路 Au 为非线性，起振时，应使 Au 3，稳幅后 Au = 3。,热敏电阻稳幅
5、,正温度系数,负温度系数,Au 1 + R2/R1 = 3,为使失真小：,R2 2R1,R2 2R1 - R3,Au 1 + (R2+ R3)/R1 3,起振时信号小， 二极管电阻大,12.4 k R2 8.1 k,f0 = 1.94 kHz,二极管稳幅,振荡频率可调的RC串并联选频网络,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,例：已知电容的取值分别为0.01F、0.1 F、1 F、10 F，电阻R=50，电位器Rw=10k 。 试问：f0的调节范围？,例一：电路如图所示，试求解：（1）Rw的下限值；（2）振荡频率的调节范围。,例二：电路如图所示，稳压管
6、DZ起稳幅作用，其稳定电压UZ=6V。试估算：（1）输出电压不失真情况下的有效值；（2）振荡频率。,思考：试将图示电路合理连线，组成RC桥式正弦波振荡电路，并求出振荡频率和起振条件。,分析：,振荡频率,起振条件,即,（略大于）,+,+,-,思考：电路如图所示。 （1）为使电路产生正弦波振荡，标出集成运放的“”和“”；并说明电路是哪种正弦波振荡电路。 （2）若R1短路，则电路将产生什么现象？ （3）若R1断路，则电路将产生什么现象？ （4）若RF短路，则电路将产生什么现象？ （5）若RF断路，则电路将产生 什么现象？,二、RC 移相式振荡电路（补充）,一节 RC 环节,移相 90,二节 RC 环
7、节,移相 180,三节 RC 环节,移相 270, 满足相位平衡条件,优点：,结构简单,缺点：,选频特性差，输出波形差,8.2.3 LC 正弦波振荡电路,类型：变压器反馈式 、 电感三点式、 电容三点式,一、变压器反馈式 LC 振荡电路,L 的等效损耗电阻,(一) LC 并联回路的特性,Z,1. 谐振频率 f0,2. 谐振阻抗 Z0,3. 回路品质因数 Q,选频网络的损耗愈小；谐振频率相同时，电容容量愈小，电感数值愈大，品质因数愈大，将使得选频特性愈好。,4. 频率特性,Q 大,Q 小,Q 增大,幅频特性,相频特性,Q值愈大，曲线愈陡，选频特性愈好。,5. 并联谐振的本质, 电流谐振,1) Z
8、 = Z0,呈纯阻,2)形成环流，大小是总电流的 Q 倍, ,选频放大电路,这是以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载。根据LC并联网络的频率特性，当f=f0时，电压放大倍数的数值最大，且无附加相移。对于其余频率的信号，电压放大倍数不但数值减小，而且有附加相移。电路具有选频特性，故称之为选频放大电路。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。,（二）变压器反馈式振荡电路,为使反馈电压与输入电压同相，同名端标注如图。当反馈电压取代输入电压时，就得到变压器反馈式振荡电路。,为使反馈电压与输入电压同相，同名端标注如图。当反馈电压取代输入电压时，就得到变压器反馈
9、式振荡电路。,+,ui,+,+,+,uf,优缺点:易于振荡，输出电压波形失真不大，应用范围广泛。但由于输出电压与反馈电压靠磁路耦合，因而耦合不紧密，损耗较大，振荡频率f0的稳定性不高。用于产生几kHz至几十MHz的正弦波。,反馈电压的极性与输入电压相同，故电路满足正弦波振荡的相位条件。,同名端同极性,变压器反馈式振荡电路,满足相位平衡条件,同名端同极性,二、电感三点式振荡电路,将N1和N2合并为一个线圈，克服耦合不紧密的缺点。为了加强谐振效果，将电容C跨接在整个线圈两端。,+,ui,+,uf,+,c,b,e,优缺点:放大电路和反馈网络耦合紧密，易振，输出波形含高次谐波；用于产生几kHz至几十M
10、Hz的正弦波，改变选频网络的电容容量可得较宽的振荡频率范围。,反馈电压的极性与输入电压相同，故电路满足正弦波振荡的相位条件。,三、电容三点式振荡电路,+,ui,+,+,uf,优缺点:输出电压波形好，用于产生几kHz至几十MHz固定频率的正弦波。若用改变电容的方法来调节振荡频率，则会影响电路的起振条件；而若用改变电感的方法来调节振荡频率，则比较困难；所以常常用在固定振荡频率的场合。,反馈电压的极性与输入电压相同，故电路满足正弦波振荡的相位条件。,考毕兹振荡器(Colpitts),电容三点式振荡电路的改进,小,由于极间电容受温度的影响，杂散电容又难于确定，为了稳定振荡频率，在设计电路中，必须使它们
11、对选频特性的影响忽略不计。具体方法是在电感所在支路串联一个小容量电容C。让C1和C2远大于极间电容和杂散电容，只起分压作用，以获得反馈电压，而几乎对振荡频率无影响，则电路的振荡频率就可能很稳定。,采用共基放大电路的电容三点式振荡电路,+,ui,+,+,uf,在要求电容三点式振荡电路的振荡频率高达100MHz以上时，应考虑采用共基放大电路。,反馈电压的极性与输入电压相同，故电路满足正弦波振荡的相位条件。只要电路参数选择得当，电路就可满足幅值条件，而产生正弦波振荡。,例一：电路如图所示，图中Cb为旁路电容，C1为耦合电容，对交流信号均可视为短路。为使电路可能产生正弦波振荡，试说明变压器原边线圈和副
12、边线圈的同名端。,+,ui,+,+,uf,因此，变压器原边线圈的下端和副边线圈的上端为同名端；或者说原边线圈的上端和副边线圈的下端为同名端。,例二：标出各电路中变压器的同名端，使之满足正弦波振荡的相位条件。,+,ui,+,+,uf,uf,+,ui,+,例三：改正图示电路中的错误，使之有可能产生正弦波振荡。要求不能改变放大电路的基本接法。,观察电路，Ce容量远大于C1和C2，故为旁路电容，对交流信号可视为短路。C1、C2和L构成LC并联谐振网络，C2上的电压为输出电压，C1上的电压为反馈电压，因而电路为电容三点式振荡电路。,电感L连接晶体管的基极和集电极，在直流通路中使两个极近似短路，造成放大电
13、路的静态工作点不合适，故应在选频网络与放大电路输入端之间加耦合电容。,晶体管的集电极直接接电源，在交流通路中使集电极与发射极短路，因而输出电压恒等于零。所以，必须在集电极加电阻Rc。,思考：分别判断图示各电路是否可能产生正弦波振荡。,可能,可能,不能,不能,思考：分别标出图示各电路中变压器的同名端，使之满足正弦波振荡的相位条件。,+,+,8.2.4 石英晶体(Crystal)振荡电路,(一)石英晶体谐振器的阻抗特性,1. 结构和符号,化学成分 SiO2,结构,晶片,符号,2. 压电效应,形变,形变,机械振动,外力,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
14、产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，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，称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。,3. 等效电路,L 晶体的动态电感 (10-3 102 H)(大),C 晶体的动态电容 ( 0.1 pF)(小),r 等效摩擦损耗电阻(小),Co 晶片静态电容 (几 几十 pF),大,小,小,大,4. 频率特性和谐振频率,容性,容性,感性,由于C和r的数值都很小，L数值很大，所以Q值高达104 106。而且，因为振荡频率几乎仅决定于晶片的尺寸，所以其稳定度相当高。
15、因此，石英晶体的选频特性是其它选频网络不能比拟的。,5. 使用注意,2)要有合适的激励电平。过大会影响 频率稳定度、振坏晶片；过小会使 噪声影响大，还能停振。,1)要接一定的负载电容 CL(微调)， 以达标称频率。,(二)石英晶体谐振电路,1. 串联型,f = fs，晶体呈纯阻,2. 并联型,fs f fp，晶体呈感性,8.3电压比较器,8.3.2 简单比较器,8.3.4 窗口比较器,8.3.3 滞回比较器,电压比较器能够将模拟信号转换成具有数字信号特点的二值信号，即输出不是高电平，就是低电平。因此，集成运放多数情况下工作在非线性区。它既用于信号转换，又作为非正弦波发生电路的重要组成部分。,8
16、.3.1 概述,通常用电压传输特性来描述电压比较器输出电压与输入电压的函数关系。电压传输特性具有三个要素：,（1）输出电压的高、低电平。它决定于集成运放输出电压的最大幅值或输出端的限幅电路。,（2）阈值电压。阈值电压是使输出电压从高电平跃变为低电平，或者从低电平跃变为高电平的输入电压。也就是使集成运放同相输入端和反相输入端电位相等的输入电压。,（3）输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向。它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。,8.3.1 概述,一、集成运放的非线性工作区,在电压比较器电路中，集成运放往往不是处于开环状态（即没有引入反馈），就是只引入了正反馈。因此，集成
17、运放工作在非线性区。,二、电压比较器的种类,只有一个阈值电压,具有滞回特性，虽有两个阈值电压，但当输入电压向单一方向变化时输出电压仅跃变一次。,有两个阈值电压，当输入电压向单一方向变化时，输出电压跃变两次。,8.3.2 简单比较器,1. 过零比较器,2.一般简单比较器,UTH,例：在图示电路中，稳压管的稳定电压UZ=5V，R1=R2=5k，基准电压UREF=2V，已知输入电压为三角波。试画出输出电压的波形。,O,uO/V,uI/V,2,5,+5,8.3.3 滞回比较器,O,uO,uI,+UZ,UZ,+UTH,UTH,这是反相输入的滞回比较器,加了参考电压的滞回比较器,改变参考电压的大小和极性，
18、滞回比较器的电压传输特性将产生水平方向的移动；改变稳压管的稳定电压可使电压传输特性产生垂直方向的移动。,例1：在图示电路中，已知R1=50k，R2=100k ，稳压管的稳定电压UZ= 9V，输入电压uI的波形如图所示，试画出输出电压uO的波形。,滞回比较器具有一定的抗干扰能力,例2：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20 100k之间。,若取R1为25k ，则R2应取为50k ；若取R1为50k ，则R2应取为100k 。,8.3.4 窗口比较器,简单比较器和滞回比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，因而不能检测出输入电压是否在两个给定电压之间，而窗
19、口比较器具有这一功能。,示例：已知图(a)所示方框图各点的波形如图(b)所示，试指出各电路的名称。,思考：试分别求解图示各电路的电压传输特性。,思考：试分别求解图示各电路的电压传输特性。,思考：（1）已知三个电压比较器的电压传输特性分别如图（a）、（b）、（c）所示，它们的输入电压波形均如图（d）所示，试画出uO1、uO2和uO3的波形。（2）设计三个电压比较器，它们的电压传输特性分别如图（a）、（b）、（c）所示。要求合理选择电路中各电阻的阻值，限定最大值为50k。,抗 干 扰,单门限比较,UT,滞回比较,UT-,UT+,uO,整 形,8.4.1 矩形波产生电路(Astable Multiv
20、ibrator),1. 电路组成和输出波形,8.4 非正弦波发生电路,2. 振荡频率,占空比 = 50%,3.占空比可调的矩形波电路 为了改变输出方波的占空比，应改变电容器C的充电和放电时间常数。占空比可调的矩形波电路如下图。,8.4.2三角形波发生电路,三角波发生电路 8.4.2 三角波发生电路 三角波发生器的电路由滞回比较器和积分器闭环组合而成的。积分器的输出反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的UREF。,8.4.3三角形波发生电路,8.4.3 锯齿波发生电路 为了获得锯齿波，应改变积分器的充、放电时间常数。图中的二极管D和R将使充电时间常数减小为(RR)C，而放电时间常数仍为RC。锯齿波电
21、路的波形图如下。,例2：设振荡周期为T，在一个周期内uO1UZ的时间为T1，则占空比为T1 / T；在电路某一参数变化时，其余参数不变。选择增大、不变或减小填入空内： 当R1增大时，uO1的占空比将 ，振荡频率将 ，uO2的幅值将 ；若RW1的滑动端向上移动，则uO1的占空比将 ，振荡频率将 ，uO2的幅值将 ；若RW2的滑动端向上移动，则uO1的占空比将 ，振荡频率将 ，uO2的幅值将 。,答案：设RW1、RW2在未调整前滑动端均处于中点，则应填入，；，；，；。,思考：已知ui为正弦波，画出uo波形。,补充： 压控方波产生电路,一、积分 - 施密特触发器型压控振荡器,压控 恒流源,压控 恒流
22、源,积分器,积分器,镜象 电流源,镜象 电流源,uO = UOL,V3 截止，,uO = UOH,C 充电至 UT+,V3 导通，,C 放电至 UT-,uO = UOL,占空比 50%,二、8038 集成函数发生器, I01,1. 原理,11,+VCC,R,R,R,R,S,C,I01,I02,6,9,3,2,-VEE,或地,10,反相器,电压跟随器,正弦波变换器,当 Q = 0，S 断开，,C 充电 (I01) 至 2/3VCC,Q = 1,当 Q = 1，S 闭合，,C 放电 (I02 -I01) 至 1/3VCC,Q = 0,当 I02 = 2I01， 引脚 9 输出方波，引脚 3 输出三
23、角波；,当 I02 2I01， 引脚 9 输出矩形波，引脚 3 输出锯齿波。,补充1：压控方波产生电路3,2. 应用,应用1,调占空比和正弦波失真,应用2,一、信号产生电路的分类：,正弦波振荡:,非正弦波振荡：,RC 振荡器 (低频),LC 振荡器 (高频),石英晶体振荡器(振荡频率精确),方波、,三角波、,锯齿波等。,小 结,二、正弦波振荡条件、电路结构和选频电路,1. 振荡条件, 振幅平衡条件, 相位平衡条件,n = 0, 1, 2, ,判断电路是否起振采用瞬时极性法，即断开反馈 网络，加一信号，如果信号极性逐级变化后， 返回后与原信号同极性，则满足相位平衡条件。,2. 振荡电路的两种结构
24、,3. 选频电路及其特性,小结3,1) RC 串并联式,幅 频 特 性,相 频 特 性,当 = 0 = 1/RC 时, = 0,电 路,小结4,2) LC并联谐振回路,阻抗幅频特性,电路,阻抗相频特性,谐振频率,谐振阻抗,回路品质因数,小结5,三、正弦波振荡电路,1. RC 桥氏振荡电路,C,R1,Rf,R,C,R,振荡频率,振荡条件,即,自动稳幅措施：,使电 Au 成为非线性,Rf 串接二极管(图略),Rf 串接负温度系数热敏电阻,R1 采用正温度系数热敏电阻,小结6,3. LC 振荡电路,变压器反馈式,电感三点式,小结7,电容三点式,四、石英晶体振荡电路,1. 等效电路和频率特性,符号,等
25、效电路,频率特性,串联谐振频率,并联谐振频率,2. 石英晶体谐振电路,串联型,f = fs，晶体呈纯阻,并联型,fs f fp，晶体呈感性,五、比较器,1. 单限电压比较器,传 输 特 性,特点：,1) 工作在非线性区,2) 不存在虚短 (除了uI = UREF 时),3) 存在虚断,门限电压 UT = UREF,六、非正弦波振荡电路,1. 产生方波振荡的基本原理,当施密特触发器输出高(低)电平时，电容 C 的充电方向不同，每当 uC 超过上(下)门限电压时，施密特触发器的输出电平就发生跳变，使电容改变充电方向，于是形成 uO 周而复始的高、低电平跳变，即方波振荡。,小结12,施密特触发器的构成：,迟滞比较器 (运放接成正反馈),555 定时器的施密特触发器形式,集成施密特触发器,2. 获得三角波的基本方法,方波,积分电路,三角波,小结13,2. 滞回比较器 (施密特触发器),反相型滞回比较器,uI,R,R1,UREF,R2,R3,UZ,P,uO,传输特性,同相型迟滞比较器,R1,R,uI,UREF,R2,R3,UZ,N,P,uO,传输特性,门限电压的求法：,根据叠加定理求出同相端电压 uP 的表达式，当输出状态 变化时，与反相端电压uN 相等, 此时的输入电压uI即为 门限电压UT+和UT 。,