1、第9章 波形产生与变换电路 9.1 正弦波发生电路9.2 电压比较电路9.3 非正弦波发生电路,9.1.1 产生正弦波的条件9.1.2 RC正弦波振荡电路9.1.3 LC正弦波振荡电路,9.1 正弦波发生电路,1. 振荡条件,2. 起振和稳幅,3. 振荡电路基本组成部分,9.1.1 产生正弦波的条件,正反馈放大电路如图示。（注意与负反馈方框图的差别）,1. 振荡条件,若环路增益,则,又,所以振荡条件为,振幅平衡条件,相位平衡条件,起振条件,2. 起振和稳幅,# 振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？,电路器件内部噪声,当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加
2、，否则波形将出现失真。,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。,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,放大电路（包括负反馈放大电路）,3. 基本组成部分,反馈网络（构成正反馈的）,选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈网络合二为一。）,稳幅环节,9.1.2 RC正弦波振荡电路,1. 电路组成,2. RC串并联选频网络的选频特性,3. 振荡电路工作原理,4. 稳幅措施,1. 电路组成,反馈网络兼做选频网络,反馈系数,2. RC串并联选频网络的选频特性,幅频响应,又,且令,则,相频响应,2. RC串并联选频网络
3、的选频特性,当,幅频响应有最大值,相频响应,3. 振荡电路工作原理,此时若放大电路的电压增益为,用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件,则振荡电路满足振幅平衡条件,(+),(+),(+),(+),电路可以输出频率为 的正弦波,RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波,采用非线性元件,4. 稳幅措施,热敏元件,热敏电阻,起振时，,即,热敏电阻的作用,采用非线性元件,4. 稳幅措施,场效应管（JFET）,稳幅原理,整流滤波,T 压控电阻,采用非线性元件,4. 稳幅措施,二极管,例题:R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf为多大时才能起振？振荡频率f0=？,AF=1，,A
4、=3,=210=20k,=1592 Hz,起振条件：,电子琴的振荡电路：,使R2R1,AF1,可调,A2,RF1+RF2Rf,9.1.3 LC正弦波振荡电路,一 LC并联谐振回路选频特性,二 变压器反馈式LC振荡电路,三 三点式LC振荡电路,四 石英晶体振荡电路,1. 等效阻抗,一 LC并联谐振回路选频特性,等效损耗电阻,当 时，,电路谐振。,为谐振频率,谐振时,阻抗最大，且为纯阻性,同时有,即,2. 频率响应,互感线圈的极性判别,磁棒,初级线圈,次级线圈,同极性端,C,L,R,u,i,反馈信号通过互感线圈引出,虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的Q值很高，选频特性好，所以仍能选出0的正弦
5、波信号。,二 变压器反馈式LC振荡电路,1. 电路结构,2. 相位平衡条件,3. 幅值平衡条件,4. 稳幅,5. 选频,（定性分析）,(+),(-),(+),(+),(+),(+),(+),(+),二 变压器反馈式LC振荡电路,反馈,满足相位平衡条件,满足相位平衡条件,反馈,+,+,+,正反馈,LC正弦波振荡器举例,振荡频率:,uo,满足相位平衡条件,仍然由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 三点式LC振荡电路,1. 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。,2.
6、 电感三点式振荡电路,振荡频率：,3. 电容三点式振荡电路,振荡频率：,例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。,(a) (b),Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。,四 石英晶体振荡电路,1. 频率稳定问题,频率稳定度一般由 来衡量,频率偏移量。,振荡频率。,LC振荡电路 Q 数百,石英晶体振荡电路 Q 10000 500000,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,结构,极板间加电场,极板间加机械力,压电效应,交变电压,机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高,当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大。,压电谐振,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,等效电路,A. 串联谐振,
7、特性,晶体等效阻抗为纯阻性,B. 并联谐振,通常,所以,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,实际使用时外接一小电容Cs,则新的谐振频率为,由于,由此看出,调整,二. 石英晶体振荡电路,利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。,1. 并联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs与fp之间，相当一个大电感，与C1、C2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。,2. 并联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs处，呈电阻性，且阻抗最小，正反馈最强。该电路为电感三点式振荡器。加入石英晶体是利用石英晶体的高Q值，提高振荡频率的稳定性。,例：分
8、析下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振荡,石英晶体处于何种状态？,(a),(b),9.2 电压比较电路,9.2.1 概述,9.2.2 单限比较电路,9.2.3 滞回比较电路,9.2.4 窗口比较电路,9.2.1 概述,将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一定的高低电平。,功能：,特性：,运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。,1. 运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。,运放工作在非线性状态基本分析方法,2. 运放工作在非线性状态的分析方法：若U+U- 则UO=+UOM；若U+U- 则UO=-UOM。虚断（运放输入端电流=0）注意：此时不
9、能用虚短！,1. 过零比较器: （门限电平=0）,9.2.2 单门限电压比较器,例题：利用电压比较器将正弦波变为方波。,2. 单门限比较器（与参考电压比较）,UREF,UREF为参考电压,当ui UREF时 , uo = +Uom 当ui UREF时 , uo = -Uom,运放处于开环状态,UREF,当ui UREF时 , uo = -Uom,若ui从反相端输入,用稳压管稳定输出电压,忽略了UD,3. 限幅电路使输出电压稳定,稳幅电路的另一种形式： 将双向稳压管接在负反馈回路上,R =R,9.2.3 滞回比较电路,1.滞回比较器,特点:电路中使用正反馈。,1、因为有正反馈，所以输出饱和。,2
10、、当uo正饱和时(uo =+UOM) ：,3、当uo负饱和时(uo =-UOM) ：,滞回比较器,设ui , 当ui = UT-, uo从-UOM +UOM,这时, uo =-UOM , U+= UT-,设初始值: uo =+UOM , U+= UT+ 设ui , 当ui = UT+, uo从+UOM -UOM,传输特性,UT+上门限电压 UT-下门限电压 UT+- UT-称为回差,例:设输入为正弦波, 画出输出的波形。,加上参考电压后的迟滞比较器：,上下限：,例题：R1=10k，R2=10k ，UZ=6V， UREF=10V。当输入ui为如图所示的波形时，画 出输出uo的波形。,上下限：,窗
11、口比较器的电路如图14.04所示。电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成。,设R1 =R2，则有：,图14.04 窗口比较器,9.2.4 窗口比较电路,当vIVH时，vO1为高电平，D3导通；vO2为低电平, D4截止，vO= vO1。,当vI VL时，vO2为高 电平，D4导通；vO1为低 电平，D3截止，vO= vO2。,当VH vI VL时， vO1为低电平，vO2为低电 平，D3、D4截止，vO为 低电平。,窗口比较器的传输特性,该比较器有两个阈值，传输特性曲线呈窗口状， 故称为窗口比较器。,9.3 非正弦波发生电路,9.3.1 矩形波发生电路,9.3.2 三角波发生电路,9.3.
12、3 锯齿波发生电路,1.电路结构,由滞回比较电路和RC定时电路构成的,上下限:,9.3.1 矩形波发生电路,2.工作原理：,(1) 设 uo = + UOM ,此时，输出给C 充电, uc ,则：u+=UT+,一旦 uc UT+ , 就有 u- u+ ,在 uc UT+ 时，,u- u+ ,uo 立即由UOM 变成UOM, 设uC初始值uC(0+)= 0,方波发生器,uo保持+UOM不变,此时，C 经输出端放电,再反向充电,(2) 当uo = -UOM 时，,u+=UT-,uc达到UT-时，uo上翻,当uo 重新回到UOM 以后，电路又进入另一个 周期性的变化。,周期与频率的计算：,f = 1
13、/T,此期间是分析问题时的假设,实际上用示波器观察波形时看不到这段波形.,周期与频率的计算：,T= T1 + T2 =2 T2， 因正反向充电条件一样T1 = T2。,T2阶段uc(t)的过渡过程方程为:,UC ()=+UOM,周期与频率的计算：,占空比可调的矩形波电路,显然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 的矩形波电路见图14.09。,C充电时，充电电流经电位器的上半部、二极管D1、Rf；C放电时，放电电流经Rf、二极管D2、电位器的下半部。,图14.09 占空比可调方波发生电路,占空比为：,图14.08 方波发生器波形图,9.3.2 三角波发生电路
14、,1、电路组成 用积分运算电路可将方波变为三角波。,实际电路将两个RC 环节合二而一,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,2、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。,三角波发生电路的振荡原理,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 ， u
15、O1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。,3、波形分析,为什么为三角波？怎样获得锯齿波？,1、R3应大些？小些？ 2、RW的滑动端在最上端和最下端时的波形？,T,3、R3短路时的波形？,若T2决定于外加电压，则电路的振荡频率就几乎仅仅受控于外加电压，实现了uf 的转换。,9.3.3 锯齿波发生电路,压控振荡器（uf 转换电路）,若uI0，则如何改动？,单位时间内脉冲个数表示电压的数值，故实现A/D转换,本章小结,1自激振荡可以使反馈放大器工作不稳定，但我们可以利用产生自激振荡的条件去构成正反馈电路，以产生正弦波振荡。正弦波振荡电路由放大器、反馈网络、选
16、频网络和稳幅环节构成。 2正弦波振荡电路主要有RC振荡电路和LC振荡电路两种。RC振荡电路主要用于中低频场合，LC振荡电路主要用于高频场合。石英晶体振荡电路是一种特殊类型的LC振荡电路，其特点是具有很高的频率稳定性。 3比较器是一种能够比较两个模拟量大小的电路。由于集成运放的开环电压增益很高，所以，当集成运放工作在开环状态时，可以作为比较器使用。这时，运放工作在非线性状态，其输出电压仅为正负饱和值，输入信号“虚短”的概念也不再成立。迟滞比较器具有回差特性，在信号处理电路中得到了广泛应用。 4在方波、锯齿波和三角波等非正弦波信号发生器中，运放一般工作在非线性状态。电路是由积分器、反馈网络、和比较器等环节组成，属于一种弛张振荡电路。这一类电路也得到了广泛的应用。,
