模擬電子技術基礎課件 第9章 波形發(fā)生及變換電路

9.1正弦波振蕩電路的基本原理9.2RC正弦波振蕩電路9.3LC正弦波振蕩電路9.4石英晶體振蕩電路9.5電壓比較器9.6非正弦信號產(chǎn)生電路電氣與電子工程學院第9章波形發(fā)生及變換電路

9.1.1自激振蕩的條件9.1.2正弦波振蕩電路的組成9.1.3正弦波振蕩電路的類型9.1.4正弦波振蕩電路的分折步驟電氣與電子工程學院9.1正弦波振蕩電路的基本原理~放大電路反饋網(wǎng)絡如果反饋電壓uf

與原輸入信號ui

完全相等，則即使無外輸入信號，放大電路輸出端也有一個正弦波信號——自激振蕩。圖

9.1.1

反饋放大電路產(chǎn)生自激振蕩的條件9.1.1自激振蕩的條件1.放大電路產(chǎn)生自激振蕩的條件是：即：所以產(chǎn)生正弦波振蕩的條件是：——幅度平衡條件——相位平衡條件2.起振條件和穩(wěn)幅原理起振條件：結果：產(chǎn)生增幅振蕩（略大于）1）被動：器件非線性2)主動：在反饋網(wǎng)絡中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)放大電路的增益。穩(wěn)幅過程：起振時，穩(wěn)定振蕩時，穩(wěn)幅措施：起振過程Xdof基本放大器A反饋網(wǎng)絡FXX

組成：放大電路、反饋網(wǎng)絡、選頻網(wǎng)絡和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。1.放大電路2.正反饋網(wǎng)絡3.選頻網(wǎng)絡4.穩(wěn)幅環(huán)節(jié)滿足振蕩條件—實現(xiàn)單一頻率的振蕩—穩(wěn)定振蕩幅度、波形好常合二為一9.1.2正弦波振蕩電路的組成放大電路反饋網(wǎng)絡

1.RC振蕩電路：分為橋式、移相式和雙T式等常用的RC振蕩電路。9.1.3正弦波振蕩電路的類型圖

9.1.2橋式、移相式和雙T式RC振蕩電路工作頻率較低，一般為幾赫茲至幾百千赫茲，它們的直接輸出功率較小，常用于低頻電子設備中。

2.LC振蕩電路分為變壓器反饋式、電感三點式和電容三點式等常用的LC振蕩電路。工作頻率較高，可以產(chǎn)生幾十兆赫茲以上的正弦波信號，它們可以直接給出較大的輸出功率，常用于高頻電子電路或設備中。圖

9.1.3

LC振蕩電路

3.石英晶體振蕩電路圖

9.1.4石英晶體振蕩電路選用石英晶體作選頻網(wǎng)絡，主要有并聯(lián)型和串聯(lián)型石英晶體振蕩電路。石英晶體振蕩電路的工作頻率一般在幾十千赫茲以上，它的頻率穩(wěn)定度較高，多用于時基電路和測量設備中。課前回顧講課人：劉雪婷電子郵箱：liuxuet@163.com1.自激振蕩的條件2.正弦波振蕩電路的組成3.正弦波振蕩電路的類型電氣與電子工程學院正弦波振蕩電路的基本原理1.放大電路產(chǎn)生自激振蕩的條件是：即：所以產(chǎn)生正弦波振蕩的條件是：——幅度平衡條件——相位平衡條件放大電路正反饋網(wǎng)絡選頻網(wǎng)絡——只對一個頻率滿足振蕩條件，從而獲得單一頻率的正弦波輸出。穩(wěn)幅環(huán)節(jié)——使電路易于起振又能穩(wěn)定振蕩，波形失真小。2.正弦波振蕩電路的組成

組成：放大電路、反饋網(wǎng)絡、選頻網(wǎng)絡和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。3.正弦波振蕩電路的類型

1）RC振蕩電路

2）LC振蕩電路

3）石英晶體振蕩電路

9.1.4正弦波振蕩電路的分折步驟

1.分析電路的結構

(1)檢查電路的基本組成，看電路是否包括放大電路、反饋網(wǎng)絡、選頻網(wǎng)絡和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。

(2)檢查放大電路直流通路，看靜態(tài)工作點是否合適。

(3)檢查交流通路，看信號能否輸入、輸出和放大，即能否保證放大電路正常工作。

2.判斷電路是否滿足自激振蕩的相位平衡條件判斷相位平衡條件采用瞬時極性法，沿著放大和反饋環(huán)路判別反饋的性質(zhì)，如果是正反饋則滿足相位平衡條件，否則不滿足相位平衡條件。

(1)斷開反饋回路與放大電路輸入端的連接點，在斷開點處加頻率為f0的信號Ui，經(jīng)放大電路和反饋回路求反饋信號Uf，根據(jù)放大電路和反饋網(wǎng)絡的相頻特性，確定Uf和Ui之間的相位關系;具體的判斷步驟是:

(2)如果Ui和Uf在某—頻率f0下相位相同，則電路滿足相位平衡條件，否則不滿足相位平衡條件。-×-

3.判斷電路是否滿足自激振蕩的幅度條件

4.振蕩頻率和起振條件的估算振蕩頻率f0：由相位平衡條件所決定。起振條件：9.2RC正弦波振蕩電路9.2.1RC橋式正弦波振蕩電路9.2.2RC移相式振蕩電路9.2.3雙T網(wǎng)絡正弦波振蕩電路9.2.1RC橋式正弦波振蕩電路1.電路組成：(1)放大電路——

同相比例運算放大器

；文氏電橋電路(2)選頻與正反饋網(wǎng)絡——R、C串并聯(lián)電路；(3)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)——

Rf與R1

組成的負反饋電路。oZ1Z22.RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡

RC串并聯(lián)選頻電路1）定性分析：（1）當信號的頻率較低時。>>R1>>R2其低頻等效電路為：其頻率特性為：當ω=0時，uf=0，│F│=0=+90°當ω↑時，uf=↑，│F│↑,↓0|F|0φF90°（2）當信號的頻率較高時。＜＜R1＜＜R2其高頻等效電路為：其頻率特性為：當ω=∞時，uf=0，│F│=0=-90°當ω↓時，uf=↑，│F│↑,↓0|F|0φF-90°ω0=？│F│max=？由以上分析知：一定有一個頻率ω0存在，當ω=ω0時，│F│最大，且=0°0|F|0φF90°0|F|0φF-90°2）定量分析取R1=R2=R，C1=C2=C，令

則：得RC串并聯(lián)電路的幅頻特性：相頻特性：最大，F(xiàn)=0。0F01/3+90o-90o由3.振蕩頻率與起振條件(1)振蕩頻率(2)起振條件f=f0時，由起振條件：同相比例運放的電壓放大倍數(shù)為即要求：得：反饋系數(shù)

改變RF，可改變反饋深度。增加負反饋深度，并且滿足

則電路可以起振，并產(chǎn)生比較穩(wěn)定而失真較小的正弦波信號。

引入電壓串聯(lián)負反饋，可以提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性，改善振蕩電路的輸出波形，提高帶負載能力。4.穩(wěn)幅措施輸出幅度不穩(wěn)定，常采用非線性熱敏元件來穩(wěn)幅。

(1)采用熱敏電阻Rf：負溫度系數(shù)R1：正溫度系數(shù)均可實現(xiàn)自動穩(wěn)幅。原理：UO

，電流If增大，tRfAUO

(2)采用反并聯(lián)二極管電壓放大倍數(shù)為RD并聯(lián)二極管的等效平均電阻值起振時VD1、VD2不導通，Rf1+Rf2略大于2R1。隨著uo的增加，VD1或VD2逐漸導通，Rf2被短接，A自動下降，起到穩(wěn)幅作用。

起振時信號小，二極管電阻大；起振后二極管電阻逐漸減小。5.分立元件組成的橋式RC振蕩電路振蕩頻率：電壓放大倍數(shù)為橋式RC振蕩電路6.振蕩頻率的調(diào)節(jié)振蕩頻率：用雙層波段開關接不同電容，作為振蕩頻率f0的粗調(diào)；用同軸電位器實現(xiàn)f0的微調(diào)。圖

9.2.9振蕩頻率的調(diào)節(jié)電子琴的振蕩電路_++RF1uoR1CCRfD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R21R212345176功率放大器可調(diào)例9.2.1

試用相位平衡條件判斷如圖9.2.6(a)所示電路能否產(chǎn)生自激振蕩。第1級是共射放大電路方法1：第2級是共射放大電路放大電路總的選頻網(wǎng)絡相位移：

故不能產(chǎn)生自激振蕩。方法2：瞬時極性法圖

9.2.6

例9.2.2

試判斷如圖所示的各電路能否產(chǎn)生正弦波振蕩，并簡述理由。故相位條件滿足但因是共集電極放大電路，A小于1，幅度條件不滿足。故不能振蕩。圖

9.2.7(a)

圖

9.2.7(b)

錯誤一是集成運放輸入端的正負極性顛倒；錯誤二是電阻R1與R2的位置顛倒。例9.2.3

一文氏電橋振蕩電路如圖9.2.8所示，接通電源后電路不能振蕩，請指出電路的錯誤。解：圖

9.2.8

RC超前移相電路

RC滯后移相電路

一節(jié)RC環(huán)節(jié)移相90二節(jié)RC

環(huán)節(jié)移相180三節(jié)RC

環(huán)節(jié)移相2709.2.2RC移相式振蕩電路1.移相式振蕩電路集成運放采用反相輸入方式，故振蕩頻率為：0F270o180o90o當F=180o

時，f=f0

A=180o，F(xiàn)=180o，即可滿足產(chǎn)生正弦波振蕩的相位平衡條件。圖

9.2.10RC移相式振蕩電路2.雙T網(wǎng)絡振蕩電路振蕩頻率約為：如果放大電路的放大倍數(shù)足夠大，同時滿足振幅平衡條件，即可產(chǎn)生正弦波振蕩。集成運放采用反相輸入方式，故當F=180o

時，f=f0

A=180o，F(xiàn)=180o，即可滿足產(chǎn)生正弦波振蕩的相位平衡條件。圖

9.2.11雙T網(wǎng)絡正弦波振蕩電路表9-1三種RC振蕩電路的比較名稱RC串并聯(lián)網(wǎng)絡振蕩電路移相式振蕩電路雙T網(wǎng)絡選頻振蕩電路電路形式振蕩頻率起振條件電路特點及應用場合可方便地連續(xù)調(diào)節(jié)振蕩頻率，便于加負反饋穩(wěn)幅電路，容易得到良好的振蕩波形。電路簡單，經(jīng)濟方便，適用于波形要求不高的輕便測試設備中。選頻特性好，適用于產(chǎn)生單一頻率的振蕩波形。9.3.1

LC

并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特性9.3.2變壓器反饋式LC振蕩電路9.3.3電感三點式振蕩電路9.3.4電容三點式振蕩電路9.3

LC

正弦波振蕩電路9.3.1

LC

并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特性電路發(fā)生并聯(lián)諧振。即一般則諧振頻率：此時，|Z|最大圖

9.3.1LC并聯(lián)電路1.諧振頻率f03.回路品質(zhì)因數(shù)Q4.頻率特性Z01Z02Q1

>Q2Q1Q2F+90o-90oQ1Q2Q1

>Q2感性純阻容性不同Q

值時，LC并聯(lián)電路的幅頻特性、相頻特性2.諧振阻抗Z0圖9.3.2LC并聯(lián)電路的幅頻特性和相頻特性電容、電感支路的電流值：并聯(lián)回路的輸入電流值：所以：當

Q>>1時，

結論：諧振時，電容支路的電流與電感支路的電流大小近似相等，而諧振回路的輸入電流極小。5.并聯(lián)諧振的本質(zhì)—電流諧振Z01Z02Q1

>Q2Q1Q2F+90o-90oQ1Q2Q1

>Q2感性純阻容性結論：

1.LC并聯(lián)電路具有選頻特性。當f=f0

時，電路為純電阻性，等效阻抗值最大；當f

<

f0

時，電路為感性；當f

>

f0

時，電路為容性。

2.電路的品質(zhì)因數(shù)Q愈大，幅頻特性越尖銳，選頻特性愈好。

3.諧振頻率的數(shù)值與LC并聯(lián)電路的參數(shù)有關。1234磁棒初級線圈次級線圈同極性端1234+–+–CLR+u-i反饋信號通過互感線圈引出9.3.2變壓器反饋式振蕩電路放大電路：共射放大電路選頻網(wǎng)絡：LC振蕩回路反饋網(wǎng)絡：變壓器副邊N21.電路組成用瞬時極性判斷為正反饋，所以滿足自激振蕩的相位平衡條件。2.振蕩頻率和起振條件振蕩頻率起振條件×rbe為三極管的輸入等效電阻，M為繞組Nl、N2的互感，R’是折合到諧振回路的等效總損耗電阻。圖9.3.2LC并聯(lián)電路的幅頻特性和相頻特性例9.3.1電路如圖9.3.4(a)所示，試分析該電路的組成，按相位平衡條件判斷能否產(chǎn)生正弦波振蕩。×能產(chǎn)生正弦波振蕩共基極放大電路圖9.3.4例9.3.1電路

例9.3.2

電路如圖9.3.5所示，接上電源后電路不能起振，請修改電路以滿足自激振蕩的條件。(1)靜態(tài)工作點不合適(2)不滿足相位平衡條件三極管基極電位UB=0V，三極管處于截止狀態(tài)，所以電路不能正常工作。共射極放大電路圖9.3.5例9.3.2電路9.3.3電感三點式振蕩電路1.電路組成用瞬時極性判斷為正反饋，滿足自激振蕩的相位平衡條件。2.相位平衡條件振蕩頻率起振條件3.振蕩頻率和起振條件圖9.3.7電感三點式振蕩電路

4.特點：

(1)由于L1、L2的耦合很緊，容易起振。改變電感抽頭的位置，即改變L1、L2的比值，可以獲得滿意的正弦波，且振幅較大。通常反饋線圈選擇為整個線圈的1／8到l／4。

(2)并聯(lián)諧振回路可以采用可變電容，來獲得一個較寬的振蕩頻率調(diào)節(jié)范圍。

(3)由于反饋電壓取自電感L2，而電感對高次諧波的阻抗較大，在反饋信號中有較大的高次諧波分量，使輸出波形變差。一般用于要求不高的場合，產(chǎn)生幾十兆赫以下的正弦波。例9.3.3

：振蕩電路如圖9.3.8(a)所示，分析電路有沒有錯誤，如有錯誤，請改正。滿足相位平衡條件但電感對直流電路相當于短路，三極管集電極和發(fā)射極電位都等于VCC，三極管不能正常工作。因此在三極管發(fā)射極和電感2端之間加隔直電容，以實現(xiàn)隔離直流量并使交流信號順利通過。

圖9.3.8例9.3.3圖振蕩頻率：課前回顧講課人：劉雪婷電子郵箱：liuxuet@163.com一、

RC正弦波振蕩電路二、

LC

正弦波振蕩電路

主要內(nèi)容

一.RC正弦波振蕩電路1.電路組成：2.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特性3.振蕩頻率與起振條件1.電路組成：放大電路

——集成運放A；選頻與正反饋網(wǎng)絡——R、C串并聯(lián)電路；穩(wěn)幅環(huán)節(jié)——RF與R

組成的負反饋電路。最大，F(xiàn)=0。0F01/3+90o-90o2.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特性3.振蕩頻率與起振條件1)振蕩頻率f=f0時，由振蕩條件知：所以起振條件為：同相比例運放的電壓放大倍數(shù)為即要求：2)起振條件二.LC

正弦波振蕩電路

1.LC

并聯(lián)電路的特性2.變壓器反饋式振蕩電路3.電感三點式振蕩電路Z01Z02Q1

>Q2Q1Q2F+90o-90oQ1Q2Q1

>Q2感性純阻容性當f=f0

時，電路為純電阻性，等效阻抗最大；當f

<

f0

時，電路為感性；當f

>

f0

時，電路為容性。所以LC并聯(lián)電路具有選頻特性。電路的品質(zhì)因數(shù)Q愈大，選頻特性愈好。

1.LC

并聯(lián)電路的特性當頻率變化時，并聯(lián)電路阻抗的大小和性質(zhì)都發(fā)生變化。2.變壓器反饋式振蕩電路1）電路組成用瞬時極性判斷為正反饋，所以滿足自激振蕩的相位平衡條件。-2）振蕩頻率和起振條件振蕩頻率起振條件3.電感三點式振蕩電路1)電路組成用瞬時極性判斷為正反饋，所以滿足自激振蕩的相位平衡條件。---2)振蕩頻率和起振條件振蕩頻率起振條件用瞬時極性判斷為正反饋，所以滿足自激振蕩的相位平衡條件。9.3.4電容三點式振蕩電路1.電路組成2.相位平衡條件3.振蕩頻率和起振條件振蕩頻率起振條件-×-圖9.3.9電容三點式振蕩電路

4.特點：

(1)由于反饋電壓取自于電容，電容對高次諧波的阻抗較小，輸出波形較好。

(2)振蕩頻率較高，一般可達100MHZ。（3）因為電容C1、C2的容量可以選得較小，并將放大管的極間電容也計算到C1、C2中去。適用于產(chǎn)生固定頻率的振蕩。（4）調(diào)節(jié)電容可改變頻率，但會影響起振條件。如要改變頻率，可在L兩端接一個可變電容。5.電容三點式改進型振蕩電路振蕩頻率選擇C<<C1，C<<C2，則：減小了三極管極間電容對振蕩頻率的影響，適用于產(chǎn)生高頻振蕩。圖9.3.10電容三點式改進型振蕩電路例9.3.4

試分析如圖所示電路是否滿足相位平衡條件？圖9.3.11例9.3.4圖例9.3.5

試分析如圖9.3.13所示電路為改進型電容三點式振蕩電路，已知L=1uH，C1=0.1uF，C2=0.25uF，C為可變電容，其容值C=12～250pF，估算振蕩頻率的可調(diào)范圍。因C<<C1，C<<C2，解：當C=12pF時，振蕩頻率近似為當C=250pF時，因此，振蕩頻率的可調(diào)范圍為10～45.9MHz。名稱變壓器反饋式電感三點式電容三點式電容三點式改進型電路形式振蕩頻率起振條件同左頻率調(diào)節(jié)方法及范圍頻率可調(diào)，范圍較寬。同左頻率可調(diào)，范圍較小。同左振蕩波形一般較差好好頻率穩(wěn)定度可達10-4同左可達10-4~10-5可達10-5適用頻率幾千赫~幾十兆赫同左幾兆赫~一百兆赫同左表9.3.1各種LC振蕩電路的比較9.4石英晶體振蕩器9.4.1正弦波振蕩電路的頻率穩(wěn)定問題9.4.2石英晶體的特性9.4.3石英晶體振蕩電路9.4.1正弦波振蕩電路的頻率穩(wěn)定問題頻率穩(wěn)定度：用頻率的相對變化量△f／f來表示。其中，f為振蕩頻率，△f

為頻率偏移?！鱢／f的值越小，頻率穩(wěn)定度越高。

振蕩頻率不穩(wěn)定的原因：選頻電路的參數(shù)、三極管參數(shù)的不穩(wěn)定等。

改進措施：選用高質(zhì)量的選頻電路元件、采用直流穩(wěn)壓電源以及恒溫等措施以外、提高諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q。實踐表明，這樣做是有限度的，因為電容器有介質(zhì)損耗，電感器有電阻損耗和高頻集膚效應。另外，由于C受到電路分布電容的限制，不能做得太小，而L值不能做得太大，否則，電感線圈本身的分布電容又要增大，反而使L／C值下降，所以，一般的LC回路，Q值最高可達到幾百。在要求高頻率穩(wěn)定度的場合，往住采用高Q值的石英晶體諧振器代替一般的LC回路。石英晶體振蕩電路突出的特點是諧振頻率穩(wěn)定性好。其頻率穩(wěn)定度可達10-10～10-11，頻帶較寬，可到100MHz以上。1.石英晶體的結構

壓電效應：在石英晶片的兩極加一電場，晶片將產(chǎn)生機械變形；若在晶片上施加機械壓力，在晶片相應的方向上會產(chǎn)生一定的電場。

壓電諧振：晶片上外加交變電壓的頻率為某一特定頻率時，振幅突然增加。9.4.2石英晶體的特性2.石英晶體的等效電路RC0CLL—

晶體的動態(tài)電感

(10-3~102H)(大)C

—晶體的動態(tài)電容

(<0.1pF)(小)R

—

等效摩擦損耗電阻(小)C0—晶片靜態(tài)電容

(幾~幾十pF)由于晶片的等效電感L很大，而電容C很小，R也很小，因此回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大，可達106。故其頻率的穩(wěn)定度很高。3.頻率特性和諧振頻率RC0CL串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率電抗頻率特性OfXfsfp容性容性感性通常所以1.串聯(lián)型石英晶體振蕩電路圖

9.4.4

串聯(lián)型石英晶體振蕩電路當振蕩頻率等于fS

時，晶體阻抗最小，且為純電阻，此時正反饋最強，相移為零，電路滿足自激振蕩條件。振蕩頻率調(diào)節(jié)R

可改變反饋的強弱，以獲得良好的正弦波。9.4.3石英晶體振蕩電路f

=

fs，晶體呈電阻性2.并聯(lián)型石英晶體振蕩電路交流等效電路振蕩頻率由于fs<f

<

fp，晶體呈感性。9.5電壓比較器9.5.1單限比較器9.5.2滯回比較器9.5.3雙限電壓比較器9.5.4集成電壓比較器

電壓比較器中的集成運放大部分工作在非線性區(qū)，即處于開環(huán)狀態(tài)或只引入了正反饋。

分類：過零比較器、單限比較器、滯回比較器及雙限比較器。電壓比較器簡稱比較器，其基本功能是對兩個輸入電壓進行比較，并根據(jù)比較結果輸出高電平或低電平，據(jù)此來判斷輸入信號的大小和極性。是一種常用的模擬信號處理電路，是模擬電路和數(shù)字電路的接口。當ui

>UREF時，uo

=-

UOPP當ui

<UREF時,uo

=+

UOPP1.一般的單限比較器+UoppuO

ui0

-UoppUREF(a)電路圖9.5.1電壓比較器(

b)傳輸特性如果需要，也可采用同相輸入方式。9.5.1單限比較器+UoppuO

ui0-UoppUREF

閾值電壓（門限電壓）UT：當比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)相應的輸入電壓UREF

。

單限比較器:只有一個門限電平UREF，當輸入電壓等于此門限電平時，輸出端的狀態(tài)立即發(fā)生跳變。常用于檢測輸入的模擬信號是否達到某一給定電平。2.過零比較器(1)簡單的過零比較器當ui

<0時，uo=+

UOPP

；當ui

>

0時，uo=-

UOPP

；以上電路輸出幅度是UOPP，有時希望比較器的輸出幅值能限制在一定的范圍內(nèi)，以滿足與比較器輸出端連接的數(shù)字電路對邏輯電平的要求，此時需要限幅措施。uiuo+Uopp-Uopp0圖

9.5.2過零比較器電路(a)(

b)傳輸特性(2)利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器uiuo+Uopp

-UoppO+UZ-UZ設輸出電壓幅值小于Uoppui

>0，ui<0，管1導通，管2穩(wěn)壓管2導通，管1穩(wěn)壓uo=－UZ；uo=UZ；忽略正向?qū)妷?，則圖

9.5.3(a)(

b)傳輸特性ui

>0，ui<0，左管導通，右管穩(wěn)壓右管導通，左管穩(wěn)壓引入深度負反饋，

u－=0虛地，集成運放工作在線性區(qū)。uo=－UZ；uo=UZ；uiuo+Uopp

-UoppO+UZ-UZ（3）實際的電壓比較器防止輸入電壓過大而損壞運放輸入級的晶體管（4）波形變換應用電路9.5.5實際的電壓比較器輸入ui為正弦波時則輸出uo為方波，實現(xiàn)了波形的轉換。9.5.6波形變換應用電路由疊加定理得：3.任意電平比較器u-

>0，u-<0，uo=－UZ；uo=UZ；該電路的門限電平為：顯然，通過改變R1與R2的比值，即可調(diào)節(jié)門限電平。圖9.5.7任意電平比較器例:已知R1=R2=5kΩ，UREF=2V，±UZ=±5V，輸入電壓ui波形如圖，畫出輸出電壓uo

波形。=-2V5-5-2uouI0傳輸特性例:已知R1=R2=5kΩ，UREF=2V，±UZ=±5V，輸入電壓ui波形如圖，畫出輸出電壓uo

波形。5-5tuO/V0=-2V

若uI受到干擾或噪聲的影響，在門限電平上下波動，則uo將在高、低兩個電平之間反復地跳變，如在控制系統(tǒng)中發(fā)生這種情況，將對執(zhí)行機構產(chǎn)生不利的影響。單限比較電路具有電路簡單、靈敏度高等優(yōu)點，但存在的主要問題是抗干擾能力差。

缺點：抗干擾能力差。

解決辦法：采用具有滯回傳輸特性的比較器。應為高電平錯誤電平

1.電路組成在單門限比較器基礎上增加了正反饋電路實現(xiàn)的。9.5.2滯回比較器圖9.5.11滯回比較器滯回比較器又稱施密特觸發(fā)器，它的特點是當輸入電壓ui由小變大或由大變小時，有兩種不同的門限電壓，因此電路的傳輸特性具有“電壓遲滯回環(huán)”曲線的形狀。為了加速輸出高、低電平的轉換，運放接成正反饋形式。

2.工作原理輸出電壓：uo

=±UZ

ui=u-=u+時，輸出電壓的狀態(tài)發(fā)生跳變。±UZ兩個門限電壓：門限電壓UT：輸出發(fā)生跳轉的輸入有兩個值，UT+和UT-。+UZuiuo-UZoUT-UT+圖

9.5.15

滯回比較器比較器有兩個不同的門限電平，故傳輸特性呈滯回形狀。

電壓傳輸特性當ui增加到UT+時，輸出由UZ跳變到-UZ；當ui減小到UT-時，輸出由-UZ跳變到UZ

。ui小

時，uo為高電平UZ；ui大

時，uo為低電平-UZ可見，改變UREF的大小，可以同時調(diào)節(jié)兩個門限電平UT+和UT-的大小，但二者之差ΔUT不變。也就是說，當UREF增大或減小時，滯回比較器的傳輸特性將平行地右移或左移，但滯回曲線的寬度將保持不變。+UZuIuO-UZOUT-UT+回差(門限寬度)UT

：與UREF無關±UZ當

UREF=0時，作用：產(chǎn)生矩形波、三角波和鋸齒波，或用于波形變換?？垢蓴_能力強。適當調(diào)整UT+

和UT-

的值，就可以避免比較器的輸出電壓在高、低電平之間反復跳變。

+UZ-UZtuO/V0當ui增加到UT+時，輸出由UZ跳變到-UZ；當ui減小到-UT-時，輸出由-UZ跳變到UZ

。3.滯回比較器的應用例9.5.2

如圖9.5.11所示滯回比較器，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ＝土9V，R2＝20kΩ，RF＝40KΩ，UREF=3V，輸入電壓ui為如圖9.5.12(a)所示的正弦波。試畫出輸出電壓uo的波形。輸出高電平和低電平為土9V，閥值(門限)電壓分別為解：

ui

<UREF2

，VD1

截止，VD2導通，uo為高電平；

ui>UREF1

，VD2截止，VD1導通，uo為高電平；

UREF2<ui

<UREF1，VD1

截止VD2截止，9.5.3雙向電壓比較器（窗口比較器）1.電路組成uiuooUTHUTLuo

為低電平；

上門限電平UTH=UREF1；

下門限電平UTL

=UREF2。2.工作原理

UREF2<UREF1，9.5.4集成電壓比較器1．集成電壓比較器的特點和分類

(1)特點工作速度比較快；價格比較低廉；輸出電平一般可與TTL等數(shù)字邏輯電平直接兼容，而無需外加限幅電路。

(2)種類

根據(jù)比較器的響應速度：高速比較器和中速比較器；

根據(jù)電壓比較器的指標：精密比較器、高靈敏度比較器、低功耗比較器、低失調(diào)比較器以及高阻抗比較器等；

根據(jù)在一個芯片上集成的電壓比較器的數(shù)目：單比較器、雙比較器和四比較器。2.集成電壓比較器的參數(shù)型號名稱電源電壓典型值/V輸入偏置電流/uA輸入失調(diào)電流/uA輸入失調(diào)電壓/mV響應時間/ns開環(huán)差模增益LM111單電壓比較器±15或50.10.040.72002×105LM119高速雙比較器+15或50.50.0754804×104LM319高速雙比較器+15或510.28804×104LM239四比較器±1～±18或2～360.250.0551.3us2×105LM339四比較器±1～±18或2～360.250.0551.3us2×105LM260超高速比較器±4.5～±6.51022163×103當機內(nèi)溫度為設定值以下時，同相輸入端電壓u+大于反相輸入端電壓u-，uo為高電位。當溫度上升為設定值以上時，反相輸入端電壓u-大于同相輸入端電壓u+端，比較器翻轉，uo輸出為零電位，使保護電路動作，調(diào)節(jié)R1的值可以改變門限電壓，即設定溫度值的大小。3．集成電壓比較器的應用-----LM339為例圖9.5.18溫度檢測電路

9.6.1方波發(fā)生電路9.6.2三角波發(fā)生電路9.6.3鋸齒波發(fā)生電路9.6非正弦信號發(fā)生電路幾種常見的非正弦波矩形波三角波鋸齒波尖頂波階梯波矩形波是基礎波形，可通過波形變換得到其它波形。1.電路組成9.6.1方波發(fā)生電路滯回比較器：集成運放、R1、R2；充放電回路：R、C；鉗位電路：VDZ、R3。2.工作原理圖9.6.1矩形波發(fā)生電路

uC

，當

uC

=UT-

時，uO

=+UZ，循環(huán)上述過程。uC，當

uC

=UT+

時，uO

=-UZ。(1)充電設初態(tài)uC

=

0，uo=+UZ則u+=UT-

，uO

通過R向C反向充電(放電)。(2)跳變uC(3)放電u+=UT+,uO

通過R向C充電。0uOtt0uCt1t2(1)充電(2)跳變(3)放電uC當

uC

=UT+

時，uO

=-UZ，當

uC

=UT-

時，uO

=+UZ，uC

，uO=+UZ

，電容充放電時間常數(shù)相同正負半周對稱圖9.6.3方波發(fā)生器的波形圖3.輸出幅度和振蕩周期t0uC0uOtt1t2放電解得：占空比D=50%4.占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路tOuC圖

9.6.5

圖9.6.4占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路結構：RP和VD1、VD2的作用是將充電放電回路分開，使電容的充、放電時間常數(shù)不同且可調(diào)，即可使矩形波發(fā)生器的占空比可調(diào)。uOtOT1T2TtOuCuOtOT1T2T圖

9.6.5圖9.6.4占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路9.6.2三角波發(fā)生電路A1為同相遲滯比較器，輸入三角波，輸出方波。1.電路組成方波發(fā)生電路積分運算電路A2為反相積分電路，輸入方波，輸出三角波。0uO1t0uOtu+=0時，比較器跳變。圖

9.5.7積分器反向積分uo減小u+=0uo1=-UZ(2)uo1=-

UZ積分器正向積分uo增大u+=0uo1=+UZu+=02.工作原理(1)uo1=+UZ0uO1t0uOt圖

9.5.7u+=0當u+=u-=0時，uo1跳變，而發(fā)生跳變時的uo即為三角波的最大值±Uom

。±UZ0Uom3.輸出幅度輸出電壓幅度4.振蕩周期整理得：振蕩周期0uO1t0uOt正向積分起始值為-Uom，終了值為+Uom，積分時間T/2半個周期：1.電路組成示波器的掃描電路以及數(shù)字電壓表等電路中，常常需要使用鋸齒波信號。9.5.3鋸齒波發(fā)生電路積分電容的充電和放電回路分開，使積分電路的充電和放電時間常數(shù)不同。圖

9.6.8鋸齒波發(fā)生電路圖OuOt0uOt當uo1=UZ時，二極管VD1導通，VD2截止，積分時間常數(shù)為Rp1C；當uo1=－UZ時，二極管VD2導通，VD1截止，積分時間常數(shù)為Rp2C設Rp1<Rp2，圖

9.6.9鋸齒波發(fā)生電路波形OuO1tOuOtT1T2T2.輸出幅度和振蕩周期充電時間放電時間輸出電壓幅值振蕩周期調(diào)整R1和R2可以改變鋸齒波的幅值；調(diào)整R1和R2、Rp以及C的容量，可以改變振蕩周期；調(diào)整Rp滑動端的位置，可以改變鋸齒波上升和下降的斜率。9.7集成函數(shù)發(fā)生器9.7.1集成函數(shù)發(fā)生器ICL8038及應用

9.7.2高頻函數(shù)發(fā)生器MAX038及其應用

特點：有正弦波、矩形波、三角波（鋸齒波）三種波形；工作頻率范圍為0.001Hz~500kHz，失真度<1%，外接較少元件就可完成要求的功能。9.7.1集成函數(shù)發(fā)生器ICL8038及應用

由兩個電流源、兩個比較器、兩個緩沖器、一個觸發(fā)器和一個正弦波變換器等部分組成。1.ICL8038的內(nèi)部結構2.工作原理在10腳外接電容C，在電容C兩端產(chǎn)生三角波。三角波一方面加到兩個比較器的輸入端，從而產(chǎn)生觸發(fā)信號，并通過觸發(fā)器控制兩個電流源的相互轉接；另一方面通過緩沖器加到正弦波變換器，則可以獲得三角波輸出和正弦波輸出。通過比較器和觸發(fā)器，并經(jīng)過緩沖器，又可獲得方波信號輸出。3.ICL8038性能特點

(1)可同時產(chǎn)生和輸出波形：正弦波、三角波、方波;(2)電源電壓范圍寬；

(3)振蕩頻率范圍寬，頻率穩(wěn)定性好；

(4)輸出波形的失真??；

(5)矩形波占空比的調(diào)節(jié)范圍很寬，D=1%～99%，由此可獲得窄脈沖、寬脈沖或方波。

(6)外圍電路非常簡單；

(7)足夠低的頻率溫漂：最大值為50×10－6／℃；1腳、12腳：正弦波波形調(diào)整端。2腳：正弦波輸出。3腳：三角波輸出。4腳、5腳：輸出信號頻率和占空比調(diào)節(jié)端。6腳：該腳接電源+VCC的正端。7腳：調(diào)頻頻偏。8腳：調(diào)頻電壓輸入端。9腳：方波輸出。10腳：定時電容端。11腳：負電源端或接地。13腳、14腳：空腳。4．引腳及其功能電位器RP和外接電容C一起決定了輸出波形的頻率，調(diào)節(jié)RP，使波形對稱。9.7.3占空比／頻率調(diào)節(jié)電路25．ICL8038的應用電路9.7.2高頻函數(shù)發(fā)生器MAX038及其應用

ICL8038函數(shù)發(fā)生器的頻率上限只有300kHz，無法產(chǎn)生更高頻率的信號，同時調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨立調(diào)節(jié)，二者互相影響。

MAX038是一通用波形發(fā)生芯片，較以前常用的函數(shù)發(fā)生器件，從頻率范圍、頻率精確度、對芯片、波形的控制性能以及用戶使用的方便性等方面都有了很大的提高，因此可廣泛應用于波形的產(chǎn)生、壓控振蕩器、脈寬調(diào)制器和頻率合成器等。1.MAX038的內(nèi)部結構由振蕩器、振蕩頻率控制器、2.50V基準電壓源、正弦波合成器、電壓比較器、相位比較器、多路模擬開關和放大器等部分組成。9.7.5MAX038的內(nèi)部結構1腳：參考電源；2腳、6腳、9腳、11腳、18腳：模擬地；3腳：波形設定端；4腳：波形設定端；5腳：外接振蕩電容端；7腳：占空比調(diào)節(jié)端；8腳：頻率調(diào)節(jié)端；10腳：振蕩頻率控制器的電流輸入端；12腳：相位比較器的輸出端；13腳：相位比較器的輸入端；14腳：同步輸出端；15腳：數(shù)字地端；16腳：數(shù)字電路的+5V電源端；17腳：正電源端；19腳：波形輸出端；20腳：負電源端；2.引腳功能3.MAX038的性能特點

(1)能精密地產(chǎn)生三角波、方波、正弦波信號；

(2)頻率范圍從0.1Hz～20MHz，最高可達40MHz；

(3)占空比調(diào)節(jié)范圍寬；占空比最大調(diào)節(jié)范圍10%～90%。

(4)波形失真?。?/p>

正弦波失真度小于0.75%。

(5)采用±5V雙電源供電允許有5%變化范圍

(6)內(nèi)設2.5V電壓基準

(7)低溫度漂移

200ppm／℃。

4.MAX038的應用電路由MAX038構成的

5Hz～5MHz函數(shù)發(fā)生器

此電路可以根據(jù)需要從方波、正弦波和三角波中任選，根據(jù)需要從6個頻率中任選。課前回顧講課人：劉雪婷電子郵箱：liuxuet@163.com主要內(nèi)容

一、電容三點式振蕩電路二、石英晶體振蕩器三、電壓比較器用瞬時極性判斷為正反饋，所以滿足自激振蕩的相位平衡條件。一、電容三點式振蕩電路1.電路組成2.相位平衡條件3.振蕩頻率和起振條件振蕩頻率起振條件-×-圖9.3.9電容三點式振蕩電路

4.特點：

(1)由于反饋電壓取自于電容，電容對高次諧波的阻抗較小，輸出波形較好。

(2)振蕩頻率較高，一般可達100MHZ。（3）因為電容C1、C2的容量可以選得較小，并將放大管的極間電容也計算到C1、C2中去。適用于產(chǎn)生固定頻率的振蕩。（4）調(diào)節(jié)電容可改變頻率，但會影響起振條件。如要改變頻率，可在L兩端接一個可變電容。二、石英晶體振蕩器1.正弦波振蕩電路的頻率穩(wěn)定問題2.石英晶體的特性3.石英晶體振蕩電路1.正弦波振蕩電路的頻率穩(wěn)定問題頻率穩(wěn)定度：用頻率的相對變化量△f／f來表示。其中，f為振蕩頻率，△f

為頻率偏移?！鱢／f的值越小，頻率穩(wěn)定度越高。

振蕩頻率不穩(wěn)定的原因：選頻電路的參數(shù)、三極管參數(shù)的不穩(wěn)定等。

改進措施：選用高質(zhì)量的選頻電路元件、采用直流穩(wěn)壓電源以及恒溫等措施以外、提高諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q。實踐表明，這樣做是有限度的，因為電容器有介質(zhì)損耗，電感器有電阻損耗和高頻集膚效應。另外，由于C受到電路分布電容的限制，不能做得太小，而L值不能做得太大，否則，電感線圈本身的分布電容又要增大，反而使L／C值下降，所以，一般的LC回路，Q值最高可達到幾百。在要求高頻率穩(wěn)定度的場合，往住采用高Q值的石英晶體諧振器代替一般的LC回路。石英晶體振蕩電路突出的特點是諧振頻率穩(wěn)定性好。其頻率穩(wěn)定度可達10-10～10-11，頻帶較寬，可到100MHz以上。1）石英晶體的結構

壓電效應：在石英晶片的兩極加一電場，晶片將產(chǎn)生機械變形；若在晶片上施加機械壓力，在晶片相應的方向上會產(chǎn)生一定的電場。

壓電諧振：晶片上外加交變電壓的頻率為某一特定頻率時，振幅突然增加。2.石英晶體的特性2）頻率特性和諧振頻率RC0CL串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率電抗頻率特性OfXfsfp容性容性感性通常所以1）串聯(lián)型石英晶體振蕩電路圖

9.4.4

串聯(lián)型石英晶體振蕩電路當振蕩頻率等于fS

時，晶體阻抗最小，且為純電阻，此時正反饋最強，相移為零，電路滿足自激振蕩條件。振蕩頻率調(diào)節(jié)R

可改變反饋的強弱，以獲得良好的正弦波。3.石英晶體振蕩電路f

=

fs，晶體呈電阻性2）并聯(lián)型石英晶體振蕩電路交流等效電路振蕩頻率由于fs<f

<

fp，晶體呈感性三、電壓比較器1.單限比較器2.滯回比較器3.雙限電壓比較器當ui

>UREF時，uo

=-

UOPP當ui

<UREF時,uo

=+

UOPP1）一般的單限比較器+UoppuO

ui0

-UoppUREF(a)電路圖9.5.1電壓比較器(

b)傳輸特性如果需要，也可采用同相輸入方式。1.單限比較器2）過零比較器(1)簡單的過零比較器當ui

<0時，uo=+

UOPP

；當ui

>

0時，uo=-

UOPP

；以上電路輸出幅度是UOPP，有時希望比較器的輸出幅值能限制在一定的范圍內(nèi)，以滿足與比較器輸出端連接的數(shù)字電路對邏輯電平的要求，此時需要限幅措施。uiuo+Uopp-Uopp0圖

9.5.2過零比較器電路(a)(

b)傳輸特性(2)利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器uiuo+Uopp

-UoppO+UZ-UZ設輸出電壓幅值小于Uoppui

>0，ui<0，管1導通，管2穩(wěn)壓管2導通，管1穩(wěn)壓uo=－UZ；uo=UZ；忽略正向?qū)妷?，則圖

9.5.3(a)(

b)傳輸特性（3）實際的電壓比較器防止輸入電壓過大而損壞運放輸入級的晶體管（4）波形變換應用電路9.5.5實際的電壓比較器輸入ui為正弦波時則輸出uo為方波，實現(xiàn)了波形的轉換。9.5.6波形變換應用電路由疊加定理得：3）任意電平比較器u-

>0，u-<0，uo=－UZ；uo=UZ；該電路的門限電平為顯然，通過改變R1與R2的比值，即可調(diào)節(jié)門限電平。圖9.5.7任意電平比較器

1）電路組成在單門限比較器基礎上增加了正反饋電路實現(xiàn)的。2.滯回比較器圖9.5.11滯回比較器滯回比較器又稱施密特觸發(fā)器，它的特點是當輸入電壓ui由小變大或由大變小時，有兩種不同的門限電壓，因此電路的傳輸特性具有“電壓遲滯回環(huán)”曲線的形狀。為了加速輸出高、低電平的轉換，運放接成正反饋形式。

2）工作原理輸出電壓：uo

=±UZ

ui=u-=u+時，輸出電壓的狀態(tài)發(fā)生跳變?！繳Z兩個門限電壓：門限電壓UT：輸出發(fā)生跳轉的輸入有兩個值，UT+和UT-。+UZuiuo-UZoUT-UT+圖

9.5.15

滯回比較器比較器有兩個不同的門限電平，故傳輸特性呈滯回形狀。

電壓傳輸特性當ui增加到UT+時，輸出由UZ跳變到-UZ；當ui減小到UT-時，輸出由-UZ跳變到UZ

。ui小

時，uo為高電平UZ；ui大

時，uo為低電平-UZ

ui

<UREF2

，VD1

截止，VD2導通，uo為高電平；

ui>UREF1

，VD2截止，VD1導通，uo為高電平；

UREF2<ui

<UREF1，VD1

截止VD2截止，3.雙向電壓比較器（窗口比較器）1）電路組成uiuooUTHUTLuo

為低電平；

上門限電平UTH=UREF1；

下門限電平UTL

=UREF2。2）工作原理課前回顧講課人：劉雪婷電子郵箱：liuxuet@163.com1.自激振蕩的條