第8章波形發(fā)生和信號(hào)轉(zhuǎn)換

模擬電子技術(shù)8.1

正弦波振蕩電路8.2

電壓比較器8.3非正弦波發(fā)生電路第八章波形發(fā)生和信號(hào)轉(zhuǎn)換8.4信號(hào)轉(zhuǎn)換電路8.1正弦波振蕩電路正弦波發(fā)生電路能產(chǎn)生正弦波輸出，它是在放大電路的基礎(chǔ)上加上正反饋而形成的，它是各類波形發(fā)生器和信號(hào)源的核心電路。正弦波發(fā)生電路也稱為正弦波振蕩電路或正弦波振蕩器。

一、產(chǎn)生正弦波振蕩的條件和電路的組成1.正弦波振蕩的條件無(wú)外加信號(hào)，輸出一定頻率一定幅值的正弦信號(hào)。開關(guān)K斷開為無(wú)反饋放大電路:開關(guān)K閉合為正反饋放大電路:則：若環(huán)路增益,,即使去掉,仍有信號(hào)輸出。這時(shí)反饋信號(hào)代替了放大電路的輸入信號(hào)。+1.正弦波振蕩的條件:振幅條件：相位條件：(n是整數(shù))相位條件:反饋電壓與所需要的輸入電壓相位相同相位條件意味著振蕩電路必須是正反饋振幅條件:反饋電壓與所需要的輸入電壓大小相同1）起振條件：2.起振和穩(wěn)幅問(wèn)題1：振蕩電路無(wú)須輸入信號(hào)就能起振，起振的信號(hào)源來(lái)自何處？問(wèn)題2：當(dāng)輸出信號(hào)幅值增加到一定程度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果？

電路器件內(nèi)部噪聲。噪聲中，滿足相位平衡條件的某一頻率0的噪聲信號(hào)被放大，成為振蕩電路的輸出信號(hào)。2）穩(wěn)幅：輸出波形將出現(xiàn)失真。穩(wěn)幅的作用就是，當(dāng)輸出信號(hào)幅值增加到一定程度時(shí)，使振幅平衡條件從回到問(wèn)題1：振蕩電路無(wú)須輸入信號(hào)就能起振，起振的信號(hào)源來(lái)自何處？問(wèn)題2：當(dāng)輸出信號(hào)幅值增加到一定程度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果？2.起振和穩(wěn)幅1）起振條件：2）穩(wěn)幅：穩(wěn)幅的作用就是，當(dāng)輸出信號(hào)幅值增加到一定程度時(shí)，使振幅平衡條件從回到(電路器件內(nèi)部噪聲)(波形將出現(xiàn)失真)3、正弦波振蕩電路組成

正弦波振蕩電路用來(lái)產(chǎn)生一定頻率和幅值的正弦交流信號(hào)。正弦波振蕩電路的組成：放大電路:正反饋網(wǎng)絡(luò):選頻網(wǎng)絡(luò):穩(wěn)幅環(huán)節(jié):常用的正弦波振蕩器:LC振蕩電路RC振蕩電路石英晶體振蕩電路放大信號(hào)保證輸出為單一頻率的正弦波使電路能從AF

>1,過(guò)渡AF

=1,從而達(dá)到穩(wěn)幅振蕩。滿足相位條件常合二為一4、正弦波振蕩電路分析方法（1）檢查電路的幾個(gè)基本組成部分；（2）電路是否滿足相位條件？即電路是否是正反饋，只有滿足相位條件才可能產(chǎn)生振蕩；

（3）電路是否滿足幅值條件？在分析正弦振蕩電路時(shí)，先要判斷電路是否振蕩，方法為：

(a)

則不可能振蕩；

(b)

振蕩，但輸出波形明顯失真；

(c)

產(chǎn)生振蕩。振蕩穩(wěn)定后

。此種情況起振容易，振蕩穩(wěn)定，輸出波形的失真小.時(shí)相移為0。

二、RC正弦波振蕩電路1.RC選頻網(wǎng)絡(luò)如果：R1=R2=R，C1=C2=C，則：頻率特性：)ffff(j3100f-+=U·Uo·在頻率f0處,在頻率f0處,電壓與同相位+90–90fff02.RC正弦波振蕩電路放大電路正反饋和選頻網(wǎng)絡(luò)(1)RC選頻網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時(shí):(2)放大電路(3)振蕩頻率和起振條件:振蕩頻率:起振條件:f=f0時(shí)，由振蕩條件知：即:(4)RC振蕩電路的穩(wěn)幅熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，利用它的非線性可以自動(dòng)穩(wěn)幅。在起振時(shí)，滿足RF>2R1；即AuF>1。隨著振蕩幅度的不斷加強(qiáng)，uo越大，RF越小，直到RF=2R1時(shí)，穩(wěn)定于AuF=1，

振蕩穩(wěn)定。半導(dǎo)體熱敏電阻R++∞RFR1CRC–uO–+穩(wěn)幅過(guò)程：uOTRFAu熱敏電阻穩(wěn)幅電路IDUD二極管穩(wěn)幅電路振蕩幅度較小時(shí)正向電阻大振蕩幅度較大時(shí)正向電阻小利用二極管的正向伏安特性的非線性自動(dòng)穩(wěn)幅。R++∞RF2R1CRC–uO–+D1D2RF1uf+–穩(wěn)幅環(huán)節(jié)帶穩(wěn)幅環(huán)節(jié)的電路(2)

RF分為兩部分。在RF1上正反并聯(lián)兩個(gè)二極管，它們?cè)谳敵鲭妷簎O的正負(fù)半周內(nèi)分別導(dǎo)通。在起振之初，由于uO幅值很小，尚不足以使二極管導(dǎo)通，正向二極管近于開路,此時(shí)，RF>2R1。而后，隨著振蕩幅度的增大，正向二極管導(dǎo)通，其正向電阻逐漸減小，直到RF=2R1，振蕩穩(wěn)定。R++∞RF2R1CRC–uO–+D1D2RF1uf+–在起振之初，由于uO幅值很小，尚不足以使二極管導(dǎo)通，正向二極管近于開路,此時(shí)，RF>2R1。隨著振蕩幅度的增大，正向二極管導(dǎo)通，其正向電阻逐漸減小，直到RF=2R1，振蕩穩(wěn)定R++∞RF2R1CRC–uO–+D1D2RF1uf+–二極管穩(wěn)幅電路Multisim仿真:如果取RF=2R1，輸出始終為0，電路不能起振。RF=14KΩR1=6KΩMultisim仿真結(jié)果:(a)起振過(guò)程輸出電壓波形(b)穩(wěn)定振蕩輸出電壓波形(c)未加穩(wěn)幅時(shí)輸出電壓波形振蕩頻率的調(diào)整:++∞RFRCC–uO–+KKR1R2R3R3R2R1改變開關(guān)K的位置可改變選頻網(wǎng)絡(luò)的電阻，實(shí)現(xiàn)頻率粗調(diào)；改變電容C的大小可實(shí)現(xiàn)頻率的細(xì)調(diào)。振蕩頻率RC正弦波振蕩電路一般用于產(chǎn)生頻率低于1MHz的正弦波。作業(yè)：P1955,P19610,P19917電壓比較器將一個(gè)模擬量輸入電壓與一個(gè)參考電壓進(jìn)行比較，輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平。比較器中的集成運(yùn)放一般工作在非線性區(qū)；處于開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。分類：?jiǎn)蜗薇容^器、滯回比較器及窗口比較器。8.2電壓比較器比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電壓稱為域值電壓，記作UT。運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)知識(shí)回顧:輸出電壓的值有兩種可能:理想運(yùn)放電壓傳輸特性1.過(guò)零電壓比較器一、單限電壓比較器只有一個(gè)閾值電壓，當(dāng)輸入電壓等于此閾值電壓時(shí)，輸出端狀態(tài)立即發(fā)生跳變。運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)當(dāng)u+>u–

時(shí)，uo=+UOM

u+<u–

時(shí)，uo=–UOM即ui>0

時(shí)，uo=–

UOM

ui

<0

時(shí)，uo=+UOMuiuoO+UOM–UOM電壓傳輸特性

輸出限幅電路：為適應(yīng)負(fù)載對(duì)電壓幅值的要求，輸出端加限幅電路。UOH＝

－

UOL＝UZUOH＝＋UZ1＋UD2

UOL＝－(UZ2＋UD1)兩只穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值不同兩只穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值相同限幅電路輸出限幅電路：UOH＝UZ

UOL＝－UD

uO＝±UZ一只穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管接在反饋通路中（3）根據(jù)輸入電壓作用于同相輸入端還是反相輸入端決定輸出電壓的躍變方向。電壓比較器的分析方法：（1）寫出uP、uN的表達(dá)式，令uP＝uN，求解出的uI即為UT；（2）根據(jù)輸出端限幅電路決定輸出的高、低電平；2.一般單限電壓比較器uiuoO+UZ–UZui>UT時(shí)，uo=–UZui

<UT

時(shí)，uo=+UZ檢測(cè)輸入的模擬信號(hào)是否達(dá)到某一給定電平。單限比較器的作用：

缺點(diǎn)：抗干擾能力差。存在干擾時(shí)單限比較器的uI、uO波形采用具有滯回傳輸特性的比較器。解決辦法：電壓比較器的基本特點(diǎn)運(yùn)放工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)。比較器的輸出只有高電平和低電平兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。在輸入電壓等于閥值電壓時(shí),輸出端狀態(tài)立即發(fā)生跳變。若ui從反相輸入端輸入，當(dāng)ui＜uT時(shí)，u0=UOH當(dāng)ui＞uT時(shí)，u0=UOL輸出電壓的躍變方向電壓比較器電壓傳輸特性的三要素是：輸出電壓高、低電平幅值閥值電壓uT——由限幅電路決定；——令uN=uP所求出的ui；——決定于輸入電壓作用于同相輸入端還是反相輸入端。二、滯回電壓比較器引入正反饋1.閾值電壓比較電壓由電路原來(lái)的輸出決定①輸出為高電平U0H時(shí)②輸出為高電平U0L時(shí)2.工作原理及電壓傳輸特性：

設(shè)uI＜UTL，則uN＜uP，uO＝+UZ。此時(shí)uP＝UTH，增大uI，直至UTH，再增大，uO才從+UZ躍變?yōu)椋璘Z。UTHUTL

設(shè)uI＞UTH，則uN＞uP，uO＝－UZ。此時(shí)uP＝UTL，減小uI，直至UTL，再減小，uO才從－UZ躍變?yōu)?UZ。電壓傳輸特性0uouituiU+HU+LtuoUZ-UZ輸入正弦波的情況U+HU+Luoui0UZ-UZ0uouiUTHUTL優(yōu)點(diǎn):小于回差的干擾不會(huì)引起跳轉(zhuǎn).回差提高了電路的抗干擾能力.改善了輸出波形在躍變時(shí)的陡度.UTH-UTL稱為回差作用：產(chǎn)生矩形波、三角波和鋸齒波，或用于波形變換。0uouiUTHUTL優(yōu)點(diǎn):小于回差的干擾不會(huì)引起跳轉(zhuǎn).回差提高了電路的抗干擾能力.改善了輸出波形在躍變時(shí)的陡度.UTH-UTL稱為回差作用：產(chǎn)生矩形波、三角波和鋸齒波，或用于波形變換。加上參考電壓后的閾值電壓及傳輸特性u(píng)oui0UTHUTL電壓傳輸特性

當(dāng)uI>URH時(shí)，uO1=－uO2=UOM，D1導(dǎo)通，D2截止；uO=UZ。

當(dāng)uI<URH時(shí)，uO2=－uO1=UOM，D2導(dǎo)通，D1截止；uO=UZ。

當(dāng)URL<uI<URH時(shí)，uO1=uO2=－UOM，D1、D2均截止；uO=0。三、窗口電壓比較器

當(dāng)uI>URH時(shí)，uO1=－uO2=UOM，D1導(dǎo)通，D2截止；uO=UZ。

當(dāng)uI<URH時(shí)，uO2=－uO1=UOM，D2導(dǎo)通，D1截止；uO=UZ。

當(dāng)URL<uI<URH時(shí)，uO1=uO2=－UOM，D1、D2均截止；uO=0。三、窗口電壓比較器結(jié)論：比較器的基本特點(diǎn)工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)，非線性。開關(guān)特性，因開環(huán)增益很大，比較器的輸出只有高電平和低電平兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。電壓傳輸特性的三要素是：

輸出電壓高、低電平——由限幅電路決定；

閥值電壓——令uN=uP所求出的ui；

輸出電壓的躍變方向——決定于輸入電壓作用于同相輸入端還是反相輸入端。若ui從反相輸入端輸入，當(dāng)ui＜uT時(shí)，u0=UOH,當(dāng)ui＞uT時(shí)，u0=UOL,作業(yè)（習(xí)題集）：7，9，11電壓比較器舉例(08分)1.在左下圖示電路中，已知A為理想運(yùn)算放大器，其輸出電壓的兩個(gè)極限值為12V；發(fā)光二極管正向?qū)〞r(shí)發(fā)光。填空：1．集成運(yùn)放同相輸入端的電位V時(shí)發(fā)光二極管發(fā)光;V時(shí)發(fā)光二極管發(fā)光;電壓比較器舉例(10分)8.在圖（a）所示電路中，已知A為理想運(yùn)算放大器，該電路的電壓傳輸特性如圖（b）所示。試求解穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓和基準(zhǔn)電壓。解：由圖（b）傳輸特性，可得：聯(lián)立求解得：作業(yè)（習(xí)題集）：7，9，11例：某溫度控制電路如圖所示。設(shè)R1=R3=10k，R

=100，UR1=6V，RT為熱敏電阻，常溫下（27oC）的阻值為10k，溫度系數(shù)為+200/oC。若要求溫度在100oC以上時(shí)，電路輸出-3V；溫度在90oC以下時(shí)，電路輸出+3V，試確定UZ、R1和UR1的值。已知：R1=R3=10k，UR1=6V，RT=10k+（T-27oC）200/oC，T1=90oC，T2=100oC，uo=3V解：8.3非正弦波發(fā)生電路一.方波發(fā)生器1.電路結(jié)構(gòu)

由滯回比較器、RC充放電電路組成。輸入電壓:電容電壓uc比較電壓:電阻R1兩端的電壓UR上下限：C2、工作原理：(a)設(shè)電源接通時(shí)

uo=+UomUTHuc0t則：u+=UTH

通過(guò)R對(duì)電容C充電，按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。0tuoUom-Uom①在uc<UTH

時(shí)，u-<u+,

uo

保持

+Uom

不變；②一旦uc>UTH,就有u->u+

uo

由＋Uom變成－Uom!CUTHuctUTL(b)當(dāng)uo=-Uom時(shí)，u+=UTL電容C放電，下降Uom-Uom當(dāng)uc=UTL

時(shí)，uo變成+Uom，電容又重新充電。電路進(jìn)入下一個(gè)周期。uotTC振蕩周期:電容的充放電規(guī)律：對(duì)于放電，解得：結(jié)論：改變充放電回路的時(shí)間常數(shù)及滯回比較器的電阻，即可改變振蕩周期。t1t2tOuCOuOtt3圖8.5.33、占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路使電容的充、放電時(shí)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)。充電時(shí)間T1放電時(shí)間T2占空比DtOuCuOtOT1T2T

正向充電和反向充電時(shí)間常數(shù)可調(diào)，占空比就可調(diào)。3、占空比可調(diào)電路為了占空比調(diào)節(jié)范圍大，R3應(yīng)如何取值？問(wèn)題：

1.電路組成用積分運(yùn)算電路可將方波變?yōu)槿遣?。兩個(gè)RC環(huán)節(jié)實(shí)際電路將兩個(gè)RC環(huán)節(jié)合二為一為什么采用同相輸入的滯回比較器？uO要取代uC，必須改變輸入端。二、三角波發(fā)生器特點(diǎn)：滯回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反饋到滯回比較器的輸入。滯回比較器2.工作原理積分運(yùn)算電路求滯回比較器的電