第8章 波形产生与变换电路

第8章 波形的发生与信号的转换（集成运放的应用Ⅱ）8.1 正弦波振荡电路8.2 电压比较器8.3 非正弦波发生电路v fv i v dv o1. 产生正弦波振荡的条件id f V V V ̇̇̇==ii o f V V A F V F V ̇̇̇̇̇̇̇===1=F Ȧ̇8.1.1 概述8.1 正弦波振荡电路振荡条件幅值平衡条件相位平衡条件 1=F Ȧ̇1=F A ̇̇ϕAF = ϕA +ϕ F = ±2n π负反馈放大电路正反馈振荡电路 F A ̇̇＞1起振条件第8章 波形产生与变换电路正弦波的产生条件与负反馈放大电路产生自激的条件十分类似。

只不过负反馈放大电路产生了足够的附加相移，从而使负反馈变成了正反馈。

讨论：负反馈放大电路产生自激振荡？ff i f i d X X X X X X +=+=−−=0)(ffi d X X X X +=+=0 而正弦振荡电路中加的就是正反馈，振荡建立后只是一种频率的信号，无所谓附加相移。

2. 正弦波发生电路的组成为了产生正弦波，必须加入正反馈，因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分。

由于正反馈，输出幅度会越来越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。

反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能停振，为此振荡电路要有一个稳幅电路。

为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络，选频网络往往和正反馈网络或放大电路合二为一。

选频网络由R 、C 和L 、C 等电抗性元件组成。

1||>F Ȧ̇ 振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈强一些，即要求这称为起振条件。

3. 起振条件和稳幅原理起振后就要产生增幅振荡，需要靠三极管非线性特性去限制幅度的增加，靠选频网络选出失真波形的基波分量作为输出信号，以获得正弦波输出。

也可以在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益，从而达到稳幅的目的。

第8章 波形产生与变换电路1. RC 串并联网络RC 串并联网络,其频率响应如下:)j /1(111C R Z ω+=222222j 1 )j /1//(C R R C R Z ωω+==8.1.2 RC正弦波振荡电路1)122C ω1R C R 1j()1(2121C R C R ω−+++=R /j +)C j /1(2122221112R C C R C R R R ωω+++=)j 1]()C j /1([222112R C R R R ωω+++=谐振频率为:2121C C R R o =ωRC10=ω当R 1 = R 2，C 1 = C 2时，谐振角频率和谐振频率分别为:RC f π210=)]j 1/([+)C j /1(22211222212C R R R Z Z ωωω+++=+=o f V V F ̇̇̇=幅频特性:相频特性: 当 f=f 0 时的反馈系数 , 此时的相角 ϕF =0°。

有关曲线见图。

=F ̇31=Ḟ20022122121221)(31)1()1(1ωωωωωω−+=−+++C R C R C C R R3arctg11arctg 0012211221f ωωωωωωφ−−=++−−=C R C R C RϕF = 0f=f0时2.RC桥式正弦振荡电路(1) RC文氏桥振荡电路的构成RC 串并联网络是正反馈网络，另外还增加了R和R4负反3馈网络。

C1、R1和C2、R2正反馈支路与R3、R4负反馈支路正好构成一个电桥，称为文氏桥。

当C 1 =C 2、R 1 =R 2时: 为满足振荡的幅值条件 | |=1，所以A f ≥3。

加入R 3、R 4支路，构成串联电压负反馈。

F Ȧ̇31o f ==VV F ̇̇̇ϕf =0°RC f f π210==3143f ≥+=R RA ϕAF = ϕA +ϕ F = ±2n π=0+0=0(2) RC 文氏桥振荡电路的稳幅稳幅作用是靠热敏电阻R 4实现的。

R 4是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，R 4上所加的电压升高，即温度升高，R 4的阻值增加，负反馈增强，输出幅度下降。

反之输出幅度增加。

43vf 1R R A +=第8章 波形产生与变换电路采用并联二极管的稳幅电路电路的电压增益为4p '3p f ' "+1=R R R R A v ++ 式中 R’’p 是电位器上半部的电阻值，R’p 是电位器下半部的电阻值。

R’3= R 3 // r D ，r D 是并联二极管的动态电阻。

包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。

选频网络是由LC 并联谐振电路构成，正反馈网络因不同类型的LC正弦波振荡电路而有所不同。

8.1.3 LC 正弦波振荡电路100=−CL ωωLCf π210≈1. LC 并联谐振电路的频率特性谐振时LC 并联谐振电路阻抗 Z 相当一个电阻。

谐振时谐振频率阻抗 Z是频率的函数，其频率特性如图。

Q值愈大，曲线愈陡，选频特性愈好。

2.变压器反馈LC振荡电路反馈线圈L2将反馈信号送入三极管的输入回路。

调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度，使正反馈的幅值条件得以满足。

同名端变压器反馈LC 振荡电路的振荡频率与并联LC 谐振电路相同，为LCf π210=3.电感反馈式LC振荡电路(电感三点式)电感反馈式LC振荡器（CB） 电感反馈式LC振荡器（CE）Array瞬时极性如图，符合正反馈的相位条件。

将谐振回路的阻抗折算到三极管的各个电极之间，有Z be 、Z ce 、Z cb。

若满足相位平衡条件， Z be 和Z ce 必须同性，即同为电容或同为电感，且与Z cb性质相反。

另一种判断方法：4.电容反馈式LC振荡电路(电容三点式)电容反馈式CB电容反馈式CE瞬时极性如图，符合正反馈的相位条件。

第8章 波形产生与变换电路例 三点式振荡电路 试判断是否满足相位平衡条件。

条件满足！第8章 波形产生与变换电路例 已知振荡电路如图所示，试判断它们能否振荡，若不能，如何修改电路使其满足相位平衡振荡条件。

VB＝0V，三极管处于截止状态发射极有耦合电容Ce，反馈量被短路修改后电路解 ：判断三极管电路能否振荡，首先判断电路中三极管是否正常工作。

再判断电路是否满足相位平衡条件。

第8章 波形产生与变换电路石英晶体的阻抗频率特性曲线它有一个串联谐振频率f s ,一个并联谐振频率 f p ，二者十分接近。

8.1.4 石英晶体LC 振荡电路用石英晶体（简称晶振）来控制振荡频率的振荡电路称为石英晶体振荡电路。

石英晶体的等效电路jXR jb a Z +=+=此时晶体的阻抗接近为零,电路与电感三点式振荡电路相似。

要使反馈传递到发射极，石英晶体应处于串联谐振点。

阻抗接近为零,等效电路为串联型f0 =f s电路应满足正反馈的条件，石英晶体必须呈电感性才能形成LC 并联谐振回路，产生振荡。

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。

并联型 f s <f 0<fp电感第8章 波形产生与变换电路++∞A u ou i 运放开环加正反馈u u i1. 集成运放的非线性应用∞－++u oR R R u i输出只有两种可能8.2 电压比较器8.2.1 概述第8章 波形产生与变换电路2. 处于非线性状态运放的特点虚短路不成立。

输入电阻仍可以认为很大（虚断成立）。

第8章 波形产生与变换电路 使u o 从U H 跃变为U L ，或者从U L 跃变为U H 的输入电压称为阈值电压或门限电压，记作U T 。

输出电压u o 只有两种状态，不是高电平U H ，就是低电平U L ,用以表示比较的结果。

u ou i 0 U HU L8.2.2 单限电压比较器第8章 波形产生与变换电路u ou i+U oM-U oMU REF当输入信号u i 小于参考电压U REF 时，u o 为低电平-U OM ；++∞u ou iU REF当u i 升高到略大于U REF 时，u o 为高电平U OM 。

1. 基本电压比较器第8章 波形产生与变换电路u ou iU OM-U OM++∞u ou i1、过零比较器U REF =0V第8章 波形产生与变换电路++∞u ou itu itu oU OM-U OM例：利用电压比较器将正弦波变为方波。

2. 过零比较器的应用第8章 波形产生与变换电路限幅器tu iutU Z-U Z-+∞Au oR1R Fu iD ZR+第8章 波形产生与变换电路另一种形式的限幅器：-+∞A u oR1R FuD Z+第8章 波形产生与变换电路基本电压比较器的问题：1、当A o不够大时，输出边沿不陡。

2、容易引入干扰。

A o不够大时的情况u itot过零附近仍处于放大区引入干扰的情况第8章 波形产生与变换电路8.2.3 滞回比较器1、下行滞回比较器oMPURRRu211+=oMpURRRu211+−=比较电压由原来的输出决定,为两个不同值。

∞－++u oRR2R1u iUREF=0输出电压uo高电平：输出电压u o低电平：第8章 波形产生与变换电路传输特性u oR阈值电压有两个！oMPURRRuU1+==+oM第8章 波形产生与变换电路tu iU +U -tu oU OM-U OM输入正弦波的情况U +U -u ou iU o M-U o M第8章 波形产生与变换电路REFoM U R R R U R R R U 212211+++=+REFoM U R R R U R R R U 212211+++−=−加上参考电压U REF 后的上下限∞－++u oRR 2R 1u iU REFoMp U R R R u U 211+==+oMp U R R R u U 211+−==−原来U REF =0现在叠加第8章 波形产生与变换电路加上参考电压UREF后的传输曲线uou iU+U-REFoMURRRURRRU212211+++=+REFoMURRRURRRU212211+++−=−UREF第8章 波形产生与变换电路2、上行滞回比较器211212=+−++oMURRRURRRu p=0 时翻转，可以求出上下限。

211212=+++−oMURRRURRRoMURRU21=+oMURRU21−=−∞－++u oRR2R1u i∞－++u oRR2R1u iU REF上限下限第8章 波形产生与变换电路U +U -u ou iU oM-U oM传输特性曲线第8章 波形产生与变换电路8.2.4 窗口比较器设R1 =R2，则两门限：)2(21)2(=DCC212DCCLVVRRRVVV−=+−DLH2=VVV+单限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，而窗口比较器具有这一功能。