波形的发生和信号的变换

LM339介绍
8.3 非正弦波振荡电路
矩形波
三角波
锯齿波
尖顶波
阶梯波
非正弦波主要是指三角波和矩形波
8.3.1 矩形波发生电路
电路是一个滞回比较器。
UT R1R 1R2UZ UTR1R 1R2UZ
给电路增加一个RC定时电路。
uC
电路分析：
设：初始时，uC＝0，uO＝UZ 。
1. R3对C充电。
uO
波形的发生和信号的变换
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8.1 正弦波振荡电路
一. 概 述
正弦振荡器：不需要任何输入信号，能产生稳定输出、 有一定幅度和频率正弦波的电路。
方法1.热敏电阻(负温度系数〕替换Rf 方法2. Au1Rf rd
热敏电阻(正温度系数〕替换R1
R1
频率可调振荡电路：
R2
K：双联波段开关，
切换R，用于粗调 振荡频率。
R1
R3
Rf
振荡频率：
f0
1
2 RC
R2
R1
K
K
R C
R3 C
_
uo
+
+
R1
C：双联可调电容，改变C， 用于细调振荡频率。
1
电子琴的振荡电路：
〔此时虚短成立！〕
电压传输特性
单限比较器的作用：检测输入的模拟信号是否到达 某一给定电平。 缺点：抗干扰能力差。
解决方法： 采用具有滞回传输特性的比 较器。
存在干扰时单限比较器的 uI、uO 波形
电压比较器分析方法小结
〔1〕由限幅电路确定电压比较器的输出高电平UOH和输 出低电平UOL 。
〔2〕写出up和uN的电位表达式，令up=uN ，解得输入 电压就是阈值电压UT。
三、性能特点
ICL8038可单电源供电，也可双电源供电。
正弦波 失真度调整
1
正弦波输出 2
三角波输出 3
接电阻 RA 4
接电阻 RB 5
+VCC 6
调频偏置 电压输出 7
ICL 8038
14
13 正弦波失
12 真度调整
11 VEE (或地)
10 接电容 C 9 矩形波输出
调频偏置 8 电压输入
8.3.20 ICL8038的引脚图
uO1占空比：q
T2
T
1 2
如何改变该占空比？
积分电路的充放电回路用二极管隔离，使二个通路的积分 常数不同。
8.3.3 锯齿波发生电路
当D1通路的电阻很小时，有如图波形：
8.3.4 波形变换电路〔自阅〕
一. 三角波 锯齿波变换电路
-1
+
1
二. 三角波 正弦波变换电路 1、滤波法
2、折线法
常用集成电压比较器
LM339(139/239) LM311
AD790
电源：2～36V 1～ 18V
响应时间：300ns
电源：5～30V 2.5～ 15V
响应时间：200ns
电源：5V 5V
响应时间：45ns
输出方式：OC 输出方式：
输出方式：TTL
AD9696
电源：5V 5V
响应时间：4.5ns 输出方式：互补
滞回特性是由于正反响而产生的！
当 UREF 0时： UT R1R 1R2UZ UTR1R 1R2UZ
画出输出波形
：传输特性
输入波形
输出波形
8.2.4 窗口比较器
单限比较器和滞回比较器在输入单向变化时，输出只跳 变一次。窗口比较器是一种输入单向变化，输出跳变二次 的比较器，即有二个阈值电压：UTL和UTH。
二、理想运放的非线性工作区
在电压比较器中，集成运放不是工作在开环 状态，就是工作在正反响。
集成运放的电压传输特性
uO
+UOM
O
uPuN
-UOM
8.2.2 单限比较器
uI与一个参考电压〔阈值电压UT〕进展比较。
一、 过零比较器
电压传输特性
此时： UT 0V 当 uI 0V 时：uOUOM 当 uI 0V 时：uOUOM
② 串联式石英晶体正弦振荡器
8.2 电压比较器
8.2.1 概述
1.电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压进展比较， 输出只有两种可能的状态：高电平或低电平。
2.比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于开环状态或 引入正反响。
3.分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。
4.比较器是组成非正弦波发生电路的根本单元，在测量、控制、 D/A和A/D转换电路中应用广泛。
令：f0
1
2 RC
那么F ： U2
1
U1 3j( f f0)
f0 f
当f＝f0时：
1 F
Max 3 0
特性曲线：
二、 文氏桥正弦波振荡电路
反响、选频网络： 1
当 f f0 2RC 时：
F 1 0 Max 3
放大电路：
同相放大电路，Au＝1+Rf /R1略大于3。
电路连接：
稳幅环节：当Uo较大时，Rf 或R1 ，使Au＝3。
设：初始时，uC＝0，uO1＝UZ 。 1. A2向下积分。
2. 积分到UT-时，开场向上积分。
3. 积分到UT+后，又开场向下积分。
参数计算：
与积分电路无关！
T1 T2
脉冲幅度＝2UT+＝2UZR1/R2
脉冲周期 TT 1T 22T 1
UTUTR U 3Z CT1
T4R1 R2
R3C
通过R3C改变频率， 幅度不变！
Qn+1=S+RQn
当 Q = 0，S 断开，
②
C 充电 (IS1) 至 2/3VCC Q = 1
③
当 Q = 1，S 闭合，
C 放电 (IS2 -IS1) 至
1/3VCC
Q=0
当 IS2 = 2IS1，引脚 9 输出方波，引脚 3 输出三角波； 当 IS2 < 2IS1，引脚 9 输出矩形波，引脚 3 输出锯齿波。
应用：测量某个量是否在一定的范围内，如BJT的。
分析：
uO uO 1 uO2
当 uI URL 时：U Z U O L U O H 当 u IU R L~U R H时： 0 U O L U O L
当 uI URH 时：U Z U O H U O L
传输特性
8.2.5 集成电压比较器
集成电压比较器是专用的电压比较器，具有响应速度快、延迟时间短， 无需限幅电路。但放大性能不如运算放大器。
〔3〕 u0在uI 过UT时的跃变方向决定于作用于集成运放的 哪个输入端。 当uI从反向输入端输入时，uI<UT ,u0=U0H ; uI>UT ,u0=U0L 。 反之，结论相反。
8.2.3 滞回比较器－Shmitt触发器
单限比较器工作在开环状态，当uI～UT时，很小的干扰 ，将会使输出状态改变。因此，希望电路具有滞回特性。
原理 电路
8.3.5 函数发生器
函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦 波的专用集成电路；当调节外部电路参数时，还可获得占 空比可调的矩形波和锯齿波。
一、电路构造
〔ICL8038〕
②
1.二个电流源
2.二个同相输入
③
单限比较器
3.RS触发器
4.二个缓冲电路
5.三角波变正弦波电路
二、工作原理
f0
2
LC
L 为：考虑了其它绕组的影响
起振： 改变匝数比可使|AF|>1
稳幅： 利用LC的选频特性
取消C1可以吗？
2、电感三点式 Colpitts Oscillator
正反响：
考毕茨振荡器
1
振荡频率： f0 2 LC
L L 1L 22M
3、电容三点式 Hartley Oscillator
正反响：
稳幅过程： 当放大/反馈回路存在适当的非线性元件时， f0信
号幅度增大到一定值，非线性元件开始起作用，
使： AF 1
3. 正弦振荡电路的组成 放大电路：合理的Q点，足够的增益。 反响网络：正反响。 选频网络：只有一个频率满足振荡条件。 稳幅环节：幅值稳定，波形良好。
4. 正弦振荡电路的分类
按选频网络的组成分为：RC、LC、石英晶体振荡电路
一、 电压比较器的传输特性
1.电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系
u f(u)
O
I
2.阈值电压： UT
当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对 应的输入电压。
3.电压传输特性的三要素
(1)输出电压的高电平UOH和低电平UOL的数值。 (2)阈值电压的数值UT。 (3)当uI变化且经过UT时， uO跃变的方向。
R2
R28
2
R27
3
R26
4
R25
5
R24
6
R23
7
R22
1
R21
RF1 RF2 D1
R1
D1
_
C
+
+
C Rf
可调
uo 功率放 大器
三. LC 振 荡 电 路
LC选频网络：通常是采用LC并联谐振回路。 一、 LC并联谐振回路的频率特性
考虑L的电阻 小
1 (R jL)
1 jL
阻抗：Z jC
R L jC
低频 高频
8.1.2 RC 振荡电路
RC选频网络：RC文氏桥(串并联网络〕、RC移相、RC双T 网一络、 RC串并联网络的选频特性
定性分析：
f 21RC
U2比较小
f
1
2RC
U2比较小
f 1 U2比较大
2RC
定量分析：
R// 1
U2
jC
U1 R 1 R// 1
jC
jC
1
3j(RCR1C)
iN0; 〔虚断成立！〕 uPR R 2 1U R R E F 2R R 11 U R Z2
叠加原理
当 uI UT 时： 1 R 2 R 2U R E F R 1R 1 R 2U Z
存在2个阈值电压！
电压传输特性
当 uI UT时： uO UZ 当 uI UT时： uO UZ 当 uI UT时： uOUZ 当 uI UT时： uOUZ 当 uI UT时： uO UZ
四、常用接法
+VCC
调 频 率
RW2
调占空比和 正弦波失真
RW1
C1 RA RB
R
4 8
56 ICL8038
9 3 2
10 11 12 1 RP3
t
T1
T2
-UZ
T2R3Cln2R1R 2R2
T2R 3Cln2R 1 R 2R 2
因此：
f
1 T
q
T2
T
1 2
占空比可调电路：
8.3.2 三角波发生电路
方波经过积分电路就可以得到三角波。所以，三角波发 生电路可以用矩形波发生电路＋积分电路构成。
根本电路与波形：
由于，三角波发生电路中有2个RC定时电路，可以省去滞 回比较器的RC定时电路。
1 R jL
R j(L 1 )
jC
C
L
Z
R
C
j(L1C)
谐振时，
0L
1
0C
0
有：
1
f0 2
; LC
Z0
L RC
(阻性，最大)；
此时回路电流很大。
品质因数：Q
0
L R
回路外部元件的影响可忽略
1
0RC
反映R的损耗大小 〔几十～几百〕。
二、 LC正弦波振荡电路
1、变压器反响
正反响：
1
振荡频率：
2. 充到UT+后，R3对C放电。
3. 放到UT-后，R3对C充电。
UZ UT+ t UTUZ t -UZ
波形参数计算：
uC
1. 输出电压
uOUZ 脉冲幅度＝2UZ
2. 脉冲周期
uO
UZ UT+ t UTUZ
TT1T2
T1R3ClnU U(( )) U U((0 t)) R3Cln U UZ Z U UT T R3Cln2R1R2R2
哈特莱振荡器
1
振荡频率： f0 2 LC
C C1C2 C1 C2
以下电路能振荡吗？
8.1.4 石英晶体振荡电路
一、石英晶体 外形
频率特性
是一种利用SiO2晶体压电效应 原理构成的谐振器件。
构造
符号 等效电路
L：模拟晶体机械振
动惯性10-3~10-2H
R：模拟机械振动摩
擦损耗，很小
C0：静电电容(平行
改进电路：
A1：同相滞回比较 器 A2：反相积分电路
阈值电压的计算：
u PR 1 R 2 R 2u IR 1R 1 R 2u O 1
而，uI＝UT 时，uP＝0
UT
R1 R2
uO1
U Z
积分运算关系： uOR u3OC 1 tuO(0)
工作原理：
u UOTR uRR3O 12C 1UtZuO(0)
只有正反响电路才能产生自激振荡。
1. 振荡条件
自激振荡时，有：XoAXi AFXo 即： AF1 ———自激振荡条件
写成模和相角形式： AF 1
AF 2n
幅值平衡条件 相位平衡条件
2. 起振与稳幅 起振过程：
电源通断/噪声/干扰
f0满足： A F 2 n
当此时有：
AF 1 那么： f0的信号被重复放 大
输入保护 此时： uIdM AX0.7V 输出限幅
此时： uOUZ 运放工作在饱和状态
此时： uOUZ 运放工作在线性区
二、 一般单限比较器 (UT 0V)
iN0; 〔虚断成立！〕 uNR 2U R R 1 E F R R 21uI 叠加原理 当 uI UT 时： uNuP0V
R 2 U R E F R 1 U T 0 UTR R1 2UREF
板电容)约几~几十
pCF：晶体弹性电容
10-4~10-1pF
Q 1 L ：很大， ～105
RC
1
串联谐振：
fs
2
LC
1
并联谐振： fp
2
L CCo
fS
CCo
二、石英晶体正弦波振荡电路 ① 并联式石英晶体正弦振荡器
作为电感用，并接电容CL～几 十pF，此时 f0 fS。调节CL可 以使f0在fS～fP之间变化。