第八章 波形的发生和信号的变换PPT课件
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电子技术基础第八章 波形发生和信号转换
8.2.4 窗口比较器
图8.2.13
8.2.5 集成电压比较器 一、集成电压比较器的特点和分类
1、特点 响应速度快，传输延迟时间短，一般不需要外 加限幅电路就可直接驱动TTL、CMOS和ECL等数 字电路；有些芯片带负载能力强，可直接驱动继电 器和指示灯。 2、分类 单、双和四电压比较器； 通用、高速、低功耗、低电压和高精度型电压 比较器； 普通输出、集电极（漏极）开路输出或互补输 出型。 此外，还有的集成电压比较器带有选通端。
例8.2.2 在图6.2.9电路 中， R1=50KΩ, R2=100KΩ, ±UZ=±9V， 已知uI波形，试画出 uO的波形。
图8.2.11
例8.2.3 设计一个电压比较器，使其具有如图8.2.12（a） 所示的电压传输特性。要求电阻在20～100KΩ 之间。
图8.2.12
解：
若R1取为25KΩ，则R2应取为50 KΩ ；或各取为 50 KΩ和100 KΩ 。
由于C<<C0，所以fp≈fs。
二、石英晶体正弦波振荡电路 1、并联型石英晶体正弦波振荡电路 电路如图8.1.29所示，石英晶体等效为电感，和 C1、C2组成电容反馈式正弦波振荡电路。振荡频率 为 f p。 2、串联型石英晶体正弦波振荡电路 电路如图8.1.30所示，石英晶体等效为电阻，振荡 频率为fs。
，即
，φF=0o。
二、桥式正弦波振荡电路 f=f0时， ，所以 图8.1.6 在图8.1.7中
采用非线性环节， 例如热敏电阻以稳定 输出电压。
图8.1.7
三、振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路
图8.1.9
8.1.3 LC正弦波振荡电路 一、 LC谐振回路的频率特性
图8.1.10
谐振频率
图8.2.13
8.2.5 集成电压比较器 一、集成电压比较器的特点和分类
1、特点 响应速度快，传输延迟时间短，一般不需要外 加限幅电路就可直接驱动TTL、CMOS和ECL等数 字电路；有些芯片带负载能力强，可直接驱动继电 器和指示灯。 2、分类 单、双和四电压比较器； 通用、高速、低功耗、低电压和高精度型电压 比较器； 普通输出、集电极（漏极）开路输出或互补输 出型。 此外，还有的集成电压比较器带有选通端。
例8.2.2 在图6.2.9电路 中， R1=50KΩ, R2=100KΩ, ±UZ=±9V， 已知uI波形，试画出 uO的波形。
图8.2.11
例8.2.3 设计一个电压比较器，使其具有如图8.2.12（a） 所示的电压传输特性。要求电阻在20～100KΩ 之间。
图8.2.12
解：
若R1取为25KΩ，则R2应取为50 KΩ ；或各取为 50 KΩ和100 KΩ 。
由于C<<C0，所以fp≈fs。
二、石英晶体正弦波振荡电路 1、并联型石英晶体正弦波振荡电路 电路如图8.1.29所示，石英晶体等效为电感，和 C1、C2组成电容反馈式正弦波振荡电路。振荡频率 为 f p。 2、串联型石英晶体正弦波振荡电路 电路如图8.1.30所示，石英晶体等效为电阻，振荡 频率为fs。
，即
，φF=0o。
二、桥式正弦波振荡电路 f=f0时， ，所以 图8.1.6 在图8.1.7中
采用非线性环节， 例如热敏电阻以稳定 输出电压。
图8.1.7
三、振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路
图8.1.9
8.1.3 LC正弦波振荡电路 一、 LC谐振回路的频率特性
图8.1.10
谐振频率
电子科大模电 第8章-波形的发生和信号的转换
2. 电路组成
不符合相位条件 不符合幅值条件
1)是否可用共射放大电路？ 2)是否可用共集放大电路？ 3)是否可用共基放大电路？ 4)是否可用两级共射放大电路？
输入电阻小、输出 电阻大，影响f0
可引入电压串联负反馈，使 电压放大倍数大于3，且Ri大、 Ro小，对f0影响小
应为RC 串并联网路配一个电压放大倍数略大于3、输入电 阻趋于无穷大、输出电阻趋于0的放大电路。
若C C1且C C2，则
U i
U f
f0
2π
1 LC
C
与放大电路参数无关
若要振荡频率高，则L、C1、C2的取值就要小。当电容减 小到一定程度时，晶体管的极间电容将并联在C1和C2上，影 响振荡频率。 特点：波形好，噪声特性也不错; 是分立元件LC振荡器 最为常用的电路(包括其改进型)。
回差电压： U UT1 UT2
（3）窗口比较器： 有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。
4、集成运放的非线性工作区
电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈
无源网络
理想运放工作在非线性区的特点： 1) 净输入电流为0 2) uP> uN时， uO＝＋UOM uP< uN时， uO＝－UOM
第八章 波形的发生和信号的转换
第八章 波形的发生和信号的转换
§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 §8.4 信号的转换
§8.1 正弦波振荡电路
一、正弦波振荡的条件和电路的组成 二、RC正弦波振荡电路 三、LC正弦波振荡电路 四、石英晶体正弦波振荡电路
一、正弦波振荡的条件和电路的组成
必要吗？
波形产生电路与变换电路
波。 如果|UOH|=|UOL|, 但τ充≠τ放, T1≠T2, 那么输出也为矩形波。
通常定义矩形波为高电平的时间T2与周期T之比为占空 比D, 即
D T2 T
第八章 波形产生电路与变换电路
R
RW
RW′
图
VD2
8–5
△
uC
－ ∞ Ro
＋
占
C
＋
uo
空 比
可
调
R3 VDz3
R2
VDz4
±Uz
电 路
D T2 RW' rd1 R T RW rd1 rd2 2R
第八章 波形产生电路与变换电路
8.1.3 锯齿波产生电路
R3
△ △
R2
－ ∞ Ro A1 ＋
uo1
＋
VDz3
C VD1
RW′
RW VD2
－∞
A2 ＋ ＋
uo
R′
VDz4
±Uz
R″
图 8 – 8 锯齿波产生电路
第八章 波形产生电路与变换电路
uo uo1
Uz
R2 R3
U
z
O
R2 R3
Uz
－Uz
T1
T2
第八章 波形产生电路与变换电路
8.1.2 三角波产生电路
R3
R2
C
△ △
－ ∞ Ro A1 ＋
uo1 R
－∞
＋ VDz1
A2 ＋ ＋
uo
R′
±Uz
VDz2
R″
图 8 – 6 三角波产生电路
第八章 波形产生电路与变换电路
1. 工作原理
uo1
＋Uz
O
t
－Uz
通常定义矩形波为高电平的时间T2与周期T之比为占空 比D, 即
D T2 T
第八章 波形产生电路与变换电路
R
RW
RW′
图
VD2
8–5
△
uC
－ ∞ Ro
＋
占
C
＋
uo
空 比
可
调
R3 VDz3
R2
VDz4
±Uz
电 路
D T2 RW' rd1 R T RW rd1 rd2 2R
第八章 波形产生电路与变换电路
8.1.3 锯齿波产生电路
R3
△ △
R2
－ ∞ Ro A1 ＋
uo1
＋
VDz3
C VD1
RW′
RW VD2
－∞
A2 ＋ ＋
uo
R′
VDz4
±Uz
R″
图 8 – 8 锯齿波产生电路
第八章 波形产生电路与变换电路
uo uo1
Uz
R2 R3
U
z
O
R2 R3
Uz
－Uz
T1
T2
第八章 波形产生电路与变换电路
8.1.2 三角波产生电路
R3
R2
C
△ △
－ ∞ Ro A1 ＋
uo1 R
－∞
＋ VDz1
A2 ＋ ＋
uo
R′
±Uz
VDz2
R″
图 8 – 6 三角波产生电路
第八章 波形产生电路与变换电路
1. 工作原理
uo1
＋Uz
O
t
－Uz
第8章波形的发生和信号的变换72页PPT
图 8.1.4
则：
9
第八章
得 RC 串并联电路的幅
F
频特性为：
1/3
F
1
32 ( 0 )2
0
0
相频特性为：
F
0
0
+90º
F arctg0 3
0 0
当0 R1C时，F
1 3
-90º
最大，F = 0。
图 8..1.5
10
第八章
二、振荡频率与起振条件
1. 振荡频率 2. 起振条件
f0
1 2RC
U i 2Uisi nt U Ufi ~FUO
放大电路 A
反馈网络 F
Uo AUi
图 8.1.2 正弦波振荡电路的方框图
如果反馈电压 uf 与原输入信号 ui 完全相等，则即使 无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号— —自激振荡。(电路要引入正反馈)
4
第八章
由此知放大电路产生自激振荡的条件是：
判断相位平衡条件的方法是： 瞬时极性法。 4.判断是否满足振幅平衡条件。
5.估算振荡频率和起振条件
7
第八章
8.1.2 RC 正弦波振荡电路
RC串并联网络振荡电路也称RC桥式正弦波振荡电路 或称文氏振荡电路(Wien)
电路组成：
放大电路 —— 集成运放 A ；
选频与正反馈网络 —— R、C 串并联电路；
稳幅环节 —— RF 与 R 组成的负反馈电路。
8
第八章
一、RC 串并联选频网络
R2
F
Uf U
2 1 2
R1
1 jR2C2
1 1
jC1 1 jR2C2
Z1
1
8章 波形的发生和信号的转换图
返回
图8.1.27 石英晶体谐振器的 结构示意图及符号
返回
图8.1.28 石英晶体的等效电路 及其频率特性
返回
图8.1.29 并联型石英晶体振荡电路
返回
图8.1.30 串联型石英晶体振荡电路
返回
8.2 电压比较器
• • • • • • • • • • • • • • • • 图8.2.1 集成运放工作在非线性区的电路特点及其电压传输特性 图8.2.2 电压比较器电压传输特性举例 图8.2.3 过零比较器及其电压传输特性 图8.2.4 电压比较器输入级的保护电路 图8.2.5 电压比较器的输出限幅电路 图8.2.6 将稳压管接在反馈电路中 图8.2.7 一般单限比较器及其电压传输特性 图8.2.8 例8.2.1 波形图 图8.2.9 滞回比较器及其电压传输特性 图8.2.10 加了参考电压的滞回比较器 图8.2.11 例8.2.2 波形图 图8.2.12 例8.2.3 图 图8.2.13 双限比较器及其电压传输特性 图8.2.14 AD790及其基本接法 图8.2.15 LM119管脚图 返回 图8.2.16 由LM119构成的双限比较器及其电压传输特性
例8.4.1 电路图
返回
图8.4.9 数字式测量仪表
返回
图8.4.10 电荷平衡式电压－频率转换 电路的原理框图及波形分析
返回
图8.4.11 电荷平衡式电压－频率转换电路
返回
图8.4.12
例8.4.11 所示电路中滞回 比较器的电压传输特性
返回
图8.4.13 复位式电压－频率转换 电路的原理框图
图8.2.1 集成运放工作在非线性区的 电路特点及其电压传输特性
返回
图8.2.2 电压比较器电压传输特性举例
第8章 脉冲波形的产生与变换(5)
5 6 2 7
VC C 8 R
+ -
RD 4 A1 A2 T R Q S Q 3
管脚图
电 放 阈 电控 源 电 值 压制
VCC
8
R
R 1
+
v’O vI1
7
6
vIC
5
4
电源电压范围: 4.5V ~ 18V
555
1
2 3
GND vI2
Uo
RD
地 触 输 复 发 出 位
7
第八章 脉冲波形的产生与变换
二、 555定时器的应用 555定时器应用广泛，可以做
多谐振荡器: 简易电子琴电路 首先说明如何用555 定时器构成多谐振荡器:
u
VCC R1 R2
C
v’O 4 8 7 vI1 555 3 uo vI2 6
2 1 5 C
2VCC /3 VCC /3
0
t
uo
0
u
C
t
输出波形
12
第八章 脉冲波形的产生与变换
u
VCC
C
R1 R2
v’O 4 8 7 uo vI1 555 3 vI2 6
u
VCC
C
R1 R2
v’O 4 8 7 uo vI1 555 3 vI2 6
2 1 5 C
2VCC /3 VCC /3
0
t
u
o
u
C
如何改变方波的占空比？
0
t T1 T2
改变充放电回路的时间常数即可。 充电时间常数：（R1+R2）C 放电时间常数：R2C
14
第八章 脉冲波形的产生与变换
简易电子琴就是通过改变R2 的阻值来改变 输出方波的周期 , 使外接的喇叭发出不同的音 调。 VCC
第8章波形的发生和信号的转换(1)电子
（2）判断放大电路的工作情况： ①是否有合适的静态工作点； ②动态信号是否能正常放大。
（3）利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波 振荡的相位条件—判断反馈网络的反馈极性。
具体方法：从放大电路的 输入端断开反馈，假定放 大电路输入信号Ui并设瞬 时极性，Ui A F Uf , 确定Uf 的极性 。
Uf 、 Ui 极性相同，则为正反馈，具备振荡条件。 如果
由于晶体管的非线性，当Uo 达到一定程度以后， 放大倍数 A 下降，最终使电路达到动态平衡，
电路的振荡条件
A F 1
AF2n
二、正弦波振荡电路的组成及分类 P404
1、电路的组成 正弦波振荡电路除满足以上振荡条
件—包含放大电路、反馈网络（正反馈） 以外，正弦波信号是具有一定频率、按 正弦规律变化的信号，要想产生正弦波 信号，电路中还要有选频网络。
工作时，需要一个初始信号（往往为电扰动或噪音等，
如开关闭合产生，其中含有各种频率、不同幅值的正弦
信号，而且一定会有一个频率信号满足相位条件，实际
振荡电路中无初始信号），初始信号幅值往往比较小，
如果希望信号能够达到足够大。
.
.
则要求 A F 1 电路的起振条件。 U f U i
使 Uo 增大
同时 AF2n
产生的信号不同，对应的振荡电路也不同。
8.1 正弦波振荡电路
正弦波振荡电路是在没有外加输入信号的情况下， 依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路。
8.1.1 概述
一、产生正弦波振荡的条件
作为放大电路当有Ui 时，则有Uo = A Ui。
信1 号 源
Uo经F 后，产生
Uf = F Uo
3
2 Uf
模拟电子技术基础
（3）利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波 振荡的相位条件—判断反馈网络的反馈极性。
具体方法：从放大电路的 输入端断开反馈，假定放 大电路输入信号Ui并设瞬 时极性，Ui A F Uf , 确定Uf 的极性 。
Uf 、 Ui 极性相同，则为正反馈，具备振荡条件。 如果
由于晶体管的非线性，当Uo 达到一定程度以后， 放大倍数 A 下降，最终使电路达到动态平衡，
电路的振荡条件
A F 1
AF2n
二、正弦波振荡电路的组成及分类 P404
1、电路的组成 正弦波振荡电路除满足以上振荡条
件—包含放大电路、反馈网络（正反馈） 以外，正弦波信号是具有一定频率、按 正弦规律变化的信号，要想产生正弦波 信号，电路中还要有选频网络。
工作时，需要一个初始信号（往往为电扰动或噪音等，
如开关闭合产生，其中含有各种频率、不同幅值的正弦
信号，而且一定会有一个频率信号满足相位条件，实际
振荡电路中无初始信号），初始信号幅值往往比较小，
如果希望信号能够达到足够大。
.
.
则要求 A F 1 电路的起振条件。 U f U i
使 Uo 增大
同时 AF2n
产生的信号不同，对应的振荡电路也不同。
8.1 正弦波振荡电路
正弦波振荡电路是在没有外加输入信号的情况下， 依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路。
8.1.1 概述
一、产生正弦波振荡的条件
作为放大电路当有Ui 时，则有Uo = A Ui。
信1 号 源
Uo经F 后，产生
Uf = F Uo
3
2 Uf
模拟电子技术基础
第八章波形的发生和信号的转换
振到动态平衡的过程，使电路获得一
Xo
定幅值的输出量，实现能量的控制。
（2）选频网络：确定电路的振荡频率
，使电路产生单一频率的振荡，即保
证电路产生正弦波振荡。
（3）正反馈网络：引入正反馈，使放 大电路的输入信号等于反馈信号。
（4）稳幅环节：即非线性环节，作用 是使输出信号幅值稳定。
分类：RC正弦波振荡电路、LC正弦波 振荡电路和石英晶体正弦波振荡电路。
Rb2 C
Rc T
+VCC
Rb1
Re
Ce
C1
C2
二、石英晶体正弦波振荡电路 2. 串联型石英晶体振荡电路
Rb2
Cb
Rb1
Rc
+ T1
Re1
+ uI
Rf
-
+VCC
T2 + Re2
8.2.1 概述
一、电压比较器的电压传输特性
1
f0 2 LC
L
-
+-
uf
+VCC
++ T
+
Re
u- i
8.1.4 石英晶体正弦波振片
１.压电效应和压电振荡
管脚
概念1：在石英晶体两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率 的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，该现象称为压电 效应。
概念2：当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生 共振，称为压电振荡。
[例8.1.1] 在图中所示的电路中，已知电
容的取值分别为0.01F、 0.1F 、 1F
、 10F ，电阻R=50，电位器
RW=10k 。试问：f0的调节范围？
解：
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方法2.
Au 1 Rf rd R1
21.07.2020
8
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：
1
f0 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。
21.07.2020
9
1
R28
2
R27
3
R26
1.电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较， 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 引入正反馈。
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基本单元，在测量、控制、 D/A和A/D转换电路中应用广泛。
4
R25
5
R24
6
R23
7
R22
1
R21
21.07.2020
电子琴的振荡电路：
R2
RF1 RF2 D1
R1
D1
_
C
+
+
C Rf
可调
uo 功率放 大器
10
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 j L )
1 jL
f0 f
当f＝f0时：
1 F
M ax 3 0
21.07.2020
特性曲线：
7
二、 文氏桥正弦波振荡电路
反馈、选频网络：
当
1
f f0 2RC
时：
1 F
M ax 3
0
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。
方法1.热敏电阻(负温度系数）替换Rf 热敏电阻(正温度系数）替换R1
4
3. 正弦振荡电路的组成 放大电路：合理的Q点，足够的增益。 反馈网络：正反馈。 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
低频 高频
21.07.2020
5
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网络
阻抗：Z
j C 1 R j L
RL
jC
R j(L
1)
j C
C
21.07.2020
11
L
Z
C
R j(L
1)
C
谐振时，
0
L
1
0C
0
有：
f0
2
1 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
0R C
反映R的损耗大小 （几十～几百）。
第八章 波形的发生和信号的变换
8.1 正弦波振荡电路 sin-wave oscillator 8.2 电压比较器 comparator 8.3 非正弦波发生电路 8.4 利用集成运放实现的信号变换电路
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1
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总体概述
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18
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。
一、 RC串并联网络的选频特性
定性分析：
f 1
2 RC
U2比较小
f 1
2 RC
U2比较小
1
f
2 RC
U2比
1
R //
U2
jC
U1 R 1 R // 1
jC
jC
1
3 j(RC 1 )
RC
令：f 0
1
2 RC
则：F U2
1
U1 3 j( f f0 )
是一种利用SiO2晶体压电效应 原理构成的谐振器件。
结构
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 板电容)约几~几十pF
频率特性
C：晶体弹性电容
10-4~10-1pF
Q 1 L ：很大， ～105
RC
串联谐振：
fs
2
1 LC
并联谐振： fp 2
1 L CCo fS
C Co
21.07.2020
16
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。 ② 串联式石英晶体正弦振荡器
21.07.2020
17
8.2 电压比较器
8.2.1 概述
幅值平衡条件 相位平衡条件
21.07.2020
3
2. 起振与稳幅 起振过程：
电源通断/噪声/干扰
f0满足： AF2n
当此时有： A F 1 则： f0的信号被重复放大
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： A F 1
21.07.2020
21.07.2020
12
二、 LC正弦波振荡电路
1、变压器反馈
正反馈： 1
振荡频率： 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？
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2、电感三点式 Colpitts Oscillator
正反馈：
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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。
只有正反馈电路才能产生自激振荡。
1. 振荡条件
自激振荡时，有：X o
AX
i
AFX o
即： AF 1 ———自激振荡条件
写成模和相角形式： A F 1 A F 2 n
考毕茨振荡器
振荡频率：
f0 2
1 LC
LL1L22M
3、电容三点式 Hartley Oscillator
正反馈：
哈特莱振荡器
1
振荡频率： f0 2 LC
C C1C2 C1 C2
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下列电路能振荡吗？
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8.1.4 石英晶体振荡电路
一、石英晶体 外形
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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，就是工作在正反馈。
集成运放的电压传输特性
uO +UOM
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O
uPuN
UOM
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8.2.2 单限比较器
uI与一个参考电压（阈值电压UT）进行比较。