电子技术基础第八章 波形发生和信号转换
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第8章波形的发生与信号的转换
在图8.1.7（a）为RC串并联选频网络和同相比例运 （ ） 在图 串并联选频网络和同相比例运 算电路所构成的RC桥式正弦波振荡电路 桥式正弦波振荡电路。 算电路所构成的 桥式正弦波振荡电路。 如图（ ）所示，集成运放的输出端和“ 如图（b）所示，集成运放的输出端和“地”接桥 路的两个顶点作为电路的输出； 路的两个顶点作为电路的输出；集成运放的同相输 入端和反相输入端接另外两个顶点， 入端和反相输入端接另外两个顶点，是集成运放的 净输入电压。 净输入电压。
uf 2
& + 4 − 3− A uf & + 4 + 3− A uf
(
)
(
& 3− A uf
)
2
(
)
趋近于3时 趋近于无穷大， 当Auf趋近于 时，Aup趋近于无穷大，表明电路即使没 有输入，也会有f 的输出电压， 有输入，也会有 0的输出电压，即电路产生了自激振 荡。 电路仅对频率为f 的信号放大， 电路仅对频率为 0的信号放大，对其它频率信号均迅 速衰减为零，所以输出电压为f=f 的正弦波。 速衰减为零，所以输出电压为 0的正弦波。 输出电压靠R 反馈的信号维持。 输出电压靠 3反馈的信号维持。 正弦波振荡电路的振荡频率是人为确定的， 正弦波振荡电路的振荡频率是人为确定的，与负反馈 放大电路不同。 放大电路不同。 综上，在正弦波振荡电路中， 综上，在正弦波振荡电路中， 输入信号， 一要反馈信号能够取代 输入信号，即电路必须引入 正反馈； 正反馈； 二要有外加的选频网络 用以确定振荡频率。 有外加的选频网络， 二要有外加的选频网络，用以确定振荡频率。
本章讨论的问题： 本章讨论的问题：
5.电压比较器与放大电路有什么区别？集成运放在电 电压比较器与放大电路有什么区别？ 电压比较器与放大电路有什么区别 压比较器和运算放大电路中的工作状态一样吗？ 压比较器和运算放大电路中的工作状态一样吗？
模拟电子技术基础第四版(童诗白)课后答案第8章 波形的发生和信号的转换
第8章 波形的发生和信号的转换习题8.1判断下列说法是否正确，用“√”和“×”表示判断结果。
(1)在图T8.1所示方框图中，产生正弦波振荡的相位条件是A F ϕϕ=。
( × )(2)因为RC 串并联选频网络作为反馈网络时的0o F ϕ=，单管共集放大电路的0o A ϕ=，满足正弦波振荡电路的相位条件πϕϕn A F2=+，故合理连接它们可以构成正弦波振荡电路。
( × )(3)在RC 桥式正弦波振荡电路中，若RC 串并联选频网络中的电阻均为R ，电容均为C ，则其振荡频率1/o f RC =。
( × )(4)电路只要满足1=F A，就一定会产生正弦波振荡。
( × ) (5)负反馈放大电路不可能产生自激振荡。
( × )(6)在LC 正弦波振荡电路中，不用通用型集成运放作放大电路的原因是其上限截止频率太低。
( √ )8.2判断下列说法是否正确，用“√”和“×”表示判断结果。
(1)为使电压比较器的输出电压不是高电平就是低电平，就应在其电路中使集成运放不是工作在开环状态，就是仅仅引入正反馈。
( √ )(2)如果一个滞回比较器的两个阈值电压和一个窗口比较器的相同，那么当它们的输入电压相同时，它们的输出电压波形也相同。
( × )(3)输入电压在单调变化的过程中，单限比较器和滞回比较器的输出电压均只跃变一次。
( √ ) (4)单限比较器比滞回比较器抗干扰能力强，而滞回比较器比单限比较器灵敏度高。
( × )8.3选择合适答案填入空内。
A.容性 B.阻性 C.感性(1)LC 并联网络在谐振时呈( B )；在信号频率大于谐振频率时呈( A )；在信号频率小于谐振频率时呈( C )。
(2)当信号频率等于石英晶体的串联谐振频率时，石英晶体呈( B )；当信号频率在石英晶体的串联谐振频率和并联谐振频率之间时，石英晶体呈( C )；其余情况下，石英晶体呈( A )。
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：
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
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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8.1.11
图8.1.3
4、判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件，即 是否满足起振条件。即分别求解 和 ，然 后判断 是否大于1。 只有在满足相位平衡的情况下，判断是否满足 幅值条件才有意义。 8.1.2 RC正弦波振荡电路 一、 RC串并联选频网络
图8.1.4
令
，则
图8.1.5
幅频特性为
相频特性为
当f=f0时，
图8.1.28
静态电容，一般为几到几十皮法； 等效机械振动惯性，一般为几毫亨到几十亨； 晶体的弹性等效，一般为0.01到0.1皮法； 晶体的摩擦损耗等效，一般为100欧姆。
当L、C、R支路串联谐振时，该支路呈纯 阻性，串联谐振频率为fs，C0近似为开路，石 英晶体等效为电阻； 当f＜fs时， L、C、R串联支路呈容性，石 英晶体等效为电容; 当 f＞fs时， L、C、R串联支路呈感性，和 电容C0产生并联谐振，谐振频率为fp。 当时f＞fp ，石英晶体又呈容性。
电压比较器电压传输特性的三要素为： 1、输出电压高电平和低电平值UOH和UOL； 2、阈值电压值UT；阈值是指uO发生跃变时的uI值。 3、当uI变化且经过UT时，uO跃变的方向，即 是从UOH跃变为UOL ，还是从UOL跃变为UOH 。 三、电压比较器的种类 1、单限比较器 只有一个阈值电压， 当输入电压uI逐渐增大 或减小的过程中经过UT 时，输出电压uO产生一 次跃变。如图8.2.2(a)所 示。
8.2.2 单限比较器 一、过零比较器
图8.2.3
图8.2.4
图8.2.5
图8.2.6
二、一般单限比较器
图8.2.7
令uN=uP=0，则求出阈值电压
8.2.3 滞回比较器
图8.2.9
图8.2.10是加了参考电压的滞回比较器。 这时，两个阈值电压不再对称。
图8.2.10
令uN=uP，求出的uI就阈值电压，为
二、集成电压比较器的基本接法 1、通用型集成电压比较器AD790
图8.2.14
2、集电极开路集成电压比较器LM119
图8.2.15
图8.2.16
8.3 非正弦波发生电路
图8.3.1
8.3.1 矩形波发生电路 一、电路组成和工作原理
选频放大器
选频放大器 引入正反馈
图8.1.12
图8.1.13
二、变压器反馈式振荡电路
图8.1.14
图8.1.15
三、电感反馈式正弦波振荡电路
图8.1.17
图8.1.18
四、电容反馈式正弦波振荡电路
图8.1.20
图8.1.21
图8.1.22
图8.1.23
8.1.4 石英晶体正弦波振荡电路
图8.1.27 C0: L: C: R:
图8.1.29
图8.1.30
8.2 电压比较器
8.2.1 概述 一、集成运放的非线性工作区 uO=±UOM
当uP＞uN时， uO=＋UOM； 当uP ＜uN时， uO=－UOM 。
图8.2.1 二、电压比较器的电压传输特性 输出电压uO与输入电压uI的函数关系uO=f(uI) 一般用曲线来描述，称为电压传输特性。
第八章 波形发生和信号转换
8.1 正弦波振荡电路
8.1.1 概述
一、产生正弦波振荡的条件
即
图8.1.2
二、正弦波振荡电路的组成及分类 1、组成 （1）放大电路 （2）选频网络 （3）正反馈网络 （4）稳幅环节 2、分类 （1）RC正弦波振荡电路(f0＜1MHz) （2）LC正弦波振荡电路(f0＞1MHz) （3）石英晶体正弦波振荡电路(f0很稳定)
图8.2.2
2、滞回比较器 有两个阈值电压。输入电压从小到大经过一个阈 值时，输出电压产生一次跃变；输入电压从大到小 经过另一个阈值时，输出电压产生又一次跃变；两 次跃变方向相反。它相当于两个单限比较器的组合。 如图8.2.2(b)所示。 3、窗口比较器 有两个阈值电压。输入电压从小到大或从大到小 经过两个阈值时，输出电压产生两次不同方向的跃 变。如图8.2.2(c)所示。电压传输特性上好象开了个 窗口。
三、判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤 1、观察电路是否包含了四个基本组成部分； 2、判断放大电路能否正常工作，即是否有合适的静态 工作点且动态信号能否输入、输出和放大； 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。 瞬时极性法 断开反馈，在断开处加频率f0 的输入电压，并给定其瞬时极 性；然后以此为依据分析输出 电压的极性，从而得到反馈电 压的极性，若它和假设输入电 压极性相同，则满足相位平衡 条件，有可能产生正弦波振荡。
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8.1.11
图8.1.3
4、判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件，即 是否满足起振条件。即分别求解 和 ，然 后判断 是否大于1。 只有在满足相位平衡的情况下，判断是否满足 幅值条件才有意义。 8.1.2 RC正弦波振荡电路 一、 RC串并联选频网络
图8.1.4
令
，则
图8.1.5
幅频特性为
相频特性为
当f=f0时，
图8.1.28
静态电容，一般为几到几十皮法； 等效机械振动惯性，一般为几毫亨到几十亨； 晶体的弹性等效，一般为0.01到0.1皮法； 晶体的摩擦损耗等效，一般为100欧姆。
当L、C、R支路串联谐振时，该支路呈纯 阻性，串联谐振频率为fs，C0近似为开路，石 英晶体等效为电阻； 当f＜fs时， L、C、R串联支路呈容性，石 英晶体等效为电容; 当 f＞fs时， L、C、R串联支路呈感性，和 电容C0产生并联谐振，谐振频率为fp。 当时f＞fp ，石英晶体又呈容性。
电压比较器电压传输特性的三要素为： 1、输出电压高电平和低电平值UOH和UOL； 2、阈值电压值UT；阈值是指uO发生跃变时的uI值。 3、当uI变化且经过UT时，uO跃变的方向，即 是从UOH跃变为UOL ，还是从UOL跃变为UOH 。 三、电压比较器的种类 1、单限比较器 只有一个阈值电压， 当输入电压uI逐渐增大 或减小的过程中经过UT 时，输出电压uO产生一 次跃变。如图8.2.2(a)所 示。
8.2.2 单限比较器 一、过零比较器
图8.2.3
图8.2.4
图8.2.5
图8.2.6
二、一般单限比较器
图8.2.7
令uN=uP=0，则求出阈值电压
8.2.3 滞回比较器
图8.2.9
图8.2.10是加了参考电压的滞回比较器。 这时，两个阈值电压不再对称。
图8.2.10
令uN=uP，求出的uI就阈值电压，为
二、集成电压比较器的基本接法 1、通用型集成电压比较器AD790
图8.2.14
2、集电极开路集成电压比较器LM119
图8.2.15
图8.2.16
8.3 非正弦波发生电路
图8.3.1
8.3.1 矩形波发生电路 一、电路组成和工作原理
选频放大器
选频放大器 引入正反馈
图8.1.12
图8.1.13
二、变压器反馈式振荡电路
图8.1.14
图8.1.15
三、电感反馈式正弦波振荡电路
图8.1.17
图8.1.18
四、电容反馈式正弦波振荡电路
图8.1.20
图8.1.21
图8.1.22
图8.1.23
8.1.4 石英晶体正弦波振荡电路
图8.1.27 C0: L: C: R:
图8.1.29
图8.1.30
8.2 电压比较器
8.2.1 概述 一、集成运放的非线性工作区 uO=±UOM
当uP＞uN时， uO=＋UOM； 当uP ＜uN时， uO=－UOM 。
图8.2.1 二、电压比较器的电压传输特性 输出电压uO与输入电压uI的函数关系uO=f(uI) 一般用曲线来描述，称为电压传输特性。
第八章 波形发生和信号转换
8.1 正弦波振荡电路
8.1.1 概述
一、产生正弦波振荡的条件
即
图8.1.2
二、正弦波振荡电路的组成及分类 1、组成 （1）放大电路 （2）选频网络 （3）正反馈网络 （4）稳幅环节 2、分类 （1）RC正弦波振荡电路(f0＜1MHz) （2）LC正弦波振荡电路(f0＞1MHz) （3）石英晶体正弦波振荡电路(f0很稳定)
图8.2.2
2、滞回比较器 有两个阈值电压。输入电压从小到大经过一个阈 值时，输出电压产生一次跃变；输入电压从大到小 经过另一个阈值时，输出电压产生又一次跃变；两 次跃变方向相反。它相当于两个单限比较器的组合。 如图8.2.2(b)所示。 3、窗口比较器 有两个阈值电压。输入电压从小到大或从大到小 经过两个阈值时，输出电压产生两次不同方向的跃 变。如图8.2.2(c)所示。电压传输特性上好象开了个 窗口。
三、判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤 1、观察电路是否包含了四个基本组成部分； 2、判断放大电路能否正常工作，即是否有合适的静态 工作点且动态信号能否输入、输出和放大； 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。 瞬时极性法 断开反馈，在断开处加频率f0 的输入电压，并给定其瞬时极 性；然后以此为依据分析输出 电压的极性，从而得到反馈电 压的极性，若它和假设输入电 压极性相同，则满足相位平衡 条件，有可能产生正弦波振荡。