第8章波形发生与信号转换

设 uI＞UTH，则 uN＞ uP， uO＝－UZ。此时uP＝ UTL，减 小 uI，直至UTL，再减小， uO才从－UZ跃变为+UZ。
uo
UZ
U+L
0
-UZ
输入正弦波的情况
ui
U+H
t
U+L
U+H
ui
uo
UZ
t
-UZ
Baidu Nhomakorabea
UTH -UTL称为回差
UZ uo
UTL 0
UTH
ui
UZ
优点:
小于回差的干扰不会引 起跳转.回差提高了电路 的抗干扰能力. 改善了输出波形在跃变 时的陡度.
两个RC环节
实际电路将两个RC 环节合二为一
UZ
uO要取代uC，必须改变输入端。
为什么采用同相输 入的滞回比较器？
特点：滞回比较器的输出作为反相积分器的输入，反 相积分器的输出又反馈到滞回比较器的输入。
2.工作原理
uO
1 R3C
uO1(t2
t1) uO (t1)
滞回比较器 积分运算电路
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。
比较器发生翻转时对应的输入电压称为域值电压， 记作UT。
分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。
知识回顾:
运放工作在非线性区时的特点 UOM
输出电压的值有两种可能:
当uP uN时，uo UOM 当uP uN时，uo UOM
1 2UZ
1 2
U REF
8
11 2 U Z 2 U REF 4
联立求解得： UREF 12V UZ 4V
作业（习题集）：7，9，11
一.方波发生器
C
1. 电路结构 由滞回比较器、 RC充放电电路组成。
输入电压:电容电压uc
比较电压:电阻R1两端的电压UR
上下限：
UTH
R1
R1 R2
U
R RF ∞
C
–
+ +
+
uO
R C R1
–
热敏电阻稳幅电路
利用二极管的正向伏安特 性的非线性自动稳幅。
稳幅环节
振荡幅度较大时 正向电阻小
D2
RF1
ID
R C
RF2
D1 –∞
UD
C
振荡幅度较小时
++
+
R uf –
R1
+ uO
–
正向电阻大
二极管稳幅电路
在起振之初，由于 uO幅值很小，尚不足以 使二极管导通，正向
2.一般单限电压比较器
uN
R2 R1 R2
UREF
R1 R1 R2
uI
令uN uP 0, 得
UO UZ
ui>UT 时，uo = –UZ ui <UT 时，uo = + UZ
UT
R2 R1
U REF
uo
+UZ
R1 R2
U REF
ui
O
–UZ
单限比较器的作用：
检测输入的模拟信 号是否达到某一给 定电平。
om
UTL
R1 R1 R2
U om
2、工作原理：
C
(a)设电源接通时 uo = + Uom
uc (0) 0 则：u+=UTH
u通o 过R对电容C充电， u按c 指数
规律增长。
uc
UTH
①在 uc < UTH 时，u- < u+ ,
0
t
uo 保持 + Uom 不变；
uo
Uom
②一旦 uc > UTH , 就有 u- > u+
U OM U OM U OM
当uI>URH时，uO1=－ uO2= UOM，D1导通，D2截止； uO= UZ。 当uI<URH时，uO2=－ uO1= UOM，D2导通，D1截止； uO= UZ 。 当URL<uI< URH时，uO1= uO2= －UOM，D1、D2均截止； uO= 0。
电压比较器举例
(08 分)1.在左下图示电路中，已知A为理想运算放大器，其输出电 压的两个极限值为 12V；发光二极管正向导通时发光。填空：
1
1．集成运放同相输入端的电位 u 3 (uI1 uI 2 uI 3 )
2.若uI1 6V , uI 2 3V , 则uI 3 3 3.若uI 2 2V , uI 2 10V ,则uI1 8
无外加信号，输出一定频率一定幅值的正弦信号。
Xi Xi Xf
+
开关K断开为无反馈放大电路: XO AoXi
开关K闭合为正反馈放大电路: Xo Ao Xi
若环路增益
AF 1 ,
则：X• f
•
X
i
,即使去掉
•
Xi
,
仍有
•
Xo
信号输出。这时反馈信号代替了放大电路的输入信号。
1. 正弦波振荡的条件: AF 1
2. 起振和稳幅 1）起振条件：
AF 1
a ( ) f ( ) 2nπ
2）稳幅：
稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程 度时，使振幅平衡条件从AF 1 回到AF 1 。
3、正弦波振荡电路组成 正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正
弦交流信号。
正弦波振荡电路的组成：
放大电路: 放大信号
(a)
则不可能振荡；
(b)
振荡，但输出波形明显失真；
(c)
产生振荡。振荡稳定后
。此种情况起
振容易，振荡稳定，输出波形的失真小 .
二、RC正弦波振荡电路
1.RC选频网络
•
Uf
•
Uo
(1
R1 R2
C2 ) C1
1 j(R1C2
1 )
R 2C1
1
2f0R1C2 2f0R2C1 时相移为0。
1 f0 2 R1R2C1C2
如果：R1R2R，C1C2C，则：
f0
1
2RC
在频率f0处,电压 Uf与 Uo同相位
= U• f
•
Uo
3 j(
1
f-
f0 )
f0 f
•
Uf
•
Uo
1 32 ( f f0 )2
频率特性：
•
Uf
1
•
Uo
3
f0 f
f0
f
arctg 1 ( f f0 ) +90
0
3 f0 f
f
–90
在频率f0处,
0
t
uo 由＋Uom 变成－Uom !
-Uom
C
(b) 当uo = -Uom 时， u+=UTL
电容C 放电，uc下降
uc
UTH
当 uc= UTL 时，uo 变
t
成 +Uom，电容又重
UTL
新充电。电路进入
uo
下一个周期。
Uom
T
T 2RC ln(1 2R1 ) R2
-Uom
t
3、占空比可调电路
正向充电和反向充电时间 常数可调，占空比就可调。
T1
2( R 3
R W2
)Cln(1
2R1 R2
)
T2 D
2( R 3 T1
RW1 )Cln(1 R3 RW2
2R1 R2
)
T 2R3 RW1
问题：为了占空比调节范围大，R3应如何取值？
二、三角波发生器
1. 电路组成 用积分运算电路可将方波变为三角波。
输出限幅电路： 一只稳压管
稳压管接在反馈通路中
UOH＝ UZ UOL＝－ UD
uO＝± UZ
电压比较器的分析方法：
（1）写出 uP、uN的表达式，令uP＝ uN，求解出的 uI即为UT； （2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；
（3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入 端决定输出电压的跃变方向。
作用：产生矩形波、三角波和锯 齿波，或用于波形变换。
加上参考电压后的阈值电压及传输特性 uo
uR
UTL 0
UTH ui
UTH
R1 R1 R2
UZ
R2 R1 R2
UR
UTL
R1 R1 R2
UZ
R2 R1 R2
UR
电压传输特性
三、窗口电压比较器
U OM
uI U RH
URL uIuI UURLRH
即:
A 1 R2 3 R1
R2 2R1
(4)RC振荡电路的稳幅
热敏电阻具有负温度系 数，利用它的非线性可以自 动稳幅。
在起振时，满足RF >2R1； 即AuF>1。随着振荡幅度 的不断加强，uo越大，RF越 小，直到RF=2R1时，稳定于 AuF=1， 振荡稳定。
稳幅过程：
uO
T
RF
Au
半导体 热敏电阻
第八章 波形发生和信号转换
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 信号转换电路
模拟电子技术
正弦波发生电路能产生正弦波输出，它是在 放大电路的基础上加上正反馈而形成的，它是各 类波形发生器和信号源的核心电路。正弦波发生 电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振荡器。
一、产生正弦波振荡的条件和电路的组成 1. 正弦波振荡的条件
缺点：抗干扰能力差。
解决办法：
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
电压比较器的基本特点
• 运放工作在开环或正反馈状态。 • 比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。在输入
电压等于阀值电压时,输出端状态立即发生跳变。
电压比较器电压传输特性的三要素是：
输出电压高、低电平幅值 ——由限幅电路决定；
UOM
理想运放电压传输特性
一、单限电压比较器
只有一个阈值电压，当输入电压等于此阈值 电压时，输出端状态立即发生跳变。
1.过零电压比较器
uo
UT 0V
+UOM
ui
O
运放处于开环状态
–UOM 电压传输特性
当 u+>u– 时，uo= +U OM u+<u– 时，uo= –UOM
即 ui>0 时，uo = – UOM ui <0 时，uo = +UOM
V时发光二极管发光; V时发光二极管发光;
电压比较器举例
(10 分)8.在图（a）所示电路中，已知A为理想运算放大器，该电路 的电压传输特性如图（b）所示。试求解稳压管的稳定电压 UZ
和基准电压 U REF 。
解：
u
1 2 uo
1 2 U REF
1 2UZ
1 2 U REF
由图（b）传输特性，可得：
振幅条件： AF 1 相位条件：A F 2nπ
相位条件:
(n是整数)
反馈电压 uf 与所需要的输入电压 ui 相位相同
相位条件意味着振荡电路必须是正反馈
振幅条件:
反馈电压 uf 与所需要的输入电压 ui 大小相同
问题1：振荡电路无须输入信号就能起振，起振的信号 源来自何处？ (电路器件内部噪声) 问题2：当输出信号幅值增加到一定程度时，会出现什 么结果？ (波形将出现失真)
二极管近于开路, 此 时，RF >2 R1。
R C
RF2
D2 RF1 D1
–∞
随着振荡幅度的增 大，正向二极管导通， C 其正向电阻逐渐减小，
++
+
R uf –
R1
+ uO
–
直到RF=2 R1，振荡稳定
二极管稳幅电路
振荡频率的调整:
振荡频率
RRR
321
K C
RF –∞ ++
R RR
3
21
K
CR
1 fo 2RC
阀值电压uT ——令uN=uP所求出的ui；
输出电压的跃变方向
——决定于输入电压作用于同相输入端还是反相输入端。 若ui从反相输入端输入，当ui＜uT时，u0=UOH
当ui＞uT时，u0=UOL
二、滞回电压比较器
引入正反馈
比较电压由电路 原来的输出决定
UOL U Z UOH U Z
1. 阈值电压
uN uI
uP
R1 R1 R2
uO
①输出为高电平U0H时
UT
R1 R1 R2
UZ
UTH
②输出为高电平U0L时
UT
R1 R1 R2
UZ
UTL
2. 工作原理及电压传输特性：
U Z uo
UTL 0
UTH ui
UZ 电压传输特性
UT
R1 R1 R2
UZ
UTH
UT
R1 R1 R2
UZ
UTL
设uI＜UTL，则 uN＜ uP， uO＝+UZ。此时uP＝ UTH，增 大 uI，直至UTH，再增大， uO才从+UZ跃变为－ UZ。
改变开关K的位置可改
+ uO
变选频网络的电阻，实现
频率粗调；
– 改变电容C 的大小可实
现频率的细调。
RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于1MHz的正弦波。
作业：P195 5 ,P196 10, P199 17
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。
Uf Uo
1 3
2.RC正弦波振荡电路
uf
正反馈和 选频网络
放大电路
(1)RC选频网络
当
f
f0
1
2RC
时:
F
Uf Uo
1 3
F 0
(2)放大电路
A 1 R2 R1
A 0
(3)振荡频率和起振条件:
1
振荡频率: f0 2RC
起振条件: R2 2R1
uf
f = f0 时， F 1 3
由振荡条件知： AF 1
正反馈网络: 满足相位条件
常合二为一
选频网络: 保证输出为单一频率的正弦波
稳幅环节: 使电路能从AF >1,过渡AF =1,从 而达到稳幅振荡。
常用的正弦波振荡器:
RC振荡电路 LC振荡电路 石英晶体振荡电路
4、正弦波振荡电路分析方法
在分析正弦振荡电路时，先要判断电路是否振荡， 方法为：
（1）检查电路的几个基本组成部分； （2）电路是否满足相位条件？即电路是否是正反馈，只 有满足相位条件才可能产生振荡； （3）电路是否满足幅值条件？
输出限幅电路： 为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。
两只稳压管稳压值不同 两只稳压管稳压值相同
UOH＝＋ UZ1＋ UD2 UOL＝－( UZ2 ＋ UD1)
UOH＝ － UOL＝ UZ
uo UOM
限幅电路
当uo UOM时，DZ2 正向导通，DZ1反向稳压， 则uo U Z1 U D2 当uo UOM时，DZ1 正向导通，DZ2 反向稳压， 则uo UZ 2 UD1 若 U Z1 U Z 2 U Z , 且忽略导通压降，则uo UZ