第8章波形的發(fā)生和信號(hào)的轉(zhuǎn)換(江蘇師范)

第8章波形的發(fā)生和信號(hào)的轉(zhuǎn)換8.1正弦波振蕩電路8.2電壓比較器8.3非正弦波發(fā)生電路8.4利用集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路8.1正弦波振蕩電路知識(shí)要點(diǎn)：1、掌握正弦波振蕩的平衡條件；2、掌握正弦波振蕩電路的組成、各部分作用及其分類；3、掌握文氏橋振蕩電路（RC正弦波振蕩電路）的電路構(gòu)成及其特點(diǎn)。

正弦波振蕩電路用來(lái)產(chǎn)生一定頻率和幅值的正弦交流信號(hào)。

電路的頻率范圍很廣，可以從一赫以下到幾百兆以上；輸出功率可以從幾毫瓦到幾十千瓦。

應(yīng)用：無(wú)線電通訊、廣播電視，工業(yè)上的高頻感應(yīng)爐、超聲波發(fā)生器、正弦波信號(hào)發(fā)生器、半導(dǎo)體接近開關(guān)等。概述：8.1.1正弦波振蕩電路工作原理從電路結(jié)構(gòu)組成上講，正弦波振蕩電路屬于正反饋放大電路。電路要進(jìn)行正常的工作，必須產(chǎn)生“自激振蕩”，電路才可以輸出一定頻率與一定幅值的正弦波信號(hào)。“自激振蕩”現(xiàn)象的特征：當(dāng)放大電路輸入信號(hào)為0時(shí)，電路輸出端仍有一定頻率和一定幅值的信號(hào)輸出。正弦波振蕩電路方框圖：[正反饋放大電路結(jié)構(gòu)框圖]電擾動(dòng)信號(hào)經(jīng)電路放大uouf起振過(guò)程動(dòng)態(tài)平衡-穩(wěn)定振蕩uf與uo波形以及自激振蕩發(fā)生時(shí)，輸入信號(hào)為0的條件，可知：而當(dāng)自激振蕩達(dá)到最終的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)時(shí)：次輸出量原輸出量此為正弦波振蕩電路中自激振蕩動(dòng)態(tài)平衡條件可分為幅值平衡條件和相位平衡條件兩部分：由正反饋結(jié)構(gòu)放大電路所對(duì)應(yīng)的：8.1.2正弦波振蕩電路“自激振蕩”建立與維持動(dòng)態(tài)平衡的條件

幅值平衡條件：相位平衡條件：起振的幅值條件：穩(wěn)幅環(huán)節(jié)

一個(gè)反饋放大電路如果滿足自激振蕩的幅值和相位條件，是不是就能夠輸出正弦波？振蕩電路輸出波形的幅值會(huì)不會(huì)無(wú)限增大下去？選頻網(wǎng)絡(luò)8.1.3正弦波振蕩電路的組成、各部分作用至少應(yīng)具備四部分：放大電路，選頻網(wǎng)絡(luò)，正反饋網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。

1、放大電路：作用是完成起振過(guò)程，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部振蕩信號(hào)幅值由小到大的增長(zhǎng)過(guò)程。2、選頻網(wǎng)絡(luò)：由它來(lái)決定電路中振蕩信號(hào)頻率，確保電路產(chǎn)生單一頻率的正弦波信號(hào)的輸出。選頻特性體現(xiàn)為：僅對(duì)——由電路參數(shù)所確定的頻率的信號(hào)——實(shí)現(xiàn)幅值由小到大的振蕩過(guò)程，而對(duì)其他頻率的信號(hào)，電路會(huì)令它們逐漸的衰減，直至消失。3、正反饋網(wǎng)絡(luò)：滿足自激振蕩的相位條件。4、穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：非線性電路，是為了促使振蕩信號(hào)幅值盡快穩(wěn)定，達(dá)到最終的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。一般分立電路中不需要單獨(dú)的配置穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，而對(duì)集成電路而言，則需要再配置一定的非線性電路。注意：通常正弦波振蕩電路中的選頻網(wǎng)絡(luò)與正反饋網(wǎng)絡(luò)是合二為一的。8.1.4判斷一電路是否可能產(chǎn)生正弦波振蕩的方法和步驟1、觀察電路構(gòu)成是否包含放大電路，選頻網(wǎng)絡(luò)，正反饋網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)幅環(huán)節(jié)；2、判斷其放大電路能否正常工作，即其Q點(diǎn)設(shè)置是否合適、動(dòng)態(tài)信號(hào)能否被順利的輸入、放大、輸出。3、利用瞬時(shí)極性法判斷電路是否滿足正弦波振蕩的相位條件：4、判斷電路是否滿足正弦波振蕩起振的幅值條件。fo8.1.5正弦波振蕩電路的分類分類依據(jù)：根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)中所用器件的不同來(lái)劃分：

1、RC正弦波振蕩電路：振蕩頻率fo較低，一般小于1MHZ；2、LC正弦波振蕩電路：fo較高，一般大于1MHZ；3、石英晶體正弦波振蕩電路：fo較高，大于1MHZ，且非常穩(wěn)定。8.1.6RC正弦波振蕩電路（橋式、移相式和雙T型）

文氏橋振蕩電路是RC正弦波振蕩電路（低頻正弦波振蕩電路）中的典型電路結(jié)構(gòu)，又稱為RC橋式正弦波振蕩電路。1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）由單一的集成運(yùn)放構(gòu)成；（2）R1與Rf構(gòu)成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，作用是確保集成運(yùn)放工作在線性放大區(qū)，使電路具有放大電路；（3）R與C相串、并聯(lián)的電路構(gòu)成正反饋網(wǎng)絡(luò)，它與電路的選頻網(wǎng)絡(luò)是合二為一的；（4）此結(jié)構(gòu)暫沒(méi)考慮配置穩(wěn)幅電路。（5）因正反饋網(wǎng)絡(luò)與負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分電路構(gòu)成一電橋，故命名為文氏橋振蕩電路。

。。RCRC。+–+–。式中

：

分析上式可知：僅當(dāng)=o時(shí)，達(dá)最大值，且uf與uo同相，即網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性，fo決定于RC。2、R與C串、并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)選頻特性

相頻特性（F）fo幅頻特性ffo133、負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)中R1，Rf阻值的選配

起振的幅值條件：+Uf_在電路中再加入非線性環(huán)節(jié)——穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，常用的措施有兩種：措施一：將負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)中的R1或Rf用熱敏電阻來(lái)取代。熱敏電阻的特性：隨溫度的變化，其本身阻值隨之發(fā)生變化，當(dāng)溫度升高時(shí)，阻值變大，稱為具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻，而反之稱為具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。4、穩(wěn)幅環(huán)節(jié)（額外配置）負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻正溫度系數(shù)熱敏電阻熱敏電阻即熱敏電阻的作用穩(wěn)幅穩(wěn)幅原理起振時(shí)：措施二：在Rf支路上串接兩個(gè)并聯(lián)反接的二極管二極管在動(dòng)態(tài)信號(hào)的作用下可等效成為一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻rd，而rd阻值會(huì)隨著流經(jīng)電流的增大而變小，從而達(dá)到了穩(wěn)定幅值的目的。振蕩建立：

當(dāng)電路一接上直流電源，由于電沖擊或噪聲或干擾等信號(hào)的存在，它們都含有豐富的諧波，總有與振蕩頻率f0相同的諧波，這個(gè)信號(hào)雖然很微弱，但經(jīng)過(guò)放大電路和反饋網(wǎng)絡(luò)的作用，使輸出信號(hào)的幅值越來(lái)越大，正弦波振蕩由小到大地建立起來(lái)。穩(wěn)定：

輸入諧波經(jīng)過(guò)放大反饋再放大的循環(huán)，使輸出幅度不斷增加，但由于幅度增大到一定程度時(shí)，運(yùn)算放大器工作在非線性區(qū)，或三極管工作在非放大區(qū)，所以輸出幅度趨于穩(wěn)定。5、振蕩頻率fo的可調(diào)措施雙層波段開關(guān)同軸電位器電子琴的振蕩電路：_+RF1uoR1CCRD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R21例1：判斷電路是否滿足振蕩的相位條件++++輸入端輸出端正反饋例2：判斷電路是否滿足振蕩的相位條件++–輸入端輸出端–RCRC+UCCR1C2C3R3R2RE2C1RC2T1RE1CET2RC1RF+++––RC網(wǎng)絡(luò)正反饋，RF、RE1組成負(fù)反饋，參數(shù)合適則可產(chǎn)生振蕩。例3：判斷電路是否滿足振蕩的相位條件。8.1.7LC正弦波振蕩電路LC選頻網(wǎng)絡(luò)：并聯(lián)損耗等效電阻理想狀態(tài)一、LC并聯(lián)諧振回路的選頻特性CLRuiLici諧振時(shí)LC并聯(lián)諧振電路相當(dāng)一個(gè)電阻二、選頻放大電路：LC正弦波振蕩電路構(gòu)建思路：在選頻放大電路的基礎(chǔ)上再引入正反饋，若能以反饋電壓取代輸入電壓，則就構(gòu)成了LC正弦波振蕩電路。變壓器反饋式、電感反饋式、電容反饋式三、LC正弦波振蕩電路分類：所用放大電路視振蕩頻率而定，可為共射極放大電路，也可以為共基極放大電路?；ジ芯€圈的同名端判別1234磁棒初級(jí)線圈次級(jí)線圈同名端1234+–+–CLRuiLici反饋信號(hào)通過(guò)互感線圈引出變壓器線圈同名端和異名端的相位關(guān)系若變壓器原副邊線圈通過(guò)兩端相連，另外兩端若為同名端則同相位，若為異名端則反相位。若b和d相連，a和c為異名端則a和c反相位。若b和d相連，a和c為同名端則a和c同相位。電感線圈各點(diǎn)的相位關(guān)系

若電感線圈的一端點(diǎn)接地（a或c），中間點(diǎn)(b)和另一端點(diǎn)(c或a)同相位；若中間點(diǎn)(b)接地，則兩端點(diǎn)（a和c）反相位。四、變壓器反饋式LC振蕩電路

uf+–放大電路選頻電路正反饋網(wǎng)絡(luò)變壓器反饋式振蕩電路特性總結(jié)：易于產(chǎn)生振蕩，波形較好，應(yīng)用范圍廣泛，但由于其輸出電壓和反饋電壓靠磁路耦合，耦合不緊密，損耗較大，并且振蕩頻率穩(wěn)定性不高。五、電感反饋式振蕩電路（電感三點(diǎn)式振蕩電路）放大電路選頻電路正反饋網(wǎng)絡(luò)uf反饋電壓取自L2電感反饋式振蕩電路特性總結(jié)：兩N1、N2線圈耦合緊密，振幅大，振蕩頻率高，且具有較寬的調(diào)節(jié)范圍，但其輸出電壓波形中常含有高次諧波，因此常用在對(duì)波形要求不高的設(shè)備之中。例：電路如圖所示，Cb為旁路電容，C1為耦合電容，對(duì)交流信號(hào)均視為短路。為使電路可能產(chǎn)生正弦波振蕩，試說(shuō)明變壓器原邊線圈和副邊線圈的同名端。解：變壓器原邊線圈的下端和副邊線圈的上端為同名端；或者說(shuō)原邊線圈的上端和副邊線圈的下端為同名端。輸入端輸出端反饋端+++六、電容反饋式LC振蕩電路1、電容網(wǎng)絡(luò)各點(diǎn)的相位關(guān)系

若一端點(diǎn)接地（a或c），中間點(diǎn)(b)和另一端點(diǎn)(c或a)同相位；若中間點(diǎn)(b)接地，則兩端點(diǎn)（a和c）反相位。2、電路組成及工作原理放大電路正反饋網(wǎng)絡(luò)反饋電壓取自C2選頻電路六、電容反饋式振蕩電路（電容三點(diǎn)式振蕩電路）uf電容反饋式振蕩電路特性總結(jié)：輸出電壓波形好，但實(shí)現(xiàn)對(duì)其振蕩頻率的調(diào)節(jié)較難，所以常用于固定振蕩頻率的場(chǎng)合。七、石英晶體正弦波振蕩電路石英晶體諧振器簡(jiǎn)稱石英晶體，具有非常穩(wěn)定的振蕩頻率。1、石英晶體諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)SiO2結(jié)晶體壓電效應(yīng)：交變電場(chǎng)機(jī)械振動(dòng)交變電場(chǎng)機(jī)械振動(dòng)的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高當(dāng)交變電場(chǎng)頻率=固有頻率時(shí)，振幅最大

→壓電振蕩2、基本特性3、石英晶體的等效電路等效電路靜態(tài)電容機(jī)械振動(dòng)慣性等效晶片彈性等效晶片的摩擦損耗等效（1）R、L、C支路發(fā)生串聯(lián)諧振石英晶體等效阻抗近似為純阻性4、石英晶體的頻率特性等效電路（2）并聯(lián)諧振（R、L、C支路與C0）通常所以（1）并聯(lián)型石英晶體振蕩電路5、石英晶體正弦波振蕩電路uf2、串聯(lián)型石英晶體振蕩電路共基放大電路共集放大電路uf8.2電壓比較器知識(shí)要點(diǎn)：1、掌握電壓比較器的分類及其各類型的基本特征；2、掌握電壓比較器電壓傳輸特性圖的分析求解及其一般應(yīng)用。8.2.1概述：1、電壓比較器簡(jiǎn)稱比較器，是一種用于比較輸入的模擬信號(hào)與參考電壓大小的電子電路。2、延伸功能：實(shí)現(xiàn)波形的整形、模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）、越限報(bào)警等等。3、基本特性是：輸入為模擬信號(hào)，輸出數(shù)字信號(hào)：輸出端只有兩種可能結(jié)果：高電壓或低電壓（在數(shù)字電路中被分別稱之為高電平“1”、低電平“0”——數(shù)字信號(hào)）。4、電壓比較器主要為集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用電路，即在此電路中，集成運(yùn)放大多數(shù)工作在非線性區(qū)（令集成運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋）。5、集成運(yùn)放視為理想化。6、對(duì)電壓比較器進(jìn)行特性分析的理論基礎(chǔ)是：理想集成運(yùn)放在非線性區(qū)對(duì)應(yīng)的特性。7、理想運(yùn)放在非線性區(qū)的特點(diǎn)：（2）虛斷：

0==NPiiNPuu<OMOUu+=NPuu>（1）+UOM-UOM當(dāng)集成運(yùn)放的時(shí)，集成運(yùn)放輸出端的狀態(tài)將發(fā)生“跳變”或“躍變”。NPuu=8、電壓比較器的電壓傳輸特性：定義：電壓比較器的輸出電壓與輸入電壓之間對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)圖形稱為：電壓傳輸特性曲線圖。9、分類（根據(jù)所對(duì)應(yīng)的電壓傳輸特性圖特征的不同）：?jiǎn)蜗薇容^器、滯回比較器、雙限比較器（窗口比較器）。10、轉(zhuǎn)折電壓：當(dāng)電路輸出狀態(tài)發(fā)生跳變時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸入電壓取值，被稱為：“閾值電壓”或“門坎電壓”或“轉(zhuǎn)折電壓”，記為“UT”。電壓比較器輸出端狀態(tài)：高電平用“UOH”表示；低電平用“UOL”表示。（電壓比較器電路的輸出端不一定就是電路中集成運(yùn)放的輸出端）。11、繪制電壓傳輸特性圖的三要素：（1）輸出電壓高、低電平對(duì)應(yīng)取值；（2）轉(zhuǎn)折電壓取值；（3）輸出電壓高、低電平跳變方向。8.2.2單限比較器一、基本特征：只有一個(gè)UT（只在Ui=UT時(shí)，電路的UO狀態(tài)跳變）。二、分類（根據(jù)UT=0？）：過(guò)零比較器、一般單限比較器三、過(guò)零比較器1、特征：當(dāng)Ui=UT=0時(shí)，電路的UO狀態(tài)跳變。2、結(jié)構(gòu)舉例與電壓傳輸特性分析：（1）明確UT取值：由結(jié)構(gòu)知：uN=ui；uP=0;當(dāng)uN=uP時(shí)所對(duì)應(yīng)的ui取值即為UT，UT=0。特性分析：（2）當(dāng)ui<0[uN<uP]，uo=UOH=+UOM;當(dāng)ui=0

[uN=uP]，uo由UOHUOL;當(dāng)ui>0

[uN>uP]，uo=UOL=-UOM

。思考：將ui引至同相輸入端，所對(duì)應(yīng)電壓傳輸特性圖？uNuP3、輸入端限壓保護(hù)：[避免ui>UIdmax]4、輸出端限幅穩(wěn)壓處理：四、一般單限比較器1、特征：UT≠0（UT由參考電壓UREF和電路中的電阻共同確定。）uN1uN22、電壓傳輸特性分析：（1）求UT（2）分析電壓傳輸特性：當(dāng)ui<UT[uN<uP]，uo`=+UOM，uo=UOH=+UZ;當(dāng)ui>UT[uN>uP],uo`=-UOM，uo=UOL=-UZ。當(dāng)ui=UT[uN=uP],uo由UOH跳變?yōu)閁OL;（3）畫電壓傳輸特性圖[假設(shè)UREF<0]：令uN=uP=0，則求取的ui即為UT：3、單限比較器的應(yīng)用：（1）能夠檢測(cè)ui是否達(dá)到某一給定電壓值，例如可實(shí)現(xiàn)越限報(bào)警；（2）具有波形轉(zhuǎn)換功能：例可將三角波轉(zhuǎn)換為方波（矩形波）。–UZ+UZuiuo1OUTOt+UZ–UZuo2uitOUTOuo1t+UZ–UZt1t2

–UZ

+UZuiuo2OUT應(yīng)用舉例4、一般單限比較器的特點(diǎn)：電路構(gòu)成簡(jiǎn)單，靈敏度高，但抗干擾能力差。五、電壓比較器電路特性分析思路總結(jié)（P427）：1、根據(jù)電路輸出端限幅電路的有無(wú)，確定UOH和UOL的取值為±UOM還是±UZ；2、確定uP與uN分別對(duì)應(yīng)的表達(dá)式，并令uN=uP，此時(shí)ui對(duì)應(yīng)的取值，即為UT；3、確定uO在uN=uP時(shí)的跳變方向，這取決于ui從集成運(yùn)放的哪個(gè)輸入端引入：如果ui從反相輸入端輸入，當(dāng)ui<UT時(shí)，uO=UOH，當(dāng)ui>UT時(shí)，uO=UOL；如果ui從同相輸入端輸入，當(dāng)ui<UT時(shí)，uO=UOL，當(dāng)ui>UT時(shí)，uO=UOH。8.2.3滯回比較器（施密特觸發(fā)器）（遲滯比較器）1、特征：有兩個(gè)轉(zhuǎn)折電壓，Uo由UOH跳變?yōu)閁OL，與由UOL跳變?yōu)閁OH，分別對(duì)應(yīng)于不同的轉(zhuǎn)折電壓值，從而令電路的電壓傳輸特性表現(xiàn)出“滯回特性”，通俗的講為“慣性”。允許ui可在UT取值附近波動(dòng)，而電路輸出狀態(tài)會(huì)保持原狀態(tài)不變，這在一定程度上提高了電路的抗干擾能力。2、電路結(jié)構(gòu)舉例與電壓傳輸特性分析：(1)電路引入正反饋，輸出端加限幅電路：uo=±UZ。uNuP反相滯回比較器(2)閾值電壓當(dāng)時(shí)：當(dāng)時(shí)：uNuPuNuPuNuP(3)傳輸特性曲線+UZ-UZUT+UT-正向過(guò)程：（uI從小到大的過(guò)程）設(shè)uI足夠小，跳變點(diǎn)為：UT+uNuPuNuPuNuPuNuP(3)傳輸特性曲線+UZ-UZUT+UT-反向過(guò)程：（uI從大到小的過(guò)程）設(shè)uI足夠大，跳變點(diǎn)為：UT-uNuPuNuP3、兩種滯回比較器的比較+UZ-UZUT-UT++UZ-UZUT+UT-反相輸入滯回比較器同相輸入滯回比較器加參考電壓的滯回比較器：uNuP例1電路如圖所示，已知R1=50kΩ，R2=100kΩ，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓±UZ=±9V,輸入電壓uI的波形如圖所示,試畫出uO波形。解：輸出高電平和低電平分別為±UZ=±9V,閾值電壓OuIt+UT-UTOuOtUOHUOLOuIt+UT-UTOuOtUOHUOL滯回電壓比較器整形、波形變換應(yīng)用舉例：8.2.4窗口比較器（雙限比較器）功能：檢測(cè)某一模擬電壓信號(hào)是否處于兩個(gè)給定的電壓值之間。1、特征：具有兩個(gè)轉(zhuǎn)折電壓URL、URH（URL<URH），當(dāng)ui處于兩轉(zhuǎn)折電壓之間時(shí)，uo狀態(tài)與大于URH和小于URL時(shí)對(duì)應(yīng)狀態(tài)不同。2、電路結(jié)構(gòu)舉例與電壓傳輸特性分析：（1）當(dāng)ui>URH時(shí)，必有ui>URL，則uo1=+UOM，uo2=-UOM，D1導(dǎo)通，D2截止，uo=+UZ;（2）當(dāng)ui<URL時(shí)，必有ui<URH，則uo1=-UOM，uo2=+UOM，D2導(dǎo)通，D1截止，uo=+UZ;（3）當(dāng)URL<ui<URH時(shí)，則uo1=-UO