波形发生与信号转换电路

第八章 波形发生与信号转换电路

〖本章主要内容〗

1、在模拟电子电路中测试信号和控制信号； 2、自激振荡的概念；

3、正弦波振荡电路所产生的自激振荡和负反馈放大电路中所产生的自激振荡的区别；正弦波振荡电路中选频网络的组成；

4、正弦波振荡的条件，正弦波振荡电路的组成； 5、矩形波发生电路原理及组成；

6、各类电压比较器原理、组成及分析；

7、矩形波、三角波和锯齿波发生电路的原理及组成；

8、电压-电流转换电路、精密整流电路和电压-频率转换电路的组成和工作原理；

〖本章学时分配〗

本章分为4讲，每讲2学时。

第二十五讲 正弦波振荡电路

一、主要内容

1、产生正弦波的条件和正弦波振荡电路的组成 1) 电路振荡的物理原因：

本质上与负反馈放大器的振荡相同。若反馈信号与放大器净输人信号同相等幅，因而净输人信号靠反馈信号得以维持，则即使外加输人信号为零，输出也不会消失。

2）振荡的条件：

??V?Vfi， 即：相位条件——同相，幅值条件——等幅。

..用开环频率特性表示的振荡条件：幅度平衡条件 ?AF?=1

相位平衡条件 ?AF = ?A+?F = ?2n? 3） 正弦波振荡电路的组成和类型

正弦波振荡电路由以下四部分组成：放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅电路。

其中放大电路保证电路能够在起振到动态平衡的过程中、使电路获得一定幅值的输出量；，放大电路和正反馈网络共同满足振荡的条件；选频网络实现单一频率振荡，选频网络往往由R、C和L、C等电抗性元件组成；反馈网络与选频网络可以是两个独立的网络，也可以合二为一。稳幅电路使输出信号幅值稳定，一般采用非线性环节限幅。

4）正弦波振荡电路分析方法和步骤：

（1）观察电路是否是否包含振荡电路的四部分组成；

（2）判断放大电路正常工作，即是否有合适的静态工作点，且动态信号是否能够输入和输出和放大； （3）判断电路能否振荡

关键是相位。若相位条件不满足，则电路肯定不是正弦波振荡器。相位平衡条件是判断振荡电路能否振荡的基本条件。可用瞬时极性判断方法。 （4）估算振荡频率

振荡电路的振荡频率fO是由相位平衡条件决定的。对RC选频网络，由网络频率特性求出fO；对LC选频网络，由谐振回路总电抗为零估算出fO。 （5）分析起振条件（幅值条件）

欲使振荡电路能自行起振，须满足｜AF|＞1的幅值条件。 ， （6）稳幅与稳频

稳幅是指“起振→增幅→等幅”的振荡建立过程，也就是从|AF|＞1到达| AF|=1（稳定）的过程。稳幅的办法可采用非线性元件来自动调节反馈的强弱以维持输出电压恒定。

稳频是指维持输出信号频率恒定。可以采取提高回路Q值，尽且减小回路损耗的办法稳频。

2、RC正弦波振荡电路

1） RC串并联选频网络的频率响应 电路见教材P342图8.5。推导有：

11?0?f0?RC， 2?RC 谐振角频率和谐振频率分别为： 11?|?|F?ff??.32?(?0)232?(?0)2f0f?0?幅频特性： F?

相频特性：

?F??arctg(.f1f?0)3f0f

1?Uf?3，即

.当f=f0时的反馈系数F相角 ?F=0?。

2）RC文氏桥振荡电路

（1）RC文氏桥振荡电路的构成

RC文氏桥振荡器的电路如图所示，RC串并联网络是正反馈网络，另外还增加了Rf和R1负反馈网络。

?13且与频率f0的大小无关，此时的

、RC串并联网络与Rf和R1负反馈支路正好构成一个桥路，称为文氏桥。 为满足振荡的幅度条件 ?AF?=1，所以Af≥3。加入Rf和R1支路，构成串联电压负反馈。

RfAf?1??3R1

（2）RC文氏桥振荡电路的稳幅过程

RC文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠非线性元件，如热敏电阻实现的。上图R1是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，R1上所加的电压升高，即温度升高，R1阻值增加，负反馈增强，输出幅度下降。若热敏电阻是负温度系数，应

..放置在Rf的位置。

采用反并联二极管的稳幅电路见教材P394，图8.1.8所示。电路的电压增益为

R?rdAvf=1+fR1

式中 R”p是电位器上半部的电阻值，R’p是电位器下半部的电阻值。R’3= R3 // RD，RD是并联二极管的等效平均电阻值。当Vo大时，二极管支路的交流电流较大，RD较小，Avf较小，于是Vo下降。由图(b)可看出，二极管工作在C、D点所对应的等效电阻，小于工作在A、B点所对应的等效电阻，所以输出幅度小。二极管工作在A、B点，电路的增益较大，引起增幅过程。当输出幅度大到一定程度，增益下降，最后达到稳定幅度的目的。 （3）频率可调的RC桥正弦波振荡电路

调整方法：在RC串、并联网络中，用双层波段开关接不同电容，实现振荡频率的fo粗调，用同轴电位器实现振荡频率的微调，见教材P395，图8.1.9所示。可调频率范围从几HZ至几KHZ。 3、LC正弦波振荡电路

1）LC并联谐振电路的频率特性

LC并联谐振电路如图（a）所示。并联谐振曲线如图（b）所示

(a)LC并联谐振电路 (b) 并联谐振曲线

1?0L??0?C0谐振时： 1f0?2πLC 谐振频率：

并联谐振电路的品质因数：Q?IL/I?IC/I??0L/R?1/??0CR? 并联谐振电路的谐振阻抗

LQL?Q?0L??QRC?0CC

谐振时，LC并联谐振电路相当一个电阻。 2）变压器反馈式LC振荡电路

变压器反馈LC振荡电路如图所示。LC并联谐振电路作为三极管的负载，反馈线圈Ｌ2与电感线圈Ｌ相耦合，将反馈信号送入三极管的输入回路。交换反馈线圈的两个线头，可改变反馈的极性。调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度，以使正反馈的幅度条件得以满足。

Z0?图 变压器反馈LC振荡电路

变压器反馈LC振荡电路的振荡频率与并联LC谐振电路相同，为：

1f0?2πLC

3）电感三点式LC振荡电路

图示为电感三点式LC振荡电路。电感线圈L1和L2是一个线圈，2点是中间抽头。如果设某个瞬间集电极电流减小，线圈上的瞬时极性如图所示。反馈到发射极的极性对地为正。图中三极管是共基极接法，所以使发射结的净输入减小，集电极电流减小，符合正反馈的相位条件。图（b）是共射极接法电感三点式LC振荡电路。

图（a）共基极电感三点式LC振荡电路 图（b）共射极电感三点式LC振荡电路

分析三点式LC振荡电路下方法：

将谐振回路的阻抗折算到三极管的各个电极之间，有Zbe、Zce、Zcb。对于图（a）Zbe是L2、Zce是L1、Zcb是C。可以证明，若满足相位平衡条件，Zbe和Zce必须同性质，即同为电容或同为电感，且与Zcb性质相反。 4）电容三点式LC振荡电路

电容三点式LC振荡电路，见图所示。

（a）CB组态 （b）CE组态

5）石英晶体LC振荡电路

利用石英晶体高品质因数的特点，构成LC振荡电路，如图所示。

(a)串联型 f0 =fs （b）并联型 fs

图 石英晶体振荡电路

石英晶体的阻抗频率特性曲线见教材P358图8.21，它有一个串联谐振频率fs,一个并联谐振频率 fp，二者十分接近。对于图8.22的电路与电容三点式振荡电路相似。

对于图 (b)的电路，满足正反馈的条件，为此，石英晶体必须呈电感性才能形成LC并联谐振回路，产生振荡。

由于石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。

二、本讲重点

1、产生正弦波振荡的原因和振荡的条件；能否振荡的判断和振荡频率的计算。

2、正弦波振荡电路的分析方法。

三、本讲难点

1、变压器反馈式振荡电路振荡频率的计算及振荡条件的推导 2、 石英晶体等效电路和振荡频率

四、教学过程组织 讲授

五、课后习题

见相应章节的“习题指导”。

第二十六讲 电压比较器

一、主要内容 1、概述

1）电压传输特性

描述比较器输出电压UO和输入电压Ui函数关系的曲线，称为电压传输特性。

比较器输出只有两个状态：高电平UOH或是低电平UOL，而输入信号一般是连续变化信号。使UO从UOH跃变为UOL，或者从UOL跃变为UOH的输入电压称为阈值电压UT。

比较器一般采用集成运放，设运放同相和反相输入端电压分别U-和U+，有： U- ＞U+ 时 Uo＝UOL U- ＜U+ 时 Uo＝UOH

2）集成运放的非线性工作区

比较器一般是开环工作或正反馈状态，其增益很大。教材P409图8.2.1，分别给出了运放的开环状态，引人正反馈的和电压传输特性。这时输入电压和输出电压之间的关系不再是线性关系。 3） 电压比较器的类型

简单比较器，滞回比较器和窗口比较器。

简单比较器只有一个阈值电压，而滞回比较器和窗口比较器具有两个阈值电压。

4）比较器基本特点

工作在开环或正反馈状态。

开关特性：因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。

非线性：因是大幅度工作，输出和输入不成线性关系。 2、单限比较器 1）过零比较器

过零电压比较器的电路图和电压传输特性曲线见教材P361图8.24所示。 将过零比较器的一个输入端从接地改接到一个固定电压值UREF上，调节UREF可方便地改变阈值。

为限制运放的差模输入电压，保护输入级和输出限幅，可在输入端加二极管限幅，以及在输出端加稳压管限幅。具体电路见教材P362图8.25。 2）任意电平比较器 （1）电路结构：

具体电路见教材P363图8.27，电路中将参考电压UREF和输入电压Ui各分别通过电阻加人运放的同一个输入端。 （2）工作原理及传输特性

其阈值电压由Ur和Ui共同决定。改变UREF的大小可以改变阈值电压。其具体电路和电压传输特性见教材P413图8.2.7。

由叠加原理得：

R1R2U??Ui?UREF

R1?R2R1?R2 它与U+ = 0 比较，可求出阈值电压

R2UTH??UREF

R1（3）特点及应用

结构简单，灵敏度高，但抗干扰能力较差。可用于检测输入信号的电平是否高于或低于某个给定的门限电平。 3、滞回比较器 1）电路结构：

滞回比较器电路见教材P366图示。它是从输出引一个电阻分压支路到同相输入端。 由电路有输出电压Uo=±Uz。 2）工作原理及传输特性

当输入电压UI从零逐渐增大，且U≤+UT时，Uo =+ Uz，+UT称为上限阀值电平。

R1?UT??UZR?R12

当输入电压Ui=+UT，Uo = - Uz。--UT称为下限阀值电平。

当Ui逐渐减小，且Ui= --UT以前，Uo始终等于- Uz，因此出现了如教材P366图8.30所示的滞回特性曲线。

回差电压?U：

2R2 ?U??UT?(?UT)?UZR1?R2 3）特点及应用

抗干扰能力较强。一般用于波形的形成和变换。 4、窗口比较器 1）电路结构

窗口比较器的电路见教材P371图8.35所示。电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成。 2）工作原理及传输特性

当Ui＞URH 时，UO1为高电平，D1导通；Uo2为低电平，D2截止，UO= UO1。 当Ui? URL时，U2为高电平，D2导通；UO1为低电平，D1截止，UO= UO2。 当URH >Ui> URL时，UO1为低电平，UO2为低电平，D1、D2截止，UO =低电平。

窗口比较器的电压传输特性见教材P371图8.35（b）所示。

该比较器有两个阈值，传输特性曲线呈窗口状，故称为窗口比较器。 3）特点及应用

用于检测输入信号的电平是否处在两个给定的参考电压之间。

二、本讲重点

? 过零比较器的工作原理及电压传输特性； ? 滞回比较器工作原理及电压传输特性。

三、本讲难点

滞回比较器电压传输特性的推导。

四、教学过程组织 讲授

五、课后习题

见相应章节的“习题指导”。

第二十七讲 非正弦波发生电路

一、主要内容 1、方波发生器 1）电路结构

方波发生器是由滞回比较器和RC定时电路构成的，电路见教材P375图8.39(a)所示。

2） 工作原理及波形分析

R2UZR1?R2,电容C充电， 电源刚接通时，设Uc=0，Uo=+UzUc升高。 RUUP??2ZR1?R2，电容C放电，Uc下当UC?UN≥UP时，Uo??UZ，所以

降。

当UO?UN≤UP时，UO??UZ，返回初态。如此周而复始产生振荡。电路

,所以UP?输出波形见教材P375图8.39(b)所示。由于充电和放电时间常数相同，故输出Uo的高低电平宽度相等，故为方波发生器。

3） 振荡周期

方波的周期Ｔ用过渡过程公式可以方便地求出

2RT?2R3Cln1(?2)R1

4）电路特点

改变R3、C及R2/R1的比值，可改变周期T。 2、占空比可调的矩形波电路 1）电路结构

显然，为了改变输出方波的占空比，应改变电容器C的充电和放电时间常数。占空比可调的矩形波电路见教材P374图8.38（a）所示。 2）工作原理及波形分析

C充电时，充电电流经电位器的上半部、二极管D1、R3； C放电时，放电电流经R3、二极管D2、电位器的下半部。

由于充、放电时间常数不同，这样就得到了矩形波电路。其输出波形见教材P374图8.38（b）所示。 3）振荡周期

T1?1?占空比为：T?1??2。其中： 时间常数： ，

R’w是电位器中点到上端的电阻，和是二极管导D1、D2的导通电阻。控制τ1和τ2的比值即可得到输出高低电平宽度不同的波形。

2RT?T1?T2?(RW?2R3)Cln(1?1)R2 振荡周期：

4） 电路特点

通过调节Rw，可改变输出波形的占空比。 3、三角波发生器 1）电路结构

三角波发生器的电路见教材P376图8.40(a)所示。它是由滞回比较器和积分器闭环组合而成的。积分器的输出反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的UREF。 2）工作原理及波形分析

当UO1=+UZ时,则电容C充电, 同时UO按线性逐渐下降，当使A1的Up略低于UN 时，UO1 从+UZ跳变为-UZ。

'?1??Rw?rd1?R1?C'?2??Rw?Rw?rd2?R1?C 在U01= —UZ后，电容C开始放电，Uo 按线性上升，当使A1的Up略大于零时，U01 从—Uz跳变为+Uz，如此周而复始，产生振荡。Uo的上升、下降时间相等，斜率绝对值也相等，故Uo为三角波。其输出波形见教材P376图8.40(b)所示

RRUom?1UZUom??1UZR2R2输出峰值Uom：正向峰值，负向峰值。 3） 振荡周期

1由 CT/2?0uZdt?2uomR3

振荡周期： 4）电路特点

通过改变R3、C及R1/R2的比值，可改变振荡周期T。 4、锯齿波发生器 1）电路结构

锯齿波发生器的电路见教材P379图8.43（a）所示，显然为了获得锯齿波，应改变积分器的充、放电时间常数。 2）工作原理及波形分析

电路工作原理是利用二极管的单向导电性，使积分电路中充电和放电的回路不同。锯齿波电路的波形图见教材P379图8.43（b）所示。 3）振荡周期和占空比

RT?21(2R3?RW)CR2振荡周期

T?4R3CUom4R3R1C?UZR2

R3T1?占空比 T22R3?RW 4）电路特点

调整R1和R2的阻值可改变锯齿波的幅值；调整R1、R2和Rw的阻值及C的大小，可以改变振荡周期；调整电位器滑动端的位置，可以改变输出波形的占空比，以及锯齿波上升和下降的斜率。

二、本讲重点 1、方波发生器 2、三角波发生器

三、本讲难点

1、三角波变锯齿波电路 2、三角波变正弦波电路。

四、教学组织过程 讲授

五、课后习题

见相应章节的“习题指导”。

第二十八讲 利用集成运放实现信号的转换

一、主要内容

1、电压-电流变换器 1) 电路结构

电压-电流变换的原理电路见教材P381图8.44所示。其实用电路见教材P381图8.45所示。其中运放A1构成同相求和运算电路，A2构成电压跟随器。且有R1=R2=R3=R4。 2）工作原理

由基本原理电路图可得：

1Ui=iOR或iO?UiR， 故输出电流与输入电压成比例。

2、 电流-电压变换器

电流-电压变换的原理电路见教材P382图8.46所示。由电路图可知： uO=－iSRf

可见输出电压与输入电流成比例。

uiRRiO=O?－Sf??fiSRLRLRL 输出端的负载电流： 若RL固定，则输出电流与输入电流成比例，此时该电路也可视为电流放大

电路。

电压-电流和电流-电压变换器广泛应用于放大电路和传感器的连接处，是很有用的电子电路。 3、精密整流电路 1） 问题的提出

利用集成运放的高增益和电路工作于浓度负反馈及二极管的导引作用，解决二极管整流时存在约0.7左右的死区电压问题，从而使小信号整流的误差大大减小，整流特性接近理想特性。 2）半波精密整流电路

半波精密整流电路见教材P386图8.52（a）所示。由于采用了运放和反馈，消除了整流死区及限幅模糊现象，适合于小信号。 工作原理：

（1）当输入Ui很小，运放输出电压Uo小于0.7V时，二极管均不导通，运放处于开环工作状态，因运放开环增益极大，促使输出Uo在Ui极小时就可大于0.7V，从而使二极管很快导通并进入整流状态。

（2）U0＞时，U’o为负，则D1截止，D2导通，此时电路相当于反相先比例放大器。

（3）Ui＜0时，U’o为正，则D2截止，D1导通，输出电压为0。 电路的输出波形见教材P386图8.52（b）所示。 3）全波精密整流电路

全波精密整流电路见教材P386图8.53（a）所示。它是由半波整流电路和相加器级联而成。由电路可有：

U01 = —Ui， （Ui＞0）

二、本讲重点

1、电压-电流变换器

2、全波精密整流电路

三、本讲难点

电压-频率转换电路

四、教学内容组织 讲授

五、课后习题

见相应章节的“习题指导”。

U01 = 0， （Ui0＜0）

输出：Uo = —（Ui + 2 U01）= Ui ，（Ui＞0）

Uo = —（Ui + 2 U01）= —Ui （Ui0＜0＝

由此可见：U0 = |Ui|。

【本章小结】

本章主要讲述了正弦波振荡电路和非正弦波产生电路。正弦波振荡电路主要有RC型和LC型两大类，它们由四部分组成：放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节四部分。一般从相位和幅值平衡条件来计算振荡频率和放大电路所需的增益。而石英晶体振荡器是LC振荡电路的一种特殊形式，由于晶体的等效谐振回Q值很高，因而振荡频率有很高的稳定性。非正弦波发生电路由滞回比较器和RC延时电路组成，主要参数是振荡幅值和振荡频率。由于滞回比较器引入了正反馈，从而加速了输出电压的变化；延时电路使比较器输出电压周期性地从高电平跃变为低电平，再从低电平跃变为高电平，而不停留在某一状态，从而使电路产生自激振荡。本章讨论了方波、矩形波、三角波和锯齿波产生电路。最后介绍了利用集成运放实现信号的转换。

二、本讲重点

1、电压-电流变换器

2、全波精密整流电路

三、本讲难点

电压-频率转换电路

四、教学内容组织 讲授

五、课后习题

见相应章节的“习题指导”。

U01 = 0， （Ui0＜0）

输出：Uo = —（Ui + 2 U01）= Ui ，（Ui＞0）

Uo = —（Ui + 2 U01）= —Ui （Ui0＜0＝

由此可见：U0 = |Ui|。

【本章小结】

本章主要讲述了正弦波振荡电路和非正弦波产生电路。正弦波振荡电路主要有RC型和LC型两大类，它们由四部分组成：放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节四部分。一般从相位和幅值平衡条件来计算振荡频率和放大电路所需的增益。而石英晶体振荡器是LC振荡电路的一种特殊形式，由于晶体的等效谐振回Q值很高，因而振荡频率有很高的稳定性。非正弦波发生电路由滞回比较器和RC延时电路组成，主要参数是振荡幅值和振荡频率。由于滞回比较器引入了正反馈，从而加速了输出电压的变化；延时电路使比较器输出电压周期性地从高电平跃变为低电平，再从低电平跃变为高电平，而不停留在某一状态，从而使电路产生自激振荡。本章讨论了方波、矩形波、三角波和锯齿波产生电路。最后介绍了利用集成运放实现信号的转换。

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