第八章波形发生与信号转换电路〖本章主要内容〗1、自激振荡的概念

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模拟电子技术第八章波形的发生和信号的转换1(新)

R1 U T U Z R2
第二节非正弦波发生电路
三角波发生电路的振荡原理
电路状态翻转时，uP1=?
1 uO uO1 (t2 t1 ) uO (t1 ) R3C
R1 R2 uP1 uO1 uO R1 R2 R1 R2
合闸通电，通常C 上电压为0。设uO1↑→ uP1↑→ uO1↑↑，直至 uO1 ＝ UZ（第一暂态）；积分电路反向积分，t↑→ uO↓，一旦uO 过－ UT ，uO1从＋ UZ跃变为－ UZ （第二暂态）。积分电路正向积分，t↑→ uO↑，一旦uO过＋ UT ， uO1从－ UZ跃变为＋ UZ ，返回第一暂态。重复上述过程，产生周期性的第八章波形的发生和信号的转换变化，即振荡。
四、锯齿波发生电路
1. R3应大些？小些？ 2. RW的滑动端在最上端和最下端时的波形？
≈T
3. R3短路时的波形？
第八章波形的发生和信号的转换
第二节非正弦波发生电路
讨论一
已知uO1和uO2的峰-峰值均为12V，二极管为理想二极管。 1、求出稳压管的稳压值UZ和R4的阻值； 2、定性画出uO1、uO2的波形图； 3、求解δ的表达式。
模拟电子技术
电子教案
沈阳工业大学
电子技术教研室
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
第八章波形的发生和信号的转换
目
录
第一节电压比较器
第二节非正弦波发生器
第三节正弦波发生器
第四节信号转换电路
第八章波形的发生和信号的转换
第一节电压比较器
一、概述
二、单限比较器
三、滞回比较器四、窗口比较器五、集成电压比较器

波形的发生和信号的变换

切换R，用于粗调振荡频率。
R1
R3
Rf
振荡频率：
f0
1
2 RC
2021/1/19
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。
8
1
R28
2
R27
3
R26
4
R25
5
R24
6
R23
7
R22
1
R21
2021/1/19
电子琴的振荡电路：
R2
RF1 RF2 D1
R1
34
8.3.2 三角波发生电路
方波经过积分电路就可以得到三角波。所以，三角波发生电路可以用矩形波发生电路＋积分电路构成。
基本电路与波形：
由于，三角波发生电路中有2个RC定时电路，可以省去滞回比较器的RC定时电路。
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35Βιβλιοθήκη 进电路：A1：同相滞回比较器 A2：反相积分电路
阈值电压的计算：
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25
电压传输特性
当 uI UT 时： uO U Z 当 uI UT 时： uO U Z 当 uI UT 时： uO UZ 当 uI UT 时： uO UZ 当 uI UT 时： uO U Z
滞回特性是由于正反馈而产生的！
当
U REF
0 时： UT
R1 R1 R2
分析：
uO uO1 uO2
当 uI U RL 时：U Z 当 uI U RL ~ U RH 时： 0
当 uI U RH 时：U Z

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

波形发生电路(自激振荡电路)

/v_show/id_XNzQxNjQyNzY=.html第八章波形发生电路（自激振荡电路）8.1 正弦波发生电路原理8.2 RC正弦波振荡电路8.3 LC正弦波振荡器8.4 石英晶体振荡器(简称晶振)波形发生电路的基本类型有两种：正弦波发生电路与非正弦波发生电路。

§8.1 正弦波发生电路原理正弦波发生电路通常称为正弦波振荡器。

是模拟电子电路的一种重要形式。

特点是不需要外加任何输入信号就能根据要求而输出特定频率的正弦波信号。

这种特点称为“自激振荡”。

波形发生电路是非常典型的正反馈放大电路。

一、产生自激振荡的条件假设图示电路中：先通过输入一个正弦波信号，产生一个输出信号，此时，以极快的速度使输出信号，通过反馈网络送到输入端，且使反馈信号与原输入信号“一模一样”，同时切断原输入信号，由于放大器本身不能识别此时的输入究竟来自信号源，还是来自本身的输出，既然切换前后的输入信号“一模一样”，放大器就一视同仁地给予放大，形成：输出→反馈→输入→放大→输出→反馈→……这是一个循环往复的过程，放大器就构成了一个“自给自足”的自激振荡器。

上述假设指出：只有反馈到输入端的信号与原输入信号“一模一样”。

才能产生自激振荡，“一模一样”就是自激振荡的条件——亦称平衡条件。

i U U =5 是正弦波，而描述正弦波的三要素是：振幅、频率和相位。

i U U =5 振幅相等；相位相同（若相位总相同，则频率和初相一定都相等）因为自激振荡是一个正反馈放大器，故可用反馈的概念来描述振荡条件。

当f i U U =时u u iu u i f A F U U A F U U ===11由于u A 和u F 都是复数 A j u u e A A φ= F j u u e F F ϕ=)(1F A j u u u u e F A F A ϕϕ+==∴此式要成立，则必有1=u u F A ，πϕϕn F A 2=+（ 2.1.0=n ）∴ 1=u u F A 振幅平衡条件πϕϕn F A 2=+（ 2.1.0=n ）相位平衡条件（正反馈相移为0、2π……）要维持自激振荡必须满足这两个条件：（可以用荡秋千为例说明两个条件）一要“顺势”（相位平衡条件）二要用力足够（振幅平衡条件）保证两个条件，秋千才能等幅摆动。

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？

8-波形的发生和信号的转换05.06

A
' 0 f 时， A 90 ， A
对于产生－180º 附加相移的信号频率，有可能满足起振条件，故引入负反馈后可能振荡。
三级或三级以上放大电路引入负反馈后有可能产生高频振荡；同理，耦合电容、旁路电容等为三个或三个以上的放大电路，引入负反馈后有可能产生低频振荡。环路放大倍数AF越大，越容易满足起振条件，闭环后越容易产生自激振荡。
1) RC 移相电路有几级才可能产生正弦波振荡？ 2) 若R 和C 互换呢？
小结
负反馈放大电路产生自激振荡的原因及条件（电路组成不理想， 1 A F 反馈过深；振荡平衡条件：；起振条件：） AF＝ 1 正弦波振荡电路的组成（放大电路、选频网络、正反馈网络、稳幅环节）判断电路是否产生正弦波振荡的方法及步骤（是否存在主要组成部分；放大电路能否正常工作，即是否有合适的Q点；信号是否满足相位条件，即是否存在f0，是否可能振荡-瞬时极性法； F 1 。）是否满足起振条件 A
fc
fc
f0
f0
稳定性的判断
满足起振条件不满足起振条件
fc f0
fc
f0
电路不稳定
电路稳定电路稳定
f0＜ fc，电路不稳定，会产生自激振荡； f0 ＞ fc，电路稳定，不会产生自激振荡。
6、消除自激的方法 — 相位补偿
在电路中加入 C，或 R、C 元件进行相位补偿，改变电路的高频特性，使得f0>fc ，从而破坏自激条件。常用消振方法：电容滞后补偿
F 1 A 起振条件：
幅值平衡条件
相位平衡条件
要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的f0，且在合闸通电时对于f= f0信号有从小到大直至稳幅的过程，即满足起振条件。

模拟电子技术基础--第8章--波形的产生和信号的转换

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。

sCR 1 3 sCR ( sCR ) 1
2
又则
s j
FV 3 j(
且令 0
1

RC
0

0
)
1
幅频响应 F
V
3 (
2
0
(

0
3
)
2
0
0
相频响应
)
f
arctg
FV 3 (
2
1
0

0
)
2
(
0
• 对中频信号而言的负反馈

X

向量之差
f

X id

X
f
X
f

Xi

X

f

X id
Xi

X
f

X id

Xi Xi就是正反馈X Nhomakorabead
就是负反馈

AF
XO

A

Xi
1 A F
即
AF 1
• 在放大电路中人为引入正反馈（对放大电路的中频区而言），并使之满足一定的幅值和相位条件而产生自激振荡。要创造条件使自激振荡出现。 • 自激振荡是正反馈的一个特例
极板间加机械力晶体产生电场压电效应交变电压机械振动交变电压
机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高
当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大。压电谐振

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第八章波形发生与信号转换电路〖本章主要内容〗 1、自激振荡的概念； 2、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； 3、正弦波振荡的条件，正弦波振荡电路的组成； 4、矩形波发生电路原理及组成；5、各类电压比较器原理、组成及分析； 6、矩形波、三角波和锯齿波发生电路的原理及组成；〖本章学时分配〗

本章分为3讲，每讲2学时。

第二十一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：

ifVV，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 ..FA=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

谐振角频率和谐振频率分别为： RC10， RCf210

幅频特性： .F20022002)(31)(31||ffffF 相频特性： )(31arctg00Fffff 当f=f0时的反馈系数.F13，即31.fU且与频率f0的大小无关，此时的相角 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。、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。 311fRRAf （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

1ff+1=RrRAdv



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，可调频率范围从几HZ至几KHZ。

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、本讲难点振荡频率的计算及振荡条件的推导四、教学过程组织讲授第二十二讲电压比较器

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。 REFiURRRURRRU212211REFTHURRU12

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。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。 2）任意电平比较器（1）电路结构：具体电路见教材电路中将参考电压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。由叠加原理得：

它与U+ = 0 比较，可求出阈值电压（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。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。

Z211TURRRU 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，因此出现了如教材回差电压U： ZURRRUUU212 TT2)(

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。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。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、教学过程组织讲授第二十三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。 2）工作原理及波形分析

电源刚接通时，设Uc=0，Uo=+Uz21Z2P,RRURU所以,电容C充电，Uc升高。当NCUU≥PU时，ZoUU，所以21Z2PRRURU，电容C放电，Uc下降。当NOUU≤PU时，ZOUU，返回初态。如此周而复始产生振荡。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

)21ln(2123RRCRT 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。 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。其输出波形见教材所示。 3）振荡周期

占空比为：2111TT。其中：时间常数： 111RrRCw'd，221RRrRCww'd