波形的发生和信号的转换 模电第8章
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第八章波形的发生和信号的转换
RF
R
R1
RC1 R2
C +
+
C1
–
+
T1 C2
R
C
+ ube
RE1 R3
3.各种正弦波振荡电路的特点，根据要求选择合适 的振荡电路。
三、一般了解的内容
1.RC文氏桥正弦波振荡电路幅度稳定的措施； 2.石英晶体振荡电路的工作原理及特点； 3.非正弦波振荡电路的工作原理。
第8章 波形的发生和信号的转换
§8.1正弦波振荡电路
8.1.1概述
X i +
X d
– X f
0.1u uf
100k
－∞
A +
+
uo
10k 0.1u 39k
起振时Rt较大 使A>3,易起振。
当uo幅度自激 增长时， Rt减 小，A减小。
当uo幅度达某 一值时， A→3。
当uo进一步增 大时， RT再减 小 ,使A<3。
因此uo幅度自 动稳定于某一 幅值。
能自动稳幅的振荡电路
R
C
.
Rf1
Rf2 1
结束
(1-17) (8-17)
三、判断能否产生正弦波振荡：
1.观察电路是否包含了四个主要部分。
2.检查放大电路是否工作在放大状态。三极管放大电 路必须有合适的静态工作点；集成运放应有负反馈， 使其工作在线性区。
3.利用瞬时极性法判断选频或反馈网络是否引入了正 反馈，即满足相位平衡条件。
4.检查是否满足幅度平衡和起振条件，尤其是起振条 件。
一.重点掌握的内容：
1.产生正弦波振荡的相位平衡条件和幅度平 衡条件；
2.RC文氏桥振荡电路的特点、起振条件以及 振荡频率的估算；
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
模电8-波形的发生和信号的转换
件FA＞1。
随着振荡的加强，电流变大，Rt阻值变小，使得FA = 1 ，满足平衡条件，则振荡一直稳定进行下去。
2021/4/6
9
3．RC移相式振荡器
（1）RC移相网络
一级相移网络使信号相位变化0°～90°，三级RC相 移网络使信号相位变化（移动）180°(用于实现正反 馈)。
2021/4/6
10
（2）RC移相式振荡器
V 输出。 o2021/4/6
2
2．自激（平衡）条件 为保证振荡平衡，必须有Uf=. Ui. 即 F A=. .1
或 FA=1 φA+ φF=2nπ (n=1、2、3、…)
3．起振条件 为保证振荡越来越强，必须有Uf＞Ui 即 FA＞1 φA+ φF=2nπ (n=1、2、3、…)
2021/4/6
第八章 波形发生电路
本章主要内容：
正弦波发生器（正弦振荡器）、 非正弦波发生器。
2021/4/6
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1
8.1 正弦振荡器概述
振荡器就是无需输入信号，自发产生一定大小、
一定频率交流信号的电路。
1．振荡器方框图
S接1，有交流信号
Uo输出；突然再改接 2。
只 要 保 证 Uf.=U.i ， 仍有不变的交流信号
18
（2）宽度可调矩形波发生器
矩形波周期T=T1+T2
T1=（R+Rw’）Cln（1+2R1/R2）
T2=（R+Rw’’）Cln（1+2R1/R2）
则T=T1+T2=（2R+Rw）Cln（1+2R1/R2）
占空比D=T1/T=（R+Rw’’）/（2R+Rw）
随着振荡的加强，电流变大，Rt阻值变小，使得FA = 1 ，满足平衡条件，则振荡一直稳定进行下去。
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3．RC移相式振荡器
（1）RC移相网络
一级相移网络使信号相位变化0°～90°，三级RC相 移网络使信号相位变化（移动）180°(用于实现正反 馈)。
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10
（2）RC移相式振荡器
V 输出。 o2021/4/6
2
2．自激（平衡）条件 为保证振荡平衡，必须有Uf=. Ui. 即 F A=. .1
或 FA=1 φA+ φF=2nπ (n=1、2、3、…)
3．起振条件 为保证振荡越来越强，必须有Uf＞Ui 即 FA＞1 φA+ φF=2nπ (n=1、2、3、…)
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正弦波发生器（正弦振荡器）、 非正弦波发生器。
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8.1 正弦振荡器概述
振荡器就是无需输入信号，自发产生一定大小、
一定频率交流信号的电路。
1．振荡器方框图
S接1，有交流信号
Uo输出；突然再改接 2。
只 要 保 证 Uf.=U.i ， 仍有不变的交流信号
18
（2）宽度可调矩形波发生器
矩形波周期T=T1+T2
T1=（R+Rw’）Cln（1+2R1/R2）
T2=（R+Rw’’）Cln（1+2R1/R2）
则T=T1+T2=（2R+Rw）Cln（1+2R1/R2）
占空比D=T1/T=（R+Rw’’）/（2R+Rw）
模拟电子技术第八章 波形的发生和信号的转换讲解
电路四：是电路二的改进电路
T1 时间段，电容 C 通过 R´ 放电
T2 时间段，电容 C 通过 R 充电
－
+
+
uo1被嵌位 于±Uz
R1
R2
uo
T1 T2 R + –C R´ -
+ + R2
充放电的 时间T1、T2可通过 R、R'调整。 当R'=0时，则为锯齿波发生器。
t
uo
(7-19)
§8.3 锯齿波发生器
T1
UL UOM (UH UOM )e RC
f=1/T
(7-8)
方波发生器电路的改进：
– uc + R
C
－
+
+
uo
R1
R2
– uc + R
C
－ +
+
R1
R2
uo UZ
(7-9)
思考题：点 b 是电位器 RW 的中点，点 a 和点 c 是 b 的上方和下方的某点 。试定性画 出点电位器可动端分别处于 a、b、c 三 点时的 uo - uc 相对应的波形图。
C
C
－
+
+
R1
uo1 R - uo
+ + R2
R2
uo1 uo
Uom
1
t
uo RC uo1dt
0
-Uom
三角波的周期由方波发生器确定，其幅值也由 周期T和参数R、C决定。
(7-12)
电路二：电路一的改型
反向积分电路
R01
uo1
C
第8章 波形的发生和信号的转换09
模拟电子技术基础
三、LC正弦波振荡电路分类：
变压器反馈式、电感反馈式、电容反馈式
Rf 温度
Rf 阻值
AV FV 1 稳幅
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6. 稳幅措施
第8章 波形的发生和信号的转换
模拟电子技术基础
采用非线性元件 二极管
当输出幅值很小时，二极 管D1、D2接近开路，由D1、 D2和R3组成的并联支路的等 效电阻近似为2.7千欧，A约 3.3，>3，有利于起振。
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第8章 波形的发生和信号的转换
模拟电子技术基础
uf 与 uo 波形
起振过程
uf
uo
动态平衡-稳定振荡
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第8章 波形的发生和信号的转换
模拟电子技术基础
3、负反馈网络中R1，Rf阻值的选配
1 当f f 0时 ， ， 即 F 3
返回
第8章 波形的发生和信号的转换
模拟电子技术基础
幅值平衡条件： A F 1
相位平衡条件： A F AF 2n
起振的幅值条件：
AF 1
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第8章 波形的发生和信号的转换
模拟电子技术基础
振荡电路是单口网络，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
模拟电子技术基础
(+)
(+)
(+) (+)
首先找出反馈线，在A处断开反馈线，假设在放大电路的 输入端加一个输入电压Vi ，Vi 的频率正好是选频网络的固有频 率f0 ，即f=f0=1/2πRC，假定某一瞬时Vi对地极性为（+），Vo 在同一瞬时对地极性为（+），由于f=f0=1/2πRC，根据相频特 性来判断，若Vo的频率也为f0，A点在同一瞬时对地的极性也为 （+）。再接上反馈线，看Vf和Vi的相位是否相同，若同相，则 说明此电路满足相位平衡条件。 3、振幅平衡条件：AvFv=1；Av=1+Rf/R1、Fv=1/3 Rf=2R1
电子科大模电 第8章-波形的发生和信号的转换
2. 电路组成
不符合相位条件 不符合幅值条件
1)是否可用共射放大电路？ 2)是否可用共集放大电路？ 3)是否可用共基放大电路？ 4)是否可用两级共射放大电路？
输入电阻小、输出 电阻大，影响f0
可引入电压串联负反馈，使 电压放大倍数大于3，且Ri大、 Ro小，对f0影响小
应为RC 串并联网路配一个电压放大倍数略大于3、输入电 阻趋于无穷大、输出电阻趋于0的放大电路。
若C C1且C C2，则
U i
U f
f0
2π
1 LC
C
与放大电路参数无关
若要振荡频率高，则L、C1、C2的取值就要小。当电容减 小到一定程度时，晶体管的极间电容将并联在C1和C2上，影 响振荡频率。 特点：波形好，噪声特性也不错; 是分立元件LC振荡器 最为常用的电路(包括其改进型)。
回差电压： U UT1 UT2
（3）窗口比较器： 有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。
4、集成运放的非线性工作区
电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈
无源网络
理想运放工作在非线性区的特点： 1) 净输入电流为0 2) uP> uN时， uO＝＋UOM uP< uN时， uO＝－UOM
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
§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 信号的转换
§8.1 正弦波振荡电路
一、正弦波振荡的条件和电路的组成 二、RC正弦波振荡电路 三、LC正弦波振荡电路 四、石英晶体正弦波振荡电路
一、正弦波振荡的条件和电路的组成
必要吗？
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？
波形的发生与信号的转换
f0max
2
1 10103 0.01106
1.59kHz
模拟电子技术
例二：电路如图所示，稳压管DZ起稳幅作用，其稳定电 压±UZ=±6V。试估算： （1）输出电压不失真情况下的有效值；
（2）振荡频率。
解: (1) 由幅值条件， 得 Rf 2R1
UZ 2UR1
而 UO UZ UR1 1.5UZ
4)起振条件
A• F• 1 （略大于1）
•
F
1
3
A 1 Rf 3
R1
Rf 2R1
Rf 不能太大，否则 正弦波将变成方波
模拟电子技术
5)稳幅措施
为使电路 Au 为非线性，起振时，应使 Au > 3，稳幅后 Au = 3。
热敏电阻稳幅
负温度系数
正温度系数
T Rf Auf (1 Rf / R1 )
模拟电子技术
思考：电路如图所示。 （1）为使电路产生正弦波振荡，标出集成运放的“＋”和“－”；并说
明电路是哪种正弦波振荡电路。 （2）若R1短路，则电路将产生什么现象？ （3）若R1断路，则电路将产生什么现象？ （4）若RF短路，则电路将产生什么现象？ （5）若RF断路，则电路将产生 什么现象？
模拟电子技术
f
arcta33nωjj(当(ω/ ωFωR.10C1=3=ω1ωω/0030R/1时)ωC
)
0
90
ω0= 0ºω
2. RC 桥氏振荡电路 1) 组成：
F = 0º
2) 电路：
模拟电子技术
同相 放大器
A = 2n
Rf R1
U•
R
i
C
U• f
U• o
CR
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相位条件的判断方法：瞬时极性法
U
i
极性？
在多数正弦波振荡电路 中，输出量、净输入量和 反馈量均为电压量。
断开反馈，在断开处给放大电路加 f＝f0的信号Ui，且规 定其极性，然后根据 Ui的极性→ Uo的极性→ Uf的极性 若Uf与Ui极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路 不可能产生自激振荡。
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。 （1）两只稳压管稳压值不同
（2）两只稳压管稳压值相同
UOH＝＋ UZ1＋ UD2 UOL＝－( UZ2 ＋ UD1)
UOH＝ UZ UOL＝－ UD
UOH＝ － UOL＝ UZ
（3）稳压管接在反馈电路中
uO＝± UZ （1）保护输入端 （2）加速集成运放状态的转换
讨论：如何改变滞回比较器的电压传输特性
改变阈值 电压
1. 若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？ 2. 若要电压传输特性曲线上下移动，则应如何修改电路？ 3. 若要改变输入电压过 改变输出 阈值电压时输出电压的 限幅值 跃变方向，则应如何修 改电路？
改变输入信 号的输入端
8.2.4 窗口比较器
令f 0
1 1 ，则 F f f 2 π RC 3 j( 0 ) f0 f
F
1 f f 32 ( 0 ) 2 f0 f
-----幅频特性
F arct an (
f 1 f o) 3 fo f
-----相频特性
当 f=f0时，不但φ=0，且 F 最大，为1/3。
若U REF 0
8.2.3 滞回比较器
U OL U Z U OH U Z
1. 阈值电压UT
u N uI
R1 R1 U Z uP uO , 令u N uP，得 U T R1 R2 R1 R2
2. 工作原理及电压传输特性
R1 UT U Z R1 R2
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； ----------何时跳？ （2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平； --------跳 多少？ （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。------如何跳？
2. 一般单限比较器
二、RC正弦波振荡电路的组成
不符合相位条件 不符合幅值条件
1)是否可用共射放大电路？ 2)是否可用共集放大电路？ 3)是否可用共基放大电路？ 4)是否可用两级共射放大电路？
输入电阻小、输出电 阻大，影响f0 可引入电压串联负反馈，使 电压放大倍数大于3，且Ri大、 Ro小，对f0影响小
应为RC 串并联网路配一个电压放大倍数略大于3、输入电 阻趋于无穷大、输出电阻趋于0的放大电路。
四、正弦波振荡电路的分类
常用选频网络所用元件分类： 1) RC正弦波振荡电路：几百千赫以下 2) LC正弦波振荡电路：几百千赫～几百兆赫 3) 石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定
8.1.2 RC正弦波振荡电路 一、RC串并联选频网络
低频段
. Uf . I . Uo
f 0，U f 0， F 90
式中品质因数
当Q>>1时，
，谐振频率和品质因数分别为：
谐振时，电路的输入阻抗为
频率从零到无穷大时LC并联网络电抗的表达式为：
Z是频率的函数，频率特性为：
LC选频放大电路→正弦波振荡电路
当f=f0时， 电压放大倍 数的数值最 大，且附加 相移为0。
附加相移
放大电路 Uo
反馈网络
构成正弦波 振荡电路的做 法是引入正反 馈，并用反馈 电压取代输入 电压。
( uI R1 R2 R1 R2 令uN uP 0, 得
U O U Z
作用于反相输入端
R2 U T U REF R1
(2) 求UOL、UOH ？
(3) 确定UO的跃变方向？
（1）若要UT< 0，则应如何修改电路？ （2）若要改变曲线跃变方向，则应如 何修改电路？ （3）若要改变UOL、UOH呢？
U O U Z
(1)设uI＜－UT，则 uN＜ uP， uO＝+UZ。此时uP＝ +UT， 增大 uI，直至+UT，再增大， uO才从+UZ跃变为－ UZ。 (2) 设 uI＞+UT，则 uN＞ uP， uO＝－UZ。此时uP＝ －UT， 减小 uI，直至－UT，再减小， uO才从－UZ跃变为+UZ。
二、变压器反馈式振荡电路
Uf
必须有合适的同名端！ 分析电路是否可能产生正弦 波振荡的步骤： 1) 是否存在组成部分 2) 放大电路是否能正常工作 3) 是否满足相位条件 C1是必要的吗？
Ui ( f f 0 )
特点： 易振，波形较好；耦合不紧密， 损耗大，频率稳定性不高。 为使N1、N2耦合紧密，将它们合二为一，组成电感反馈 式电路。
例：合理连接电路，组成文氏桥振荡电路
8.1.3 LC正弦波振荡电路
一、LC谐振回路的频率特性 谐振：在某一频率处，振荡回路的阻抗为纯电阻。 品质因数：回路的特性阻抗与回路损耗电阻的比值。
（a）理想情况下的网络
（b）考虑电路损耗时的网络
LC并联网络
虚部为0时，发生并联谐振，可得谐振角频率：
三、电感反馈式振荡电路
Uf
Ui ( f f 0 )
必要吗？ 反馈电压取自哪个线圈？ 反馈电压的极性？
电感的三个抽头分别接晶 体管的三个极，故称之为电 感三点式电路。
三、电感反馈式振荡电路
特点：耦合紧密，易振，振 幅大，C 用可调电容可获得 较宽范围的振荡频率。波形 较差，常含有高次谐波。
三、RC桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡器） 用同相比例运算电路作放大电路。
起振条件： 振荡频率：
Rf 2R1
1 fo 2RC
因同相比例运算电路有非常 好的线性度，故R或Rf可用热敏 电阻，或加二极管作为非线性 环节。
频率可调的文氏桥振荡器
改变电容以粗调，改变电 位器滑动端以微调。
同轴电位器
能产生正弦 波振荡吗？
8.2 电压比较器
8.2.1 概述 1. 电压比较器的功能：对输入信号进行鉴幅与比较。 特点： 输入电压是连续的模拟信号；输出电压表示比较 的结果，只有高电平和低电平两种情况。 集成运放工作在非线性区。 2. 电压比较器的电压传输特性 uO＝f(uI) 电压传输特性的三个要素： （1）输出高电平UOH和输出低电平UOL（2）阈值电压UT----使输出产生跃变的输入电压，也称为转折电 压。 （3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向。
U OM
3.集成运放的非线性工作区 电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈
集成运放工作在非线性区的特点:
1) 净输入电流为0 2) uP> uN时， uO＝＋UOM uP< uN时， uO＝－UOM
4. 电压比较器的种类
（1）单限比较器：只有一个阈值电压 （2）滞回比较器：有两个阀值电压，具有滞回特性 输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压 单调变化使输出电压只跃变一次。回差电压 U UT1 UT2
由于电感对高频信号呈现较大的电抗，故波形中含高 次谐波，为使振荡波形好，采用电容反馈式电路。
四、电容反馈式振荡电路
1 f0 2π L C1C2 (C1 C2 )
若C C1且C C2，则
Uf
Ui
f0
C
1 2π LC
与放大电路参数无关
若要振荡频率高，则L、C1、C2的取值就要小。当电容减 小到一定程度时，晶体管的极间电容将并联在C1和C2上，影 响振荡频率。 特点：波形好，振荡频率调整范围小，适于频率固定的场合。
URH和URL为外加参考电压，且URH>URL
U OM
uI U RH uI U RL
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。
第8章 波形的发生和信号的转换
主要内容：
& 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 利用集成运放实现的信号转换电路
8.1 正弦波振荡电路
8.1.1 概述 一、正弦波振荡的条件 无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。 与负反馈放大电路的振荡的不同之处：在正弦波振荡电 路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。
在电扰动下，对于某一特定频率f0的信号形成正反馈： X o X i' X o
一旦产生稳定的振荡，则 电路的输出量自维持，即 X AFX
o o
AF 1 AF 1 A F 2nπ
起振条件： AF 1
幅值平衡条件 相位平衡条件
高频段 在频率从0～∞ 中必有一个频率 f0，φF＝0º 。
. I . Uo . Uf
f ，U f 0， F 90
RC串并联选频网络的频率响应
Uf F Uo R R∥ 1 j C 1 j C 1 j C
＋R ∥
F
1 3 j( RC 1 ) RC
二、石英晶体正弦波振荡电路