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1、第8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 利用集成运放实现的信号转换电路,8.5 Multisim应用举例,8.1 正弦振荡电路,在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路称为正弦振荡电路。,8.1.1 概述,一、产生正弦波振荡的条件,一是电路必须引入正反馈，使反馈信号能取代输入信号；,二是要有外加选频网络，用以确定振荡频率。,+,表示正反馈,表示正反馈,由于电扰动（如合闸通电），电路产生一个幅值很小的输出量，它含有丰富的频率。,只含f0的信号,在正反馈过程中，Xo越来越大。,由于晶体管的非线性特性
2、，当Xo的幅值增大到一定程度时，放大倍数的数值将减小。,当Xo增大到一定数值时，电路达到动态平衡。,这时，Xo通过反馈网络产生Xf作为放大电路的输入量，而输入量又通过放大电路维持着。,正弦振荡的平衡条件为,（n为正整数）,振幅条件,相位条件,电路的起振条件为,电路把除频率f=f0以外的输出量均逐渐衰减为零，因此输出量为f=f0的正弦波。,二、正弦波振荡电路的组成及分类,1、正弦波振荡电路的组成：,保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，使电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制。,（1）放大电路,确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。,引入正反馈，使放大电路的输
3、入信号等于反馈信号。,（2）选频网络,（3）正反馈网络,非线性环节，使输出信号幅值稳定。,（4）稳幅环节,2、正弦波振荡电路的分类,按选频网络所用元件：,分为RC正弦波振荡电路、LC正弦波振荡电路和石英晶体正弦波振荡电路。,RC正弦波振荡电路的振荡频率较低，一般在1MHz以下；,LC正弦波振荡电路的振荡频率多在1MHz以上；,石英晶体正弦波振荡电路也可等效为LC正弦波振荡电路，其特点是振荡频率非常稳定。,三、判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法,（1）观察电路是否包含了放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节四个组成部分。,（2）判断放大电路是否能够正常工作，即是否有合适的静态工作点且动态信号
4、是否能够输入、输出和放大。,（3）电路是否引入正反馈。,具体的做法是：断开反馈，在断开处给放大电路加ui，采用瞬时极性法判断。反馈为并联反馈。,（4）判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件。,具体做法是：分别求解电路的A和F，然后判断AF是否大于1。,8.1.2 RC正弦振荡电路,一、RC串并联选频网络,RC串并联选频网络,频率很低,f0，Uf0。,频率很高,f，Uf0。,令0=1/RC，则f0=1/2RC，,当f=f0时，,f0,f,f,+90,-90,二、RC桥式正弦波振荡电路,当f=f0时，,上式表明，只要为RC串并联选频网络匹配一个电压放大倍数等于3的放大电路就可以构成正弦波振荡电路。,
5、放大电路,考虑到起振条件，所选放大电路的电压放大倍数应略大于3。,为减小放大电路对选频特性的影响，应选用输入电阻大、输出电阻小的放大电路。,通常选用电压串联负反馈放大电路。,一般在电路中加入非线性环节来稳定输出电压的幅值。,例如，R1选用正温度系数的热敏电阻；,或Rf选用负温度系数的热敏电阻；,8.1.3 LC正弦波振荡电路,一、LC谐振回路的频率特性,频率较低时，感纳较大，电路呈感性；,频率较高时，容纳较大，电路呈容性；,f=f0时，电路呈电阻性，且阻抗为无穷大，称为谐振。,称为品质因数。,当Q1时，,当Q1时，,若谐振时网络的输入电流为I0，则IL=IC=QI0。,f0,f,Q值越大，曲线
6、越尖锐，选频特性越好。,二、变压器反馈式振荡电路,1、工作原理,-,+,+,判断电路能否产生正弦波振荡：,（1）电路的组成,放大电路并且能正常工作；,选频网络；,正反馈网络；,稳幅环节。,+,-,+,（2）电路满足相位条件。,（3）只要合理选择变压器原、副边线圈的匝数比以及其它电路参数，电路很容易满足幅值条件。,2、振荡频率及起振条件,L1,Rb2,ib,i1,ui,Rb1,R,N1,N2,L2,Ri,i2,L1为考虑到N2回路参数折合到原边的等效电感，L2为副边电感；,Ri为放大电路的输入电阻：,B,A,i1,B,A,（M为两线圈间的互感）,当Q1时，,若谐振时网络的输入电流为I0，则IL=
7、IC=QI0。,若谐振时，,通常，Ri0L2，,电路的起振条件：,三、电感反馈式振荡电路,1、电路组成及工作原理,判断电路能否产生正弦波振荡：,（1）电路的组成,放大电路并且能正常工作；,选频网络；,正反馈网络；,稳幅环节。,+,-,+,（2）电路满足相位条件。,（3）只要电路参数选择得当，电路就可满足幅值条件，从而产生正弦波振荡。,原边线圈的三个端分别接在晶体管的三个极，所以称电感反馈式振荡电路为电感三点式电路。,2、振荡频率和起振条件,Rb2,ib,ui,Rb1,B,A,四、电容反馈式振荡电路,1、电路组成及工作原理,判断电路能否产生正弦波振荡：,（1）电路的组成,放大电路并且能正常工作；
8、,选频网络；,正反馈网络；,稳幅环节。,+,-,+,（2）电路满足相位条件。,（3）只要电路参数选择得当，电路就可满足幅值条件，从而产生正弦波振荡。,两个电容的三个端分别接晶体管的三个极，故也称为电容三点式电路。,2、振荡频率和起振条件,3、稳定振荡频率的措施,C1、C2和L减小，振荡频率提高。,若要求电容反馈式振荡电路的振荡频率高达100MHz以上，则要考虑采用共基放大电路。,判断电路能否产生正弦波振荡：,（1）电路的组成,放大电路并且能正常工作；,选频网络；,正反馈网络；,稳幅环节。,+,+,+,（2）电路满足相位条件。,（3）只要电路参数选择得当，电路就可满足幅值条件，从而产生正弦波振荡
9、。,旁路电容,8.1.4 石英晶体正弦波振荡电路,一、石英晶体的特点,将二氧化硅结晶体按一定的方向切割成很薄的晶片，再将晶片两个对应的表面抛光和涂银层，并作为两个极引出管脚，加以封装，就构成石英晶体谐振器。,晶片,银层,银层,管脚,管脚,1、压电效应和压电振荡,压电效应：当机械力作用于晶片时，晶片两面将产生电荷的现象。,反压电效应：在晶片两面加不同极性的电压时，晶片的几何尺寸将压缩和伸长，即加交变电场时将产生机械振动的现象。,在一般情况下，机械振动的振幅和交变电场的振幅都是非常小。,压电振荡：当外加交变电压的频率与晶体的固有频率相等时，振幅会急剧增大的现象。,2、石英晶体的等效电路和振荡频率,
10、C0为等效金属层、电极支架等构成的分布电容，称为晶体的静态电容。,电感L模拟机械振动的惯性。,电容C模拟晶片的弹性。,电阻R模拟晶片振动时的摩擦损耗。,几十皮法。,几十毫亨。,0.1皮法。,100欧姆，理想情况下R=0。,当电阻R可忽略时，电路的电抗为,当X=0时，,即fs为LC形成的串联谐振频率。,当X时，,即fp为L、C、C0形成的并联谐振频率。,当频率较低时，并联的两支路容抗都很大，等效电抗为容性；,随着频率的增加，容抗减小；,当f=fs，LC支路产生串联谐振，X=0；,当f=fp，产生并联谐振，X；,在 fsffp之间，晶体呈感性；,当ffp以后，C0的容抗起主要作用，总电抗又呈容性。
11、,高达104106。,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,电路的振荡频率等于石英晶体的并联谐振频率fp。,2、串联型石英晶体振荡电路,电路的振荡频率等于石英晶体的串联谐振频率fs。,调整Rf的阻值，可使电路满足正弦波振荡的幅值平衡条件。,8.2 电压比较器,8.2.1 概述,一、电压比较器的电压传输特性,电压比较器输入的是模拟信号，输出信号只有两种可能状态：高电平UOH或低电平UOL。,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，或转折电压，用UT表示。,电压传输特性有三个要素：,（1）输出电压高电平UOH和低电平UOL的数值。,（2）
12、阈值电压UT的大小。,（3）输入电压ui过UT时输出电压uo的跃变方向。,二、集成运放的非线性工作区,在电压比较器电路中，绝大多数集成运放不是处于开环状态，就是引入了正反馈，即工作在非线性区。,电压比较器电路的特点：,（1）iP=iN=0。,（2）(uP-uN)的大小取决于整个电路的输入电压。,（3）uPuN时，uo=UOH；uPuN时，uo=UOL。,（4）当输入电压ui经过某一设定值UT时，输出将从一个电平跃变到另一个电平。,三、电压比较器的种类,1、单限比较器。,电路只有一个UT，在ui增大或减小的过程中只要经过UT，uo就产生跃变。,ui,uo,UOH,UOL,O,UT,ui,uo,U
13、OH,UOL,O,UT,2、滞回比较器,电路有两个阈值电压UT1和UT2。,若UT1UT2，则输入电压ui在增加过程中，只有经过UT2时，输出电压uo才产生跃变；,输入电压ui在减小过程中，只有经过UT1时，输出电压uo才产生跃变；,ui,uo,UOH,UOL,O,UT2,UT1,（3）窗口比较器,电路有两个阈值电压UT1和UT2。,ui,uo,O,UT2,UT1,若UT1UT2，则输入电压ui从小变大的过程中，经过UT1时输出电压uo产生一次跃变，继续增大经过UT2时，uo发生相反方向的跃变；,输入电压ui从大变小的过程中，经过UT2时uo产生一个跃变，继续减小经过UT1时uo产生相反方向的
14、跃变。,8.2.2 单限比较器,一、过零比较器,ui,uo,-,+,ui,uo,UOH,UOL,O,ui,uo,-,+,ui,uo,UOH,UOL,O,Dz,R,Uz,+Uz,-Uz,Dz,R,Uz,2、一般单限比较器,ui,uo,-,+,R1,R2,UREF,参考电压,Uz,Dz,R,当uiUT时，uo=UOL=-Uz；,当uiUT时，uo=UOH=+Uz。,ui,uo,UOH,UOL,O,UT,改变UREF的大小和极性，就可以改变UT的大小和极性；,或者改变R1和R2的比值，也可以改变UT的大小。,若要改变uo的跃变方向，应将反相输入端接地。,电压比较器电压传输特性三要素的求解方法：,（1
15、）由集成运放最大输出电压决定输出高UOH和低电平UOL。,（2）写出集成运放两输入端电位uP和uN的表达式，uP=uN时的输入电压ui即为阀值电压UT。,（3）若输入电压从反相输入端（或通过电阻）输入，则当uiUT时，uo=UOL；当uiUT时，uo=UOH。,8.2.3 滞回比较器,一、滞回比较器的工作原理,ui,uo,-,+,R1,R2,R,Dz,Uz,当ui-UT，即uNuP时，uo=+Uz，uP=+UT。,此时增大ui，则只有ui增大至略大于+UT时，uo才从+Uz跃变为-Uz。,二、滞回比较器中的正反馈,正反馈的引入加快了输出电压的转换速度，即使uo迅速从一种状态转换为另一种状态，从而获得较为理想的电压传输特性。,三、滞回比较器设计中的问题,为使电压传输特性曲线横向平移，可在R1的接地端改接外加基准电压UREF。,ui,uo,-,+,R1,R2,UREF,为使电压传输特性曲线纵向平移，可用稳压二极管限幅电路。,要改变电压传输特性曲线的跃变方向，可将电路中的输入端和R1的接地端互换。,ui,uo,-,+,R1,R2,ui,
