第八章波形產(chǎn)生與變換電路

1、(8-1)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 利用集成電路實(shí)現(xiàn)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路(8-2) 正弦波振蕩電路能產(chǎn)生正弦波輸出，它是在放大電路的基礎(chǔ)上加上正反饋正反饋而形成的，它是各類(lèi)波形發(fā)生器和信號(hào)源的核心電路。正弦波發(fā)生電路也稱(chēng)為正弦波振蕩電路或正弦波振蕩器。 8.1.1 產(chǎn)生正弦波的條件 8.1.2 RC正弦波振蕩電路 8.1.3 LC正弦波振蕩電路 8.1.4 石英晶體正弦振蕩電路(8-3)8.1.1 產(chǎn)生正弦波的條件一、 正弦波發(fā)生電路的組成 二、 產(chǎn)生正弦波的條件 三、 起振條件和穩(wěn)幅原理(8-4)一、正弦波發(fā)生電路的組成 為了產(chǎn)生正弦波，必須在放大電路

2、里加入正反饋，因此放大電路和正反饋網(wǎng)絡(luò)是振蕩電路的最主要部分。但是，這樣兩部分構(gòu)成的振蕩器一般得不到正弦波，這是由于很難控制正反饋的量。 如果正反饋量大，則增幅，輸出幅度越來(lái)越大，最后由三極管的非線(xiàn)性限幅，這必然產(chǎn)生非線(xiàn)性失真。 反之，如果正反饋量不足，則減幅，可能停振，為此振蕩電路要有一個(gè)穩(wěn)幅電路。(8-5) 為了獲得單一頻率的正弦波輸出，應(yīng)該有選頻網(wǎng)絡(luò)，選頻網(wǎng)絡(luò)往往和正反饋網(wǎng)絡(luò)或放大電路合二為一。選頻網(wǎng)絡(luò)由R、C和L、C等電抗性元件組成。正弦波振蕩器的名稱(chēng)一般由選頻網(wǎng)絡(luò)來(lái)命名。正弦波發(fā)生電路的組成正弦波發(fā)生電路的組成 ： 1 1、放大電路放大電路 2 2、正反饋網(wǎng)絡(luò)正反饋網(wǎng)絡(luò) 3 3、選頻

3、網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò) 4 4、穩(wěn)幅電路穩(wěn)幅電路(8-6)二、 產(chǎn)生正弦波的條件 產(chǎn)生正弦波的條件與負(fù)反饋放大電路產(chǎn)生自激的條件十分類(lèi)似。只不過(guò)負(fù)反饋放大電路中是由于信號(hào)頻率達(dá)到了通頻帶的兩端，產(chǎn)生了足夠的附加相移，從而使負(fù)反饋?zhàn)兂闪苏答?。在振蕩電路中加的就是正反饋，振蕩建立后只是一種頻率的信號(hào)，無(wú)所謂附加相移。(8-7)FAAA1f 振蕩條件 幅值平衡條件 相位平衡條件 1FA1FAAF = A+ F= 2n(a) 負(fù)反饋放大電路 (b) 正反饋振蕩電路 0iXfiXX(8-8)1|FA 振蕩器在剛剛起振時(shí)，為了克服電路中的損耗，需要正反饋強(qiáng)一些，即要求 這稱(chēng)為起振條件。三、 起振條件和穩(wěn)幅原理1.

4、|.|FA 既然 ，起振后就要產(chǎn)生增幅振蕩，需要靠三極管放大信號(hào)運(yùn)用時(shí)的非線(xiàn)性特性去限制幅度的增加，這就要靠選頻網(wǎng)絡(luò)的作用，選出失真波形的基波分量作為輸出信號(hào)，以獲得正弦波輸出。(8-9) 也可以在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線(xiàn)性穩(wěn)幅也可以在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線(xiàn)性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)放大電路的增益，從而達(dá)環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)放大電路的增益，從而達(dá)到穩(wěn)幅的目的。這在下面具體的振蕩電路到穩(wěn)幅的目的。這在下面具體的振蕩電路中加以介紹。中加以介紹。(8-10)n4、判斷電路是否滿(mǎn)足正弦波振動(dòng)的幅值條件，即是否滿(mǎn)足起振條件。圖8.1.3 利用瞬時(shí)極性法判斷相位條件返回(8-11)8.1.2 RC正弦波振蕩電路一、 RC串并聯(lián)

5、選頻網(wǎng)絡(luò) 二、 RC文氏橋振蕩器圖11.03 RC文氏橋振蕩電路(8-12)圖8.1.4 RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)及其在低頻段和高頻段的等效電路低頻段等效電路及向量圖高頻段等效電路及向量圖(8-13)一、 RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng) RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的電路如圖所示。RC串聯(lián)臂的阻抗用Z1表示，RC并聯(lián)臂的阻抗用Z2表示。其頻率響應(yīng)如下:)j/1 (111CRZ222222j1 )j/1/(CRRCRZ圖RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(8-14)1)122C1RCR1j()1 (2121CRCRR/j+)Cj/1 (2122221112RCCRCRRR)j1()Cj/1 (222112RCRRR諧振頻率為: f0=)

6、j1/(+)Cj/1 ()j1/(22211222212CRRRCRRZZZNoImageFRC21)1(31RCRCjRC10令(8-15)幅頻特性:相頻特性:F 當(dāng) f=f0 時(shí)的反饋系數(shù) ,且與頻率f0的大小無(wú)關(guān)。此時(shí)的相角 F=0。即改變頻率不會(huì)影響反饋系數(shù)和相角，在調(diào)節(jié)諧振頻率的過(guò)程中，不會(huì)停振，也不會(huì)使輸出幅度改變。有關(guān)曲線(xiàn)見(jiàn)圖11.02(b)。 31F20022122121221)(31)1()1 (1CRCRCCRR3arctg11arctg0012211221FCCRRCRCR31F(8-16)圖RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線(xiàn)(8-17)二、 RC文氏橋振蕩電路 (1) RC文

7、氏橋振蕩電路的構(gòu)成文氏橋振蕩電路的構(gòu)成 RC文氏橋振蕩電路如圖所示，文氏橋振蕩電路如圖所示，RC 串并聯(lián)串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是正反饋網(wǎng)絡(luò)，另外還增加了網(wǎng)絡(luò)是正反饋網(wǎng)絡(luò)，另外還增加了R3和和R4負(fù)反負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。饋網(wǎng)絡(luò)。 C1、R1和C2、R2正反饋支路與R3、R4負(fù)反饋支路正好構(gòu)成一個(gè)橋路，稱(chēng)為文氏橋。圖 RC文氏橋振蕩電路31F(8-18)當(dāng)C1 =C2、R1 =R2時(shí): 為滿(mǎn)足振蕩的幅度條件 =1，所以Af3。加入R3、R4支路，構(gòu)成串聯(lián)電壓負(fù)反饋。FA31ofVVFF=0RCff2103143fRRA432RR (8-19)圖8.1.7 RC橋式正弦波振蕩電路(8-20) (2) RC文氏橋振蕩電路

8、的穩(wěn)幅過(guò)程 RC文氏橋振蕩 電路的穩(wěn)幅作用是 靠熱敏電阻R4實(shí)現(xiàn) 的。R4是正溫度系數(shù)熱敏電阻，當(dāng)輸出電壓升高，R4上所加的電壓升高，即溫度升高，R4的阻值增加，負(fù)反饋增強(qiáng)，輸出幅度下降。反之輸出幅度增加。若熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)，應(yīng)放置在R3的位置。(8-21)圖8.1.8 利用二極管作為非線(xiàn)性環(huán)節(jié)(8-22)圖8.1.9 振蕩頻率連續(xù)可調(diào)的RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)粗調(diào)細(xì)調(diào)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 振蕩頻率穩(wěn)振蕩頻率穩(wěn)定，帶負(fù)載能定，帶負(fù)載能力強(qiáng)，輸出電力強(qiáng)，輸出電壓失真小。壓失真小。缺點(diǎn)：用于振缺點(diǎn)：用于振蕩頻率小于蕩頻率小于1MHZ的場(chǎng)合的場(chǎng)合(8-23)8.1.3 LC正弦波振蕩電路 LC正弦波振蕩電路的

9、構(gòu)成與RC正弦波振蕩電路相似，包括有放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅電路。這里的選頻網(wǎng)絡(luò)是由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成，正反饋網(wǎng)絡(luò)因不同類(lèi)型的LC正弦波振蕩電路而有所不同。 一、LC并聯(lián)諧振電路的頻率響應(yīng) 二、變壓器反饋LC振蕩器 三、電感三點(diǎn)式LC振蕩器(8-24)一、一、LC并聯(lián)諧振電路的頻率響應(yīng)并聯(lián)諧振電路的頻率響應(yīng) LC并聯(lián)諧振電路如圖所示。顯然輸出電壓是頻率的函數(shù)： )()(ioVfV 輸入信號(hào)頻率過(guò)高，電容的旁路作用加強(qiáng)，輸出減??；反之頻率太低，電感將短路輸出。并聯(lián)諧振曲線(xiàn)如圖11.05（b）所示。 （a）LC并聯(lián)諧振電路圖LC并聯(lián)諧振電路與并聯(lián)諧振曲線(xiàn) （b）并聯(lián)諧振曲線(xiàn)(8-25

10、)諧振時(shí) 諧振頻率0100CLLCf210 諧振時(shí)電感支路電流或電容支路電流與總電流之比，稱(chēng)為并聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)CRRLIIIIQ00CL/1/ 考慮電感支路的損耗，用R表示，如圖11.06所示。 圖11.06 有損耗的諧振電路(8-26) 對(duì)于圖11.05(b)的諧振曲線(xiàn)，Q值大的曲線(xiàn)較陡較窄，圖中Q1Q2。并聯(lián)諧振電路的諧振阻抗CLQCQLQRCLZ000諧振時(shí)LC并聯(lián)諧振電路相當(dāng)一個(gè)電阻。圖8.1.11 LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)電抗的頻率特性(8-27)圖8.1.12 選頻放大電路(8-28)二、變壓器反饋二、變壓器反饋LC振蕩電路振蕩電路圖11.07變壓器反饋LC振蕩電路變壓器反饋LC振蕩電路

11、如圖11.07所示。 LC并聯(lián)諧振電路作為三極管的負(fù)載，反饋線(xiàn)圈L2與電感線(xiàn)圈相耦合,將反饋信號(hào)送入三極管的輸入回路。交換反饋線(xiàn)圈的兩個(gè)線(xiàn)頭，可使反饋極性發(fā)生變化。調(diào)整反饋線(xiàn)圈的匝數(shù)可以改變反饋信號(hào)的強(qiáng)度，以使正反饋的幅度條件得以滿(mǎn)足。(8-29) 有關(guān)同名端的極性 請(qǐng)參閱圖11.08。 圖11.08 同名端的極性 變壓器反饋LC振蕩 電路的振蕩頻率與并聯(lián)LC諧振電路相同，為L(zhǎng)Cf210(8-30)三、電感三點(diǎn)式LC振蕩器 圖11.09 為電感三點(diǎn)式LC振蕩電路。電感線(xiàn)圈L1和L2是一個(gè)線(xiàn)圈，2點(diǎn)是中間抽頭。如果設(shè)某個(gè)瞬間集電極電流減小，線(xiàn)圈上的瞬時(shí)極性如圖所示。反饋到發(fā)射極的極性對(duì)地為正，圖

12、中三極管是共基極接法，所以使發(fā)射結(jié)的凈輸入減小，集電極電流減小，符合正反饋的相位條件。 圖11.09 電感三點(diǎn)式LC振蕩器（CB） 圖11.10電感三點(diǎn)式LC振蕩器（CE）圖11.10 為另一種電感三點(diǎn)式LC振蕩電路。 (8-31) 分析三點(diǎn)式LC振蕩電路常用如下方法，將諧振回路的阻抗折算到三極管的各個(gè)電極之間，有Zbe、Zce、Zcb ,如圖11.11所示。 圖11.11 三點(diǎn)式振蕩器 對(duì)于圖11.09 Zbe是L2、 Zce是L1、 Zcb是C。可以證明若滿(mǎn)足相位平衡條件， Zbe和Zce必須同性質(zhì)，即同為電容或同為電感，且與Zcb性質(zhì)相反。(8-32)CLf021 電感三點(diǎn)式LC振蕩 電

13、路的振蕩頻率為MLLL221 (8-33)四、電容三點(diǎn)式LC振蕩電路 與電感三點(diǎn)式LC振蕩電路類(lèi)似的有電容三點(diǎn)式LC振蕩電路，見(jiàn)圖11.12。（a）CB組態(tài) （b）CE組態(tài) 圖11.12 電容三點(diǎn)式LC振蕩電路P 403(8-34)021LCf 電容三點(diǎn)式LC振蕩 電路的振蕩頻率為2121CCCCC (8-35)圖8.1.23 采用共基放大電路的 電容反饋式振蕩電路(8-36)圖8.1.24 例8.1.2 電路圖 (8-37)圖8.1.25 例8.1.3 電路圖圖8.1.26 例8.1.25 所示電路的改正電路(8-38)例11.1：圖11.13為一個(gè)三點(diǎn)式振蕩電路 試判斷是否滿(mǎn)足相位平衡條件

14、。 (a) (b) 圖11.13 例題11.1的電路圖(8-39)圖8.1.27 石英晶體諧振器的 結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)(8-40)圖8.1.28 石英晶體的等效電路 及其頻率特性(8-41)二、石英晶體LC振蕩電路圖 石英晶體的電抗曲線(xiàn)(8-42)圖8.1.30 串聯(lián)型石英晶體振蕩電路(8-43)8.2 電壓比較器8.2.1 概述8.2.2 單限比較器8.2.3 滯回比較器8.2.4 窗口比較器8.2.5 集成電壓比較器(8-44)8.2.1 概述一、固定幅度比較器一、固定幅度比較器 二、滯回比較器二、滯回比較器 三、窗口比較器三、窗口比較器 四、比較器的應(yīng)用四、比較器的應(yīng)用 比較器是將一個(gè)模擬

15、電壓信號(hào)與一個(gè)基準(zhǔn)電壓相比較的電路。 常用的幅度比較電路有電壓幅度比較器、窗口比較器和具有滯回特性的比較器。這些比較器的閾值是固定的，有的只有一個(gè)閾值，有的具有兩個(gè)閾值。(8-45)(ioufu Ui是模擬信號(hào) ， uo有兩種狀態(tài) UOH 和 UOL，閾值（轉(zhuǎn)折）電壓數(shù)值 UT(8-46)圖8.2.1 集成運(yùn)放工作在非線(xiàn)性區(qū)的 電路特點(diǎn)及其電壓傳輸特性(8-47)圖8.2.2 電壓比較器電壓傳輸特性舉例(8-48) 過(guò)零電壓比較器是典型的幅度比較電路，它的電路圖和傳輸特性曲線(xiàn)如圖14.01所示。8.2.2單限比較器單限比較器圖8.2.3 過(guò)零比較器及其電壓傳輸特性(8-49)圖8.2.4 電壓

16、比較器輸入級(jí)的保護(hù)電路(8-50) 將過(guò)零電壓比較器的一個(gè)輸入端從接地改接到一個(gè)電壓值V VREFREF 上 , 就得到電壓幅度比較器，它的電路圖和傳輸特性曲線(xiàn)如圖14.02所示。 圖14.02 固定電壓比較器(a)電路圖(b)傳輸特性曲線(xiàn)(8-51)(2)比較器的基本特點(diǎn) 工作在開(kāi)環(huán)或正反饋狀態(tài)。 開(kāi)關(guān)特性，因開(kāi)環(huán)增益很大，比較器的輸出只有高電平和低電平兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。 非線(xiàn)性，因大幅度工作，輸出和輸入不成線(xiàn)性關(guān)系。圖8.2.6 將穩(wěn)壓管接在反饋通路中(8-52)REFINuRRRuRRRu212211NREFTPNuRRuuu12閾值電壓令(8-53)圖8.2.8 例8.2.1 波形圖(8-

17、54)(8-55)正反饋ZUouINuu 反相輸入端ZPuRRRu211同相輸入端NuuP令ZuRRR211TU閾值電壓ZoNTUuuuuuPI，時(shí)，ZoTUuuuI時(shí)，ZoNTUuuuuuPI，時(shí)，ZoTUuuuI時(shí)，(8-56)REFZPuRRRuRRRu212211ZREFTuRRRuRRRu2112121NPuu ZREFTuRRRuRRRu2112122(8-57)圖8.2.11 例8.2.2 波形圖(8-58)圖8.2.12 例8.2.3 圖(8-59)二、另一種二、另一種 滯回比較器滯回比較器om21221REF1TVRRRRRVRVom21221REF1TVRRRRRVRV 從

18、輸出引一個(gè)電阻分壓支路到同相輸入端，電路如圖14.03(a)所示。當(dāng)輸入電壓vI從零逐漸增大，且 時(shí)， ， 稱(chēng)為 上限閾值(觸發(fā))電平。TIVv omOVvTV當(dāng)輸入電壓 時(shí)， ， 此時(shí)觸發(fā)電平變?yōu)?， 稱(chēng)為下限閾值(觸發(fā))電平。TIVv omOVv TV TV圖14.03(a)滯回比較 器電路圖二、另一種二、另一種 滯回比較器滯回比較器om21221REF1TVRRRRRVRVom21221REF1TVRRRRRVRV 從輸出引一個(gè)電阻分壓支路到同相輸入端，電路如圖14.03(a)所示。當(dāng)輸入電壓vI從零逐漸增大，且 時(shí)， ， 稱(chēng)為 上限閾值(觸發(fā))電平。TIVv omOVvTV當(dāng)輸入電壓

19、時(shí)， ， 此時(shí)觸發(fā)電平變?yōu)?， 稱(chēng)為下限閾值(觸發(fā))電平。TIVv omOVv TV TV圖14.03(a)滯回比較 器電路圖(8-60) 當(dāng) 逐漸減小，且 以前， 始終等于 ，因此出現(xiàn)如圖14.03(b)所示的滯回特性曲線(xiàn)。Iv TIVv OvomV回差電壓 ：Vomom212 TTVVRRRVVV圖14.03滯回比較電路 的傳輸特性(8-61)(8-62)圖8.2.13 雙限比較器及其電壓傳輸特性RLuuRHZO21OM2OOM1ORLRHIU,UU,u1工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，截止導(dǎo)通，；。必然大于、uDDDuuuuZZO12OM2OOM1ORHRLIU,UU,u2工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，截止導(dǎo)通，；。

20、必然小于、uDDDuuuuZ0,UU,u3O12OM2OOM1ORHRHIRL穩(wěn)壓管截至，截止；。必然小于、uDDuuuuu(8-63)8.2.4 窗口比較器窗口比較器 窗口比較器的電路如圖14.04所示。電路由兩個(gè)幅度比較器和一些二極管與電阻構(gòu)成。設(shè)R1 =R2，則有：DLHDCC212DCCL2=)2(21)2(=VVVVVRRRVVV 圖14.04 窗口比較器 窗口比較器的電壓傳 輸特性如下頁(yè) 圖 14.05所示。(8-64) 當(dāng)vIVH時(shí)，vO1為高電平，D3導(dǎo)通；vO2為低電平, D4截止，vO= vO1。 當(dāng)vI VL時(shí)，vO2為高 電平，D4導(dǎo)通；vO1為低 電平，D3截止，vO

21、= vO2。 當(dāng)VH vI VL時(shí)， vO1為低電平，vO2為低電 平，D3、D4截止，vO為 低電平。 圖14.05 窗口比較器的傳輸特性 信號(hào)的電位水平高于 某規(guī)定值VH的情況，相當(dāng) 比較電路正飽和輸出。 信號(hào)的電位水平低于 某規(guī)定值VL的情況，相當(dāng) 比較電路負(fù)飽和輸出。 該比較器有兩個(gè)閾值，傳輸特性曲線(xiàn)呈窗口狀， 故稱(chēng)為窗口比較器。(8-65)四、比較器的應(yīng)用四、比較器的應(yīng)用 比較器主要用來(lái)對(duì)輸入波形進(jìn)行整形，可以將不規(guī)則的輸入波形整形為方波輸出,其原理圖如圖14.06所示。(a) 正弦波變換為矩形波 (b) 有干擾正弦波變換為方波 圖14.06 用比較器實(shí)現(xiàn)波形變換(8-66)(8-6

22、7)(8-68)(8-69)(8-70)(8-71)(8-72)(8-73)(8-74)(8-75)(8-76)(8-77)8.3.1 方波發(fā)生電路8.3.2 三角波發(fā)生電路8.3.3 鋸齒波發(fā)生電路8.3.4 波形變換電路8.3.5 函數(shù)發(fā)生器 8. 3非正弦波發(fā)生電路圖8.3.1 幾種常見(jiàn)的非正弦波(8-78) 8.3.1 方波發(fā)生電路方波發(fā)生電路 方波發(fā)生電路是由滯回比較 電路和RC定時(shí)電路構(gòu)成的， 電路如圖14.07所示。(1)工作原理電源剛接通時(shí), 設(shè)21Z2PZOC, 0RRVRVVvv所以 電容C充電， 升高。參閱圖14.08。Cv圖14.07 方波發(fā)生器圖8.3.3 電壓傳輸特

23、性(8-79) 當(dāng) 時(shí)， ，所以 電容C放電， 下降。PNCVVvZOVv21Z2PRRVRVCv 當(dāng) ， 時(shí)，返回初態(tài)。PNCVVvZOVv 方波周期用過(guò)渡過(guò)程公式可以方便地求出 )21ln(212fRRCRT 圖14.08 方波發(fā)生器波形圖(8-80)(2)占空比可調(diào)的矩形波電路 顯然為了改變輸出方波的占空比，應(yīng)改變電容器C的充電和放電時(shí) 間常數(shù)。占空比可調(diào) 的矩形波電路見(jiàn)圖14.09。 C充電時(shí)，充電電流經(jīng)電位器的上半部、二極管D1、Rf； C放電時(shí)，放電電流經(jīng)Rf、二極管D2、電位器的下半部。 圖14.09 占空比可調(diào)方波發(fā)生電路 (8-81)8.3.2 三角波發(fā)生器 三角波發(fā)生器的電路如圖14.10所示。它是由滯回比較器和積分器閉環(huán)組合而成的。積分器的輸出反饋給滯回比較器，作為滯回比較器的 。REFV1.當(dāng)vO1=+VZ時(shí),則電容C 充電, 同時(shí)vO按線(xiàn)性逐 漸下降，當(dāng)使A1的VP 略低于VN 時(shí)，vO1 從 +VZ跳變?yōu)?VZ。波形 圖參閱圖14.11。 圖14.10