模電課件-8波形的發(fā)生和信號(hào)的轉(zhuǎn)換

2023/9/2模電第八章波形的發(fā)生和信號(hào)的轉(zhuǎn)換2023/9/2模電第八章波形的發(fā)生和信號(hào)的轉(zhuǎn)換§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信號(hào)的轉(zhuǎn)換2023/9/2模電§8.1

正弦波振蕩電路一、正弦波振蕩的條件和電路的組成二、RC正弦波振蕩電路三、LC正弦波振蕩電路四、石英晶體正弦波振蕩電路2023/9/2模電一、正弦波振蕩的條件和電路的組成1.正弦波振蕩的條件無(wú)外加信號(hào)，輸出一定頻率一定幅值的信號(hào)。與負(fù)反饋放大電路振蕩的不同之處：在正弦波振蕩電路中引入的是正反饋，且振蕩頻率可控。在電擾動(dòng)下，對(duì)于某一特定頻率f0的信號(hào)形成正反饋：

由于半導(dǎo)體器件的非線性特性及供電電源的限制，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，穩(wěn)定在一定的幅值。。2023/9/2模電1.正弦波振蕩的條件

一旦產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩，則電路的輸出量自維持，即幅值平衡條件相位平衡條件起振條件：

要產(chǎn)生正弦波振蕩，必須有滿足相位條件的f0，且在合閘通電時(shí)對(duì)于f=f0信號(hào)有從小到大直至穩(wěn)幅的過(guò)程，即滿足起振條件。2023/9/2模電2.起振與穩(wěn)幅：輸出電壓從幅值很小、含有豐富頻率，到僅有一種頻率且幅值由小逐漸增大直至穩(wěn)幅。很多種頻率2023/9/2模電頻率逐漸變?yōu)閱我?023/9/2模電振幅越來(lái)越大2023/9/2模電趨于穩(wěn)幅2023/9/2模電2.起振與穩(wěn)幅電路如何從起振到穩(wěn)幅？穩(wěn)定的振幅非線性環(huán)節(jié)的必要性！2023/9/2模電3.基本組成部分1)放大電路：放大作用2)正反饋網(wǎng)絡(luò)：滿足相位條件3)選頻網(wǎng)絡(luò)：確定f0，保證電路產(chǎn)生正弦波振蕩4)非線性環(huán)節(jié)（穩(wěn)幅環(huán)節(jié)）：穩(wěn)幅1)是否存在主要組成部分；2)放大電路能否正常工作，即是否有合適的Q點(diǎn)，信號(hào)是否可能正常傳遞，沒(méi)有被短路或斷路；3)是否滿足相位條件，即是否存在f0，是否可能振蕩

；4)是否滿足幅值條件，即是否一定振蕩。常合二為一4、分析方法2023/9/2模電相位條件的判斷方法：瞬時(shí)極性法

斷開(kāi)反饋，在斷開(kāi)處給放大電路加f＝f0的信號(hào)Ui，且規(guī)定其極性，然后根據(jù)

Ui的極性→Uo的極性→Uf的極性若Uf與Ui極性相同，則電路可能產(chǎn)生自激振蕩；否則電路不可能產(chǎn)生自激振蕩。

在多數(shù)正弦波振蕩電路中，輸出量、凈輸入量和反饋量均為電壓量。極性？2023/9/2模電5.分類常用選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件分類。1)RC正弦波振蕩電路：1兆赫以下2)LC正弦波振蕩電路：幾百千赫～幾百兆赫3)石英晶體正弦波振蕩電路：振蕩頻率穩(wěn)定2023/9/2模電二、RC

正弦波振蕩電路1.

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)低頻段高頻段

在頻率從0～∞中必有一個(gè)頻率f0，φF＝0o。2023/9/2模電RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)當(dāng)f=f0時(shí)，不但φ=0，且最大，為1/3。2023/9/2模電1)是否可用共射放大電路？2)是否可用共集放大電路？3)是否可用共基放大電路？4)是否可用兩級(jí)共射放大電路？2.電路組成

應(yīng)為RC串并聯(lián)網(wǎng)路配一個(gè)電壓放大倍數(shù)略大于3、輸入電阻趨于無(wú)窮大、輸出電阻趨于0的放大電路。不符合相位條件不符合幅值條件輸入電阻小、輸出電阻大，影響f0

可引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使電壓放大倍數(shù)大于3，且Ri大、Ro小，對(duì)f0影響小2023/9/2模電3.

RC橋式正弦波振蕩電路（文氏橋振蕩器）用同相比例運(yùn)算電路作放大電路。

因同相比例運(yùn)算電路有非常好的線性度，故R或Rf

用熱敏電阻，或加二極管作為非線性環(huán)節(jié)。文氏橋振蕩器的特點(diǎn)？

以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)、并引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成橋路，一對(duì)頂點(diǎn)作為輸出電壓，一對(duì)頂點(diǎn)作為放大電路的凈輸入電壓，就構(gòu)成文氏橋振蕩器。2023/9/2模電頻率可調(diào)的文氏橋振蕩器

改變電容以粗調(diào)，改變電位器滑動(dòng)端以微調(diào)。

加穩(wěn)壓管可以限制輸出電壓的峰-峰值。同軸電位器2023/9/2模電討論一：合理連接電路，組成文氏橋振蕩電路2023/9/2模電討論二：判斷圖示電路有可能產(chǎn)生正弦波振蕩嗎？RC移項(xiàng)式電路RC雙T選頻網(wǎng)絡(luò)

選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)是兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)。1)RC移相電路有幾級(jí)才可能產(chǎn)生正弦波振蕩？2)若R和C互換呢？正反饋網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)2023/9/2模電三、LC正弦波振蕩電路

1.

LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性

理想LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在諧振時(shí)呈純阻性，且阻抗無(wú)窮大。諧振頻率為在損耗較小時(shí)，品質(zhì)因數(shù)及諧振頻率損耗

在f＝f0時(shí)，電容和電感中電流各約為多少？網(wǎng)絡(luò)的電阻為多少？2023/9/2模電

構(gòu)成正弦波振蕩電路最簡(jiǎn)單的做法是通過(guò)變壓器引入反饋。附加相移LC選頻放大電路→正弦波振蕩電路

當(dāng)f=f0時(shí)，電壓放大倍數(shù)的數(shù)值最大，且附加相移為0。共射電路φA=-π2023/9/2模電2.變壓器反饋式電路C1是必要的嗎？特點(diǎn)：易振，波形較好；耦合不緊密，損耗大，頻率穩(wěn)定性不高。分析電路是否可能產(chǎn)生正弦波振蕩的步驟：1)是否存在四個(gè)組成部分2)放大電路是否能正常工作3)是否滿足相位條件4)是否可能滿足幅值條件

為使N1、N2耦合緊密，將它們合二為一，組成電感反饋式電路。必須有合適的同銘端！為什么用分立元件放大電路如何組成？2023/9/2模電3.電感反饋式電路反饋電壓取自哪個(gè)線圈？反饋電壓的極性？必要嗎？

電感的三個(gè)抽頭分別接晶體管的三個(gè)極，故稱之為電感三點(diǎn)式電路。電路特點(diǎn)？2023/9/2模電3.電感反饋式電路特點(diǎn)：耦合緊密，易振，振幅大，C用可調(diào)電容可獲得較寬范圍的振蕩頻率。波形較差，常含有高次諧波。

由于電感對(duì)高頻信號(hào)呈現(xiàn)較大的電抗，故波形中含高次諧波，為使振蕩波形好，采用電容反饋式電路。2023/9/2模電4.電容反饋式（電容三點(diǎn)式）電路

若要振蕩頻率高，則L、C1、C2的取值就要小。當(dāng)電容減小到一定程度時(shí)，晶體管的極間電容將并聯(lián)在C1和C2上，影響振蕩頻率。特點(diǎn)：波形好，振蕩頻率調(diào)整范圍小，適于頻率固定的場(chǎng)合。與放大電路參數(shù)無(wú)關(guān)作用？2023/9/2模電四、石英晶體正弦波振蕩電路SiO2結(jié)晶體按一定方向切割的晶片。壓電效應(yīng)和壓電振蕩：機(jī)械變形和電場(chǎng)的關(guān)系固有頻率只決定于其幾何尺寸，故非常穩(wěn)定。容性感性阻性

一般LC選頻網(wǎng)絡(luò)的Q為幾百，石英晶體的Q可達(dá)104～106；前者Δf/f為10－5，后者可達(dá)10－10～10－11。1.石英晶體的特點(diǎn)2023/9/2模電2.電路①石英晶體工作在哪個(gè)區(qū)？②是哪種典型的正弦波振蕩電路？①石英晶體工作在哪個(gè)區(qū)？②兩級(jí)放大電路分別為哪種基本接法？③C1的作用？（1）并聯(lián)型電路（2）串聯(lián)型電路2023/9/2模電討論三：改錯(cuò)，使電路有可能產(chǎn)生正弦波振蕩同名端對(duì)嗎？放大電路能放大嗎？各電容的作用？2023/9/2模電討論四同銘端？能產(chǎn)生正弦波振蕩嗎？“判振”時(shí)的注意事項(xiàng)：1.放大電路必須能夠正常工作，放大電路的基本接法；2.斷開(kāi)反饋，在斷開(kāi)處加f=f0的輸入電壓；3.找出在哪個(gè)元件上獲得反饋電壓，是否能取代輸入電壓。三個(gè)電路有什么相同之處？這樣的電路形式有什么好處？2023/9/2模電§8.2

電壓比較器一、概述二、單限比較器三、滯回比較器四、窗口比較器五、集成電壓比較器2023/9/2模電一、概述1.電壓比較器的功能：比較電壓的大小。輸入電壓是模擬信號(hào)；輸出電壓表示比較的結(jié)果，只有高電平和低電平兩種情況，為二值信號(hào)。使輸出產(chǎn)生躍變的輸入電壓稱為閾值電壓。廣泛用于各種報(bào)警電路。2.電壓比較器的描述方法

:電壓傳輸特性u(píng)O＝f(uI)電壓傳輸特性的三個(gè)要素：（1）輸出高電平UOH和輸出低電平UOL（2）閾值電壓UT（3）輸入電壓過(guò)閾值電壓時(shí)輸出電壓躍變的方向2023/9/2模電3.幾種常用的電壓比較器（1）單限比較器：只有一個(gè)閾值電壓（3）窗口比較器：有兩個(gè)閾值電壓，輸入電壓?jiǎn)握{(diào)變化時(shí)輸出電壓躍變兩次。（2）滯回比較器：具有滯回特性輸入電壓的變化方向不同，閾值電壓也不同，但輸入電壓?jiǎn)握{(diào)變化使輸出電壓只躍變一次?；夭铍妷海?023/9/2模電4、集成運(yùn)放的非線性工作區(qū)電路特征：集成運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)或僅引入正反饋理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特點(diǎn)：1)凈輸入電流為02)uP>uN時(shí)，

uO＝＋UOMuP<uN時(shí)，

uO＝－UOM無(wú)源網(wǎng)絡(luò)5、教學(xué)基本要求

1)電路的識(shí)別及選用；2)電壓傳輸特性的分析。2023/9/2模電二、單限比較器（1）UT＝0（2）UOH＝＋UOM，UOL＝－UOM（3）uI>0時(shí)uO＝－UOM;uI<0時(shí)uO＝＋UOM

集成運(yùn)放的凈輸入電壓等于輸入電壓，為保護(hù)集成運(yùn)放的輸入級(jí)，需加輸入端限幅電路。二極管限幅電路使凈輸入電壓最大值為±UD1.過(guò)零比較器必要嗎？2023/9/2模電輸出限幅電路

為適應(yīng)負(fù)載對(duì)電壓幅值的要求，輸出端加限幅電路。UOH＝＋UZ1＋UD2

UOL＝－(UZ2＋UD1)UOH＝

－

UOL＝UZUOH＝UZ

UOL＝－UD

不可缺少！為使UOL接近0，怎么辦？鍺管2023/9/2模電輸出限幅電路uO＝±UZ（1）保護(hù)輸入端（2）加速集成運(yùn)放狀態(tài)的轉(zhuǎn)換電壓比較器的分析方法：（1）寫出uP、uN的表達(dá)式，令uP＝uN，求解出的uI即為UT；（2）根據(jù)輸出端限幅電路決定輸出的高、低電平；（3）根據(jù)輸入電壓作用于同相輸入端還是反相輸入端決定輸出電壓的躍變方向。2023/9/2模電2.一般單限比較器（1）若要UT<0，則應(yīng)如何修改電路？（2）若要改變曲線躍變方向，則應(yīng)如

何修改電路？（3）若要改變UOL、UOH呢？作用于反相輸入端2023/9/2模電三、滯回比較器1.閾值電壓2023/9/2模電2.工作原理及電壓傳輸特性

設(shè)uI＜－UT，則uN＜uP，

uO＝+UZ。此時(shí)uP＝+UT，增大

uI，直至+UT，再增大，

uO才從+UZ躍變?yōu)椋璘Z。

設(shè)uI＞+UT，則uN＞uP，

uO＝－UZ。此時(shí)uP＝－UT，減小

uI，直至－UT，再減小，

uO才從－UZ躍變?yōu)?UZ。2023/9/2模電1.若要電壓傳輸特性曲線左右移動(dòng)，則應(yīng)如何修改電路？討論一：如何改變滯回比較器的電壓傳輸特性2.若要電壓傳輸特性曲線上下移動(dòng)，則應(yīng)如何修改電路？3.若要改變輸入電壓過(guò)閾值電壓時(shí)輸出電壓的躍變方向，則應(yīng)如何修改電路？改變輸出限幅電路向左右移多少？2023/9/2模電四、窗口比較器當(dāng)uI>URH時(shí)，uO1=－uO2=UOM，D1導(dǎo)通，D2截止；uO=UZ。當(dāng)uI<URL時(shí)，uO2=－uO1=UOM，D2導(dǎo)通，D1截止；uO=UZ

。當(dāng)URL<uI<URH時(shí)，uO1=uO2=－UOM，D1、D2均截止；uO=0。2023/9/2模電特點(diǎn)：1.無(wú)需限幅電路，根據(jù)所需輸出高、低電平確定電源電壓；2.可直接驅(qū)動(dòng)集成數(shù)字電路；3.應(yīng)用靈活，可具有選通端；五、集成比較器某型號(hào)集成比較器的等效電路4.響應(yīng)速度快；5.電源電壓升高，工作電流增大，工作速度加快。2023/9/2模電討論二：電路的識(shí)別及電壓傳輸特性的求解

已知某型號(hào)集成電壓比較器內(nèi)部等效電路如圖（a）所示，試判斷各電路屬于哪種類型電壓比較器，標(biāo)出2、3的極性，并求解圖（b）～（e）各電路的電壓傳輸特性。若要有選通端，則應(yīng)如何修改？uC2023/9/2模電討論三：從電壓傳輸特性識(shí)別電路，畫波形

已知各電壓比較器的電壓傳輸特性如圖所示，說(shuō)出它們各為哪種電壓比較器；輸入電壓為5sinωt(V)，畫出各電路輸出電壓的波形。

你能分別組成具有圖示電壓傳輸特性的電壓比較器電路嗎？同相輸入單限比較器反相輸入滯回比較器窗口比較器2023/9/2模電討論四：帶有二極管電路的分析方法

首先應(yīng)判斷二極管的工作狀態(tài)，它們決定于集成運(yùn)放的輸出電壓是高電平還是低電平。UT=？UOL=？UOH=？2023/9/2模電討論五：電子電路時(shí)測(cè)量信號(hào)的選擇

現(xiàn)有信號(hào)：①通頻帶內(nèi)某一頻率的交流小信號(hào)；②頻率很低（如10Hz）且幅值足夠大的三角波或鋸齒波；③固定的小幅值且足夠頻率范圍的交流小信號(hào)；④足夠幅值的階躍信號(hào)。請(qǐng)?jiān)诶ㄌ?hào)內(nèi)填寫上述信號(hào)①、②、③、④中的一種。（1）測(cè)量集成運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率SR，應(yīng)用

；（2）測(cè)量放大電路的電壓放大倍數(shù)，應(yīng)用

；（3）測(cè)量放大電路的輸入電阻和輸出電阻，應(yīng)用

；（4）測(cè)量放大電路的通頻帶，應(yīng)用

；（5）放大電路的電壓傳輸特性，應(yīng)用

。2023/9/2模電討論六：利用Multisim分析電壓傳輸特性2023/9/2模電§8.3非正弦波發(fā)生電路一、常見(jiàn)的非正弦波二、矩形波發(fā)生電路三、三角波發(fā)生電路四、鋸齒波發(fā)生電路五、波形變換電路2023/9/2模電一、常見(jiàn)的非正弦波矩形波三角波鋸齒波尖頂波階梯波矩形波是基礎(chǔ)波形，可通過(guò)波形變換得到其它波形。通過(guò)什么電路可將矩形波變?yōu)槠渌鼛追N波形？2023/9/2模電二、矩形波發(fā)生電路

輸出無(wú)穩(wěn)態(tài)，有兩個(gè)暫態(tài)；若輸出為高電平時(shí)定義為第一暫態(tài)，則輸出為低電平為第二暫態(tài)。1.基本組成部分

（1）開(kāi)關(guān)電路：因?yàn)檩敵鲋挥懈唠娖胶偷碗娖絻煞N情況，即兩個(gè)暫態(tài)；故采用電壓比較器。

（2）反饋網(wǎng)絡(luò)：因需自控，在輸出為某一暫態(tài)時(shí)孕育翻轉(zhuǎn)成另一暫態(tài)的條件，故應(yīng)引入反饋。

（3）延遲環(huán)節(jié)：要使兩個(gè)暫態(tài)均維持一定的時(shí)間，故采用RC環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，從而決定振蕩頻率。2023/9/2模電2.電路組成正向充電：

uO（+UZ）→R→C→地反向充電：地→C→R→uO（－UZ）RC回路滯回比較器2023/9/2模電3.工作原理：分析方法方法一：設(shè)電路已振蕩，且在某一暫態(tài)，看是否能自動(dòng)翻轉(zhuǎn)為另一暫態(tài)，并能再回到原暫態(tài)。方法二：電路合閘通電，分析電路是否有兩個(gè)暫態(tài)，而無(wú)穩(wěn)態(tài)。

設(shè)合閘通電時(shí)電容上電壓為0，uO上升，則產(chǎn)生正反饋過(guò)程：

uO↑→uP↑→uO↑↑，直至uO＝UZ，uP＝+UT，為第一暫態(tài)。2023/9/2模電3.工作原理：

電容正向充電，t↑→uN↑，t→∞，uN→UZ；但當(dāng)uN＝+UT時(shí)，再增大，uO從+UZ躍變?yōu)椋璘Z，uP＝－UT，電路進(jìn)入第二暫態(tài)。

電容反向充電，t↑→uN↓，t→∞，uN→－UZ；但當(dāng)uN＝－UT時(shí)，再減小，uO從－UZ躍變?yōu)?UZ，uP＝+UT，電路返回第一暫態(tài)。第一暫態(tài)：uO＝UZ，uP＝+UT。2023/9/2模電脈沖寬度4.波形分析2023/9/2模電5.占空比可調(diào)電路為了占空比調(diào)節(jié)范圍大，R3應(yīng)如何取值？

正向充電和反向充電時(shí)間常數(shù)可調(diào)，占空比就可調(diào)。2023/9/2模電三、三角波發(fā)生電路

1.電路組成用積分運(yùn)算電路可將方波變?yōu)槿遣?。兩個(gè)RC環(huán)節(jié)實(shí)際電路將兩個(gè)RC環(huán)節(jié)合二為一為什么采用同相輸入的滯回比較器？uO要取代uC，必須改變輸入端。集成運(yùn)放應(yīng)用電路的分析方法：化整為零（分塊），分析功能（每塊），統(tǒng)觀整體，性能估算2023/9/2模電2.工作原理滯回比較器積分運(yùn)算電路求滯回比較器的電壓傳輸特性：三要素

UOH=－UOL=UZ

，uI作用于集成運(yùn)放的同相輸入端，求UT：2023/9/2模電

合閘通電，通常C上電壓為0。設(shè)uO1↑→uP1↑→uO1↑↑，直至uO1

＝UZ（第一暫態(tài)）；積分電路反向積分，t↑→uO↓，一旦uO過(guò)－UT，uO1從＋UZ躍變?yōu)椋璘Z（第二暫態(tài)）

。積分電路正向積分，t↑→uO↑，一旦uO過(guò)＋UT，uO1從－UZ躍變?yōu)椋玌Z，返回第一暫態(tài)。重復(fù)上述過(guò)程，產(chǎn)生周期性的變化，即振蕩。

電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)，uP1=?三角波發(fā)生電路的振蕩原理2023/9/2模電3.波形分析

如何調(diào)整三角波的幅值和頻率？怎樣修改可獲得鋸齒波？“理性地調(diào)試”：哪些參數(shù)與幅值有關(guān)？哪些參數(shù)與頻率有關(guān)？先調(diào)哪個(gè)參數(shù)？T/22023/9/2模電四、鋸齒波發(fā)生電路1.R3應(yīng)大些？小些？2.RW的滑動(dòng)端在最上端和最下端時(shí)的波形？≈T3.R3短路時(shí)的波形？若由輸入電壓確定，則將電壓轉(zhuǎn)換為頻率2023/9/2模電五、波形變換電路1.利用基本電路實(shí)現(xiàn)波形變換

正弦波變方波、變矩形波、變二倍頻，方波變?nèi)遣?，三角波變方波，固定頻率的三角波變正弦波如何得到？利用電子開(kāi)關(guān)改變比例系數(shù)2.三角波變鋸齒波：二倍頻2023/9/2模電

三角波用傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，除基波外，還含有3次、5次……諧波。3.三角波變正弦波若輸入信號(hào)的頻率變化不大，則可用濾波法實(shí)現(xiàn)。范圍是什么？若輸入信號(hào)的頻率變化較大，則可用折線法實(shí)現(xiàn)。2023/9/2模電討論一已知uO1和uO2的峰-峰值均為10V，二極管為理想二極管。

1.求出穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ和R4的阻值；

2.定性畫出uO1、uO2的波形圖；

3.求解q的表達(dá)式。2023/9/2模電討論二：設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)將峰值為1V、頻率為100Hz的正弦波輸入電壓變換為峰值為5V、頻率為200Hz鋸齒波電壓的電路。2023/9/2模電§8.3

信號(hào)的轉(zhuǎn)換一、概述二、u-i轉(zhuǎn)換電路三、精密整流電路四、u-f轉(zhuǎn)換電路2023/9/2模電一、概述信號(hào)的發(fā)送：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相信號(hào)的接收：解調(diào)信號(hào)對(duì)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)：i-u，u-i信號(hào)的預(yù)處理：AC-DC（整流、檢波、濾波）DC-AC（斬波）信號(hào)的