1、Chapter 6 波形的产生与变换波形的产生与变换2 2波形产生与变换波形产生与变换是电子技术中广泛使用的电路。是电子技术中广泛使用的电路。波形产生电路波形产生电路：在无外加输入信号的情况下，能自：在无外加输入信号的情况下，能自动产生一定波形、一定频率和幅值的交流信号。动产生一定波形、一定频率和幅值的交流信号。波形变换电路波形变换电路：能把外加输入信号的波形变换成指：能把外加输入信号的波形变换成指定的适合于系统应用和处理的波形。定的适合于系统应用和处理的波形。波形产生电路波形产生电路广泛应用于通广泛应用于通讯、广播、电视等系统。讯、广播、电视等系统。如矩形波、如矩形波、三角波、锯齿波。广泛应
2、用于测三角波、锯齿波。广泛应用于测量设备、数字系统和自控系统。量设备、数字系统和自控系统。3 34 4正弦波振荡电路的工作原理正弦波振荡电路的工作原理RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路石英晶体振荡器石英晶体振荡器5 56.1 正弦波振荡电路的工作原理正弦波振荡电路的工作原理在振荡电路中，是利用正反馈产生自激振荡。在振荡电路中，是利用正反馈产生自激振荡。但正反馈的引入只是为振荡提供了必要条件，而但正反馈的引入只是为振荡提供了必要条件，而非充分条件。非充分条件。1、正弦波振荡电路产生振荡的条件、正弦波振荡电路产生振荡的条件dfUU 若若，则环路输出可得到持续稳定的正弦
3、波。，则环路输出可得到持续稳定的正弦波。6 6dfUU 由由1ofdodf UUUUUU得得1 FA正弦波振荡电路产生振荡的条件正弦波振荡电路产生振荡的条件 幅度平衡条件：幅度平衡条件：1 AFFA相位平衡条件：相位平衡条件：), 2, 1, 0(2FA nn 负反馈放大器的自激条件为负反馈放大器的自激条件为1 FA与上式差一负号，这是由于输入端规定的反馈信号与上式差一负号，这是由于输入端规定的反馈信号正方向不同所造成的。正方向不同所造成的。7 72、振荡的建立和稳定、振荡的建立和稳定 实际振荡电路不需外部激励信号，以实际振荡电路不需外部激励信号，以内内部噪声或外部干扰部噪声或外部干扰作输入信
4、号，经放大后再反馈，作输入信号，经放大后再反馈，周而复始使电路开始振荡。周而复始使电路开始振荡。 为了得到频率为为了得到频率为fo的正弦振荡，可用的正弦振荡，可用选频选频网络网络从噪声和干扰中选出频率为从噪声和干扰中选出频率为fo的成分，并使整的成分，并使整个振荡电路只对个振荡电路只对fo满足等幅振荡条件。满足等幅振荡条件。 从噪声和干扰中选出的从噪声和干扰中选出的fo分量幅度很小，分量幅度很小，起振过程应使振荡电路增幅振荡，即起振过程应使振荡电路增幅振荡，即当幅度足够大后，再继续增幅，将出现非线性失真，当幅度足够大后，再继续增幅，将出现非线性失真，则需振荡器幅度稳定。故在振荡电路中要有则需振
5、荡器幅度稳定。故在振荡电路中要有稳幅环稳幅环节节。1 FA8 83、电路组成、电路组成 放大电路放大电路正反馈网络正反馈网络选频网络选频网络稳幅电路稳幅电路按组成选频网络的元件不同：按组成选频网络的元件不同： RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 石英晶体正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路4、正弦波振荡电路的分类、正弦波振荡电路的分类正弦波振荡电路应具备下正弦波振荡电路应具备下述四个功能的部分组成：述四个功能的部分组成：9 96.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路1、文氏电桥（、文氏电桥（RC串并联）振荡器串并联）振荡器同相比例同相比例放大电路放大电路Z1、Z
6、2、 R3 与与R4形形成四个桥臂成四个桥臂RC选频网络，选频网络，兼正反馈网络兼正反馈网络10101）RC串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性)/1(111CjRZ 2222221/1/(CRjRCjRZ ）212ifZZZUUF 12211221111CRCRjCCRR RRR 21CCC 21 RCRCjF 131 oo31jRC1o 11112oo231 F3arctanoof 幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：当当= =o o时，电路达到谐振，时，电路达到谐振，电路呈电路呈“电阻性电阻性”，此时，此时31 F 0f RCf 21o 幅值最大幅值最大RC1o 12122）起振
7、条件及振荡频率）起振条件及振荡频率RC网络谐振时满足自激网络谐振时满足自激振荡的相位平衡条件。振荡的相位平衡条件。RCf 21o 振荡频率：振荡频率：由同相放大电路：由同相放大电路：431RRA 由幅度起振条件：由幅度起振条件：31 F由选频网络可知，谐振时：由选频网络可知，谐振时：1 FA3 A或或432RR 13133）稳幅环节）稳幅环节 为了改善振荡波形，一为了改善振荡波形，一般采用外稳幅电路。般采用外稳幅电路。Uo IR4 PR4 TR4 R4 431RRAUo 也可采用负温度系数的热敏电阻作也可采用负温度系数的热敏电阻作R3。R4采用正温度系数的热采用正温度系数的热敏电阻，可起稳幅作
8、用敏电阻，可起稳幅作用14142、RC移相式正弦波振荡器移相式正弦波振荡器移相网络采用移相网络采用RC移相器（最大移相移相器（最大移相90 ） 。超前超前移相移相滞后滞后移相移相反相放大电路在通频带内的反相放大电路在通频带内的移相为移相为180 。三节三节RC电路为移相兼反馈网电路为移相兼反馈网络，对某一频率可实现络，对某一频率可实现180 相移，从而满足振荡条件。相移，从而满足振荡条件。RCf621o 振荡频率：振荡频率：1515优点：结构简单。优点：结构简单。缺点：缺点：选频作用较差；选频作用较差；频率调节不方便；频率调节不方便；输出波形较差。输出波形较差。一般用于振荡频率固定且稳定性要求
9、不高的场合。一般用于振荡频率固定且稳定性要求不高的场合。1616RCf621o RCf 21o RC正弦波振荡器只能用作低频振荡器。正弦波振荡器只能用作低频振荡器。振荡频率的范围：振荡频率的范围：1Hz 几几MHz例如，桥式振荡器。例如，桥式振荡器。选选R=1k，C=200pF，则，则 fo=796Hz RC正弦波振荡器的振荡频率取决于正弦波振荡器的振荡频率取决于R、C的数值。的数值。若提高振荡频率若提高振荡频率fo ，必须选择较小的，必须选择较小的R和和C值。值。foR基本放大电路的负载加重；基本放大电路的负载加重；C受到管子结电容和分布电容的限制。受到管子结电容和分布电容的限制。当振荡频率
10、高于当振荡频率高于1MHz时，采用时，采用LC正弦波振荡器。正弦波振荡器。17176.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路nLC选频电路选频电路n变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路n电感反馈式（电感三点式）振荡电路电感反馈式（电感三点式）振荡电路n电容反馈式（电容三点式）振荡电路电容反馈式（电容三点式）振荡电路1818LjRCjLjRCjZ 1)(1一般一般R R，故近似认为石英晶体对于，故近似认为石英晶体对于fs 呈纯阻性。呈纯阻性。 当当f fs时，时，LCR支路呈感性，与支路呈感性，与Co产生并联谐振，产生并联谐振，等效为很大的纯电阻。等效为很大的纯电阻。串联谐振频率串联谐振频率L
11、Cf 21s 并联谐振频率并联谐振频率oop21CCCCLf os1CCf fsfp 33331）串联型）串联型 利用利用f = fs时，石英晶体呈纯时，石英晶体呈纯阻阻性，相移性，相移为为0 的特性构成的特性构成。2）并联型）并联型 当频率在当频率在fs与与fp之间（之间（ fsfp ），石英晶），石英晶体相当于体相当于电感电感。3、石英晶体正弦波振荡电路、石英晶体正弦波振荡电路3434 比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。其输出表示比较结果，只有两种可能比较的电路。其输出表示比较结果，只有两种可能的状态：高电平或低电平。的状态：高
12、电平或低电平。 比较器的输入信号是连续变化的模拟量，而输出比较器的输入信号是连续变化的模拟量，而输出信号则是高、低电平。所以，比较器可作为模拟电信号则是高、低电平。所以，比较器可作为模拟电路和数字电路的路和数字电路的“接口接口”，广泛地应用于，广泛地应用于A/D变换、变换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，此外数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，此外还可以用于非正弦波形的产生和变换电路。还可以用于非正弦波形的产生和变换电路。3535 比较器可用通用的集成运放组成，也可采用专用比较器可用通用的集成运放组成，也可采用专用集成比较器。集成比较器。常用的比较器类型有：单门限比较器、迟滞常用的
13、比较器类型有：单门限比较器、迟滞(滞回滞回)比较器、窗口比较器等。比较器、窗口比较器等。 由集成运放构成的比较器，运放通常工作在开环由集成运放构成的比较器，运放通常工作在开环状态或者引入正反馈，此时运放工作在非线性区。状态或者引入正反馈，此时运放工作在非线性区。虚断：虚断：ii0uu时，时，uoUom或或uoUZuu时，时，uoUom或或uoUZ36366.5.1 单门限比较器单门限比较器1、过零过零比较器比较器1）工作原理）工作原理当当ui0时，时，uo=+Uom；当；当ui0 时，时，uo= Uom；运放开环工作。运放开环工作。ui与与u+相比较。相比较。电压传输特性电压传输特性波形变换波
14、形变换37372）门限电压）门限电压(阈值）阈值） 当比较器的当比较器的由一种状态由一种状态为另一为另一种状态时相种状态时相称门限电压称门限电压UT。门限电压门限电压UT = 0如何求门限值如何求门限值列出集成运放同相输入端（列出集成运放同相输入端（u）和反相输入）和反相输入端（端（u）电位的表达式，令它们相等，求出）电位的表达式，令它们相等，求出的输入电压即为阈值电压。的输入电压即为阈值电压。38383）带限幅的比较器）带限幅的比较器输出电压幅度限制在某一范围。输出电压幅度限制在某一范围。引入负反馈引入负反馈3939令令u= u+0 uREF12iURRUuT REF12iURRu 若若即即
15、u+ + u- -则则uo = +Uz2、任意电平比较器、任意电平比较器RFF212i211URRRuRRRu 4040 单门限比较器只有一个单门限比较器只有一个门限电压（又称门限电压（又称为阈值）为阈值），当输入电压越过该门限电压时，当输入电压越过该门限电压时，输出电压发生跳变。具有电路简单、灵敏度输出电压发生跳变。具有电路简单、灵敏度高的特点。高的特点。小结小结4141 单门限比较器的抗干扰能力差单门限比较器的抗干扰能力差 当输入信号在参考电压附近时，当输入信号在参考电压附近时，如果输入信号还没有变化时，出如果输入信号还没有变化时，出现干扰信号，这个干扰信号就有现干扰信号，这个干扰信号就有
16、可能使比较器翻转，出现不希望可能使比较器翻转，出现不希望的误动作。的误动作。解决方法：采用迟滞比较器。解决方法：采用迟滞比较器。4242 6.5.2 迟滞比较器迟滞比较器1、电路结构及工作原理、电路结构及工作原理uu 令令得门限电压：得门限电压：o2f2RFF2ffuRRRURRRu z2f2RFF2ffTURRRURRRU z2f2RFF2ffTURRRURRRU 正反馈正反馈iuu uiuo0UT+UZ-UZUTz2f2TTT2URRRUUU UT称为称为门限宽度门限宽度（回差回差）4343 UT与与Uz、R2和和Rf有关，与有关，与UREF无关。无关。 UT 灵敏度灵敏度 抗干扰能力抗干
17、扰能力 ui UT时，比较器不翻转。时，比较器不翻转。uiuo0UT+UZ-UZUTz2f2TTT2URRRUUU 4444单门限比较器滞回比较器4545小结小结迟滞比较器有滞回特性。有两个阈值，但当输迟滞比较器有滞回特性。有两个阈值，但当输入电压向单一方向变化时输出仅跃变一次。入电压向单一方向变化时输出仅跃变一次。uiuo0UT+UZ-UZUT4646如何绘制电压传输特性曲线？如何绘制电压传输特性曲线？电压传输特性具有三个要素：电压传输特性具有三个要素：输出高、低电平输出高、低电平，阈值电压阈值电压，输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向。输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向。已知：集成运
18、放的最大输出电压已知：集成运放的最大输出电压Uom15V，稳压管的稳压值稳压管的稳压值UZ= 6V。4747 输出高、低电平输出高、低电平：取决于集成运放输出电压的最：取决于集成运放输出电压的最大幅值或输出端限幅稳压管的稳定电压。大幅值或输出端限幅稳压管的稳定电压。输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向输入电压过阈值电压时输出电压的跃变方向决定决定于输入电压是作用于集成运放的反相输入端还是于输入电压是作用于集成运放的反相输入端还是同相输入端。若为前者，则输入电压大于阈值电同相输入端。若为前者，则输入电压大于阈值电压时输出为低电平。若为后者，则输入电压大于压时输出为低电平。若为后者，则输入电压大
19、于阈值电压时输出为高电平。阈值电压时输出为高电平。阈值电压阈值电压：列出集成运放同相输入端（：列出集成运放同相输入端（u）和）和反相输入端（反相输入端（u）电位的表达式，令它们相等，）电位的表达式，令它们相等，求出的输入电压即为阈值电压。求出的输入电压即为阈值电压。4848已知：集成运放的最大输出电压已知：集成运放的最大输出电压Uom15V，稳压管的稳压值稳压管的稳压值UZ= 6V。49496.5.3 窗口比较器窗口比较器1、电路结构、电路结构 用于判断输入电平是否处于两个已知电压之间用于判断输入电平是否处于两个已知电压之间的电压比较器，常用于自动测试系统、故障检测的电压比较器，常用于自动测试
20、系统、故障检测系统等场合。系统等场合。5050 当当uiUH时，时，uo1为为高电高电平平，D1导通；导通；uo2为为低电平低电平, D2截止，截止，uo= uo1。 当当uiUL时，时，uo2为高为高电平，电平，D2导通；导通；uo1为低为低电平，电平，D1截止，截止，uo= uo2。 当当UHuiUL时，时，uo1为为低电平，低电平，uo2为低电平，为低电平，D1、D2截止，截止，uo为低电平。为低电平。5151n方波发生电路方波发生电路n三角波发生电路三角波发生电路n 锯齿波发生电路锯齿波发生电路52526.6.1 方波发生电路方波发生电路比较器的输出电压经一定延时，馈送作为比较器的比较
21、器的输出电压经一定延时，馈送作为比较器的输入电压，使比较器自行翻转，产生方波输出。输入电压，使比较器自行翻转，产生方波输出。1、电路组成、电路组成RC积分电路积分电路延时兼反馈延时兼反馈迟滞比较器迟滞比较器开关电路开关电路限流限流电阻电阻53532、工作原理、工作原理设设t=0时，时，uo=+Uz ， uC=0门限电平门限电平Z211TURRRU Z211TURRRU UZ 经经R向向C充电充电 uC按指数规律按指数规律 当当uC UT+ 时时 uo跳变为跳变为- -UZ此时此时C经经R放电放电 uC按指数规律按指数规律 当当uC UT- -时时 uo又上跳到又上跳到UZ5454如此周而复始，
22、产生如此周而复始，产生振荡，输出方波。振荡，输出方波。55553、振荡周期、振荡周期电容充放电过程中，电容充放电过程中，uc的变化规律如下：的变化规律如下： tCCCCeuuutu )()0()()(把把t1作为计时的起点作为计时的起点Z2110URRR)(uC ZU)(uC ZtZZCUeUURRRtu )(211RC t2t1=T/2Z2112URRR)t (uC 5656 21212RRlnRCT振荡频率：振荡频率：Tf1 57574、占空比可调的矩形波产生电路、占空比可调的矩形波产生电路 占空比：矩形波中高电平的持续时间与振荡周期占空比：矩形波中高电平的持续时间与振荡周期的比值。方波的
23、占空比为的比值。方波的占空比为50%。%100%1002111 TT CRrR 1dw1 CRrRR 2d ww2 其中其中rd是二极管是二极管D的导通电阻。的导通电阻。改变改变Rw 的中点位置，占空比就可的中点位置，占空比就可改变。改变。 为改变输出方波的占空比，可改变电容为改变输出方波的占空比，可改变电容C的充、的充、放电时间常数。放电时间常数。占空比：占空比：58586.6.2 三角波发生器三角波发生器三角波发生器是由迟滞比较器三角波发生器是由迟滞比较器A1和积分器和积分器A2闭环组闭环组合而成的。合而成的。1、电路组成、电路组成2、工作原理、工作原理设设t = 0时，时，uo1=+Uz
24、 运放运放A1同相端的电位：同相端的电位：212o211zRRRuRRRUu uC=0 ，uo= uC=0此时，此时， uo1通过通过R4向电容向电容C恒流充电，恒流充电，uC ，uo 。iC=Uz/R4过零比较过零比较5959 212o211zRRRuRRRUu当当u+0时，时，A1翻转，翻转，uo1 Uzz21omoURRUu C恒流放电，恒流放电，uC线性线性 ，uo线性线性 。C恒流充电，恒流充电，uC线性线性 ，uo线性线性 。 212o211zRRRuRRRUu6060 212o211zRRRuRRRUu当当u+0时，时，A1翻转，翻转，uo1跳变为跳变为+Uz。z21omoURR
25、Uu 如此周而复始，产生振如此周而复始，产生振荡，输出三角波荡，输出三角波C恒流放电，恒流放电，uC线性线性 ，uo线性线性 。61613、振荡周期、振荡周期214zmo444RCRRUUCRT mo4Z2121UdtRUCuttC t2 t1=T/262626.6.3 锯齿波发生电路锯齿波发生电路为了获得锯齿波，应改变积分器的充放电时间常数。为了获得锯齿波，应改变积分器的充放电时间常数。63636.6.4 6.6.4 压控振荡电路压控振荡电路 通过外加的电压控制端来控制输出信号的频率通过外加的电压控制端来控制输出信号的频率 -+R2R1R3uo1DZ-+uoCR5A1A2ZUR4Duiu+控
26、制电压控制电压u ui i0 0 设电源接通时，设电源接通时，u uo1o1=+U=+UZ Z，D D截止，截止，C C充电，充电，u uo o从零开始线性下降从零开始线性下降OtOtuo1UZ-UZuoUom-Uomu u+ +随之下降，当随之下降，当u u+ +降至零时，降至零时，u uo1o1跳变为跳变为-U-UZ Z，( (同时同时u u+ +跳变成一个负值跳变成一个负值),),二极管二极管导通，电容导通，电容C C快速放电，快速放电，u uo o直线上升，直线上升，u u+ +也随之增大也随之增大当当u u+ +增至零时，增至零时，u uo1o1再次发生跳变，由再次发生跳变，由-U-
27、UZ Z跳变为跳变为+U+UZ Z，二极管截止，二极管截止，u uI I对对C C充电，充电，u uo o开始下降开始下降如此反复，在积分电路的输出端，得到一个锯齿波，在比较器的输出端得到如此反复，在积分电路的输出端，得到一个锯齿波，在比较器的输出端得到一个矩形波。一个矩形波。6464-+R2R1R3uo1DZ-+uoCR5A1A2ZUR4Duiu+OtOtuo1UZ-UZT1T2uoUom-Uom锯齿波的幅值为锯齿波的幅值为u u+ +=0=0时的输出时的输出电压值，与三角波的幅值相同，电压值，与三角波的幅值相同，为为 ZomURRU21 u uo o从从U Uomom下降至下降至-U-Uo
28、mom所需的时间所需的时间T T2 2为为 ZomTIURRUdtuCR21042212 IZuURCRRT24122 二极管的正向电阻很小，因此电容的放电二极管的正向电阻很小，因此电容的放电时间时间T T1 1很短，可忽略不计很短，可忽略不计 IZuURCRRTTTT2412212 ZIUuCRRRf4122 6565本章内容的重点本章内容的重点1、RC、LC选频网络的选频原理，利用相位平衡选频网络的选频原理，利用相位平衡条件判断振荡电路能否起振及振荡频率的估算。条件判断振荡电路能否起振及振荡频率的估算。2、掌握求解各种比较器的门限电压及画传输特性、掌握求解各种比较器的门限电压及画传输特性的方法。的方法。3、熟悉集成运放组成的非正弦波发生器的工作原、熟悉集成运放组成的非正弦波发生器的工作原理和振荡频率的计算方法。理和振荡频率的计算方法。
