1、第八章第八章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换8.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路8.2 电压比较器电压比较器(1)正反馈足够强正反馈足够强,输入信号为输入信号为 0 时仍有信号输时仍有信号输出，这就是产生了自激振荡。出，这就是产生了自激振荡。(2)正弦波振荡电路就是一个没有输入信号、正弦波振荡电路就是一个没有输入信号、依靠电路的自激振荡产生依靠电路的自激振荡产生的放大电路。的放大电路。)()(FA、(3)要获得正弦自激振荡要获得正弦自激振荡,反馈回路中必须有选反馈回路中必须有选频电路。所以将放大倍数和反馈系数写成：频电路。所以将放大倍数和反馈系数写成：8.1 正弦波振荡电路正弦波
2、振荡电路自激振荡的条件：自激振荡的条件：1)()(FA（1）振幅条件：）振幅条件：1|AF（2）相位条件：）相位条件：nFA2n是整数是整数相位条件相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；意味着振荡电路必须是正反馈；振幅条件振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。可以通过调整放大电路的放大倍数达到。与负反馈产生自激振荡的条件有何不同？与负反馈产生自激振荡的条件有何不同？问题问题1：如何启振？如何启振？Uo 是振荡器的电压输出幅度，是振荡器的电压输出幅度，B是要求输出的幅是要求输出的幅度。起振时度。起振时Uo=0，达到稳定振荡时，达到稳定振荡时Uo=B。放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分
3、解放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分解为各种频率的正弦波分量，其中也包括有为各种频率的正弦波分量，其中也包括有fo分量。分量。选频网络：选频网络：把把fo分量选出，把其他频率的分量分量选出，把其他频率的分量衰减掉。这时，只要当衰减掉。这时，只要当f=f0时满足：时满足：|AF|1，且，且 A+F=2n，即可起振。即可起振。问题问题2：如何稳幅？如何稳幅？起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这时若时若|AF|仍大于仍大于1，则输出将会饱和失真。，则输出将会饱和失真。达到需要的幅值后，将参数调整为达到需要的幅值后，将参数调整为AF=1，即可稳幅。即
4、可稳幅。起振并能稳定振荡的条件：起振并能稳定振荡的条件：111AFBUAFBUAFBUooo时，时，时，一、正弦波振荡电路的基本组成部分一、正弦波振荡电路的基本组成部分1.放大电路：放大电路：起放大作用，保证输出从无到稳定。起放大作用，保证输出从无到稳定。2.选频网络：选频网络：确定电路的振荡频率确定电路的振荡频率 f0，保证电路产，保证电路产生单一频率的正弦波振荡生单一频率的正弦波振荡。3.正反馈网络：正反馈网络：满足振荡的相位条件。满足振荡的相位条件。4.稳幅环节：稳幅环节：为为非线性环节，保证电路输出稳定。非线性环节，保证电路输出稳定。常常合合二二而而一一二、判别电路是否会产生振荡的方法
5、二、判别电路是否会产生振荡的方法1.四个主要组成部分是否存在；四个主要组成部分是否存在；2.放大电路能否正常工作。即放大电路能否正常工作。即Q点点是否合适是否合适，信号是否可能正常传递信号是否可能正常传递；3.相位条件是否满足。即是否存在相位条件是否满足。即是否存在 f0，使电路使电路为正反馈；为正反馈；4.幅值条件是否满足。即电路是否可起振。幅值条件是否满足。即电路是否可起振。首先断开反馈，首先断开反馈，然后然后在断开处给放大电路加在断开处给放大电路加 ff0的信号的信号Ui，且规定其极性，由，且规定其极性，由 Ui的极性的极性 Uo的极性的极性 Uf的极性的极性 若若Uf与与Ui极性相同，
6、则电路可能产生自激振荡；否极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不可能产生自激振荡。则电路不可能产生自激振荡。常依据选频网络所用元件分类。常依据选频网络所用元件分类。1.RC正弦波振荡电路：正弦波振荡电路：f0 1MHz，常为，常为 10MHz几百几百MHz。体积大；。体积大；3.石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率的石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率的稳定度非常高。稳定度非常高。三、三、正弦波振荡电路正弦波振荡电路分类分类8.1.2 RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 用用 RC 电路构成选电路构成选频网络的振荡电路即频网络的振荡电路即为为 RC 振荡电路。常振荡电路。常见的有：见的有：RC串
7、并联、串并联、RC移相式、双移相式、双T式等，式等，在此仅介绍在此仅介绍 RC 串并串并联又称联又称文氏桥振荡电文氏桥振荡电路路。一、选频电路一、选频电路)(31)1(31 1 1 100offfffjRCRCjCjRCjRCjRUUF为特征频率为特征频率其中：其中：210RCf纯阻性纯阻性 F最大最大二、电路组成二、电路组成 f=f0 时，时，Fmax=1/3,F=0，要求放大电路要求放大电路Au3，为使放大电路参数，为使放大电路参数不影响不影响 f0，应引入电压串，应引入电压串联负反馈联负反馈 同相比例运同相比例运算电路。算电路。1f2RR 等幅振荡等幅振荡 1FA3111fFRRA三、稳
8、幅措施三、稳幅措施 因同相比例运算电路有因同相比例运算电路有非常好的线性度，故需加非常好的线性度，故需加稳幅环节：稳幅环节：改变电容以粗调，改变电位器滑动端以微调。改变电容以粗调，改变电位器滑动端以微调。四、频率调节四、频率调节 1.R1选正温度系数的热选正温度系数的热敏电阻，敏电阻，TR1A;2.反馈回路可串二极管，反馈回路可串二极管，I rDA。用分立元件组成的用分立元件组成的RC振荡器振荡器RCRC+UCCR1C2C3R3R2RE2C1RC2T1RE1CET2RC1RF+ube+RC网络构网络构成正反馈成正反馈RF、RE1构成负反馈构成负反馈8.1.3 LC正弦波正弦波振荡电路振荡电路L
9、C 振荡电路的选频电路由电感和电容构成，振荡电路的选频电路由电感和电容构成，可以产生高频振荡。可以产生高频振荡。由于高频运放价格较高，由于高频运放价格较高，所以一般用分离元件组成放大电路，所以一般用分离元件组成放大电路，必要时还采用共基电路。必要时还采用共基电路。本节只对本节只对 LC振荡电路做一简单介绍，重点掌握振荡电路做一简单介绍，重点掌握相位条件的判别。相位条件的判别。首先介绍一下首先介绍一下 LC 谐振网络。谐振网络。LCfo21谐振时回路电流谐振时回路电流比总电流大的多，比总电流大的多，外界对谐振回路外界对谐振回路的影响可以忽略！的影响可以忽略！CLRiUILI电路呈纯阻性，电路呈纯
10、阻性，电压与电流同相。电压与电流同相。P397 频率特性频率特性0ff 采用采用LC并联谐振回路的正弦波发生电路通常并联谐振回路的正弦波发生电路通常分为变压器耦合式和分为变压器耦合式和LC三端点式两大类。三端点式两大类。把并联把并联LC回路中的回路中的C或或L分成两个，则分成两个，则LC回路回路就有三个端点（电容三点式或电感三点式）就有三个端点（电容三点式或电感三点式）把三个端点分别与三极管的三个电极相连，组把三个端点分别与三极管的三个电极相连，组成成LC正弦波振荡电路。正弦波振荡电路。中间点接至发射极中间点接至发射极重点掌握重点掌握LC振荡电路产生的可能性判断即相振荡电路产生的可能性判断即相
11、位条件的判断位条件的判断采用瞬时极性法。采用瞬时极性法。+UCCCC1L1L2+例例1.电感反馈式振荡电路电感反馈式振荡电路正反馈正反馈中间抽中间抽头接地头接地CMLLf)2(21210 振荡频率振荡频率例例2.电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路2121021CCCCLf 正反馈正反馈例例3.采用共基放大电路的电容反馈式振荡电路采用共基放大电路的电容反馈式振荡电路正反馈正反馈作业：P464 8.12例例8.1.3：改正下电路之错误，使其可产生正弦波：改正下电路之错误，使其可产生正弦波 振荡，且保留原放大电路的基本接法。振荡，且保留原放大电路的基本接法。P405 例例8.1.3共射接法，但静共
12、射接法，但静态工作点不合适态工作点不合适小 结输入输入输出输出输出输出共射电路、共射电路、共集电路共集电路输入输入输出输出共基电路共基电路电感电感电容电容R1C1R2C2iUoURC选频网络选频网络确定运放工作区的方法：确定运放工作区的方法：判断电路中有无负反馈。判断电路中有无负反馈。若有负反馈，则运放工作在线性区；若有负反馈，则运放工作在线性区；若无负反馈，或有正反馈，则运放工作在非线性区。若无负反馈，或有正反馈，则运放工作在非线性区。处于非线性状态运放的特点：处于非线性状态运放的特点：1.虚短路不成立。虚短路不成立。2.输入电阻仍可以认为很大（即虚断仍存在）。输入电阻仍可以认为很大（即虚断
13、仍存在）。3.输出电阻仍可以认为是输出电阻仍可以认为是0。8.2 电压比较器电压比较器（用于（用于A/D转换、波形变换）转换、波形变换）此时集成运放工作在非线性区（开环或正反馈）此时集成运放工作在非线性区（开环或正反馈）_+_+_+_ uo ui uRR1R2电路电路电压比较器定义：比较两个电压的大小，输出用高、电压比较器定义：比较两个电压的大小，输出用高、低电平表示比较结果。低电平表示比较结果。电压比较器分类电压比较器分类1.单限比较器：一个阈值电压单限比较器：一个阈值电压 UT 2.滞回比较器：两个阈值电压，滞回比较器：两个阈值电压，uI 单调变化时，单调变化时，输出仅跳变一次输出仅跳变一
14、次 3.窗口比较器：两个阈值电压窗口比较器：两个阈值电压，uI 单调变化时，单调变化时，输出跳变两次输出跳变两次_+_+_+_ uo ui uRR1R2输出电压输出电压uo由输入由输入电压电压ui和参考电压和参考电压uR大小关系决定。大小关系决定。uT称为阈值电压。称为阈值电压。电压传输特性电压传输特性(输入输入与输出的关系与输出的关系)：uiuo+Uom-UomuR此为反相比较器此为反相比较器单限比较器单限比较器_+_+_+_ uo ui uRR1R2电压传输特性：电压传输特性：uiuo-Uom+UomuR同相比较器：同相比较器：uR=0时，称为过零比较器+uouitui例：例：利用过零电压
15、比较器利用过零电压比较器将正弦波变为方波。将正弦波变为方波。uot+Uom-Uom输入级的保护电路输入级的保护电路输出限幅电路输出限幅电路稳压管接在反馈通路中稳压管接在反馈通路中1.DZ导通时引入负反馈。有导通时引入负反馈。有虚地，可保护输入极。虚地，可保护输入极。2.运放工作于线性区，可提运放工作于线性区，可提高输出电压变化速度。高输出电压变化速度。电路改进：电路改进：一般单限比较器及其电压传输特性一般单限比较器及其电压传输特性0212211REFTNURRRuRRRuREFTURRU12如何求阈值电压如何求阈值电压UT?例题：例题：P413 例例8.2.1单限比较器的特点单限比较器的特点1
16、 1、电路简单。、电路简单。2 2、当、当A A0 0不够大时，不够大时，输出边沿不陡。输出边沿不陡。3 3、输入在阈值电压、输入在阈值电压附近任何微小的变附近任何微小的变化，都会引起输出化，都会引起输出的跃变，容易引入的跃变，容易引入干扰。干扰。tuiuot过零附近仍过零附近仍处于放大区处于放大区 滞回比较器滞回比较器一、反相的滞回比较器一、反相的滞回比较器分析：分析：1.因为有正反馈，所以因为有正反馈，所以输出很快达到饱和。输出很快达到饱和。2.当当uo正饱和时：正饱和时：URHomRUURRRU2113.当当uo负饱和时：负饱和时：LomRUURRRU211+uoRR2R1ui参考电压由
17、参考电压由输出电压决定输出电压决定tuiUom-UomU+H-U+L称称为回差为回差电压传输特性电压传输特性跳转时，正反馈加速跳转跳转时，正反馈加速跳转小于回差的干扰不会引起跳转小于回差的干扰不会引起跳转下限下限上限上限uoui0Uom-UomU+HU+LtuiU+HU+L输入正弦波的情况输入正弦波的情况:+uoRR2R1uiURRomHURRRURRRU212211RomLURRRURRRU212211电路改进：电路改进：加上参考电压加上参考电压0uouiU+HU+L传输曲线传输曲线加上参考电压后的上下限：加上参考电压后的上下限：uoui0Uom-Uom传输特性曲线传输特性曲线0211212
18、omHURRRURRRu+=0 时翻转，可以求出上下限。时翻转，可以求出上下限。0211212omLURRRURRR二、同相滞回比较器二、同相滞回比较器+uoRR2R1uiomHURRU21omLURRU21U+HU+L电路改进：电路改进：为了稳定输出电压，可以在输出端加为了稳定输出电压，可以在输出端加上双向稳压管。上双向稳压管。思考题：思考题：如何计算上下限？如何计算上下限？答：答：计算方法同前！计算方法同前！uo UZ+RR2R1ui电压传输特性的电压传输特性的三要素分析方法总结三要素分析方法总结1.输出电压输出电压UO：由限幅电路确定由限幅电路确定 UOL 和和 UOH3.输出输出UO在
19、在 uI 过过 UT 时的跳变方向：时的跳变方向：uI接接uIUT uIUTuI接接uIUTuIUT2.阈值电压阈值电压UT：由由 UN=UP UT=uI。例例8.2.2：试画出输出电压波形。：试画出输出电压波形。3V Z211TURRRU小于回差的干扰小于回差的干扰不会引起跳变不会引起跳变反相反相例例8.2.3：设计一符合下电压传输特性的比较器：设计一符合下电压传输特性的比较器,要求电阻阻值在要求电阻阻值在20100k间。间。同相同相2Z1I21P)11(RURuRRuZ21TURRU设：设：UZ=6V R2=2R1，设：，设：R1=25k R2=50k同相端同相端窗口比较器窗口比较器输出限幅输出限幅设：设：URH URL 0uI URL uO1=-UOM，uO2=+UOM uO=+UZURL uI URH uO1=+UOM，uO2=-UOM uO=+UZ
