1、第四篇第四篇电子电路综合与应用电子电路综合与应用第一章第一章 函数信号发生电路函数信号发生电路4.1.1 电压比较器电压比较器一、基本比较器一、基本比较器利用运放的开环特性利用运放的开环特性A-+vsvovovsVom+Vom-理想理想实际实际0 过零比较器过零比较器电压比较器是指一种将输入信号与已知参考电压进电压比较器是指一种将输入信号与已知参考电压进行比较，并用输出电平的高、低来表示比较结果的行比较，并用输出电平的高、低来表示比较结果的功能电路。功能电路。同相过零比较器同相过零比较器 单门限比较器单门限比较器A-+vsvoVRR0vovs+VZ-VZ0VR抗干扰差抗干扰差 滞回比较器滞回比
2、较器输入比较电压接反输入比较电压接反相端，相端，参考电压参考电压在在同相端，同相端，输出与输输出与输入构成正反馈。入构成正反馈。滞回比较器有同相输入和反相输入两种方式。滞回比较器有同相输入和反相输入两种方式。SNvvREFffOfPVRRRvRRRv当当vOVOH时，时，称为，称为上触发上触发电平电平当当vOVOL时，时，称为，称为下触发下触发电平电平 THREFffOHfpVVRRRVRRRvTLREFffOLfpVVRRRVRRRv当当 时，时，THsVv OLoVv TLsVv OHoVv 当当 时，时，电压传输特性电压传输特性（施密特触发器）（施密特触发器）(+)(-)(-)反相输入反
3、相输入VTH和和VTL是比较器输出电平翻转的两个阈值电平。是比较器输出电平翻转的两个阈值电平。输入和输出之间的关系用电压传输特性表示输入和输出之间的关系用电压传输特性表示由于其特性如同滞迟回线，由于其特性如同滞迟回线，故称滞迟比较器（或施密故称滞迟比较器（或施密特触发器）特触发器）回差电压回差电压如输入信号为三角波，如输入信号为三角波，VREF为正参考电压，则输出为正参考电压，则输出是一个方波。是一个方波。初始状态初始状态为：为：vOVOH在在vOVOH时时，vPVTH。只有当只有当vS上升到上升到 VTH时，时，输出才跳变为低电平。输出才跳变为低电平。在在vOVOL时时，vPVTL。只有当只
4、有当vS下降到下降到 VTL时，时，输出才跳变为高电平。输出才跳变为高电平。回差电压回差电压从滞回比较器电压传输特性可知，它有一个十分重要的特性：从滞回比较器电压传输特性可知，它有一个十分重要的特性：回差特性回差特性。以同相滞回比较器为例，电路由低电平翻转到高电平所需的以同相滞回比较器为例，电路由低电平翻转到高电平所需的触发电平触发电平VTH，和由高电平翻转到低电平所需的触发电平，和由高电平翻转到低电平所需的触发电平VTL不一致不一致特性。这两个触发电平之差称特性。这两个触发电平之差称回差电压回差电压（简称（简称回差回差）。）。回差特性回差特性反相反相滞回比较器滞回比较器同相同相滞回比较器滞回
5、比较器TLTHVVV回差电压回差电压回差是滞回比较器的固有特性，它的大小可以通过有关电回差是滞回比较器的固有特性，它的大小可以通过有关电阻调节。回差电压越大，电路越不易误触发，即抗干扰能阻调节。回差电压越大，电路越不易误触发，即抗干扰能力越强。力越强。1、运算电路、运算电路为了实现性能稳定并满足一定的精度要为了实现性能稳定并满足一定的精度要求，电路中的运放均引入负反馈，运放处于线性工求，电路中的运放均引入负反馈，运放处于线性工作范围，分析输出和输入关系时要用作范围，分析输出和输入关系时要用“虚短虚短”“”“虚虚断断”概念。概念。2、为了提高、为了提高比较器比较器的灵敏度和反应速度，电压比较的灵
6、敏度和反应速度，电压比较器不仅没有引入负反馈，有时甚至引入正反馈，运器不仅没有引入负反馈，有时甚至引入正反馈，运放工作在放工作在开环或正反馈开环或正反馈状态，因此绝大多数情况下状态，因此绝大多数情况下处于处于非线性非线性工作范围，工作范围，不存在不存在“虚短虚短”等深度负反等深度负反馈概念。但馈概念。但“虚断虚断”仍能用。输出开关状态，有仍能用。输出开关状态，有高、高、低电平二个稳定状态低电平二个稳定状态。分析方法：着重抓住比较器的输出从一个电平跳变分析方法：着重抓住比较器的输出从一个电平跳变到另一个电平（此时处在线性工作状态）的临界条到另一个电平（此时处在线性工作状态）的临界条件（此时运放两
7、个输入端之间的电压可视为零）所件（此时运放两个输入端之间的电压可视为零）所对应的输入电压值来分析输入量与输出量之间的关对应的输入电压值来分析输入量与输出量之间的关系。系。同相滞回比较器同相滞回比较器输入比较电压接同相端，参考电压在反相端，输入比较电压接同相端，参考电压在反相端，输出与输入构成正反馈。输出与输入构成正反馈。同相输入同相输入三、窗口比较器和三态比较器三、窗口比较器和三态比较器 窗口比较器窗口比较器RHVRLV当当vSVRL时时，vO1=VOL，vO2=VOH，vO=VOH；当当vSVRH时时，vO1=VOH，vO2=VOL，vO=VOH；当当VRL vSVRH时时，vO1=VOL，
8、vO2=VOL，vO=0；三态比较器三态比较器1RV2RV21RRVV令D2导通，导通，D1截止截止OLOVvOLOOVvv212RSVv时时D2截止，截止，D1导通导通OHOVvOHOOVvv211RSVv时时D2截止，截止，D1截止截止0OvOHOOLOVvVv21,12RSRVvV时时四、集成电压比较器四、集成电压比较器前面介绍的各种电压比较器都是由通用型运放构成前面介绍的各种电压比较器都是由通用型运放构成的，工作速度较低，响应时间较长，且输出电平与的，工作速度较低，响应时间较长，且输出电平与数字电路数字电路TTL器件不兼容。器件不兼容。集成电压比较器实质上是一种模拟电路与数字电路集成电
9、压比较器实质上是一种模拟电路与数字电路之间的接口电路。其优点是：之间的接口电路。其优点是：输入级与通用型运放相同，输出级与数字电路要求输入级与通用型运放相同，输出级与数字电路要求一致，多为集电极开路一致，多为集电极开路(OC)或发射极开路或发射极开路(OE)频带较宽，无需相位补偿频带较宽，无需相位补偿 翻转速度较快翻转速度较快 常带有可控制的选通端，当需要结果的时候，输出常带有可控制的选通端，当需要结果的时候，输出被选通；不需要的时候，比较器与外电路隔离。被选通；不需要的时候，比较器与外电路隔离。LM311型集成比较器型集成比较器 电源电压可以单组电源电压可以单组+5V，也可，也可15V，适应
10、范围宽。，适应范围宽。输出与输出与TTL或或CMOS电平兼容；可以直接驱动多电平兼容；可以直接驱动多种负载（灯泡、继电器等）。种负载（灯泡、继电器等）。输入和输出都可以与系统地隔离，输出可以驱动输入和输出都可以与系统地隔离，输出可以驱动以地为参考或以正、负电源为参考的负载。以地为参考或以正、负电源为参考的负载。功能框图与引脚功能框图与引脚特点：特点：常用接线方式常用接线方式集电极输出，以正、集电极输出，以正、负电源为参考负电源为参考集电极输出，以外集电极输出，以外接电源和地为参考接电源和地为参考射极输出，以正电射极输出，以正电源和地为参考源和地为参考应用举例应用举例磁性传感器检测电路磁性传感器
11、检测电路继电器驱动电路继电器驱动电路 MC14574（CMOS）集成四电压比较器）集成四电压比较器 与与CMOS电路兼容，功耗低，输入阻抗高电路兼容，功耗低，输入阻抗高 电源电压范围宽：电源电压范围宽：515V或或 (2.57.5)V 转换速率快转换速率快功能框图与引脚功能框图与引脚特点：特点：应用举例应用举例单限比较器单限比较器双电源供电双电源供电单限比较器单限比较器单电源供电单电源供电施密特触发器施密特触发器4.1.2 非正弦波发生器非正弦波发生器一、由集成运放组成的非正弦波发生器一、由集成运放组成的非正弦波发生器电路中的电路中的R和和C组成组成电容电容充放电回路充放电回路，R0、Dz1、
12、Dz2是输出电压的双向限是输出电压的双向限幅电路，与运放、幅电路，与运放、R1和和R2构成构成反相滞回比较器反相滞回比较器电路电路。工作原理工作原理当合上电源瞬间当合上电源瞬间，vC 0，假，假设输出为高电平（设输出为高电平（vO+VZ)。当当vO-VZ时时，电容，电容C放电放电，vC下降。当降至下限触发电平下降。当降至下限触发电平VTL时时()，输出状态，输出状态翻翻转为高电平转为高电平，即，即vO+VZ。211RRRVVZTL当当vO+VZ时时，输出电压，输出电压vO通通过过R对电容对电容C充电充电，电容电压，电容电压vC以指数规律上升。当升至反以指数规律上升。当升至反相滞回比较器的上限触
13、发电平相滞回比较器的上限触发电平VTH时时()，输出状，输出状态态翻转为低电平翻转为低电平，即，即vO-VZ。211RRRVVZTH周而复始，得到方波周而复始，得到方波和三角波。和三角波。振荡频率振荡频率f利用一阶利用一阶RC电路电容电路电容电压的过渡过程计算电压的过渡过程计算（三元素法三元素法）可求振）可求振荡周期或频率。荡周期或频率。tCCCCevvvtv)()0()()(2121ln2RRRCTRC211)0(RRRVvZCZCVv)(211)2()(RRRVTvtvZCC当当 时，时，2Tt RCTZZZZeVRRRVVRRRV22112112121ln211RRRCTf 改进电路（改
14、善三角波的线性度）改进电路（改善三角波的线性度）该电路的三角波线性不好该电路的三角波线性不好是主要的缺点，设想采用是主要的缺点，设想采用恒流充放电恒流充放电的的积分电路积分电路来来取代取代RC回路，则可得到线回路，则可得到线性优良的三角波。性优良的三角波。积分器积分器同相滞回比较器同相滞回比较器 振荡原理定性说明：振荡原理定性说明：合上电源瞬间，合上电源瞬间，假定比较器输出假定比较器输出为低电平，为低电平，vO2=VOL=-VZ。22111212oopvRRRvRRRvtRCVdtRVCvvZtZco011积分器作正方向积分，积分器作正方向积分，vO1线性上升，线性上升，随着上升，当随着上升，
15、当 时，即时，即比较器翻转为高电平，比较器翻转为高电平，vO2=VOH=+VZ。pv0pvZoVRRv211积分器又开始作负方向积分，积分器又开始作负方向积分，tRCVdtRVCvvZtZco011vO1线性下降，线性下降，pv当当 时，即时，即0pvZoVRRv211比较器翻转为低电平，比较器翻转为低电平，vO2=VOL=-VZ。随着下降，随着下降，周期周期tRCVvZo1)2(221TRCVVRRZZ214RRRCT 改进电路（锯齿波发生电路）改进电路（锯齿波发生电路）tt001Ov2OvZVZV这只要将积分器的正向和负向积分回路分开，并能这只要将积分器的正向和负向积分回路分开，并能调节正
16、负方向积分的时间常数即可。调节正负方向积分的时间常数即可。把把R用下图代替用下图代替二、二、CMOS门电路组成的晶体振荡器门电路组成的晶体振荡器用逻辑门电路和石英晶体能构成振荡频率很稳定的用逻辑门电路和石英晶体能构成振荡频率很稳定的脉冲波形，通常用在数字逻辑电路中，作为时钟脉脉冲波形，通常用在数字逻辑电路中，作为时钟脉冲信号。冲信号。串联型晶体多谐振荡器串联型晶体多谐振荡器将谐振频率选在将谐振频率选在串联谐振串联谐振频率频率 fs。由于谐振时电抗。由于谐振时电抗为为0，把晶体设置在正反，把晶体设置在正反馈回路。电路中，馈回路。电路中，R是偏是偏置电阻，静态时使门置电阻，静态时使门G1工工作在作
17、在线性放大区线性放大区，以利容，以利容易起振。易起振。并联型晶体多谐振荡器并联型晶体多谐振荡器频率选在频率选在fs和和fp之间，使晶体呈现电感性，以便形之间，使晶体呈现电感性，以便形成电容三点式的振荡。成电容三点式的振荡。温度校正温度校正电容电容波形波形整形整形频率微频率微调电容调电容四、压控振荡器（四、压控振荡器（VCO或或V/F)在一些使用场合，要求电路的振荡频率与控制电压在一些使用场合，要求电路的振荡频率与控制电压成比例，即电压控制振荡频率。成比例，即电压控制振荡频率。电路由一个积分电路由一个积分器和一个同相滞器和一个同相滞回比较器组成。回比较器组成。二极管作隔离，二极管作隔离，并作快速
18、放电通并作快速放电通路。稳压管用作路。稳压管用作同相比较器输出同相比较器输出限幅。限幅。VS0时，假定同相比较器输出时，假定同相比较器输出高电平（高电平（=VZ），），D截止，积截止，积分器反向积分，分器反向积分，vO线性下降，线性下降，当当vO下降至下降至0并继续下降至并继续下降至VTL时，比较器输出变为低电平（时，比较器输出变为低电平（-VD-0.7V），随后），随后D导电，导电，C放电（较快），放电（较快），电位上升，当电位上升，当升至升至VTH时，输出又变高电平，时，输出又变高电平，如此周而复始，产生振荡。如此周而复始，产生振荡。工作原理：工作原理：434334340RRVvRRRVR
19、RRvZOZO43RRVVZTL434334340RRVvRRRVRRRvDODO43RRVVDTH11 1211TCRVdtVCRVSttSom从波形图可知，反向积分时间长，而放电时间很短，从波形图可知，反向积分时间长，而放电时间很短，振荡周期由反向积分时间决定，所以有振荡周期：振荡周期由反向积分时间决定，所以有振荡周期：ZomVRRV4311432TCRVVRRSZSDZVVVRCRRT4311DZSVVVCRRRf314 充放电电流相等的压控振荡器充放电电流相等的压控振荡器该图增加了一只该图增加了一只R 1电阻，其它没有变，所以充放电电阻，其它没有变，所以充放电时间一样，产生的是三角波和
20、方波输出。时间一样，产生的是三角波和方波输出。4.1.6 单片集成多功能函数发生器单片集成多功能函数发生器 ICL8038简介简介 集波形发生与波形变换于一体的多功能单片集成集波形发生与波形变换于一体的多功能单片集成函数发生器函数发生器 有正弦波、矩形波、三角波、锯齿波四种波形输有正弦波、矩形波、三角波、锯齿波四种波形输出出 占空比可任意调节占空比可任意调节 频率范围为频率范围为0.001Hz1MHz 失真度失真度0.1 输出信号的频漂很小输出信号的频漂很小原理是由触发原理是由触发器控制开关恒器控制开关恒流充电还是恒流充电还是恒流放电，产生流放电，产生方波和三角波，方波和三角波，三角波再转换三角波再转换成正弦波。成正弦波。原理框图原理框图引脚排列引脚排列 基本接法基本接法上拉电阻上拉电阻(因内部集电因内部集电极开路输出极开路输出)不外接压控不外接压控调频时，调调频时，调频外接短路频外接短路外接频率调节，外接频率调节，(Ra=Rb时，占时，占空比为空比为50%)外接定时电容，外接定时电容，决定波形频率决定波形频率正弦波输出时正弦波输出时的失真度校准的失真度校准 应用举例应用举例音频函数发生器音频函数发生器输出波形选择输出波形选择输出幅度调节输出幅度调节
